【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 控 制 板驅(qū) 動(dòng) 電 路電 流 信 號(hào) 放 大 調(diào) 理 電 路電 源 模 塊 圖 31 風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理圖 圖 32 PCB 設(shè)計(jì)圖 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2022 屆本科生畢業(yè)論文 8 圖 33 系統(tǒng)電路板實(shí)物圖 風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)主電路 系統(tǒng)主電路的原理 如圖 34 所示。 Q 1Q 3Q 2Q 4Q 5E 1E 2C 1R 1R 2R 3D 1 D 2D 3D 4L 1L 2蓄電池負(fù)載~~~R 8R 9R aR b3 . 3 V3 . 3 VU 1U 2 I 1I 2B R吸 收 電 路 圖 34 系統(tǒng)主電路原理圖 圖中 BR 為不可控整流橋， E1=E2=630uF/450V 為整流濾波電容， R1=330K?、R2=360 K?、 R3=10 K?為輸入側(cè)直流電壓檢測(cè)部分， Q1~Q4 為直流變換開(kāi)關(guān)器件，Q5 為負(fù)載投切控制開(kāi)關(guān) ,IGBT 選用 G40N60B3D。 L1=L2= 為電路主電感， D北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2022 屆本科生畢業(yè)論文 9 D2 為 BUCK 變換續(xù)流二極管， D D4 為 BOOST 變換反關(guān)斷二極管， R8=100K?、R9=10K?為輸出直流側(cè)電壓檢測(cè)部分 ， Ra 為流經(jīng)蓄電池電流的檢測(cè)電阻， Rb 為負(fù)載電流檢測(cè)電阻。此外，主電路中還包括各濾波電容、功率器件的緩沖電路、蓄電池和負(fù)載等部分。 風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的電源模塊 內(nèi)部電源模塊的 24V 電源直接由主電路獲得，當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始正常工作時(shí)，系統(tǒng)一邊向負(fù)載和蓄電池供電，同時(shí)向內(nèi)部電源模塊供電，以保證控制部分的正常工作。而在系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程中，蓄電池將提供系統(tǒng)啟動(dòng)所需的電能，在系統(tǒng)開(kāi)始正常工作后進(jìn)行補(bǔ)充。 電壓產(chǎn)生電路 15V 電壓產(chǎn)生電路如圖 34 所示。該電路使用 24V 轉(zhuǎn) 15V 的帶隔離直流電 源模塊 IB2415LS/D2W，該模塊體積小，工作穩(wěn)定性好，應(yīng)用靈活， Vin1Vout6GND20V5S12415470uF/50VE347uF/35VE4104C10GND24V 15Va15aGND 圖 34 15V 電壓產(chǎn)生電路 很適合 線路板上分布式電源系統(tǒng)中需要產(chǎn)生一組與輸入電源隔離的電源的應(yīng)用場(chǎng)合 。 系統(tǒng)共有三個(gè)該電源產(chǎn)生電路，用于提供功率開(kāi)關(guān) IGBT的驅(qū)動(dòng)電壓，其中 QQ3由于發(fā)射極與輸入電壓不共地，所以需要單獨(dú)提供驅(qū)動(dòng)電源， Q Q Q5發(fā)射 極基本處于同一電 位，所以可共用一個(gè)驅(qū)動(dòng)電源。 177。 5V 電壓產(chǎn)生電路 177。 5V電壓產(chǎn)生電路如圖 35所示。該電路使用 24V轉(zhuǎn) 177。5V的帶隔離穩(wěn)壓的直流電源模塊 IA2405KS1W，該模塊溫度特 性好，且輸出電壓穩(wěn)定紋波小，適合與線路板上產(chǎn)生與輸入隔離的正負(fù)電源的場(chǎng)合。系統(tǒng)只有一個(gè)該電路結(jié)構(gòu)，它的輸出參考點(diǎn)和系統(tǒng)模擬地共在一起，用于向電流檢測(cè)信號(hào)調(diào)理電路的運(yùn)放提供所需的正負(fù)電源。 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2022 屆本科生畢業(yè)論文 10 圖 35 5V電壓產(chǎn)生電路 電壓產(chǎn)生電路 圖 36為數(shù)字 ，該電路由兩個(gè)直流模塊組成，先使用IB2405LS/D2W將 24V電壓變?yōu)?5V電壓，再利用芯片 LM3940將 5V電壓變?yōu)?。LM3940使用時(shí)輸入和輸出側(cè)必須要有濾 波電容，否則無(wú)法正常工作。該電路主要向控制板的 DSP及其外圍電路和驅(qū)動(dòng)芯片輸入端進(jìn)行供電。 104C1333uF/10VE947uF/16VE7Vin VoutGNDS5 LM3940GND24V Vin1Vout6GND20V5S4240533uF/16VE8 圖 36 數(shù)字 圖 37是產(chǎn)生 ，利用小磁珠將數(shù)字 、數(shù)字地和模擬地進(jìn)行隔離，得到干凈的模擬電源，作為運(yùn)放輸入的參考電壓使用。圖中DS為電源指示燈， R55為限流電阻，當(dāng)系統(tǒng)上電后， DS發(fā)光表明供電模塊正常。 LEAD1LEAD2104C15 GNDA330R55104C14LEAD3GNDDS 圖 37 模擬 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2022 屆本科生畢業(yè)論文 11 檢測(cè)模塊 電壓檢測(cè)電路 電壓檢測(cè)電路如圖 38 所示，該系統(tǒng)直接利用電阻分壓進(jìn)行電壓 檢測(cè)。分壓電阻根據(jù)端電壓的最大值大進(jìn)行選取，當(dāng)端電壓為最大值時(shí)，使分壓結(jié)果為 即可 。C 為濾波電容，濾除高頻噪聲。 D D2 為限壓保護(hù)二極管，當(dāng)檢測(cè)電壓低于 0V 時(shí)，下管 D2 導(dǎo)通，將輸出電壓 U 牽制在 0V，而當(dāng)檢測(cè)電壓高于 時(shí)，上管 D1 導(dǎo)通，從而將輸出電壓 U 牽制在了 ，所以輸出電壓 U 只在 0V 到 之間，不會(huì)對(duì) DSP 產(chǎn)生損壞。 電流檢測(cè)電路 電流檢測(cè)電路如圖 39 所示，利用一個(gè)采樣電阻進(jìn)行電流檢測(cè)。 Ra 為 50m? 采樣電阻，最大可通過(guò) 5A 電流， C 為濾波電容。由于采樣電阻很小，所以需要進(jìn) 行進(jìn)一步的處理才能輸入到 DSP，圖 310 為電流檢測(cè)信號(hào)放大調(diào)理電路。該電路共有兩級(jí)運(yùn)放，由于所檢測(cè)的蓄電池電流有正負(fù)之分，所以運(yùn)放利用正負(fù)電源進(jìn)行供電。電路選用雙運(yùn)放芯片 OP284，該芯片具有供電電壓范圍寬，增益穩(wěn)定，溫漂小，帶寬大，噪聲小等特點(diǎn)，完全可以滿足電路設(shè)計(jì)需要。 R 8R 93 . 3 VUV c cG N DCD 1D 2 GNDI1I1RaC 圖 38 電壓檢測(cè)電路 圖 39 電流檢測(cè)電路 10KR3816R4033nFC35GNDAI139。GNDAI110KR39104C33330KR3622KR3518KR37104C31GNDAGNDA+5V5V814321A1AOP284847562A1BD12D13 放 大 環(huán) 節(jié) 偏 置 環(huán) 節(jié)跟 隨 環(huán) 節(jié)濾 波 保 護(hù) 環(huán) 節(jié) 圖 310 電流檢測(cè)信號(hào)放大調(diào)理電路 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2022 屆本科生畢業(yè)論文 12 電路第一級(jí)為信號(hào)放大環(huán)節(jié)， 設(shè)其增益為 A1，輸入為 V1in，輸出為 V1out，則有： 361 1 1 1 1 135 3301 1 1 622o u t i n i n i n i nRV A V V V VR? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? (31) 該環(huán)節(jié)放大電路 將采樣電阻檢測(cè)得到的微小電壓信號(hào)，放大為 ~+ 的電壓信號(hào)。由于 DSP 的輸入只能是 0V~ 的電壓信號(hào)，所以需要 偏置 環(huán)節(jié)將前級(jí)放大信號(hào)調(diào)整到合適的范圍，調(diào)理環(huán)節(jié)實(shí)際上就是給前級(jí)輸出 加一個(gè)直流偏置，將 ~+ 的電壓信號(hào)變換為 0V~ 的電壓信號(hào)。調(diào)理環(huán)節(jié)的輸入為 V1out，設(shè)其輸出為 V2in，則有： 2in outVV?? (32) 第二級(jí) 運(yùn)放 為電壓跟隨電路， 設(shè)其輸出為 V2out，則有： 22out inVV? (33) 該環(huán)節(jié) 將調(diào)整好的電壓信號(hào)直接輸出，起緩沖穩(wěn)壓作用。 最后 的環(huán)節(jié)是 對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波與保護(hù)，該環(huán)節(jié)的 作用和電壓檢測(cè)電路中介紹的作用相同 。 驅(qū)動(dòng)模塊 由于 DSP 發(fā)出的 PWM 信號(hào)不能直接驅(qū)動(dòng) IGBT 工作， IGBT 工作時(shí)需要 +15V的開(kāi)柵電壓和 低于 0V 的關(guān)柵電壓，所以本文選用惠普公司 專用 驅(qū)動(dòng)芯片HCPL3120。它是一種專門用于驅(qū)動(dòng) IGBT 的光耦隔離式集成驅(qū)動(dòng)芯片，最高開(kāi)關(guān)頻率可達(dá) 2MHz， 輸出驅(qū)動(dòng)電壓變化范圍大， 它可以驅(qū)動(dòng) 1200V/100A 的 IGBT。 圖 311是該芯片的功能框圖和真值表。 當(dāng)光耦導(dǎo)通 時(shí) ， 如果所加電壓 VCC–VEE 大于 ，芯片輸出高電平 VO=VCC–VEE，驅(qū)動(dòng) IGBT 開(kāi)通；當(dāng)光 耦關(guān)斷時(shí)，芯片輸出低電平使IGBT 關(guān)斷。 圖 311 HCPL3120 的功能框圖和真值表 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2022 屆本科生畢業(yè)論文 13 102C161K5R15N/C1ANODE2CATHODE3NC4VCC8Vo7Vo6VEE5N1HCPL 3120330R10100R25Q1330R2010KR30D9DZ515Va15aGND15aGNDEa102C26104C21GA_A15aGND 圖 312 驅(qū)動(dòng)電路原理圖 圖 312 為驅(qū)動(dòng)電路的原理圖，將芯片中內(nèi)部發(fā)光二極管的正端接 高電平，負(fù)端接控制信號(hào) GA_A，當(dāng) GA_A 為低電平時(shí)，內(nèi)部光耦導(dǎo)通，輸出高電平驅(qū)動(dòng) IGBT開(kāi)通，當(dāng) GA_A 為高電平，內(nèi)部光耦關(guān)斷，輸出低電平使 IGBT 關(guān)斷。 R10 為內(nèi)部二極管的限流電阻， C21 為電源濾波電容，該電容必須有，不然芯片可能無(wú)法正常工作。 C2 R D9 是為了確保 IGBT 可靠關(guān)斷， R25 用來(lái)限制柵極 du/dt 不至過(guò)大， DZ5 用來(lái)穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)輸出電壓，使之保持在 0～ 15V 之間。 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2022 屆本科生畢業(yè)論文 14 4 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 軟件實(shí)現(xiàn)功能 軟件實(shí)現(xiàn)以 Freescale 公司 DSP56F8013 為控制核心，分別控制太陽(yáng)能電池輸出模擬裝置的全橋變換器，直流電機(jī)電樞電流控制的橋式整流電路和蓄電池充電電路中的交錯(cuò)并聯(lián) DC/DC 變換器。 模擬太陽(yáng)能電池輸出裝置軟件主要實(shí)現(xiàn)功能 ● 對(duì)采樣檢測(cè) 到的模擬信號(hào)進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換 ； ● 對(duì) AD 轉(zhuǎn)換后的采樣信號(hào)進(jìn)行軟件低通濾波，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟件保護(hù)； ● 根據(jù)檢測(cè)信號(hào)得到相應(yīng)的控制策略和控制量； ● 產(chǎn)生 4 路 PWM 脈沖信號(hào)，控制主電路中 四 只 IGBT 開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷 。 直流電機(jī)電樞電流控制軟件主要實(shí)現(xiàn)功能 ● 對(duì)采樣檢測(cè)到的模擬信號(hào)進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換 ； ● 對(duì) AD 轉(zhuǎn)換后的采樣信號(hào)進(jìn)行軟件低通濾波，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟件保護(hù)； ● 使用外部中斷計(jì)算脈沖編碼器的脈沖數(shù)，進(jìn)而計(jì)算直流電機(jī)轉(zhuǎn)速； ● 根據(jù)檢測(cè)信號(hào)得到相應(yīng)的控制策略和控制量； ● 產(chǎn)生 4 路 PWM 脈沖信號(hào)，控制 主電路中四只 IGBT 開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷 。 蓄電池充電電路軟件主要實(shí)現(xiàn)功能 ● 對(duì)采樣檢測(cè)到的模擬信號(hào)進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換 ； ● 對(duì) AD 轉(zhuǎn)換后的采樣信號(hào)進(jìn)行軟件低通濾波，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟件保護(hù)； ● 根據(jù)檢測(cè)信號(hào)得到相應(yīng)的控制策略和控制量； ● 產(chǎn)生 4 路 PWM 脈沖信號(hào)，控制主電路中四只 IGBT 開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷 。 軟件設(shè)計(jì)工具 本系統(tǒng)主要使用的軟件為 Motorola 公司 DSP 的軟件開(kāi)發(fā)調(diào)試工具 CodeWarrior和其嵌入式 PE(Processor Expert)軟件包。 [17] 對(duì)于 DSP56800 系 列產(chǎn)品，飛思卡爾提供了兩個(gè)有力的軟件開(kāi)發(fā)工具。一個(gè)是CodeWarrior 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，是一種可靠的用于交叉匯編，交叉 C 編譯、鏈接和調(diào)試的開(kāi)發(fā)工具；另外一個(gè)是軟件開(kāi)發(fā)工具 PE(Processor Expert)軟件包 它提供了各種外設(shè)模塊的驅(qū)動(dòng)程序和接口。 北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2022 屆本科生畢業(yè)論文 15 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境 CodeWarrior 概 述 CodeWarrior 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境包含了一個(gè)可視化的工程創(chuàng)建和管理系統(tǒng)，對(duì)源代碼文件和庫(kù)進(jìn)行全面的管理，降低了工程的復(fù)雜性。它帶有一個(gè)代碼編輯器，采用了習(xí)慣的拼寫(xiě)風(fēng)格，是建立和修改源代碼的理想工具。它還帶 有一個(gè) C 源碼級(jí)的調(diào)試器，提供基于 WINDOWS 的代碼調(diào)試功能，可視化地顯示復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和表達(dá)式的內(nèi)容，大大加快了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的速度 ，提高了工作效率 ?？傊?， CodeWarrior IDE允許設(shè)計(jì)人員可視化地進(jìn)行代碼編輯、鏈接、調(diào)試和內(nèi)核仿真等多種操作。 (Processor Expert)概述 PE(Processor Expert)是 Codewarrior IDE 中集成的 軟件包，內(nèi)置自動(dòng)代碼生成工具；并且具有數(shù)據(jù)可視化和帶模板的項(xiàng)目管理工具，可以根據(jù)用戶的要求選擇需要的外設(shè)模塊，利用圖形化的用 戶接口，對(duì)選定的模塊進(jìn)行設(shè)置， 自動(dòng)創(chuàng)建初始化代碼 ，并按照要求生成一些功能代碼。 能夠顯著縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間、提高代碼質(zhì)量 。 使用該軟件開(kāi)發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)，可極大減少