淮阴工学院 电力电子课程设计

目 录

1课题名称 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒1 2设计目的﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 1 3课题分析﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 1

3.1 方案一 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒4

3.2 方案二﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 6 4 各局部电路设计 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ ﹒﹒﹒﹒7

4.1 整流滤波电路 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ ﹒﹒﹒﹒﹒7

4.2恒压电路 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒8

4.3恒流电路 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ ﹒﹒﹒﹒﹒ ﹒﹒﹒﹒9

4.4充电提示电路 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒10 5组装调试﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 10 6元件清单 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒14 7 设计心得体会 ﹒﹒﹒﹒﹒ ﹒﹒﹒ ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒15 8 参考文献 ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ ﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒16

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关键词：充电器 降压 整流 滤波 恒压

1 课题名称

简单安全充电器电路。

2 设计目的

1) 了解系统的工作原理

2) 掌握晶闸管电路的设计方法

3) 通过课程设计培养学生的的自学能力和分析问题解决问题的能力

4) 通过课程设计培养学生的自学能力和分析问题解决问题的能力

5) 通过设计使学生具有一定的计算能力制图能力以及查阅手册使用国家标准的能力和一定的文字表达能力

3 课题分析

我们设计的充电器整体上应该有降压、整流、滤波、恒压电路。

降压电路可以用最简单的变压器完成，将220V电压变为10V左右的低压，为了让优化波形使其更加稳定，可采用滤波电容去除高频干扰。

手机通用的锂电池充电电压为4.2V，因此需要设计一个恒压源电路。充电电流在一定程度上影响了充电的时间，过高的电流会缩短电池的使用寿命，所以我们还需要一个可靠地恒流源来保证充电的时间和手机的使用寿命。

当上述条件都具备时对于不同容量的手机电池充电时间是不一样的，因此需要一个不以时间为参考的充电完成信号，我们可以根据电池两端的电压是否达到标准电压来判断是否充满电。

3.1 方案一

本方案采用的是现行手机充电器的通用电路，主要是由开关电源和充电电路组成的。

电路图如下。

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图3.1原理图

制作成功后该充电器能自动识别电池极性，自动调整输出电流使得电池达到最佳充电状态，可保护电池延长电池寿命。充电饱和时七彩灯会自动熄灭。

当接入电源后，通过整流二极管VD1、R1给开关管Q1提供启动电流，使Q1开始导通，其集电极电流Ic在L1中线性增长，在L2中感应出使Q1基极为正，发射极为负的正反 馈电压，使Q1很快饱和。与此同时，感应电压给C1充电，随着C1充电电压的增高，Q1基极电位逐渐变低，致使Q1退出饱和区，Ic开始减小，在 L2中感应出使Q1基极为负、发射极为正的电压，使Q1迅速截止，这时二极管VD1导通，高频变压器Ｔ初级绕组中的储能释放给负载。在VT1截止 时，L2中没有感应电压，直流供电输人电压又经R1给C1反向充电，逐渐提高Q1基极电位，使其重新导通，再次翻转达到饱和状态，电路就这样重复振荡下 去。这里就像单端反激式开关电源那样，由变压器Ｔ的次级绕组向负载输出所需要的电压，在C4的两端获得9V的直流电，供充电电路工作。

在充电电路中Q2与CH（七彩发光二极管）组成充电指示电路。R7与PW（红色二极管）组成电池好坏检测及电源通电指示电路。Q4、Q5、Q6、Q7组成自动识别电池极性的电路。

当充电端1接电池的正，端2接电池的负时，充电回路是电源的+、Q5（发射极）、Q5（集电极）、端1接+ 、Q7（饱和）、端2接-；当充电端2接电池的

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正，端1接电池的负时，充电回路是电源的+、Q4（发射极）、Q4（集电极）、端2接+、Q6（饱和）、端2接-。即可完成自动极性的识别，保证充电回路自动工作。

3.2 方案二

本方案是前期分析的具体实现，也是比较简单的一种。

电路图如下。

图3.2 原理图

该电路有四部分组成电源输入电路、恒流电路、恒压电路、充电指示电路组成。

电源输入电路由电源变压器T、整流桥堆D1，D2，D3，D4和滤波电容C组成。

恒压电路由电阻R1、R2、电位器RP1、晶体管V1、精密稳压基准源IC组成。

恒流电路由晶体管V2、电阻R3、电位器RP2。充电指示电路由晶体管V3、

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电阻R4、R5和发光二极管VL组成。交流电220V电压经过变压器T（二次侧电压9V）、整流桥、滤波电容C后，产生8.1V的直流电压。该电压经过恒流电路恒压电路处理后对电池充电。同时V3导通，VL发光。随着电池两极板电压的升高充电电流将逐渐减小。当电池电压到达4.2V时，R1上电压降低使V3截止VL熄灭，提醒用户充电结束。

4 各局部电路的设计

4.1 整流滤波电路

图4.1电源输入部分

变压器源边是220V交流电，二次侧电压为9V经过四个二极管组成的整流桥就变为了直流电，DE电压为8.1左右，滤波电容是为了滤除交流成分。在实际购买原器件时为了降低成本和焊接方便购买的是集成整流桥堆，规格是2A、50V。

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4.2 恒压电路

在这边部分电路中使用了TL431。TL431是TL、ST公司研制开发的并联型三端稳压基准，其突出优点是封装简单（型如三极管）、参数优越（高精度、低温漂）、性价比高（民品1.3～1.5元/只），是作为电压基准的良好选择。其电压调节范围为2.5V～36V。本方案中的接法类似于下图（b）调节电位器RP1就可以调节输出电压，这也正是本方案的一大优点，可以做到电压连续可调，这样不仅可以为手机电池充电还可以作为电源为其他电子芯片、元件供电。

图4.2.1 TL431原理图

图4.2.2 恒压电路

BC电压可以被精确的调整到一个值，再经过V2的CE管压降就得到充电电压。

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4.3 恒流电路

图4.3恒流源

流经B点的电流经过三极管V2，1013被放大，最终提供给手机电池。调节RP2可以调节基极电流,由公式

Ic??Ib （4.3）

就可以由IB调节整个充电电流的大小。

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4.4充电提示电路

图4.4 充电提示电路

当充电结束时电池阳极电压接近4.2V，此时R1上的电压降低，使得V3截止，VL熄灭。此时电池并没有充满而是进入恒压充电方式，在恒流充电阶段，电池充到 70% 的总容量时通常需要约 30% 的充电时间，而在恒压阶段用 70% 的充电时间仅能充 30% 的总电池电量。这是由于电池具有内部电阻。电池内部电阻越低，电池充电时间就越短。

为了保证电池能够充满可在VL熄灭后继续充电1~2个小时，当充电电流降至100mA以内时则应停止充电。这使得本方案有了一个缺陷，当二极管灯灭时不能说明电池已经充满，需要特别说明否则一般用户会自然的认为充电结束而致使电池充不满。

5 组装和调试

组装时选用的是11*8cm的PCB电路板，变压器独立放置。一句电路图从左至右从中间到两边依次焊接。由于变压器独立放置所以将变压器安排在最后焊接。

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为了焊接的方便和减少电线的使用在焊接过程中尽量使用引脚连接，最后只使用了三根导线。为了连接充电器的方便使用了一般万能充都采用的夹板和引针，这 样可以很好的固定手机电池。

调试分为两部分，电压的调试和电流的调试。首先是调节RP1的电阻值使得充电电压为4.2V再调节RP2的电阻阻值使得充电电流为200mA。调试时将万用表接入夹板两引针再调节相应电阻使各参数达到要求。

实验结果：灯亮！

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6元件清单

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7．设计心得

课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，电力电子技术已经成为当今科学应用中空前活跃的领域， 在生活中可以说得是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌握电力电子技术是十分重要的。

回顾起此次电力电子技术课程设计，我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在接近两星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，比如说不懂一些元器件的性能……通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。

通过这次电力电子课程设计，我不仅加深了对电力电子技术理论的理解，将理论很好地应用到实际当中去，而且我还学会了如何去培养我们的创新精神，从而不断地战胜自己，超越自己。创新可以是在原有的基础上进行改进，使之功能不断完善，成为真己的东西。

这个设计过程中，我们通过在原有的充电器系统进行了改进，使之增添了新的控制功能，使之成为一个更加适用，功能更加完备的属于自己的一个系统。设计结果能够符合题意，成功完成了此次实习要求，我们不只在乎这一结果，更加在乎的，是这个过程。这个过程中，我们花费了大量的时间和精力，更重要的是，我们在学会创新的基础上，同时还懂得合作精神的重要性，学会了与他人合作。

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8. 参考文献

1 王梅义.高压电网继电保护运行技术.北京：电力工业出版社，1981 2 He Jiali, Zhang Yuanhui, Yang Nianci. New Type Power Line Carrier Relaying System with Directional Comparison for EHV Transmission Lines. IEEE Transactions PAS-103，1984(2)

3 沈国荣.工频变化量方向继电器原理的研究.电力系统自动化，1983(1) 4 葛耀中.数字计算机在继电保护中的应用.继电器，1978(3)

5 杨奇逊.微型机继电保护基础.北京：水利电力出版社，1988

6 He Jiali, Luo shanshan, Wang Gang,et al. Implementation of a Digital Distributed Bus Protection. IEEE Transactions on Power Delivery,1997,12(4)

7 吴 斌，刘 沛，陈德树.继电保护中的人工智能及其应用.电力系统自动化，1995(4)

8 段玉清，贺家李.基于人工神经网络方法的微机变压器保护.中国电机工程学报，1998

9 江晓安 董秀峰 模拟电子技术（第三版） 西安电子科技大学出版社 10 王兆安 刘进军 电力电子技术（第五版） 机械工业出版社

11 杜刚 电路板设计与制作 清华大学出版社

12 党宏社.电路、电子技术试验与电子实训.华中科技大学. 电子工业出版.2008

第二篇：电力电子课程设计(定稿)

课程设计报告

           

基于IGBT斩波控制的直流电机调速系统设计

课 程 名 称        电力电子课程设计          

组       长                 

组       员     

专       业     07电气工程及其自动化        

成       绩                                  

指 导 教 师               

20##年 6月 12日

摘    要

    本设计报告主要涉及两个方案。第一个方案是基于ATmega16单片机作控制器控制L298集成芯片来调节电机的转速。第二个方案是基于ATmega16单片机作控制器控制型号为FGA25N120ANTD的IGBT的输出斩波信号来控制直流电机调速。描叙了基本的原理和控制方式，方案的比较和选择，调试时遇到的问题和解决方法，收获和建议。

关键词  IGBT  直流电机  直流电机调速系统设计  ATmega16单片机

目    录

1 任务与要求…………………………………………………………………………………4

2 直流电机的正反转及速度控制……………………………………………………………4

2.1 功能分析…………………………………………………………………………………4

2.2 方案比较与选择…………………………………………………………………………4

2.2.1 芯片选择………………………………………………………………………………4

2.2.2 电机驱动电路…………………………………………………………………………4

2.3 方案的原理………………………………………………………………………………5

2.3.1 系统框图………………………………………………………………………………5

2.3.2 电路原理图……………………………………………………………………………5

2.3.3 PWM的原理……………………………………………………………………………6

2.3.4 电机驱动电路…………………………………………………………………………6

2.3.5 控制电机转速…………………………………………………………………………8

3 电路调试……………………………………………………………………………………8

4 收获体会……………………………………………………………………………………10

5 存在问题和进一步的改进意见……………………………………………………………10

参考文献………………………………………………………………………………………12

1 任务与要求

    电力电子技术是一门实践性很强的技术，由电力电子器件构成的直流电机斩波调速电路由于其节能，先进，灵活等特点在工业控制中得到了广泛应用，本着加强对电气工程专业学生综合性工程训练的原则，结合专业特点，特安排了基于IGBT的直流电机脉宽调速与转速检测这一课程设计，以达到深化对学生运用先进的电力电子技术解决实际问题能力的培养。

1.选用合适的IGBT设计制作一个斩波调速器，使占空比可调，设频率设定为5.7kHz,占空比调节范围为10%~90%。

2.斩波调速器负载选用额定电压为220V，额定电流为1.2A的它励直流电动机（即把实验室的并励直流电动机做它励接法做实验）实现电机的单向调速，即电机的单象限运行。

2 直流电机的正反转及速度控制

2.1 功能分析

本设计主要采用ATmega16单片机，系统主要有PWM波产生电路、测速电路、调速电路、电机驱动电路、串口显示及串口调速电路。首先利用单片机的定时器1产生两路PWM信号，交错控制输出到直流电机作为其控制脉冲。采用桥型光电开关作为测速器件。另外设计主要采用了串口进行人机的数据交互。通过串口输入命令字，单片机对命令字进行解析，分别完成以下功能：加速 、减速 、正转 、反转、获取转速、设定速度。

2.2 方案比较与选择

2.2.1 芯片选择

AVR单片机具有良好的集成性能，作为控制电路的核心在控制系统中起到了至关重要的作用，基于控制性能和成本的考虑，在本设计中使用了性价比较高的ATMEL公司的ATmega16单片机。此单片机是一种高性能、低功耗的8位AVR微处理器，采用 Harvard结构，拥有 1MIPS/MHz处理速度，最高可以工作在 16MHz的晶振频率下，两个串行通信接口和外部总线系统等丰富的外围接口为系统的开发提供了方便。本系统主要使用了ATmega16单片机的PWM功能。

2.2.2 电机驱动电路

方案1：使用多个功率放大器件例如达林顿三极管，驱动电机通过使用不同的放大电路和不同参数的器件，可以达到不同的放大的要求，放大后能够得到较大的功率。但是由于使用的是二相的步进电机，使用三极管干扰较大，固不采用这种方案。

方案2：使用L298N芯片驱动电机。L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片，最高电压可达到46V,最大电流可以达到5A。结合高速的肖特基二极管可以驱动两个二相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。另外该芯片具有高效的电路隔离功能。使用L298N芯片充分发挥了它的功能，能稳定地驱动步进电机，且价格不高，故选用L298N驱动电机。而使用时，可以用L297来提供时序信号以节省单片机IO口的使用；也可以直接用单片机模拟出时序信号，由于控制并不复杂，故选用后者。另外也使用光耦进行电路隔离，提高系统抗干扰能力。

方案3：采用型号为FGA25N120ANTD的IGBT作斩波电压信号输出。IGBT是一种大功率，能耐大电流和高电压的电力电子器件。而型号为FGA25N120ANTD的IGBT能承受的最高电压为1200V，最大电流为40A。而本设计目的是通过控制IGBT的斩波输出占空比从而调节负载为额定电压为220V，额定电流为1.2A的他励直流电动机，型号为FGA25N120ANTD的IGBT能够满足哦要求。

通过对比，采取方案2,3不同的电机驱动电路来比较实物制作的实际情况和运行测试时的实际效果。

2.3 方案的原理

2.3.1 系统框图

2.3.2 电路原理图

图 L298集成芯片调节电机电路图

图 LM339芯片做IGBT的驱动电路调节电机电路图

2.3.3 PWM的原理

PWM的实质是：调制占空比，占空比就是波形中高电平的长度与整个波长的比值。通过改变一个周期内高低电平的比值实现脉宽的调制。PWM产生的波形，通过RC低通滤波，就得到一个确定的电压。PWM的占空比决定电压的大小。

2.3.4 电机驱动电路

    方案2

L298N芯片结合高速的肖特基二极管驱动电机。在输入方面做得比较严谨，采用了光耦，把电机的输入部分和单片机的输出部分完全隔离。光耦采用了6N137，按照PDF对应的接法，输出相当于是一个OC门，所以在设计上要取非。光耦的后级接L298驱动芯片，完全满足电机输出1.5A电流的要求。电机的两端需要接一瓷片电容(104)，进行滞后补偿，提高功率因素，使得电机工作效率更高。

通过控制L298N芯片从而控制输出PWM脉宽的占空比。单片机控制298N芯片的的使能端从而控制298N芯片是否工作。当298N芯片工作时，输入的占空比使298N芯片输出的PWM波形改变，控制输出到电机两端电压的改变，从而控制电机转速的调节。

L：低电平；H：高电平；X=任意高低电平

表1 L298N芯片使能端工作方式

方案3：

型号为FGA25N120ANTD的IGBT只是一个斩波的电力电子器件，需要额外的驱动电路来驱动IGBT的开断和导通。本设计采用LM339芯片做IGBT的驱动芯片，通过输出双电源供电来实现IGBT的正向导通和反向关断。

图 LM339芯片做IGBT的驱动电路调节电机电路图

2.3.5 控制电机转速

本设计采用了ATmega16内部的相位修正PWM的功能，通过设置OCR1A,OCR1B的值，可以控制脉冲的占空比，从而实现功率控制，进而控制电机的转速。相位修正PWM的原理是，既定TOP和BOTTOM，当TCNT从BOTTOM计算到OCR时，OC脚置位；相反的TCNT从OCR计算到TOP时，OC脚清零，这样就实现了PWM的输出，通过控制OCR的值，便可以控制占空比。由于经过光耦的OC门，这里要取非，就是占空比越小，电机速度越快。在经过通过一系列的数据，得到PWM控制字和转速之间的关系(呈现线性关系)。当我们需要设定某一个转速的时候，只需要带入对应的线性公式，得到对应的PWM控制字，写入OCR即可。

3 电路调试

调试时测量的数据如下：

表2 占空比与转速

                         图

制作和调试时遇到的问题和解决方法如下：

1.通过单片机来设定的占空比与实际输出的占空比的误差比较大。

  单片机ATmega16编写时程序没有编的很完善。通过键盘输入的设定占空比是要经过数学算式转变成二进制的数值，故存在一定的误差。

  检查程序是否有问题，使用更加精确地数学算法计算，可以经过一定的软件修正来修正线性误差。

2.从单片机输出的控制信号经过20欧姆电阻后接三极管的b极后，输出由直流变成交流。

  由模拟电子技术和电力电子技术可知，三极管进入完全饱和区，输出电压就是输入电压，实现不了器件的开通和关断。

  经许俊云老师的指导，把20欧姆的电阻换成1千欧姆的电阻，这样就可以实现三极管的正常导通和关断。

3.尝试使用单电源供电给IGBT来实现IGBT的关断和导通，但是尝试了7、8个方案和电路设计都还是不能让IGBT实现反向关断。

方案1：单三极管8050实现IGBT的驱动;

方案2：单三极管8050实现IGBT的驱动，再在8050的b极和e极间加两个稳压二极管；

方案3：单三极管8050实现IGBT的驱动，提高c极的输入电压，拉高电平；

方案4：对管三极管8050来实现IGBT的驱动；

方案5：尝试使用大功率的三极管或MOSFET来实现IGBT的驱动；

方案6：采用双三极管来实现单电源供电IGBT的关断和导通；

方案7：采用双三极管来实现单电源供电IGBT的关断和导通。

这些方案中，只有方案7最后是成功实现IGBT的关断和导通的，其他的方案都是经过我组的讨论和研究，以及资料的收集得出的，原理和理论应该是没有问题的，但是当实际制作时就出了很多问题，都是以失败结束。而IGBT用双电源供电比较容易实现开关。

4.单片机输出的PWM波形不稳，有尖端出现

可以采用斯密特电路来稳定波形，通过反向极性输出来稳定波形，使波形更加完好。

5.采用双电源供电后还是不能是IGBT导通。

   检查电路是否有虚焊或者短路断路，而IGBT的导通电压在15V至20V之间，此时要注意给定的电压是否足够，注意不要电压过高烧坏芯片LM339。

6.供给三极管8050，8550电源时使烧坏甚至冒烟。

  注意千万不要把直流电的正负极接反，导致器件的烧坏。

7.调试时太过于心急或兴奋，导致芯片，器件甚至是液晶显示屏的烧坏。

  一定要冷静，不要过于浮躁，以良好的心态应对。

4 收获体会                                     

这次是电力电子技术课程设计，我们小组成员都觉得收获不少。虽然我们小组很快就已经做完了第一个方案的实物，并且完成了调试。但是在做第二方案的时候，我们小组就犯了不小的错误。对自己设计的电路图过于执着，过于心急和兴奋，还有对模拟电子技术了解不透彻，理论跟实际接不上等等，都是我们小组成员犯过的错误。

当然，收获还是不少的。我们小组学会了如何使用大功率的IGBT，制作了用弱电控制强电的实际实物，并且成功实现了设计要求的基本功能。对IGBT和三极管的使用更加有心得和体会。对单片机的编程更加熟悉，对数学算法的选择也有进一步的认识。

进一步深化认识到小组合作的重要性，培养了团队意识和合作精神。

5 存在问题和进一步的改进意见

1.不能实现线性调速，而是采用越级调速；

2.输入的调速与实际的有比较大的差距，缺少误差修正；

3.没有转速的反馈，不能实现闭环反馈调节；

4.没有过电流过电压保护，很容易导致元器件的烧坏。

参 考 文 献

[1].刘锦波；张承慧.电机与拖动.北京：清华大学出版社，2006.

[2].康华光.电子技术基础.北京：高等教育出版社，2006.

[3].王兆安；黄俊。电路电子技术.北京：机械工业出版社，2000.

[4].华南农业大学工程学院.电力电子技术实验指导材料，2010.