基于单片机控制的桥式可逆斩波电路研究
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2009 年第 4 期 19 理论与设计基于单片机控制的桥式可逆斩波电路研究王俭朴南京工程学院（211167）
Research of the Bridgelike Reversible Chopper Based on the Single Chip MicroprocessorWang JianpuNanjing Institute of Technology
式可逆斩波电路的特点，具有反应速度快、效率高、开关元件承受反压小的特点。本文给出了桥式可逆斩波电路详细的分析和仿真。
1 电路拓扑和工作原理 桥式可逆斩波电路原理图，如图1。设电动机感应电动势为EM，电感电流正方向为A→B。桥式可逆斩波电路包括四个工作模态。
摘 要：以单片机为核心的桥式可逆斩波电路实现
直-直电压的斩波控制，有利于提高变换器的功率密度和功率效率。文章给出其工作模态和工作原理，讨论了三种PWM调制策略，并指出单极性调制策略可降低开关损耗。斩波开关元件采用电力电子器件IGBT。系统具有控制灵活、外围器件少、结构简单、精度高、可靠性高等特点，通过仿真得到了验证。 关键词：斩波器 直-直变换器 微控制器
Abstract: Realization the dc-dc voltage chopper control by means of the brigelike reversible chopper based upon the single chip microprocessor as the key, was helpful to increase the power density and effi ciency. The working model and principle were put forward, three kinds of PWM modulation strategies were discussed and single-pole modulation strategy bringing up with the benefit to reduce the switch loss was advised as well in the paper. The power electronics IGBT was used as the chopper switching elements with the advantages of fl exible control, less parts of the outside circuit, simple construction, high accuracy and remarkable reliability. The simulation result proved all these. Keywords: Chopper DC/DC converter Microproc-essor
直流斩波电路是城市轨道交通车辆电力牵引系统中广泛应用的电力电子电路，主要用于构成驱动直流电机的调压调速主电路和辅助电路的前级。直流斩波基本电路主要有：降压斩波电路、升压斩波电路、再生斩波电路、多象限斩波电路、多相多重斩波电路和GTO斩波电路等。而桥
1.1 电机处于电动状态 （1）工作模态1 斩波器工作在第一象限，VT4始终处于导通
状态，VT3为关断状态。VT1导通，VT2关断。电动
机工作于第一象限作正转电动运行，同时给电感L充电，电路作为降压斩波器运行。VT
1关断时，
电流不能突变，导致VD2导通，电感向电动机供
电。 （2）工作模态2 斩波器工作在第三象限，VT2始终处于导通
状态，VT1于关断状态。VT3导通，VT4关断。电动
机工作于第三象限作反转电动运行，同时给电感 20 2009 年第 4 期
理论与设计L充电，电路作为降压斩波器运行。工作原理与第
一象限运行时完全相同。VT3关断时，电流不能突变，导致VD4导通，电感向电动机供电。
1.2 电机处于再生状态 （3）工作模态3 斩波器工作在第二象限，VT4始终处于导通
状态，VT3于关断状态。VT2导通，VT1关断。电动
机工作于第二象限正转再生制动运行，转速方向不变，电流改变方向，同时给电感L充电，电路作为降压斩波器运行。VT2关断时，电流不能突变，
导致VD1导通，EM与UL叠加向直流电源反馈能
量。 （4）工作模态4 斩波器工作在第四象限，电动机作为反转再生制动时，电流反向，VT4导通，EM首先向电感
L
充电。当VT4关断时，又因为电感电流不能突变，
导致VD3导通，EM与UL叠加向直流电源反馈能
量，工作原理和第二象限完全相同。
2 桥式可逆斩波电路的控制2.1 控制方式 桥式可逆斩波电路从控制方式上区分有双极性调制、单极性调制和受限单极性调制三种方式。主要基于双极性调制开关损耗较大，受限单极性调制当电动机电流较小的时候会出现电流断续现象。而单极性调制方式具有开关损耗少，而且很少出现电流断流现象。对于单极性调制方式，四个开关器件中VT1和VT2工作于互
补的PWM方式，处导通状态；VT3和VT4则根据
电动机的转向采取不同的驱动信号，电动机正转时，VT4导通，VT3关断；电动机反转时，VT3
导通，VT4关断。由于减少了VT3和VT4的开关次
数，开关损耗减少，故在此采用单极性调制方式。2.2 微机控制 基于桥式可逆斩波电路的基本原理，用微机来实现脉冲宽度调制通常有两种方法：软件和硬件方法。这里我们选择硬件方法，如图2。计
数/定时器及并行输出位可以是微机的附加外围接口芯片，也可以由单片机内部提供，由所选机型以及系统总体设计决定。两个计数/定时器分别对开关周期T和正脉冲宽度ton定时，由并行输出位PO1、PO2按逻辑非的关系成对输出理想条
件的PWM基极驱动信号，以高电平为有效。桥式可逆斩波电路同一臂一定要保证不能同时导通，否则会造成短路。因此，必须在VT1、VT3开通和
VT2、VT4开通之间设置死区。硬件电路中RS触
发器的输出存在0态延时，用于实现开关切换期的延时死区，由此得到防止“共态直通”的基极驱动信号，改变R1、R2、C1、C2的大小可以方便
地改变延时死区时间t0。在此期间电磁电流通过
VD1、VD3或VD2、VD4续流，向电源反馈能量。
此外，该触发器还具有对两组基极驱动信号实现互锁的功能。微机通过输出位PO3发出的输出
信号，用来控制基极驱动信号的封锁或开放，微机上电复位后，PO3应为封锁态输出。图中的保
护信号来自系统的过电压、欠电压、过电流、过热（电动机过热、功率转换装置过热）等监测电路。当其中任一现象发生时，此保护信号为低电平，直接将功率级截止，强制系统停止运行。相应地，在截止功率级的同时，应切断系统输人电源。
3 仿真分析 仿真中，直流电机的参数：电枢电压110V、电枢电流2.9A、电枢电阻3.4Ω、电枢电感60.4mH、转动惯量为0.014kg·m2、励磁电压为110V、励磁 2009 年第 4 期 21
理论与设计电流为0.5A，根据电动机的参数计算电动机的励磁电阻220Ω，Laf=0.797mH。 桥式可逆斩波电路可逆调速系统的仿真电路如图3，模型在直流PWM-M系统主电路模型中含有转速调节器ASR和电流调节器ACR，ASR和ACR都采用带输出限幅的PI调节器。
4 结论 本文介绍了桥式可逆斩波电路，给出了其工作模态和工作原理的详细分析，讨论了该变换器的调制策略，并指出单极性调制策略可降低开关损耗。以单片微控制器为核心的直流斩波器实现直流电压的斩波控制，完成DC/DC转换，实现能量双向流动，有利于提高变换器的功率密度和功率效率，最后给出了仿真建摸以及仿真结果。桥式可逆斩波电路适用于数百瓦至数千瓦的开关电源，实际电路运行调试时会遇到大电流、高电压，参数选择不合适，有时会损坏开关管，利用matlab/simulink中的simpower systems模块，快速建立仿真模型可以方便的修改参数，观察电路工作的变化情况，为电路分析和设计带来方便，具有一定的实际应用价值。
参 考 文 献1 洪乃刚．电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M]．北京：机械工业出版社，2006．2 洪 峰，孙 刚，王慧真等．Buck型AC/AC直接变换器[J]．电工技术学报，2007，22（8）：73-76．3 徐 安．城市轨道交通电力牵引[M]．北京：中国铁道出版社，2002．4 孙欢庆，李桥梁．MC33035在直流无刷电机控制中的应用[J]．电机技术，2007，3：27-30．5 Yan Yang Guang．Bidirectional DC/DC Converter[M]．Nanjing：The Technology Publishing Company of Jiangsu，2004：71-78．6 蓝 宏等．串联式混合动力电动车电机驱动控制系统设计[J]．电机技术，2007，3：23-26．（收稿日期：2009-03-19）南京工程学院研究基金项目（kxj07048）
作者简介：王俭朴，男，1974年生，研究生，讲师，研究方向为城市轨道车辆，现从事电力牵引传动方面的教学和研究工作。
桥式可逆斩波电路可逆调速系统的仿真结果如图4。从图4中可以看出，系统从正转起动至反转运行过程中转速（图4b）和电枢电流（图4c）对转速给定（图4a）的响应波形。图4d为转速调节器输出，即电流的给定信号。图4e为电流调节器的输出信号，图4f为电流调节器输出信号的局部展开，电流调节器输出信号的波动反映了电流调节器的调节作用，不同电流调节器参数的波动情况不同，其变化使变流器的脉宽随之调整，输出电压值也随着变化，使电流保持不变。
