【導(dǎo)讀】據(jù)我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文（設(shè)計）不包含其他個。人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本論文（設(shè)計）的研究做出重要貢獻的個人和集。體，均已在文中作了明確說明并表示謝意。計）的電子版和紙質(zhì)版。有權(quán)將論文（設(shè)計）用于非贏利目的的少量。復(fù)制并允許論文（設(shè)計）進入學(xué)校圖書館被查閱。保密的論文（設(shè)計）在解密后適用本規(guī)。文科類論文正文字數(shù)不少于萬字。合國家技術(shù)標準規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準用徒。療器械、照明、便攜式墊子產(chǎn)品、礦井和水下應(yīng)用的場合有這廣泛的應(yīng)用前景，本文主要對公共場合對電動汽車充電做了研究。

　　

【正文】 ?BAfK UN esfp 1? （ 310） 設(shè)變壓器的初級繞組匝數(shù)為 1sN ： ps MNUUN 121 ? （ 311） 本章小結(jié) 本章針對松耦合變壓器進行了原理介紹，最后對磁芯進行了選擇和設(shè)計，對繞組進行了設(shè)計。 河北理工大學(xué)信息學(xué)院 18 第 4 章 非接觸式電能傳 輸系統(tǒng)的硬軟件實現(xiàn) 整流及逆變主電路 對于非接觸式電源系統(tǒng)的電能供應(yīng)側(cè)首先利用不可控整流將市電電流整流成直流方式，再將直流電流經(jīng)過全橋移相控制 ZVSZCSPWM 變換器逆變成高頻電流通過松 耦合 變壓器的原邊線圈 (導(dǎo)軌線圈 )，以達到通過非接觸式方式向負載提供電能的目的。對于不可控整流及全橋移相控制 ZVSZCSPWM 變換器及主電路如圖 所示。 圖 早期的全橋變換器的功率開關(guān)器件主要采用的是 GTR 和 MOSFET，眾所周知，它們都存在各自不同的缺點。拿 GTR 為例，盡管它具有開關(guān)容量大和導(dǎo)通壓降低 等優(yōu)點，但其一旦工作在高頻情況下則會出現(xiàn)很多缺點 : :GTR 是少子擴散形成電流，在高注入下會產(chǎn)生剩余截流子。 當(dāng)判斷時這些載流子需要通過抽出和復(fù)合來消除，因此限制了其開關(guān)頻率的提高，目前 GTR 在硬開關(guān)環(huán)境中最高工作頻率約為 9KHz。 :GTR 是一種電流控制的器件，電流放大倍數(shù)很低，在大容量時基極電流很大，這不僅產(chǎn)生損耗，而且使 GTR 驅(qū)動電路的體積很大且制造麻煩。 GTR 的上述弱點都可以用功率 MOSFET 加以克服，因為 MOSFET 是多子器件，無電荷儲存效應(yīng)，因此開關(guān)速度快，工作頻率高 。 MOSFET 是一種電壓控制的器件，輸入阻抗高，平均驅(qū)動功率小，因而驅(qū)動電路也相對簡單 。其次，MOSFET 具有負電流系數(shù)，器件不易產(chǎn)生過熱點，也不易發(fā)生二次擊穿，故安全工作區(qū)較大。但是 MOSFET 也存在著自身不空忽視的弱點 : :由于只有多子漂流，因此下在基區(qū)中并無電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，導(dǎo)通電阻不會變低，因此在相同的耐壓條件下， MOSFET 的導(dǎo)通電阻遠遠高于 GTR，第 3 章 松耦合變壓器的原理及其設(shè)計 19 因而導(dǎo)通壓降也會高的多，增加了導(dǎo)通損耗。 :MOST 阻斷電壓和導(dǎo)通壓降之間存在制約關(guān)系，增加基區(qū)厚度固然可以提高耐壓值，但同時 也提高了導(dǎo)通壓降，為了折中，不得不增加芯片面積，這使得芯片面積利用率和電流密度都下降。 IGBT 集 GTR 和 MOSFET 的優(yōu)點于一體，它具有輸入阻抗高，開關(guān)損耗低、墓于 DSP 的非接觸式電源技術(shù)的研究飽和壓降低、通斷速度快、熱穩(wěn)定性能好和驅(qū)動電路簡單的長處，又具有耐高壓和承受電流大的優(yōu)點。處 1982 年 IGBT試制成功以來， IGBT 已經(jīng)發(fā)展到了損耗更低、更快，容量更大的第三代。綜上述， IGBT 已經(jīng)在目前的功率變換器中得到了廣泛的運用，所以本文選用了 IGBT作為功率開關(guān)器件。 驅(qū)動電路設(shè)計 圖 IPM 驅(qū)動電路 （ 1） 控制信號輸入 如圖 所示，由 DSP 產(chǎn)生的六路 PWM 信號需要經(jīng)光耦隔離芯片 HCPL4504 后再輸入 IPM?？刂菩盘栞斎攵隧氝B接上拉電阻，以防止由于 dU/dt 的作用而產(chǎn)生誤動作。 （ 2） IPM 的自保護功能 IPM 有精良的內(nèi)置保護電路以避免因系統(tǒng)失控或過載而使功率器件損壞。內(nèi)置保護功能的框圖如圖 35 所示。如果 IPM 模塊其中有一種保護電路動作， IGBT柵極驅(qū)動單元就會關(guān)斷電流并輸出一個故障信號 (Fo)。 驅(qū)動電源欠壓鎖定 UV Fo 過壓保護 OC ＆ 短路保護 SC 過熱保護 OT 河北理工大學(xué)信息學(xué)院 20 圖 IPM 內(nèi)置保護電路 示意圖 當(dāng) UV， OC， SC， OT 四路電路中任何一路或幾路出現(xiàn)異常 IPM 將輸出相應(yīng)的低電平信號，則 FO 為低電平。 （ 3）泵升電路 當(dāng)負載進入制動狀態(tài)時，反饋電流將向中間直流回路電容充電，導(dǎo)致直流電壓上升，產(chǎn)生所謂的泵升電壓。如果不對此電壓進行限制，它將造成 IGBT 的永久損壞。產(chǎn)生泵升電壓是電動機制動過程不可避免的現(xiàn)象，為此要給制動過程提供一條能量釋放路徑。智能模塊 IPM 內(nèi)含有制動單元， IPM 利用制動控制口 BR 和制動輸出口 B 組成泵升保護電路，使濾波電容存儲的能量消耗在制動電阻 R5 上，確保控制系統(tǒng)可靠安全地工作。 控制電路設(shè)計 DSP 控制器 DSP 選用 TI 公司的電機控制專用芯片 TMS320LF2407A，該芯片是基于TMS320CZXX 型 16 位定點數(shù)字信號處理器的新型 DSP 控制器。除具備高速處理數(shù)據(jù)的特點外，功率驅(qū)動單元的硬件開關(guān)模式較之軟件開關(guān)模式，有更低開關(guān)損耗、更短周期、電機電流諧波更好等優(yōu)點。而 F2407A 擁有專用于電機控制的事件管理器模塊 EVA 和 EVB，只需設(shè)置事件管理器中的周期寄存器和比較寄存器，便可實現(xiàn)功率驅(qū)動單元的硬件開關(guān)模式。 DSP 的特點及資源 TMS320LF2407A 采用高性能 CMOS 技術(shù)，使得供電電壓降較低到 ；基于改進的哈佛結(jié)構(gòu)， 40MIPS 的執(zhí)行速度使得單指令周期僅為 25ns。它具有高速信號處理和數(shù)字控制功能；同時還集成了單片電機控制應(yīng)用方案所需的外設(shè)功能，能有效的減少系統(tǒng)組件數(shù)量。 F2407A 片內(nèi)的時間管理器為電機提供高速、高效和全變速的先進控制技術(shù)。另外還有 47 個 1/0 引腳。功能框圖如圖 37 所示。 系統(tǒng)設(shè)計中所用的 DSP 硬件資源 （ 1）事件管理器 (EVA/B)模塊 每個 24x 器件都包括兩個事件管理器 EVA 和 EVB，每個事件管理器模塊包括 通用定時器、比較單元、捕獲單元以及正交編碼脈沖電路。 F2407A 上有 4 個通用定時器，每個通用定時器可通過定時器控制寄存器配置，有上溢、下溢、周期和比較四種中斷資源。同時 GP 定時器為其它子模塊提供時基， T1 和 T3 適用于所有比較單元和 PWM 電路， T2 和 T4 適用于捕獲單元和正交脈沖計數(shù)操作。 第 3 章 松耦合變壓器的原理及其設(shè)計 21 全比較單元利用可編程的死區(qū)控制電路編程產(chǎn)生 6 路 PWM 波形生成的輸出。帶死區(qū)控制的 PWM 輸出對長度為 0~2048 個 CPU 時鐘周期，脈沖寬度的變換量最小為一個 CPU 時鐘周期?？身憫?yīng)功率驅(qū)動保護中斷。 F2407A 的 4 個比較器可以產(chǎn) 生四個附加的獨立比較或高精度 PWM 波形。捕獲單元提供對不同事件或跳變的捕獲功能，可編程實現(xiàn)捕獲上升沿跳變和下降沿跳變。當(dāng)捕獲輸入引腳檢測到跳變時， T2 或 T3 被捕獲并存儲在兩級 FIF0 堆棧中。兩個捕獲輸入端CAPI/2 可用于正交編碼器脈沖的 QEP 電路接口。 （ 2） ADC 模塊 F2407A 包括兩個帶采樣 /保持的各 8 路 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，具有自動排序能力，一次可執(zhí)行最多 16 個通道的自動轉(zhuǎn)換，可工作在 8 個自動轉(zhuǎn)換的雙排序器工作方式或一組 16 個自動轉(zhuǎn)換通道的單排序器工作方式。 A/D 轉(zhuǎn)換模塊的啟動可以有事件管理器模塊中 的事件源啟動、外部信號啟動、軟件立即啟動等三種方式。另外， F2407A 有兩個二級 FIF0 結(jié)果寄存器用于存放轉(zhuǎn)換結(jié)果。 （ 3）串行通信口 F2407A 設(shè)有一個異步串行外設(shè)通信口（ SCI）和一個同步串行外設(shè)通訊口（ SPI），用于與上位機、外設(shè)及多處理器之間的通信。 SCI 即通用異步收發(fā)器（ UART）支持 RS232 和 RS485 的工業(yè)標準全雙工通信模式，用來與上位機的通信； SPI 可用于同步數(shù)據(jù)通信，典型應(yīng)用包括 F2407A 之間構(gòu)成多機系統(tǒng)和外部 I/O 擴展，如顯示驅(qū)動。 DSP 接口電路 （ 1） JTAG 接口電路 程序的在線調(diào)試和仿真通過 JTAG(Joint Test Action Group)標準測試接口連接相應(yīng)的控制器，從而不但能控制和觀察系統(tǒng)中處理器的運行，測試每一塊芯片，還可以用這個接口來下載程序。在 TMS320 系列中，和 JTAG 測試口同時工作的還有一個分析模塊。它支持斷點的設(shè)置和程序內(nèi)存、數(shù)據(jù)存儲器、 DMA 的訪問，程序的單步運行和跟蹤，以及程序的分支和外部中斷的計數(shù)等。通過結(jié)合 TI 的集成開發(fā)環(huán)境 (CCS)與 JTAG 接口，可以很方便地進行實時在線調(diào)試。 JTAG 測試口與 DSP 管腳聯(lián)機如圖 所示。 河北理工大學(xué)信息學(xué)院 22 圖 JTAG 測試口與 DSP 管腳聯(lián)機圖 （ 2） SCI 串口通訊 在 DSP 芯片內(nèi)部，嵌入了 SCI通訊模塊?？梢酝ㄟ^接口對 DSP 的內(nèi)部 FLASH進行 燒寫和仿真通訊。本系統(tǒng)設(shè)計采用的接口是 RS232，其接口芯片采用的是MAXIM 公司的 MAX232，具體電路如圖 所示。 圖 保護電路 為了提高系統(tǒng)的可靠性，必須設(shè)計保護電路。本系統(tǒng)保護分為軟件保護和硬件保護。軟件保護通過將檢測值輸入 DSP，通過程序進行判斷是否封鎖信號輸出。而硬件保護電路，則通過邏輯與門來決定是否封鎖輸出信號，其中硬件保護 較之軟件保護，具有響應(yīng)速度快的特點 。 過壓 、欠壓 保護 系統(tǒng)中設(shè)置了直流電壓過壓、欠壓保護電路。因為 IGBT 集射極耐壓及承受反壓的能力有限，而且蓄電池電壓變化范圍較大，會導(dǎo)致直流回路過壓或欠壓，第 3 章 松耦合變壓器的原理及其設(shè)計 23 因此應(yīng)設(shè)置直流電壓過壓、欠壓保護電路。 欠壓（過壓）保護是從主回路中引入信號控制，在這里欠壓（過壓）保護電路的比較信號取自同光耦的輸出。在過 (欠 )壓保護中，當(dāng)采樣電壓高 (低 )于保護參考點 V2（ V1），則 VOH(VOL)輸出低電平，與其它故障信號相與后送入 DSP的 PDPINT 中斷口，當(dāng) DSP 的 PDPINT 管腳接收到低電平信號， DSP 將做出相應(yīng)的中斷處理，立即封鎖 PWM 輸出及停止運行。 1).保護閾值參數(shù)選擇 欠壓保護電壓： VUU dc 1 3 0%)101(*1 4 4%)101(*1 ????? () 過壓保護電壓： VUU dc 1 5 8%)101(*1 4 4%)101(*2 ????? （ ） 2).電路參數(shù)計算 將可調(diào)電阻 22R 調(diào)至 6K 得 39。22R 欠壓保護參考電壓設(shè)置： *%120* ** 39。22201121 ??????? ???????????? ???? RC T RIR VVUV RDF取 VV ? ，則將 23R 調(diào)至 ，使 A4 正輸入端為 。 過壓保護參考電壓設(shè)置： *%120* ** 39。22201221 ??????? ???????????? ???? RC T RIR VVUV RDF 取 VV 52? ，將 24R 調(diào)至 ，使 A5 負輸入端為 10V。 圖 河北理工大學(xué)信息學(xué)院 24 過流保護 IGBT 雖可承受短時間的過流，但一旦超出安全區(qū)，則將被永久性地損壞。所以要設(shè)置快速的過流保護電路。系統(tǒng)在直流回路設(shè)置一個電阻，通過該 電阻把電流轉(zhuǎn)換成電壓信號后接入圖 保護電路中，形成過流保護。當(dāng)發(fā)生過流故障，OC 輸出低電平，與其它故障信號相與后送入 DSP 的 PDPINT 中斷口，當(dāng) DSP的 PDPINT 管腳接收到低電平信號， DSP 將做出相應(yīng)的中斷處理，立即封鎖 PWM輸出及停止運行。 圖 過壓保護電路 過流保護的工作原理很簡單，通過采取主電路電阻 16R 兩端的電壓做減法 運算，則 A7 輸出為1621172151187 * RIUURURURU out ??????????? ??, 7outU 與 A8 正端輸入 （ 3V）作比較，當(dāng) VUout 37 ? 時， OC 輸出為低，即當(dāng) AI 3 ?? 時，OC 輸出為低。 故障信號的處理 前面講述的過流、過壓、欠壓保護信號，最后要在 DSP 中處理，只要其中有一個信號發(fā)出低電平，則 DSP 立即中斷響應(yīng)。原理圖如圖 。這部分是 DSP接收保護信號的電路，當(dāng)其中一路保護信號為低時，則 PDPINT 將接收到一個低第 3 章 松耦合變壓器的原理及其設(shè)計 25 電平信號，此時 DSP 將停止發(fā)生 PWM 波。 圖 電源模塊設(shè)計 為了滿足 DSP 控制系統(tǒng)對電源的可靠性、精度 、寬范圍輸入、隔離等方面的要求，本系統(tǒng)的電源設(shè)計采用模塊化的設(shè)計方案，共使用三個電源模塊，形成兩級的電源系統(tǒng)。系統(tǒng)的電源是來自汽車的蓄電池 12V 電壓， 12V 電壓不能直接應(yīng)用在本系統(tǒng)中，而且電源波動范圍較大，所以要進行一些轉(zhuǎn)換。故使用 ANSJ的寬范圍輸入的隔離電源模塊 HDW1512S05 DC/DC 模塊為一級電源模塊，輸入電壓范圍為 918V，功率 15W，有三路電壓輸出 +5V 和177。 15V，精度177。 1%，負載效應(yīng)小，動態(tài)響應(yīng)快，啟動延時小于 200ms。首先是把 12 伏的電壓轉(zhuǎn)換成 5V和177。 15V 的電壓， +5V 的電壓直 接給給 DSP 外部接口芯片供電，177。 15V 輸出給霍爾傳感器供電。因為 2407