基于PWM控制的稀土永磁发电机的稳压器设计
专用稀土永磁同步发电机及其DC-DC稳压系统的研究
IV
西北工业大学硕士学位论文
前言
前 言
国民经济的发展，科学技术的进步和国防现代化的实现，特别是航空、航 天、航海等方面的新型装备的研制，对电机的性能提出了新的更高的要求。而 新材料，特别是高性能的稀土永磁材料的问世和不断完善，以及电力电子技术 的发展，为满足这些要求提供了可能。 电机内赖以进行机电能量转换的气隙磁场，可以由电流励磁产生，也可以 由永磁体产生。近几十年来，随着铝镍钴、铁氧体、特别是稀土永磁的不断出 现，磁性能有了很大提高，永磁电机的研究与应用得以迅速发展。与电励磁电 机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机具有结构简单，运行可靠；体积小， 重量轻；损耗小，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。它不 仅可以部分替代传统的电励磁电机，而且可以实现电励磁电机难以达到的高性 能。目前永磁电机的功率小至 mW 级，大至 1000kW 级，在工农业生产、航空 航天、国防和日常生活中得到广泛应用。 与此同时，随着计算机硬件和软件技术的迅猛发展，以及电磁场数值计算、 优化设计和仿真技术等现代设计方法的不断完善，经过电机学术界和工程界的 共同努力，在永磁电机的设计理论、设计方法、结构工艺和控制技术等方面都 取得了突破性进展，形成了以电磁场数值计算和等效磁路解析求解相结合的较 为完善的设计方法。 本课题内容主要是进行一种专用特种独立电源的研究与设计。该电源包括 高速永磁发电机和 DC-DC 稳压电源。 由于其特殊的应用场合， 对该电源系统提 出了非常严格的要求：1、体积小，质量轻，功率大；2、电压调整率小；3、响 应速度快；4、耐冲击、耐震动、耐酸、碱气体腐蚀。针对这一要求，采用全新 的设计方法进行设计： 1、采用电机直接设计法， 将该稀土永磁电机作为整个电源系统的组成部分来进 行设计，从而使得整个系统获得可靠的工作特性。 2、在该稀土永磁电机的设计中，采用场、路结合的设计方法，运用先进的电磁 场分析软件，在电磁设计过程中，通过电磁场的分析取得更为精确的计算结果。 3、运用有限元分析软件，进行电机的内部温度场分析，校核电机的工作条件来 确定转子磁钢的工作安全性，从而保证电机的工作状态的安全。 4、DC-DC 稳压电路的设计中，充分利用整机有良好的循环水冷却这一条件， 采用单管电路，运用高频开关技术，实现大功率的双路直流输出，获得稳定的 直流电源。
一种基于PWM的稳压电源装置设计方法
ｌ 问题 的提 出
直流稳压电源装置是各类仪器 、 仪表等 电器 设 备 所必 需 的 。 目前 市 场 上及各 类 电器设 备 采用 的直 流 稳压 电源装 置大 体 可分 为线 性 直 流稳 压 电
源 和开关 型直 流稳 压 电源两 类 。线 性 直 流稳 压 电
Ｐ ＷＭ 的产 生 由一 片 ｑＡ ４实 现 。 ｌ９
高频 ） 压 一 整 流 一 滤 波 一 直 流 电 压 。其 优 点 变
图 １ 电源 电路 框 图
电路 工 作原 理如 下 ： 首先 ， 据需 要 输 出 电压 根
的大小 ， 给定一个 电压 信号 ，ＷＭ 产生电路输 出 Ｐ 个Ｐ ＷＭ信号 ， 经过功率驱动 电路驱动 Ｉ Ｂ Ｇ Ｔ工 作 。工 频 市 电 全 波 整 流 后 ， 入 给 Ｉ Ｂ 由 输 Ｇ Ｔ。
般 ＩＢ Ｇ Ｔ的驱 动 电 压 在 ２ Ｖ左 右 。采 用 图 ０
作者简介 ： 国法（ ９ １ ） 男 ， 郝 １５ 一 ， 武汉科技 大学 信息科 学与工程学院 ， 高级工程师．
维普资讯
２６ ９
认科 技 大学 学报 （自然科 学 版 ）
２０ ０ ２年 弟 ３期
Ｖｏ ． ５， ｏ ３ １２ Ｎ ． Ｓｐ ２ ０ ｅ．０２
一
种 基于 Ｐ ＷＭ 的稳 压 电源 装 置 设 计 方 法
郝 国法 ， 甘朝晖 ， 梁柏华
（ 武汉科技 大学信息科学 与工程学院 ， 北 武汉 ４ ０ ８ ） 湖 ３ ０ １
摘要： 在分析 现有直流稳压 电源装置设 计方法 的基础上 ， 出一种减 小电源装置体 积和重量 、 高 电源品质 的 提 提 设计方 法。实验 结果表 明 ： 该方案 电路 简洁 ， 电源品质显著提 高， 有较 大的开发 应 用价 值。 关键 词 ：ＷＭ 控制 ； Ｐ 有源滤波 ； 直流稳压 电源 中图分类号 ：Ｍ４ Ｔ ４ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：０ １－ ９ ５ ２ ０ ） ３— ２ ５— ３ １０ ４ ８ （ ０２ ０ ０ ９ ０
基于PWM控制器的升压式开关稳压器设计
正向压降（参考）：普通>1V；快速（超快）0.8~1.1V；肖特基0.3~0.6V 普通1N400X、1N540X；快速（超快）FR、HER、UF、SF等系列；开关二极管（1N4148）； 肖特基S明该二极管的类型、封装及上述5个参数。
提示：2号误差放大器可以用于其他外部控制，例如过流保护，但如果不使用，引脚不能悬空。
元件清单
Bill of Material （BOM）
符号 参数 R1 R2 100、1/4W金属膜 300k、1/4W金属膜 用途 开关管驱动 频率设置 符号 R7 R8 参数 10k、1/4W金属膜 1k、1/4W金属膜 输出采样 储能电感 功率开关 续流二极管 输出电容 PWM控制器 用途
输出滤波电容电流波形
I C U RS 2 / RS 2 RS 2 1
充电电流最大约 250mA
放电电流约 750mA
原理图
输出电流波形
输出电流约400mA
原理图
输出电压与漏极电压波形
输出电压平均值 23.8V
MOS OFF
MOS ON
原理图
输出电压纹波
UO _ pp 0.5V
二极管参数计算
♠ 极限参数
♠ 反向击穿电压 ♠ 额定电流 ♠ 额定功率
U REV U O 24V
I D _ max Iin _ max 3A
Pd U F I D _ avg U F IO
查找适合的元件型号 特征： 低压、大电流、快恢复 SR5100
♠ 性能参数
♠ 反向恢复时间 Trr ♠ 正向压降
电感电流断续模式（DCM）
主讲 周党培
IL
2016.7
第33页
电路原理图
高精度PWM稳压电源控制电路的设计
收稿日期:2001204211 修改稿日期:2001209210高精度PWM 稳压电源控制电路的设计刘陵顺 鲁 芳 姜忠山海军航空工程学院自控系 山东省烟台市 264001 【摘要】设计了一种新型的开关稳压电源,采用晶闸管全控整流和IG BT 逆变器,给出了基于TL494的控制电路和保护电路,具有调压范围宽、输出电流大、稳压精度高、控制性能优良的特点。
关键词:开关电源 T L494 控制电路中图分类号:TM44Design of a Control Circuit for a High Accuracy PWM Stable Switch Pow er SupplyLiu Lingshun Lu F ang Jiang ZhongshanNaval Aeronautical Engineering Academy ,Y anTai 264001,Shangdong Abstract :A new type switch stable voltage inverter is designed.The SCR is used to rectify ,IG B T is used to inverter ,The control and protect circuit based on TL494is gived.The inverter has the advantage of regulate voltage range large ,output current large ,stable voltage accuracy high ,control property excellent.K ey Words :Switch Power Supply ,TL494,Control Circuit1 引言由于开关电源具有体积小、重量轻、高效节能、输入电压范围宽、输出纹波低、保护功能齐全等优点,已广泛地应用于电子产品的各个领域。
稀土永磁同步电机智能控制器的设计
稀土永磁同步电机智能控制器的设计作者：黄丽霞来源：《数码设计》2017年第07期摘要：针对稀土永磁同步电动机的特点，设计基于矢量控制策略的变频调速控制系统。
论文阐述了稀土永磁同步电机矢量控制策略，搭建软件仿真平台验证了控制方案的可行性与控制性能；详细介绍以TMS320F2812为核心的永磁同步电机智能控制器硬件电路，编制完整的软件程序并进行了实验验证。
关键词：永磁同步电机；电压空间矢量控制；DSP中图分类号：TM351 文献标识码：A 文章编号：1672-9129（2017）07-0189-04The design and development of the intelligent Controller for REPMSMHuang Lixia（Information and mechanical and electrical engineering college ， Ningde Normal University， Ningde 352100， China）Abstract：Aiming at the characteristic of rare earth and permanent magnetism and synchronous motor （“REPMSM” for short）， the variable speed system based on vector control theory is designed. The stator field-oriented vector control strategy is described. In order to validate the feasible and effectiveness of the scheme the dual closed-loop vector control system simulation platform for REPMSM has been put up on MATLAB/Simulink. And then， this paper introduced the hardware circuit of PMSM intelligent controller based on DSP TMS320F2812 in detail； The control programs were written and Verification test is carried out.Key words：PMSM； SVPWM； DSP引言REPMSM采用稀土永磁体励磁来代替线圈电流励磁。
基于PWM控制的稀土永磁发电机的稳压器设计
基于PWM控制的稀土永磁发电机的稳压器设计【摘要】文章介绍了一种基于PWM控制的汽车用稀土永磁发电机的电子稳压电路，主电路采用了三相桥式整流电路加直流斩波电路的方式，控制部分采用了PWM控制方式，提高了稳压精度。
【关键词】永磁发电机；PWM；稳压器随着MOSFET、IGBT等电力电子器件和控制技术的迅猛发展，大多数永磁发电机在应用中，可以不必进行磁场控制而只进行电枢控制，设计时把稀土永磁材料、电力电子器件和新的控制技术结合起来，使永磁发电机在崭新的工况下运行。
目前常见的电子稳压方案是三相半控桥式整流电路，在已有的整流稳压电路中，对三相半控整流桥的控制多采用电压比较控制式[1]。
由于整流电路中采用的晶闸管具有半控性，这带来了电压控制精度不高的问题。
本文介绍一种基于PWM稳压控制的三相整流稳压电路，该电路可以很好的解决上述问题。
1 PWM稳压控制电路设计本文中的主电路采用了三相桥式整流电路加直流斩波电路的方式，对直流斩波电路的开关元件的控制采用了PWM控制方式，而对整流电路则不加控制。
图1 PWM稳压电路图1.1 PWM稳压控制电路的组成在图1中可以看到该稳压电路的控制部分以TL494芯片为核心，外围电路由电源电路、基准电压、检测电路、触发电路、振荡电路组成。
电源电路由稳压管VD、电阻R1和电容C1组成，提供给TL494芯片工作电源。
基准电路由电位器R2、电阻R3和电阻R4串联组成。
TL494芯片的14号管脚可以输出5 V的基准电压，该基准电压经R2、R3和R4分压生成基准电压提供给TL494芯片的1号管脚，即误差比较放大器的同相输入端。
由于元器件性能的分散性，不同的TL494芯片提供的基准电压会略有不同，因此需要调整电位器R2的阻值来改变基准电压的大小。
基准电压的大小可由下式求出：检测电路由R9和R10串联组成。
该检测电路将分压后，作为采样电压提供给TL494芯片的2号管脚，即误差比较放大器的反相输入端。
汽车用稀土永磁发电机与PWM稳压控制技术的研究的开题报告
汽车用稀土永磁发电机与PWM稳压控制技术的研究的开
题报告
题目：汽车用稀土永磁发电机与PWM稳压控制技术的研究
研究背景：
随着汽车工业的快速发展，电动汽车已成为保护环境的热门选择，但电动汽车的续航里程仍然存在诸多问题，其中一项关键问题就是发电机的输出性能。
常规的汽车发电机使用电刷和转子接触导致寿命和效率低下，为此，开发一个高效稳定的发电机变得非常重要。
研究内容：
本项目旨在研究汽车用稀土永磁发电机和PWM稳压控制技术，以提高发电机的输出效率和稳定性。
具体研究内容包括：
1. 稀土永磁发电机的设计和制造，包括磁环材料的选择、转子和定子的双自由度磁场建模等。
2. PWM稳压控制技术的研究和应用，包括电子开关的PWM控制方法、功率半导体元器件的选型和布局等。
3. 稀土永磁发电机和PWM稳压控制技术的集成，进行实验验证和数据分析，以评估系统的性能和效果。
研究意义：
本项目的研究成果可以促进汽车行业的发展，使得汽车发电机的效率提高，稳定性得到增强，从而提高电动汽车的行驶里程和利用效率，有助于解决电动汽车的续航问题，推动清洁能源汽车的发展。
研究方法：
该项目主要采用实验方法和理论分析相结合的方法，通过对稀土永磁发电机和PWM稳压控制技术的实验验证和数据分析，以评估系统的性能和效果，并且将理论分析和实验结果相结合，得出最终的研究成果和结论。
预期成果：
研究成果预计包括：
1. 汽车用稀土永磁发电机与PWM稳压控制技术的系统设计和实现。
2. 稀土永磁发电机输出效率和稳定性的提升效果评估，以及电动汽车续航里程的提高数据分析。
3. 有关稀土永磁发电机和PWM稳压控制技术的学术论文和实验报告的发表。
基于PWM控制下永磁同步发电机效率优化设计
基于PWM控制下永磁同步发电机效率优化设计罗德荣;向琪;黄守道;陈胜利【期刊名称】《微电机》【年(卷),期】2017(050)012【摘要】永磁同步发电机(PMSG)通过全功率变流器与直流母线连接,因此传统的采用直接并网的同步发电机设计与分析模型不再适用于变速恒频系统中的永磁同步发电机.本文提出了一种变速恒频系统中永磁同步发电机的设计分析模型,该模型综合考虑了变流器电流矢量控制策略对发电机特性和性能的影响,能更准确地反映永磁同步发电机的实际运行状况.基于该模型,运用模拟退火算法(Simulated Annealing,SA)对4kW的永磁同步发电机进行了以效率最优为目标的优化设计.最后运用有限元方法和Matlab仿真分析,对4kW永磁同步发电机进行了空载有限元仿真和负载情况下的运行仿真和实验,通过仿真和实验的结果验证了本文所提出的设计优化设计方法的工程使用价值.%Permanent magnet synchronous motor through a full power converter connected to the DC bus,therefore the traditional design and analysis based directed connection network synchronization generator model is no longer applied to VSCF system of permanent magnet synchronous generators.This paper presented the new model of VSCF system of permanent magnet synchronous generator,the model considers the effect of the converter control based on current vector control strategies and performance characteristics of the generator.It can be more accurately reflected to the actual operating conditions of permanent magnet synchronous generator machine.The SAwas used to design to optimize target of efficiency of 4kW PMSG based on this model.Finally,the finite element method and Matlab simulation were used to analyze the 4kW permanent magnet synchronous generators when it is no-load and load performance,the simulation results verify the design of the proposed model and optimization process is valuable.【总页数】7页(P5-10,30)【作者】罗德荣;向琪;黄守道;陈胜利【作者单位】湖南大学,电气与信息工程学院,长沙410082;湖南大学,电气与信息工程学院,长沙410082;湖南大学,电气与信息工程学院,长沙410082;陕西国防工业职业技术学院,西安710300【正文语种】中文【中图分类】TM351;TM341【相关文献】1.六相永磁同步风力发电机的SVPWM控制技术研究 [J], 郭利辉2.基于模型预测直接转矩控制的永磁同步发电机效率优化研究 [J], 苗磊;张勇军;童朝南;肖雄;汪伟3.宽速度范围永磁同步发电机用于蓄电池负载的PWM整流控制策略的仿真研究[J], 曹帅;王云冲;沈建新4.PWM整流器控制下电感参数对永磁同步发电机性能的影响 [J], 张越雷;高剑;宋广兴;张文娟;黄守道5.基于预测SVPWM的永磁同步发电机直接转矩控制 [J], 叶佳卓;陈广威;周腊吾;杨雄因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
用于永磁同步发电机的PWM整流器方案设计
用于永磁同步发电机的PWM整流器方案设计摘要：本文对基于磁链观测器的PWM整流器应用于永磁同步发电机的方案进行了设计,不仅使发电机输出电流正弦且相位可控,还允许永磁同步发电机运行于变转速状态,既提高了系统的效率又增加了运行的灵活性。
关键词：永磁同步发电机整流器设计方案1、引言传统的不控整流电路无法实现对发电机的功率控制,并带来了较大的低频谐波,整体效率较低。
电压型PWM整流器因其具有输入电流波形正弦、相位可控,直流母线电压保持恒定,能量自由双向传递等优点[1],越来越受到国内外学者的关注,在电机四象限运行控制、并网逆变器中得到了广泛应用[2-3]。
但对于永磁同步发电机系统[4],电机和功率变换器之间没有电抗器,电机端电压为PWM波,电机反电势无法直接检测。
为此,需要借助一定的算法（如滑模观测器）估算出反电势或磁链,完成对永磁同步电机输出功率的控制,实现高效发电运行。
2、系统结构系统的结构框图如图1所示。
为高速永磁同步发电机的反电动势,为电机定子漏电感,为电机定子电阻和功率开关管损耗等效电阻之和。
基于系统对快速动态特性的要求,采用电流前馈解耦的矢量控制方法,可以按电压矢量或者磁链矢量定向。
由于电机端电压为PWM波,无法利用电压传感器得到连续的电压信号,无法直接确定电压矢量的位置。
因此采用无电压传感器PWM整流器控制策略。
系统控制的目标是使电流与反电动势同相位,必须构建观测器对反电动势进行观测。
此外,可以通过对反电动势的积分得到磁链,然后按照磁链矢量进行定向。
由于反电动势估计算式中存在对电流的微分项,容易带来和放大噪声干扰,而磁链观测器的估计算法有电流的积分项,对测量的干扰具有良好的抑制作用。
因此本文采用磁链观测器和磁链定向的电流前馈解耦控制方案。
图1 系统结构图3、交流侧电感设计PWM整流器的交流侧电感设计对系统的性能至关重要,因为交流侧电感的取值不仅影响电流环的动静态特性,而且还制约输出功率、功率因数以及直流电压。
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基于PWM控制的稀土永磁发电机的稳压器设计
【摘要】文章介绍了一种基于PWM控制的汽车用稀土永磁发电机的电子稳压电路，主电路采用了三相桥式整流电路加直流斩波电路的方式，控制部分采用了PWM控制方式，提高了稳压精度。
【关键词】永磁发电机；PWM；稳压器
随着MOSFET、IGBT等电力电子器件和控制技术的迅猛发展，大多数永磁发电机在应用中，可以不必进行磁场控制而只进行电枢控制，设计时把稀土永磁材料、电力电子器件和新的控制技术结合起来，使永磁发电机在崭新的工况下运行。
目前常见的电子稳压方案是三相半控桥式整流电路，在已有的整流稳压电路中，对三相半控整流桥的控制多采用电压比较控制式[1]。
由于整流电路中采用的晶闸管具有半控性，这带来了电压控制精度不高的问题。
本文介绍一种基于PWM稳压控制的三相整流稳压电路，该电路可以很好的解决上述问题。
1 PWM稳压控制电路设计
本文中的主电路采用了三相桥式整流电路加直流斩波电路的方式，对直流斩波电路的开关元件的控制采用了PWM控制方式，而对整流电路则不加控制。
图1 PWM稳压电路图
1.1 PWM稳压控制电路的组成
在图1中可以看到该稳压电路的控制部分以TL494芯片为核心，外围电路由电源电路、基准电压、检测电路、触发电路、振荡电路组成。
电源电路由稳压管VD、电阻R1和电容C1组成，提供给TL494芯片工作电源。
基准电路由电位器R2、电阻R3和电阻R4串联组成。
TL494芯片的14号管脚可以输出5 V的基准电压，该基准电压经R2、R3和R4分压生成基准电压提供给TL494芯片的1号管脚，即误差比较放大器的同相输入端。
由于元器件性能的分散性，不同的TL494芯片提供的基准电压会略有不同，因此需要调整电位器R2的阻值来改变基准电压的大小。
基准电压的大小可由下式求出：
检测电路由R9和R10串联组成。
该检测电路将分压后，作为采样电压提供给TL494芯片的2号管脚，即误差比较放大器的反相输入端。
采样电压的大小可由下式求出：
触发电路由R5和R7串联组成。
为了提高驱动能力，本设计中采用了并联输出方式，即TL494芯片的8脚和11脚并联输出。
该电路的工作原理是：当8
脚和9脚为高电平时，R5和R7串联支路不导通，经过R5直接驱动MOSFET 管VT，使之开通；当8脚和11脚为低电平时，R5和R7串联支路导通，为R5和R7选者适合的电阻值，使R7分得的电压低于MOSFET管的开启电压，则VT不导通。
振荡电路由电阻R8和电容C2组成。
TL494芯片的工作频率由电阻R8和电容C2的大小决定，频率大小为：
1.2 PWM稳压控制电路的工作原理
当采样电压低于基准电压时，即误差放大器的反相输入端2脚的电压低于误差放大器的同相输入端1脚的电压，PWM信号的脉冲较窄，则TL494芯片的末级输出晶体管1和末级输出晶体管2的导通时间较短，从而8脚和11脚为高电平的时间较长，触发电路的导通时间较短，所以MOSFET管VT的开通时间较长，导致升高。
当采样电压高于基准电压时，即误差放大器的反相输入端2脚的电压高于误差放大器的同相输入端1脚的电压，PWM信号的脉冲变宽，则TL494芯片的末级输出晶体管1和末级输出晶体管2的导通时间变长，从而8脚和11脚为低电平的时间变长，触发电路的导通时间就变长，所以MOSFET管VT的开通时间就变短，导致降低。
如此循环工作，使稳定在期望的14.25 0.25 V范围内[2]。
2 试验数据
根据PWM稳压电路图，设计并焊接好电路试验板。
将电路试验板与发电机连接进行试验。
在不同负载的情况下，得出如下数据。
2.1 空载时
表1 空载单位：V 表2 负载电流12A 单位：V
从以上数据可以得出：当输入电压在20V到50V范围内，PWM稳压电路的输出电压控制在14.00V到14.35V之间，完全可以满足汽车用发电机电压在14.250.25V范围内的要求。
2.2 结语
基于PWM控制的汽车用稀土永磁发电机的电子稳压器线路简单可靠，输出电压精度高，稳压范围大，特别是与三相半控桥式整流电路相比，由于采用了高频全控方式，解决了因晶闸管的半控性带来的低负载时电压控制精度不高的问题。
参考文献：
[1]杨勇.汽车用稀土永磁发电机与PWM稳压控制技术的研究[D].山东理工大学，2008.
[2]张学义，曾庆良，史立伟.等.车辆用42V可控整流稳压式稀土永磁发电机的设计[J].微电机，2011（5）.。