综合课程设计6月短讲义.pptx

:,#,综合课程设计,:,1,一、课程设计宗旨,加强工程实践,知识综合运用,、,课程设计的重点是围绕着控制系统的建模、分析、校正（确定调节律）及系统的实现技术等环节进行，着重培养综合运用已学的,自动控制原理模拟电子,、,数字电子,、,电力电子技术,及控制系统,MATLAB,仿真等知识，分析、设计简单控制系统的初步能力，并具有运用,EDA,软件,Protel99se/DXP,，规范地绘制电路原理图的基本能力。,:,2,二、设计题目及要求,题目,1,、光隔型,AC/DC,开关电源稳压系统设计,A,、主要参数：,（,1,）输入：,220,（,175,264,）,VAC,、,50Hz,；,（,2,）输出：,48VDC,；,额定功率：,800W,；,负载率：（,10-100,）,%,；,（,3,）其他：调制频率,200KHz,；,L=75H,、,C=680F,B,：主电路方案：全桥式（,MOSFET,）,:,3,题目,2,、光隔型,DC/DC,开关电源稳压系统设计,A,、主要参数：,（,1,）输入：,5,（,4,6,）,VDC,；,（,2,）输出：,12VDC,；,额定功率：,50W,；,负载率：（,10-100,）,%,；,（,3,）其他：调制频率,25KHz,；,L=75H,、,C=680F,B,：主电路方案：全桥式（,MOSFET,）,:,4,题目,3,、光隔型,DC/DC,开关电源稳压系统设计,A,、主要参数：,（,1,）输入：,48,（,36,60,）,VDC,；,（,2,）输出：,12VDC,；,额定功率：,120W,；,负载率：（,10-100,）,%,；,（,3,）其他：调制频率,25KHz,；,L=125H,、,C=1800F,B,：主电路方案：半桥式（,MOSFET,）,:,5,三、设计内容及要求,确立主电路，并用,Protel99se/DXP,进行规范的绘制；,建立系统的对象数学模型，分析负载扰动的影响；,选择调节规律，并估算调节器参数；,进行,MATLAB,仿真结果调整调节器参数，使得：,初级仿真分析：在负载率分别为：,100%,、,50%,、,10%,、,5%,时，研究系统对给定值的阶跃响应性能，并希望在负载率为,10%,时的超调量小于,40%,；,按规范要求撰写“,综合课程设计报告,”；,设计考核：,考试,+,平时成绩,+,报告,:,6,四、时间安排及考核,时间安排：,2,周,6.19-6.28,1,、授课,2,天,2,、撰写报告、答辩,/,考试各,1,天（具体见时间安排表）,分组方式：,1,、一人一题，上机分为,A,、,B,组（按学号顺序分组）,2,、题目按顺序指定,考核依据：,1,、考试成绩、报告质量、考勤情况；,2,、考核成绩分：优、良、中、及格、不及格等五档。,:,7,2014,年,6,月短学期综合课程设计上机时间安排,（上机分,2,组）,注：,A,组：,1-65,B,组：,65-130,日期时间,6,.,21,六,6,.,22,日,6,.,24,二,6,.,26,四,6,.,27,五,6.28,六,上午,8,：,30-11,：,30,上机,（,A,）,上机,（,B,）,上机,（,A,）,下午,13,：,2,0-16,：,2,0,上机,（,B,）,上机,（,A,）,上机,（,B,）,上机,（,B,）,上机,（,A,）,考试,晚上,18,：,3,0-2,0,：,3,0,上机,（,A,）,上机,（,B,）,上机,（,A,）,上机,（,B,）,:,8,五、设计步骤及原理分析,1,、工程设计步骤：,、需求分析：明确控制要求、输入输出参数、基本控制指标,、资料收集,、确定系统设计方案：包括设计定量定性分析、可靠性、安全性等解决方案,、设备、器件选型,、制定实施计划：含设计人员、项目关键技术、到货时间、安装、集成、测试、验收、培训等,、具体设计：包括硬件、软件,、系统的测试和验收（包括质量标准）,:,9,2,、原理分析：,、开关电源原理框图：,、开关电源原理框图：,:,10,参数选型：,C1,、,C2,、,C4,、,C5,一般取,1200pF,C3,、,C6,一般取,0.1F,R,一般取大于,470K,，可取,510K,C,一般取几百,F,、主回路电源设计（交流,220,输入时）：,滤波器,共轭线圈,作用抑制输出端的共模噪声（是,EMC,电磁兼容性：指装置、系统或设备能在规定的电磁环境中正常工作而不对该环境或其它设备造成电磁干扰的能力）的一个指标。,:,11,、辅助电源设计,AC/DC,方案：,78,、,79,系列最大输入为,40V,，输出电流最大为,1.5A,:,12,DC/DC,方案一：,在,AC/DC,的基础上去掉,AC/DC,整流电源，改用直流供电，,IR2110,由,LM2576HV-12,供电，控制电路的供电由,NE555+,高频变压器,+,整流滤波,+7812,的方案来实现。,频率计算：,占空比计算：,:,13,DC/DC,方案二：,采用,LM2576,系列芯片,:,14,LM2576,系列,是美国国家半导体公司生产的,3A,电流输出降压开关型集成稳压电路，它内含固定频率振荡器（,52kHz,）和基准稳压器（,1.23V,），并具有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等，利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。,LM2576,系列包括,LM2576,（最高输入电压,40V,）及,LM2576HV,（最高输入电压,60V,）二个系列。各系列产品均提供有,3.3V,（,-3.3,）、,5V,（,-5.0,）、,12V,（,-12,）、,15V,（,-15,）及可调（,-ADJ,）等多个电压档次产品。此外，该芯片还提供了工作状态的外部控制引脚。,LM2576,系列开关稳压集成电路的主要特性如下：,最大输出电流：,3A,；,最高输入电压：,LM2576,为,40V,，,LM2576HV,为,60V,；,输出电压：,3.3V,、,5V,、,12V,、,15V,和,ADJ,（可调）等可选；,振东频率：,52kHz,；,转换效率：,75%,88%,（不同电压输出时的效率不同）；,:,15,器件参数选型计算：,由,LM2576,构成的基本稳压电路仅需四个外围器件，其电路如前图所示。,、电感,L,的选择：要根据,LM2576,的输出电压、最大输入电压、最大负载电流等参数选择，首先，依据如下公式计算出电压,微秒常数（,ET,）：,ET=,（,Vin-Vout,）,Vout/Vin1000/f,（,1,）,上式中，,Vin,是,LM2576,的最大输入电压、,Vout,是,LM2576,的输出电压、,f,是,LM2576,的工作振荡频率值（,52kHz,）。,ET,确定之后，就可参照器件相应的电压,微秒常数和负载电流曲线来确定所需的电感值。,、该电路中的输入电容,C2,一般应大于或等于,100F,，安装时要求尽量靠近,LM2576,的输入引脚，其耐压值应与最大输入电压值相匹配。而输出电容,C1,的值应依据下式进行计算（单位,F,）：,C13300 Vin/VoutL,（,2,）,上式中，,Vin,是,LM2576,的最大输入电压、,Vout,是,LM2576,的输出电压、,L,是经计算并查表选出的电感,L1,的值，其单位是,H,。电容,C,耐压值应大于额定输出电压的,1.5,2,倍。对于,5V,电压输出而言，推荐使用耐压值为,16V,的电容器。,:,16,、二极管,D,的额定电流值应大于最大负载电流的,1.2,倍，考虑到负载短路的情况，二极管的额定电流值应大于,LM2576,的最大电流限制。二极管的反向电压应大于最大输入电压的,1.25,倍。推荐使用,1N582x,系列的肖特基二极管。,、,Vin,的选择应考虑交流电压最低跌落值（,Vac-min,）所对应的,LM2576,输入电压值及,LM2576,的最小输入允许电压值,Vmin,（以,5V,电压输出为例，该值为,8V,），因此，,Vin,可依据下式计算：,Vin,（,220Vmin/Vac-min,）,如果交流电压最低允许跌落,30%,（,Vac-min=154V,）、,LM2576,的电压输出为,5V,（,Vmin=8V,），则当,Vac=220V,时，,LM2576,的输入直流电压应大于,11.5V,，通常可选为,12V,。,:,17,DC/DC,方案三：,采用,LM2596,系列芯片,:,18,LM2596,：,LM2596,开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出,3A,的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。固定输出版本有,3.3V,、,5V,、,12V,，可调版本可以输出小于,37V,的各种电压。,该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为,150KHz,，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需,4,个外接元件，可以使用通用的标准电感，这更优化了,LM2596,的使用，极大地简化了开关电源电路的设计。其封装形式包括标准的,5,脚,TO-220,封装（,DIP,）和,5,脚,TO-263,表贴封装（,SMD,）。,该器件还有其他一些特点：在特定的输入电压和输出负载的条件下，输出电压的误差可以保证在,4%,的范围内，振荡频率误差在,15%,的范围内；可以用仅,80A,的待机电流，实现外部断电；具有自我保护电路（一个两级降频限流保护和一个在异常情况下断电的过温完全保护电路）,:,19,、逆变电路,全桥逆变：,:,20,半桥逆变：,:,21,、驱动电路：,IR2110,：,、提供足够的栅压、对输入电容充放电所需的一定数值的，以保证,MOSFET,可靠导通和关断，实现主电路和控制电路的隔离；,、对,MOS,电路，要求有较小的输出电阻，以加速对栅极充放电速度，减小开关时间；,、驱动电路和前置电路应具有较强的抗干扰性。,:,22,工作原理：,电源为 和 ，范围,5-20V,；,两路输出 和 与两路输入 和 同相对应，当调制端 为低电平时，在输入端上升沿时刻，对应两路通道均有输出；当 为高电平时，两路输出同时截止。,输入端为有滞环的施密特触发电路，可提高抗干扰能力和接受上升缓慢的输入信号；电平转换电路：将逻辑信号转换成输出驱动；,欠压检测：当 低于欠压值时，产生一次关断信号，将两路输出关闭；另一欠压检测单元，在 低于欠压给定值时关闭上端输出。,:,23,：充电二极管为快速二极管，耐压必须高于主电路峰值电压；,：为自激电容，容量取决于开关频率、负载周期及栅极充电需要；,：滤波电容,当,IR2110,用于半桥电路时，固定栅极参考的输出通道用于下端功率开关,管，浮动输出通道用于驱动上端功率开关,:,24,、电压检测与调节电路,:,25,PWM,调制芯片,SG3525A,原理框图,:,26,PWM,调制芯片,SG3525A,封装,:,27,PWM,调制芯片,SG3525A,典型电路：,计算三角波频率：,第,10,脚：大于等于,0.7V,开始限流，大于,1.4V,封锁，下一时钟周期才恢复,:,28,、电流检测与保护环节,过流关驱动、关,PWM,:,29,隔离问题：数摸隔离是一般原则，目的是隔开数字和模拟的相互串扰，各自工作在相对干净的环境。,开关信号：,：光耦，一般的都行，注意速度就可以了。,：继电器，各种型号都有，工业应用较多。,：磁，比较特殊，很少使用。,：光纤，红外 成本较高。,模拟信号：,：线性光耦，性价比较好,：隔离放大器，成本较高,：,V/F,变送，温漂不好办,：磁放大器，难做。,：用串行,A/D,，光耦隔离 其实就是信号变送的问题。有时在不隔离的情况下，尽量用差分传送，用差分放大器，信号传送器等，,V/I,变换等。,、电气隔离技术,:,30,在功率变换装置中，根据主电路的结构，其功率开关器件一般采用,直接驱动,和,隔离驱动,两种方式。采用隔离驱动方式时需要将多路驱动电路、控制电路、主电路互相隔离，以免引起灾难性的后果。隔离驱动可分为电磁隔离和光电隔离两种方式。,1,、光电隔离具有体积小，结构简单等优点，但存在共模抑制能力差，传输速度慢的缺点。快速光耦的速度也仅几十,kHz,。,2,、电磁隔离用脉冲变压器作为隔离元件，具有响应速度快（脉冲的前沿和后沿），原副边的绝缘强度高，,dv/dt,共模干扰抑制能力强。但信号的最大传输宽度受磁饱和特性的限制，因而信号的顶部不易传输。而且最大占空比被限制在,50,。而且信号的最小宽度又受磁化电流所限。脉冲变压器体积大，笨重，加工复杂。,:,31,辅助电源,：对于隔离驱动方式，每路驱动都要一组辅助电源，若是三相桥式变换器，则需要六组，而且还要,互相悬浮,，增加了电路的复杂性。随着驱动技术的不断成熟，已有多种集成厚膜驱动器推出。,如,EXB840/841,、,EXB850/851,、,M57959L/AL,、,M57962L/AL,、,HR065,等等，它们均采用的是光耦隔离，仍受上述缺点的限制。,IR2110,驱动器。它兼有光耦隔离（体积小）和电磁隔离（速度快）的优点，是中小功率变换装置中驱动器件的首选品种。,:,32,六、系统建模分析浅析,1,、系统模型,:,33,2,、典型,PID,环节,:,34,并行,PID,：,:,35,PID,串联：,PID,并联：,:,36,开关电源原理部分：,杨旭等，开关电源技术，机械工业出版社,2004.1,IR2110,部分：,（,1,）徐以荣等，电力电子技术基础，东南大学出版社,（,2,）潭建成，电机控制专用集成电路（第,2,版），机械工业出版社,SG3525A,部分：,（,1,）王兆安等，电力电子技术（第,4,版）机械工业出版社,（,2,）潭建成，电机控制专用集成电路（第,2,版），机械工业出版社,（,3,）开关电源方面的书,LM2576HV,部分：,七、参考资料,