1、武汉理工大学毕业设计（论文） 目录 摘要 . I ABSTRACT . II 1 绪论 . 1 1.1 研究背景及意义 . 1 1.2 热电应用发展现状 . 1 1.3 DC/DC 变换器控制方法研究现状 . 2 1.4 本文主要研究内容 . 4 2 系统建模与设计 . 6 2.1 方案设计 . 6 2.2 主电路选型与分析 . 7 2.2.1 主电路选型 . 7 2.2.2 BUCK 电路分析 . 8 2.2.3 保护电路设计 . 11 3 控制系统设计 . 13 3.1 控制器设计 . 13 3.1.1 显示电路 . 14 3.1.2 CAN 及通信电路 . 15 3.1.3 驱动电路设计
2、 . 15 3.1.4 传感电路设计 . 17 3.1.5 辅助电路设计 . 20 4 相关参数计算 . 21 4.1 主电路参数 . 21 4.2 保护电路参数 . 24 4.3 PID 参数 . 24 4.3.1 电压模式 PID 参数 . 26 武汉理工大学毕业设计（论文） 4.3.2 电流模式 PID 参数 . 28 5 仿真分析 . 29 5.1 BUCK 电路仿真 . 29 5.2 PID 仿真 . 30 5.2.1 电压模式 . 30 5.2.2 电流模式 . 32 6 软件设计及测试 . 34 6.1 软件设 计 . 34 6.2 软件部分测试 . 35 7 总结与展望 . 4
3、0 参考文献 . 41 附录一 . 42 附录二 . 45 致谢 . 49 武汉理工大学毕业设计（论文） I 摘要 热电发电技术（又称温差发电技术）是利用热电转换材料直接将热能转换为电能的 新能源技术，具有结构简单、可靠性高、可高效利用热能发电的特征。具有梯级能量特征的尾气废热非常适合利用热电发电技术回收利用。 半 导体温差发电器是系统电能的源头，由于 汽车 发动机功率的变化，排气管的温度会发生变化，从而使得发电器发出的电压发生变化，这种电能在某种意义上都是“粗电”。在大多数情况下，使用这些“粗电”都不能尽如人意，所以需要稳压稳流装置，使其具有稳定的输出功率，再通过车载铅酸蓄电池蓄能，形成一套
4、比较完整的发电及蓄电系统。 本文 提出的是 基于 DSC 的 DC-DC 变流器 ， 设计中采用 DSPIC30F6014A 芯片作为系统的控制器 ，采用 BUCK 降压斩波电路 作为基本的拓扑电路， 并用霍尔电压、电流传感器采集电路相关参数 ，控制器进行 A/D 转换后进行相关的数据处理 和 PID 算法，输出相应的PWM 波控制 BUCK 电路 ，实现电压和电流的连续可调。 系统还可以通过 CAN 总线进行通信和控制 ，可以进行电流模式和电压模式的双模式切换 以及系统的软开关，同时系统还具有自我检测和保护报警功能 。 关键词 ：汽车动力 热能回收 DSC DC-DC 斩波 PID 武汉理工
5、大学毕业设计（论文） II Abstract Thermoelectric power generation technology (also known as thermoelectric power generation technology) to direct the heat into electricity new energy technologies is the use of a thermoelectric conversion material, has a simple structure, high reliability, efficient use of the
6、characteristics of thermal power generation. The exhaust waste heat cascade energy feature is ideal for thermoelectric power generation technology recycling. Thermoelectric Power is the source of the electricity system, due to changes in automotive engine power, the exhaust pipe temperature will cha
7、nge, allowing issued by the electric voltage change, electrical energy in a sense “coarse power“. In most cases, the use of these “coarse power“ are not satisfactory, so they need a steady flow regulator device, it has a stable output power, and then through the vehicle lead-acid battery energy stor
8、age to form a relatively complete set of power generation and storage system. In this paper, the DSC-based DC-DC converter design DSPIC30F6014A chip as the system controller, Buck buck chopper circuit as the basic circuit topology, and the Hall voltage, current sensors, data acquisition circuit para
9、meters, controller A / D conversion, data processing and PID algorithm, the output of the PWM wave control BUCK circuit voltage and current continuously adjustable. The system can also communicate via the CAN bus and control of the dual-mode switching of the current mode and voltage mode soft switch
10、ing system, the system also has self-detection and protection alarm function. Keywords: vehicle power heat recovery DSC DC-DC chopper 武汉理工大学毕业设计（论文） 1 1 绪论 1.1 研究背景及意义 截至 2011 年 8 月底，我国 汽车保有量 已经突破 1 亿辆 ，汽车年消耗燃油超过 2 亿吨，占全国 燃油消耗总量的 50%以上。在汽车消耗燃油所产生的能量中，约 40%的能量以废热形式由尾气排出。按 2011 年汽车保有量和汽车燃油消耗总量计算，约 700
11、0 万吨燃油产生的能量以尾气废热形式排出，折合成原油约 1.2 亿吨，相当于两个半 多 大庆油田的年产量。汽车尾气废热具有沿排气管梯级分布的特征，在发动机及排气歧管附近，最高温度超过500 ，在一级消声器之前的大部分区域温度在 250 以上。 热电发电技术（又称温差发电技术）是利用热电转换材料直接将热能转换为电能的新能源技术，具有结构简单、可靠性高、可高效利用热能发电的特征。 具有梯级能量特征的尾气废热非常适合利用热电发电技术回收利用。利用赛贝克热电效应让半导体热电材料包裹在排气管周围，可将热能转换成电能加以有效地利用。汽车发动机排出的废热通过肋片形成发电器的热端，而冷端则用顺排管束式风冷散热
12、器，使冷端保持相对稳定的温度。以2.0L 轿车为例，如果利用转换效率为 10%左右的热电发电材料，则可将尾气废热能量的810%直接转换为电能，可降低燃油消耗 10%以上，减少 CO2 排放约 1 吨，这对实现我国节能减排战略目标具有重大意义。 1.2 热电应用 发展 现状 自从塞贝克效应 1821 年被发现以来， 温差发电技术已经历了近两个世纪的发展。但由于受热电转换效率低的制约和成本高的限制，温差发电技术长期以来主要应用在航天和军事等尖端领域。近年来，随着高性能热电材料的出现，温差发电技术在工业和民用产业领域的应用成为可能。世界上一些发达国家先后开展了相关研究，温差发电技术在日本已被作为一种
13、能源和环境的战略技术而得到了大力支持和发展，其在热电陶瓷材料方面处于世界领先地位。美国能源部 (DOE)于 2003 年 11 月 12 日公布“工业废热温差发电用先进热电材料 “资助项目 (主要应用对象是利用冶金炉等工业高温炉废热发电以降低能耗 )后，于2004 年 3 月又发布了一个项目指南 开展汽车发动机余热温差发电研究。同年，美国的能源部和 NAVY 还组织了本国的十多个项级研究单位启动一个大型高效纳米热电半导体材料的研究项目，投资达近千万美元。同时还在 Clemsom 大学投资 250 万美元成立了美国温差电即热电半导体材料与器件研究中心。日本也在 2003 年投资了数千万日元组织十
14、多家单位启动了“废热温差发电 “大型项目。欧洲有 20 余个研究机构也联合进行了汽车发动机余热发电方面的相关研究，并在组织“纳瓦到兆瓦热电能量转换”的大型科研项目。其中，以德国为主的国家 在 2002 年即启动了类似于美国 NAVY 的“大型温差电半导体材料与器件的研发项目”。可见，各发达国家对该领域的研究非常关注和重视。相比之下，我国在此领域的研究才刚刚起步 (20 世纪末期投入很少 )，在技术和产品自主创新方面尚是空白。不过近几年来在国家自然科学基金及国家“ 863“研究计划的支持下该领域的研究已经武汉理工大学毕业设计（论文） 2 取得了一定的进步。探索新的材料制备途径、优化制备工艺、降低
15、成本、提高材料性能，以改变目前国内热电材料普遍存在的热电转换效率低、稳定性差、材料利用率低及制造成本高的缺点是使热电材料 在我国获得大规模应用的唯一出路 ，这迫切需要国家项目的连续投入 。 由于温差发电是将余热废热等低品位能源转换为电能的有效方式，近年来得到世界许多国家的高度重视和大量投入，如日本利用这项技术建立了 500W 级的垃圾燃烧余热发电示范系统，已取得了良好的实际效果。美国公司也已开发了多种热电发电系统，且均已投入使用，如在大型货运卡车上安装 1000W 级的废热发电 系统为汽车提供辅助电源等 。车用发动机余热温差发电技术近几年来发展很快， 转换规模可在数百瓦至几千瓦之间 。其中，日
16、本 Nissan 汽车公司研究中心研制的一种排气温差发电器可以回收 ll的热量，西班牙研制的排气温差发电器可以回收 37的热量。美国 Hi Z 公司在能源部资助下进行的柴油机载重车排气余热温差发电研究在台架和道路实验中得到 T2000 4000W 的功率 。俄罗斯联邦科学中心物理与能源工程研究所进行的高寒区载重发动机直接发电的研究产生了 600W的电能。 由于我国的能源十分短缺，能源的利用率也较低，因此，节能降耗是进行可持续发展的必由之路。目前，各种工业余热、汽车废热等都没有得到有效利用，迫切需要发展新型能源利用技术以节约能源和提高效率。温差发电技术具有许多优点，尤其在低品位热能利用方面具有其
17、独特的优势和 良好的应用前景。温差发电技术是一种利用半导体材料实现热能和电能直接转换的绿色能源，使用这项技术就可利用农作物、垃圾、汽车余热以至人体热能在住宅、农庄、汽车上建立一个小型发电系统，从而满足人们对小功率电能的需求。美国、日本利用这项技术开辟绿色新能源已取得了良好效果，这为我国开发利用热电技术提供了有益借鉴，对我们发展循环经济、建设节约型社会具有重大意义。另外，由于中国的温差电元件性价比高 (我国的产品价格比欧美的同类型产品便宜一半以上，而性能却基本相当 )，中国目前已成为世界上最大的温差电元件生产出口国。这一优越条 件为我国未来温差电的广泛应用打下了坚实的基础。因此，在我国政府当前大
18、力倡导可持续发展策略，号召建立节约型社会这一宏观背景下，我国应大力发展该技术，使温差发电技术的应用逐步深化发展，并尽快产业化。可见，利用车用发动机余热进行温差发电具有广泛的应用前景。 1.3 DC/DC 变换器控制方法研究现状 DC/DC 变换器按照检测信号的不同可以分为单环控制和双环控制。恒压源单环控制主要是电压型控制；双环控制则有电流型、 V2 型等几种控制方式。虽然 V2 型控制方法（ V Squared Control或 V2 Control）具 有良好的动态性能，适用于电压调整模块等对动态特性要求比较高的场合，但其对输入和输出电流都没有直接控制，所以不便于电源的并联使用，需要额外的电
19、路来进行过流保护 1。所以常用的是电压型控制和电流型控制。 （ 1）电压型控制 图 1-2 所示为电压型控制 buck 变换器。从图 1-2 可以看出，电压型控制方法是利用输武汉理工大学毕业设计（论文） 3 出电压采样作为控制环的输入信号，将该信号与基准电压 Vref 进行比较，并将比较的结果放大生成误差电压 Ve。误差电压 Ve 与振荡器生成的锯齿波 Vsaw进行比较生成一脉宽 与 Ve大小成正比的方波，该方波经过锁存器和驱动电 路驱动开关管导通和关断，以实现开关变换器输出电压的调节。 早期文献中 Duty Cycle Control都是特指的电压型控制。在电流型控制方法出现之后，才明确提出
20、了 Voltage Mode Control 的说法。电压型控制方法只检测输出电压一个变量，因而只有一个控制环，所以设计和分析相对比较简单。其主要缺点是只能在输出改变时才能检测到并反馈回来进行纠正，因此响应速度比较慢。由于电压型控制对负载电流没有限制，因而需要额外的电路来限制输出电流。 （ 2）电流型控制 电流型控制（ Current Mode Control）又称为 Current Injection 是 1978 年首次提出 2。电流型控制同时引入电容电压和电感电流 2 个状态变量作为控制变量，提高了系统的性能。由图 1-3 可以看出，电流型控制方法和电压型控制方法的主要区别在于：电流型控
21、制方法用开关电流波形代替电压型控制方法的锯齿波作为 PWM 比较器的一个输入信号。电流型控制方法的工作原理为：在每个周期开始时，时钟信号使锁存器复位开关管导通，开关电流由初始值线性增大，检测电阻 RS上的电压 VS也线性增大，当 VS增大到误差电压 Ve 时，比较器翻转，使锁存器输出低电平，开关管 关断。直到下一个时钟脉冲到来开始一个新的周期。 由于电流型控制方法采用输出电流前馈控制，相对于电压型控制方法有更快的负载和输入瞬态响应速度，减小了输出电压的纹波；且由于其自身具有限流的功能，易于实现变换器的过流保护，因而在多个电源并联时，更便于实现均流。但电流型控制方法在占空比大于 50%时要产生次
22、谐波振荡，从而产生稳定性问题 3。这通常可在比较器输入端使用一个补偿斜坡来消除。 V g （ t ）Q 1D 1 CRi g ( t ) i ( t )V ( t )+-开 关 变 换 器功 率 开 关 管驱 动 器dV r e f+-+-误 差放 大 器比 较 器锯 齿 波V eV pV s a w图 1-2 电压型控制电路 以上的电流型控制由于不能精确控制电流以及抗干 扰性差等缺点，提出了平均电流型控制 （ Average Current Mode Control） 4。为了与平均电流型控制方法区别，上文所述的控制方法又称为峰值电流型控制 （ Peak Current Mode Contr
23、ol） 。平均电流型控制方法的控制电路见图 1-4，检测电流经电流积分器积分后与误差电压 Ve 相减，其差值与锯齿波比较后武汉理工大学毕业设计（论文） 4 驱动开关。平均电流型控制方法不但提高了电流的控制精度，而且抗干扰性强，但是响应速度比峰值电流控制方法慢。 V g （ t ）Q 1D 1 CRi g ( t ) i ( t )V ( t )+-+-+误 差放 大 器比 较 器SRQQsVe refVsR图 1-3 电流 型控制电路 +-+sVeV refVsRsawVsi电 流 积 分 器比 较 器pV图 1-4 平均电流型控制电路 （ 3）其他控制方法 随着控制理论的发展，一些现代的控制
24、方法，如模糊控制、滑模变结构控制等非线性控制方法也被尝试应用于开关电源的控制电路中。虽然这些控制方法到目前没有得到广泛应用，但是由于其独特的控制性能，应用前景可观。 模糊控制（ Fuzzy Logic Control）是以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的规则推理为理论基础的一种计算机控制方法。应用于开关电源的模糊控制的硬件电路即为普通的数字控制 电路 5。 滑模变结构控制（ Sliding Mode Control）的基本思想是系统从任何一点出发的状态轨线通过控制作用拉到某一指定的切换面，然后沿着此切换面滑动到平衡点。可以看出，滑模变结构控制是一种开关反馈控制系统 。 1.4 本文
25、主要研究内容 本文主要 设计一 款汽车尾气废热发电电力调节器 ， 调节器 输入 源 为 热电电池，电压范围为 0-600V， 调节器输出电压由用户通过 CAN 总线控制，电压变化范围 为 48-58V，电压纹波 1%，输出功率 1000w，也可通过 CAN 总线将调节器控制在电流模式下，输出电流由用户通过 CAN 总线控制，变化范围 0-25A，纹波电流 1%。调节器采用 buck 降压架构，武汉理工大学毕业设计（论文） 5 设计电路参数，建立电路模型并仿真；设计 PID 控制器，通过仿真确定 PID 参数。 本文将详细的 介绍 设计的相关 具体内容和 设计的步骤以及仿真， 包括 BUCK 电
26、路的建模分析， 保护电路设计，控制系统设计，参数计算以及相关的仿真。 完成任务书所要求达到的 功能和相关指标 ，本文主要研究内容如下： （ 1） 系统的 建模与设计 ， 主要内容为 整体方案 的设计，即要达到任务书 的要求所需要的 基本 硬件 电路 和软件 设计 ， 所需要的基本 系统电路主要分为 电源电路、功率电路、驱动电路、保 护电路、传感电路、控制电路、显示电路、通信电路等 ，后续章节将详细介绍相关 具体内容。 （ 2） BUCK 电路的建模与分析， 主要分析 BUCK 电路在电流连续模式下 ，开关器件在开通和关断时 的系统建模以及电压和电流模式控制策略 ，还对 BUCK 电路的主要器件
27、的保护电路进行相关的设计 。 （ 3） 控制系统的设计， 控制系统选用 DSC 作为控制系统的 处理器， DSC 拥有较高的性能 完全可以满足本设计所需要的相关功能，以控制 器为核心器件设计了显示电路、 CAN通信电路、 IGBT 驱动电路、 温度传感器以及电流电压传感电路的设计 。 （ 4） 相关参数的计 算，参数的计算包括 BUCK 电路的相关参数的计算 和控制器软件设计时需要的 PID 参数计算，参数的计算需要进行先关的分析 和仿真 并参考相关的资料 ，参数的计算为系统的仿真进行提供了正确的参数。 （ 5） 系统软件的设计 及调试 ， 软件设计过程中先要画出软件流程图，然后根据流程图进行
28、相关的软件的编写， 系统要实现的功能需要对控制器进行编程才能实现 ，包括 CAN通信、 A/D 转换、 PWM、数字 PID、温度传感器 读写、液晶显示 ，软件的编写在 ,MPLAB集成环境下进行 ，软件的调试在设计的电路板上进行。 武汉理工大学毕业设计（论文） 6 2 系统 建模与设计 2.1 方案设计 根据任务书要求可知，系统主电路 是 降压斩波 电路，控制系统要求具有相关的控制精度以及相关的通信等基本功能 。故系统主要分为 电源电路、 功率电路 、驱动电路 、保护电路、传感电路、控制电路 、显示电路、通信电路等模块组成 ，系统框图如下图所示： 控 制 器传 感 电 路显 示 电 路 驱
29、动 电 路通 信 电 路斩 波 电 路负 载图 2-1 系统框图 控制器是整个系统的核心， 一般设计中采用单片机处理器，在数字电源设计中 常用的芯片 是 DSP，因为 DSP 有强大的数据处理 功能和运算能力 。 DSPIC 是 是 PIC 单片机与 DSP的结合体，它具 有 16 位单片机的 高性能控制功能，又具有 DSP 的计算能力和数据吞吐能力 ，用其设计数字控制系统可以缩短开发周期降低开发成本，节省电路板空间 6。 通信电路是为了方便系统集成而设计的，本设计要求采用 CAN 总线通信模式 ，而所选控制器自带 CAN 通信模块，只需添加 CAN 收发器即可 ，本设计中采用 MCP2551
30、 作为CAN 收发器。 显示电路 模块为人机交互界面，可以实时的显示系统运行的相关参数和信息 ，本设计中将采用 LCD 液晶模块作为显示电路，方便在系统运行和调试过程中方便查看系统数据。 驱动电路主要是驱动功率电路中的开关器件 ，由于本设计采用的是数字控制器，所以驱动电路执行的只有驱动任务， 由于功率开关器件的驱动电压和电流由严格的要求，所以驱动电路需要符合相关的标准。 目前在数字开关电源中采用的较多的是集成的电路驱动模块，这种模块一般带有光耦隔离以及电流电压保护模块，简化了开发过程中的 步骤，使用更加方便。 降压电路 是系统的功率电路， 常用的降压电路有 BUCK、 CUK 降压斩波电路， 两种斩波电路有各自的 适用场合，同时可以选择不同的功率开关器件，对于各自的优缺点将在 下文中介绍和讨论 传感电路主要的功能是采集电路中的相关信息， 供给控制器处理， 同时构成一个闭环系统， 根据设计要求需要用到的传感器主要有电压传感器、电流传感器以及温度传感器 。
