毕业设计开题报告：通用PWM发生器的研制

毕业设计（论文）

开 题 报 告

题 目 通用PWM波 发生器的研制 专 业 电气工程及其自动化 班 级 学 生 指导教师

2014 年

一、毕业设计(论文)课题来源、类型

课题来源：自选题目。

类型:硬件制作。 二、选题的目的及意义

脉宽调制PWM是开关型稳压电源中的术语。这是按稳压的控制方式分类的，除了PWM型，还有PFM型和PWM、PFM混合型。脉宽宽度调制式（PWM）开关型稳压电路是在控制电路输出频率不变的情况下，通过电压反馈调整其占空比，从而达到稳定输出电压的目的。脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置，来实现晶体管或MOS管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变。这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。

在模拟电路中，模拟信号的值可以连续进行变化，在时间和值的幅度上都几乎没有，基本上可以取任何实数值，输入与输出也呈线性变化。所以在模拟电路中，电压和电流可直接用来进行控制对象，例如家用电器设备中的音量开关控制、采用卤素灯泡灯具的亮度控制等等。但模拟电路有诸多的问题：例如控制信号容易随时间漂移，难以调节；功耗大；会产生一些不必要的热损耗；易受噪声和环境干扰等等。能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重(如老式的家庭立体声设备)和昂贵。与模拟电路不同，数字电路是在预先确定的范围内取值，在任何时刻，其输出只可能为ON和OFF两种状态，所以电压或电流会通/断方式的重复脉冲序列加载到模拟负载。PWM技术是一种对模拟信号电平的数字编码方法，通过使用高分辨率计数器（调制频率）调制方波的占空比，从而实现对一个模拟信号的电平进行编码。其最大的优点是从处理器到被控对象之间的所有信号都是数字形式的，无需再进行数模转换过程；而且对噪声的抗干扰能力也大大增强（噪声只有在强到足以将逻辑值改变时，也可能对数字信号产生实质的影响），避免了以上的缺陷，实现了用数字方式来控制模拟信号，可以大幅度降低成本和功耗。这也是PWM在通讯等信号传输行业得到大量应用的主要原因。PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也

才能对数字信号产生影响。对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。PWM对调速系统来说，有如下优点:系统的响应速度和稳定精度等指标比较好;电枢电流的脉动量小，容易连续，而且可以不必外加滤波电抗也可以平稳工作;系统的调速范围宽;使用元件少、线路简单。PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一, 从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制SPWM信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的PWM信号输出，可以说直到目前为止，PWM在各种应用场合仍占主导地位,并一直是人们研究的热点。脉冲宽度调制广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中，由于其四象限变流的特点，可以反馈再生制动的能量，对于目前国家提出的节能减排具有积极意义。总之，PWM既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。所以通用PWM波发生器的研制意义重大。 三、本课题在国内外的研究状况及发展

PWM控制技术的发展主要包括脉冲触发电路的发展和脉冲触发电路算法的发展两大方面。 1.脉冲触发电路的发展 1.1由电子管、晶体管组成的 1906年，第一个电子管诞生；1912年前后，电子管的制作日趋成熟引发了无线电技术的发展；1918年前后，逐步发现了半导体材料；1920年，发现半导体材料所具有的光敏特性；1932年前后，运用量子学说建立了能带理论研究半导体现象；1956年，硅台面晶体管问世电子管，是一种在气密性封闭容器中产生电流传导，利用电场对真空中的电子流的作用以获得信号放大或振荡的电子器件。由于电子管体积大、功耗大、发热厉害、寿命短、电源利用效率低、结构脆弱而且需要高压电源的缺点，很快就不适合发展的需求，被淘汰的命运就没躲过。

晶体管，是一种固体半导体器件，可以用于检波、整流、放大、开关、稳

压、信号调制和许多其它功能。类似的应用还包括高压直流输出,静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅局限在中低频范围内。晶体管很快就成为计算机“理想的神经细胞”，从而得到广泛的使用。虽然晶体管的功能比电子管大了很多，但由于电子信息技术的发展，晶体管也越来越不适合科技的发展。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅局限在中低频范围内。 由于电子管和晶体管存在这些自身的缺陷，所以由这些电子器件组成的脉冲触发电路体积庞大，线路复杂，不易检修。 1.2由集成电路组成的 所谓集成电路（IC），就是在一块极小的硅单晶片上，利用半导体工艺制作上许多晶体二极管、三极管及电阻、电容等元件，并连接成完成特定电子技术功能的电子电路。从外观上看，它已成为一个不可分割的完整器件，集成电路在体积、重量、耗电、寿命、可靠性及电性能方面远远优于晶体管元件组成的电路，目前为止已广泛应用于电子设备、仪器仪表及电视机、录像机等电子设备中。1960年12月，世界上第一块硅集成电路制造成功，1966年，美国贝尔实验室使用比较完善的硅外延平面工艺制造成第一块公认的大规模集成电路。1988年：16M DRAM问世，1平方厘米大小的硅片上集成有3500万个晶体管，标志着进入超大规模集成电路阶段的更高阶段。1997年：300MHz奔腾Ⅱ问世,采用0.25μｍ工艺，奔腾系列芯片的推出让计算机的发展如虎添翼，发展速度让人惊叹。2009年：intel酷睿i系列全新推出，创纪录采用了领先的32纳米工艺，并且下一代22纳米工艺正在研发。集成电路制作工艺的日益成熟和各集成电路厂商的不断竞争，使集成电路发挥了它更大的功能，更好的服务于社会。进入八十年代,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展,为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合,出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的问世,而后绝缘门极双极晶体管(IGBT)出现。MOSFET和IGBT的相继问世,是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据统计,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在电力电子领域巳成定论。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率,

使其性能更加完善可靠,而且使现代电子技术不断向高频化发展,为用电设备的

高效节材节能,实现小型轻量化,机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。 集成化的越来越好的发展，使这些新型电力电子器件出现，正是有这些硬件上的支持，PWM技术才得以产生。 2.脉冲触发电路算法的发展 经典的脉冲触发电路如下图示：

通电后IC的7脚由电阻分压产生8.25V的直流电压，刚通电时6脚电位低于7脚，比较器(LM339)1脚输出高电位，R3的正反馈作用，使得比较器迅速饱和，随着时间的推移，电容逐渐充电，6脚的电位逐渐升高，当高于7脚的电位时(8.25V)，比较器突然翻转，1脚输出低电位，同样正反馈的作用使得该过程更强烈，此时电容通过R4和二极管D1向LM339的1脚放电。当电容上的电压低于IC7脚的电压(这时可能不是8.25V了，因为1脚的低电位会影响到7脚电压)时，电路再次翻转，重复前面的过程，从而在电容两端形成了8000Hz的锯齿波电压。该锯齿波电压直接施加于比较器的4脚，又和控制电压进行比较，当电容两端电压高于控制电压时，比较器输出低电位，低于控制电压时输出高电位，相当于把锯齿的上半部分切掉了，因此控制电压越高，锯齿切掉的越少，输出的脉宽就越宽。稳压二极管在这里起削波的作用，实现脉出的整形。这个电路设计的非常经典，是非常好的脉宽调制电路。

2.1均值PWM波脉宽调制技术 设法控制感应电动机电压中的谐波成分，就能改变感应电动机的运行特性，而消除逆变器输出电压中的3、5、7次等有害谐波分量，可是感应电动机获得良好的运行特性。为此，根据等面积PWM控制方式的原理，选择最佳脉冲中心线位置，可使得其PWM波形的谐波成分最小，并定义这一调制方法为均值PWM法。

均只能PWM法与消除谐波最优的PWM法相比有如下特点： (1)抑制谐波方面，最优PWM法挑选需要抑制的那些谐波进行抑制，均值PWM法对各次谐波的抑制均有很好的效果，而最优PWM法则不行。 (2)用微机实现的均值PWM方法比实现最优PWM法简单、方便。 (3)均值PWM法的基波电压控制比最优PWM法的基波电压控制简单，有利于用微机实现和编程。 经推到得到以下公式： PWM波脉宽参数和载波周期计算值为

1TAi1iicoscos22NENN 1Ai1iTcoscoscE2NN TcT2N 注：

Tc：

载波频率， 为脉宽参数， N为载波倍数， i为-N到N，

2.2次最优PWM波 微机越来越多的应用在需要调速驱动的工业领域中，在许多场合中不仅要求严格的实现实时控制，而且要求尽量利用微机的软件功能，降低成本，提高系统可靠性及控制的灵活性，以便更方便的改善系统控制性能，以适应不同的控制场合和控制要求。因此，要求推出既简单、又有效地利用微机软件实时在线产生控制PWM波形的各种开关方案。尽管最优PWM调制方案能优化某些性能指标，特别是在低频比（低PWM脉冲数）时比较明显，对逆变器来说，这是一种较为理想的方案，但由于PWM波基波频率一般与PWM最优开关角

呈线性关系，，缺乏确定的调制过程，要用微机实时在线产生最优PWM波的开关方案，目前还比较困难。因为这不仅需要大量的脱机离线计算而且需占用大量的ＥＰＲＯＭ存储单元以存储优化结果，同时由于每个调制周期内设置的开关次数不能太高，否则不仅需设置很复杂的控制软件，而且控制软件的灵活性和适应性都较差。 然而最优ＰＷＭ法的优缺点却给人们展示了一种研究解决问题的方式和方法：即可否采用载波调制方法，合理选择调制波形或载波波形，达到既有确定的、易与用微机实现的调制过程，又能体现最优ＰＷＭ调制方式的特点，扬长避短，推出新的ＰＷＭ波控制方案的可能性。用对一个正弦调制波采样的方法产生最优ＰＷＭ波形时，需要一个非线性的采样过程，虽然确定此非线性采样过程是可能的，但用微机软件实现却非常复杂，如果在确定的线性调制过程基础上，则有可能选择适合的调制波形，近似的实现最优ＰＷＭ开关方案。在此基础上，提出了一种基于谐波电流最小化的次最优ＰＷＭ开关方案并用微机实现。 次最优ＰＷＭ方法是一种载波调制方法。它既可用模拟方法也可用数字方法加以实现，若用微机实现，即可充分利用微机的计算能力，又能体现次最优ＰＷＭ法易于实现实时在线计算和产生较好的波形（谐波电流失真率小）的特点。同时采用微机实现计算ＰＷＭ脉宽，经定时后转换为时间脉冲以控制逆变器ＧＴＲ的通断，既能省去用模拟方法实现时所需的复杂的三角形载波和调制波信号发生器，又能大大的简化硬件系统的结构。

根据规则非对称采样原理可求得脉宽Toffzi、Tonzi分别为： Toffzizi

TonziTzi1-zi2 为载波的第i个关断周期，

注：i=0,1,2.......，

ToffziTonzi为载波的的第i个开通周

期， 为脉宽参数。

2.3ＤＰＷＭ（直接PWM）波 目前由微机产生ＰＷＭ波控制的逆变器实施对异步电机进行调速的方

法有查表法、混合法和实时计算法。查表法未能充分利用微机的计算功能，且存储开关角占用大量的内存，频率分辨率受到存储空间的，导致了调速精度的降低，最优脉宽调制法一般采用查表法来实现。混合法是采用查表法与实时计算法相结合，微机只需做简单的运算便可求出PWM波的开关点，尽管它占用内存容量较少，但仍未能较好地解决提高调速精度的关键问题。为了实时计算PWM波的开关点，实时计算法可采用提高微机运算速度和在算法上减少微机的实时计算量的方法加以改进。实践证明：最有效的方法是通过改进调制技术及算法，寻求最优化的目标函数的简化，来买组系统有较高的调速精度和良好的动态响应的要求。 2.4改进型等面积PWM控制 等面积PWM算法将查表法和计算法有机的结合在一起，提高了变频精度且又不占用CPU过多的时间。等面积PWM法的基本思想是使相等时间间隔内PWM波的面积与参考正弦波的面积相等。 2.5周期补偿无差拍PWM控制 无差拍控制十一危机为基础的PWM控制算法。它是根据含滤波器的逆变系统的状态方程和输出反馈信号推算出下一个采样周期的开关时间的。要求系统中微机的运算速度很高才能实现。 2.6状态观测器无差拍PWM控制 以现代控制理论为基础的观测器法常被用来控制各种变流系统的逆变器。这是一种采用“电子观测器”来预测系统的未来状况，再用相应的控制算法提前算出输出控制量的方法。，因为它减少了占用的实时机时，从而可相应的提高系统的采样频率和逆变器的开关频率与效率，因此，可以提高系统的控制质量。 观测器型无差拍控制算法的时间图：

2.7干扰预测型无差拍PWM控制 在上一节中介绍的观测器型无差拍控制算法，因为该算法是在假设负载为额定阻性负载的前提下推导出来的，所以，逆变器的输出电压在负载变化时的暂态响应较差，而且稳态误差也较大。为了克服这个缺点，产生了干扰预测型无差拍PWM控制算法，该算法是在观测器型无差拍控制算法的基础上，考虑到在负载变化时所引起的负载电流的变化情况，即把负载变换呈阶梯形的电流源。 干扰预测型无差拍控制的时间图：

在干扰预测型无差拍控制算法中，由于干扰电流的 预测式与干扰电容、电感电流的观测器相互，所以观测器的稳定不受干扰的影响。 四、本课题主要研究内容

主要任务如下： 1）完成基于XC866的PWM波发生器实验装置和试验程序。能够通过键盘实现PWM波的脉宽、频率和死区时间调节。其占空比范围0-1，频率为100HZ-10KHZ，具有死区时间。 2）翻译不少于3000英文单词的英文参考资料。 3）撰写论文，要求格式规范，无错别字，条理清楚，叙述正确，并包含相应的程序流程和程序代码以及参考文献。 四、完成论文的条件和拟采用的研究手段（途径）

条件：XC866仿真器一套、示波器一台。 研究手段：1.通过设计PWM波发生器实验电路，最后拿到板子后通过焊接得到需要的硬件设备。 2.在KEIL中编写能实现目的的程序。 3.给板子烧程序后在示波器上观察出现的图形与我们预期的有什么区别，一次次的重复最后得到正确程序。 六、本课题进度安排、各阶段预期达到的目标： 2月： 进度安排：查阅文献和英文资料，撰写开题报告。 预期目标：了解整流、逆变、斩波、PWM、SVPWM 等专业名词，理解此次毕 业设计的任务和意义。

3月：

进度安排：(1) 查阅文献和翻译英文资料，撰写开题报告。 （2）设计PWM波发生器实验电路。 预期目标：了解并熟练使用altium designer软件，画出PWM波发生器实验电路 的原理图，并理解每部分的功能和作用。 4月： 进度安排：（1）焊接，调试实验电路。

（2）编写程序，实现PWM波输出 。 预期目标：认真细心的完成焊接工作，并使板子调试成功。编写正确的实现所需功能的程序。熟练掌握烧程序软件的使用 ，并看到最终实现的图形。 5月： 进度安排：（1）编写程序，实现PWM波输出 。

（2）联调，修正程序。 （3）整理资料，撰写论文。 预期目标：最后检查板子、程序，确定它们能正常工作 6月： 进度安排：撰写论文，准备答辩。 预期目标：把这几个月的成果在论文中充分体现出来，字迹整齐、条理清晰的完成论文。 七、参考文献

【1】王兆安.电力电子技术[M].第五版.机械工业出版社.10~184

【2】XC866单片机原理及应用

【3】XC866用户手册 【4】史威.三相逆变器SVPWM[D].华中科技大学.2007

【5】方红琴.C语言程序设计[M].第二版.华中科技大学出版社 【6】李丽萍.大学计算机基础实验教程C语言版[M].东北大学出版社 【7】杨阳.Buck型交流斩波调压器研究.上海交通大学.2009 【8】张崇巍.PWM整流器及其控制[M].第二版.机械工业出版社

【9】杨金辉.数字化PWM逆变系统控制关键技术研究及应用[D].湖南大学

【10】高阳.三相电压型PWM整流技术的研究[D]哈尔滨理工大学.2007 【11】蔡美琴.MCS-51系列单片机系统及其应用[M].第二版.高等教育出版社 【12】 Chao-Cheng Wu,Chung-Ming Young. A new PWM control strategy for the buck converter[D].2009

【13】 Ho, C.Y.-F., Ling, B.W.-K., Yan-Qun Liu, Tam, P.K.-S., Kok-Lay Teo.Optimal PWM Control of Switched-Capacitor DC–DC Power Converters via Model Transformation and Enhancing Control

Techniques[D].2008 【14】 Wang Yong,Zhou Wen-wei , Yu Li , Yang Xi-yin.Research on the Precise Control Method based on the New Style PWM with Variable Pulse Width [D] .2006 【15】 Xuejun Ma, Hongxia Wu , Xiumei Yue.PWM and phase-shifted control method

for

isolated

asymmetric

half-bridge

bi-directional

converter[D].2007