斩波(给6班的)

1、电力电子技术课程设计报告 电动自行车无级调速电路的设计指导教师：苏玉刚 学 生：李虎学 号：20075057专 业：自 动 化班 级：2007级 02 班重庆大学自动化学院2009年12月 27日 课程设计指导教师评定成绩表项目分值优秀(100>x90)良好(90>x80)中等(80>x70)及格(70>x60)不及格(x<60)评分参考标准参考标准参考标准参考标准参考标准学习态度15学习态度认真，科学作风严谨，严格保证设计时间并按任务书中规定的进度开展各项工作学习态度比较认真，科学作风良好，能按期圆满完成任务书规定的任务学习态度尚好，遵守组织纪律，基本保证设计时

2、间，按期完成各项工作学习态度尚可，能遵守组织纪律，能按期完成任务学习马虎，纪律涣散，工作作风不严谨,不能保证设计时间和进度技术水平与实际能力25设计合理、理论分析与计算正确，实验数据准确，有很强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力，文献查阅能力强、引用合理、调查调研非常合理、可信设计合理、理论分析与计算正确，实验数据比较准确，有较强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力，文献引用、调查调研比较合理、可信设计合理，理论分析与计算基本正确，实验数据比较准确，有一定的实际动手能力，主要文献引用、调查调研比较可信设计基本合理，理论分析与计算无大错，实验数据无大错设计不合理，理论分析与计算

3、有原则错误，实验数据不可靠，实际动手能力差，文献引用、调查调研有较大的问题创新10有重大改进或独特见解，有一定实用价值有较大改进或新颖的见解，实用性尚可有一定改进或新的见解有一定见解观念陈旧论文(计算书、图纸)撰写质量50结构严谨，逻辑性强，层次清晰，语言准确，文字流畅，完全符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸非常工整、清晰结构合理，符合逻辑，文章层次分明，语言准确，文字流畅，符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸工整、清晰结构合理，层次较为分明，文理通顺，基本达到规范化要求，书写比较工整；图纸比较工整、清晰结构基本合理，逻辑基本清楚，文字尚通顺，勉强达到规范化要求；图纸

4、比较工整内容空泛，结构混乱，文字表达不清，错别字较多，达不到规范化要求；图纸不工整或不清晰指导教师评定成绩：指导教师签名： 年 月 日自动化学院2007级自动化专业电力电子技术课程设计任务书一、课程设计的教学目的和任务电力电子技术是研究利用电力电子器件、电路理论和控制技术，实现对电能的控制、变换和传输的科学，其在电力、工业、交通、通信、航空航天等很多领域具有广泛的应用。电力电子技术不但本身是一项高新技术，而且还是其它多项高新技术发展的基础。因此，提高学生的电力电子领域综合设计和综合应用能力是教学计划中必不可少的重要一环。通过电力电子技术的课程设计达到以下几个目的：1、培养学生文献检索的能力，特

5、别是如何利用Intel网检索需要的文献资料。2、培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。3、培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。4、提高学生的电力电子装置分析和设计能力。5、提高学生课程设计报告撰写水平。二、课程设计的基本要求1. 教师确定方向，在教师的指导下，学生自立题目注意事项： 所立题目必须是某一电力电子装置或电路的设计，题目难度和工作量要适应在一周内完成，题目要结合工程实际。学生也可以选择规定题目方向外的其他电力电子装置设计，如开关电源、调光灯、镇流器、UPS电源等，但不允许选择其他班题目方向的内容设计（复合变换除外）。 通过图书馆和Intel网广泛检索和阅读自己要设计的题

6、目方向的文献资料，确定适应自己的课程设计题目。自立题目后，首先要明确自己课程设计的设计内容。要给出所要设计装置（或电路）的主要技术数据（如输入要求，输出要达到的目标，装置容量的大小以及装置要具有哪些功能）。如：直流电动机调压调速可控整流电源设计主要技术数据输入交流电源：三相380V10% f=50Hz直流输出电压：0220V50220V范围内，直流输出电流额定值100A直流输出电流连续的最小值为10A设计内容：整流电路的选择整流变压器额定参数的计算晶闸管电流、电压额定的选择平波电抗器电感值的计算保护电路的设计触发电路的设计画出完整的主电路原理图和控制电路原理图列出主电路和控制电路所用元器件的明

7、细表2. 在整个设计中要注意培养灵活运用所学的电力电子技术知识和创造性的思维方式以及创造能力。要求具体电路方案的选择必须有论证说明，要说明其有哪些特点。具体电路元器件的选择应有计算和说明。课程设计从确定方案到整个系统的设计，必须在检索、阅读及分析研究大量的相关文献的基础上，经过刨析、提炼，设计出所要求的电路（或装置）。课程设计中要不断提出问题，并给出这些问题的解决方法和自己的研究体会。（注意：所确定的主电路方案如果没有论证说明，成绩不能得优；设计报告最后给出设计中所查阅的参考文献最少不能少于5篇，且文中有引注，否则也不能得优）。3. 在整个设计中要注意培养独立分析和独立解决问题的能力。要求学生

8、在教师的指导下，独力完成所设计的系统主电路和控制电路等详细的设计（包括计算和器件选型），严禁抄袭。4. 课题设计的主要内容是主电路的设计，主电路的分析说明，主电路元器件的计算和选型，以及控制电路设计。 5. 课题设计报告要求图表规范，文字通顺，逻辑性强。三、课程设计的工作计划课程设计时间6天。第1天上午，指导教师向学生讲授课程设计的目的、任务、设计方法和注意事项。第1天下午和第2天学生到图书馆和Intel网上按照指导教师的要求查找所需要的文献，并在阅读分析中确定自己的研究题目、技术数据和设计内容，交指导教师审阅。第3天学生的主要任务是确定方案。第4天和第5天上午，学生的任务是综合所学知识，进行

9、主电路和控制电路的设计。第5天下午和第6天学生的主要任务是撰写课程设计报告。四、各班的题目方向1班题目方向：相控整流技术的工程应用2班题目方向：斩波技术的工程应用 3班题目方向：交流调压或交流调功技术的工程应用目录1. 引言. 11.1 问题的提出.11.2 电动自行车的特点.12. 设计方案.12.1.设计技术指标.12.2.设计要求.13.主电路设计.2 3.1.直流电机PWM控制原理2 3.2.主电路设计方案.3 3.3.主电路无级调速过程分析.34.主电路电力器件参数计算.45.控制电路工作原理.56.保护电路的设计.6 6.1.过电流设计.6 6.2.欠电压设计.67.总结.7参考文

10、献.8 电动自行车无级调速电路的设计 1 引言1.1 问题的提出 随着科技的发展、社会的进步，电动自行车已掀起了一股热潮。如今随着生活的步伐的加快，人们还不能普遍使用汽车，加之油价进一步上升，人们的生活水准越来越高，越来越注重生活品质。但空气污染、温室效应等一些人为因素使人们每天都生活在但心中。这时候电动自行车的问世，可以说很大程度上可以解决这些问题。这既可以使人们选择骑自行车锻炼身体、又可以保护我们生活的环境，又何乐而不为。1.2 电动自行车的特点电动自行车驱动方式灵活，既可以电动，又可以选择脚踏，这样就可以更省力、安全、适用，这是代替普通自行车的必然趋势。另外其环保性，可以减少温室效应，降

11、低噪音污染、大大提高非机动车到的通行效率。再者它结构简单，成本可控在2000元左右，是上班族的首选交通工具。电动自行车一般由动力部分、传动部分、行车部分、控制器部分、电器仪表等部分组成，其中控制器是电器系统的核心不见，它主要是根据根据行车的状态信号控制电机的旋转速度，进而进行各种调速及保护。如何设计一个稳定、价廉、社会价值高的电动自行车成为一个有前景的发展课题。 2.设计方案2.1 设计技术指标输入：蓄电池电压DC36±2V输出：输出电压DC 036V输出电流12A输出功率150w W180w充电器功率50w2.2 设计要求 电动自行车主电路设计 电动自行车触发电路设计 IGBT、电

12、容、电感等参数的计算 欠电压保护电路、过电流保护电路等的绘制3 主电路的设计 3.1 直流电机PWM控制原理 PWM技术是控制半导体开关元件的导通与关断时间比对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得多需要的波形（含形状和幅值）。图1给出了最基本的斩波电路及输出波形【1】图1 基本斩波电路及波形公式计算【2】工作周期 导通比 输出电压平均值为 输出电压有效值为 导通比的改变可以通过调节开关导通时间Ton或开关导通周期T来实现，进而对输出电压平均值进行调制。设输入电压E不变，越大，电机电枢端平均电压 U0，反之也成立。故改变值就可以改变输出，而改变的方法有脉冲宽度

13、调制（PWM），脉冲频率调制（PFM）,混合型控制三种，因为PWM比PFM的调速范围宽，可达1：10 000左右并且应用最多的是PWM。所以用PWM控制实现U0从零到E连续可调的目的是最佳选择，所以据此设计电动自行车无级调速的主电路。3.2 主电路的设计方案 电动机自行车的平稳运行就必须要求直流电机稳定转动，实现对直流电动机的无级调速。而直流电机调速有如下调速方式：（1）电枢回路窜电阻调速；（2）弱磁调速;(3)降低电源电压调速。因为目前电动自行车使用的直流电动机均使用永磁体，弱磁调速不可取，电枢回路串电阻无法实现无级调速且不变操作，唯有选择降电源电压调速。考虑电动自行车的轻便、小巧以及实惠等

14、特点，所以选择BUCK斩波电路实现对电源的均匀调控，主电路如图2 图2 电动自行车无级调速电路3.3 主电路无级调速过程分析 BUCK斩波电路输出电压U0总是小于E,电路由电容滤波环节，IGBT控制部分、续流部分及触发电路组成。在t=0时刻，给IGBT触发信号使其导通，这是电感电压为 由于电容的存在，输出U0可认为不变，假定电流从I1上升到I2,有 可以解得 在时刻使IGBT关断，电流通过二极管D续流，这时假设电感电流按直线从I2下降到I1，则有 这时L1和二极管D组成续流回路，保证在此期间点击稳定运行。 考虑电流的波动，选择E=36±2V 另外电路中的C1和C2是两个滤波电容，主要

15、是滤掉蓄电池电压的谐波来使输出的电压更加稳定，同时提高系统的抗干扰能力。 4 主电路电力期间参数的计算 IGBT参数的计算：由电动自行车技术标准【5】及行业惯例知，目前常用的蓄电池的电压为36V考虑到蓄电池电压的波动我们可以得出： E=36±2V 常用直流电动机的参数为最大电压不超过36V，最大电流不超过12A，电枢电阻2。对于IGBT来说在安全裕量下其额定电压可取为100V，额定电流可取为20A，结合市场上IGBT的实际产品型号选用英飞凌SGB20N60【6】可以满足要求。电感L感值的计算：IGBT工作频率一般为0-60Khz，结合控制电路由清华大学研制的霍尔调速手柄，选择IGBT

16、工作频率为12Khz较为适宜。 由： 当电流变化率在12Khz，Uo输出为0-36V范围时取I为10A，Uo为30V为例 所以L为125H加上安全裕量选择L感值为150H。二极管参数确定：因为通过的最大电压不超过36V最大电流不超过12A，所以二极管的额定电压可为36V额定电流可为12A，考虑到安全裕量则有： 所以选择额定电流20A额定电压90V电容C1，C2，C3的选择：考虑到C1,C2是做滤波及稳压之用，所以参照惯例【7】选择C1值为4F，C2为100F,C3作为IGBT关断后电路的储能元件 UC范围在036V间变化，i（t）呈线性升降，积分时间为10的负6次方的数量级，所以选择C3值为8

17、0F综上可得主电路元件参数表1：器件名参数数量IGBT额定电压100V，额定电流20A可选用英飞凌SGB20N601D1额定电压90V，额定电流20A1C1,C2C1 4F,C2 100F2C380F1表1 主电路各个元件参数5控制电路工作原理概述利用单片机产生PWM控制信号，控制IGBT的通断，从而控制输出电压在0E范围内，实现电机的无级调速。采用清华大学研制的霍尔调速手柄把转速变为模拟电压输入到TLC（1C4）A/D转换器，当转动放置在自行车手把处的霍尔手柄时，输出的模拟电压在14V变化，经A/D转换变成数字信号送单片机（1C5）的P1.4P1.4，单片机按数字信号的变化从P1.6输出不同

18、形式的PWM波形，从而控制直流电机的电流大小，实现自动及任意调节电机速度的目的。过程如下图3：图3 电动自行车电气部分原理图整个电动自行车还包括刹车、过热、显示等功能，由于本设计主要是利用斩波电路实现调速，在此不作过多论述。6 保护电路的设计6.1 过电流电路设计当电路处于正常状态时，通过过流保护用PTC热敏电阻的电流小于额定电流，过流保护用PTC热敏电阻处于常态，阻值很小，不会影响被保护电路的正常工作。当电路出现故障，电流大大超过额定电流时，过流保护用PTC热敏电阻陡然发热，呈高阻态，使电路处于相对"断开"状态，从而保护电路不受破坏。当故障排除后，过流保护用PTC热敏电阻

19、亦自动回复至低阻态，电路恢复正常工作。电路如图4图4 过电流保护电路6.2 欠电压保护电路 欠电压抑制电路连接在负载两端。在正常情况下，电容C1和C2分别经电阻R 、Rz进行充电，电容两端的电压达到输出电压E。当负载电流J0瞬时增加时，电路处于欠压状态，电阻R 上电压值下降，与基准电压V产生偏差，经比较放大器A 后，给Q1提供了基极电压，Q1瞬时导通，电容C1和C2形成串联回路，电路中A点将得到2倍的E，这时A点电压高于输出电压，电容C1 、C2经负载放电，向负载提供瞬态电流，使负载上电压几乎恒定不变。这个过程可以一直持续到C1和C2放电到E值的一半时，在这个过程中，Q1起线性调节器作用。欠电压保护电路工作原理如图5【8】所示图5 欠电压保护电路整个电路中还有其他保护如过热保护、减震保护等，但由于本设计主要是电动自行车无级调速电路，加之时间有限，在此不作过多论述。7.总结通过为期一周的电力电子课程设计，我感到受益良多。具体如下：1. 这次设计不仅巩固了课堂上所学到的理论知识，还学到了许多课外的知识，比如说，我学会了好几种常用画图工具的用法，还学会了公式编辑器Mathtype的使用等。2. 在设计中遇到的一系列问题通过请教同学、老师，上网搜索等得到了一定的解决方案。3. 在信息检索方面，感谢重庆大学数字图书馆提供的很多