1、薦課程瑕計說明崙C論丈丿課程名秫：電力電子技術(shù)設(shè)計題目:可逆直流PWM驅(qū)動電源的設(shè)計院系:：電氣工程系班級：0706111設(shè)計者：王勃學號：1070610602指導(dǎo)敦師：李久勝瑕計時間:2010年11月最新資料推薦哈爾濱工業(yè)大學教務(wù)處哈爾濱工業(yè)大學課程設(shè)計任務(wù)書姓名：王勃院（系）：電氣工程專業(yè)：電機與電器班 號：0706112任務(wù)起至日期：2010年11月15 日至 2010年12月1日課程設(shè)計題目：可逆直流PWM驅(qū)動電源的設(shè)汁已知技術(shù)參數(shù)和設(shè)訃要求：課程設(shè)訃的主要任務(wù)是設(shè)計一個直流電動機的脈寬調(diào)速（直流PWM）驅(qū)動電源。 DC-DC變換器采用H橋形式，控制方式為單極性。被控直流永磁電動機參數(shù)

2、：額左電壓20V,額定電流1A,額定轉(zhuǎn)速2000rpmo驅(qū)動 系統(tǒng)的調(diào)速范囤：大于1： 100.電機能夠可逆運行。驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)具有軟啟動功能，軟啟 動時間約為2s。最新資料推 薦指導(dǎo)教師簽字李久勝教研室主任意見：2010年11月15日教研室主任簽字年月日H型單極性同頻可逆直流PWM驅(qū)動電源的設(shè)計技術(shù)指標：被控直流永磁電動機參數(shù)：額定電壓20V,額定電流1A,額定轉(zhuǎn) 速2000rpm。驅(qū)動系統(tǒng)的調(diào)速范圍：大于1： 100。驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)具有軟啟動功能，軟 啟動時間約為2s。詳細設(shè)計要求見附錄2.1. 整體方案設(shè)計本文設(shè)訃的H型單極性同頻可逆直流PWM驅(qū)動電源由四部分組成：主電路，H型單極模式同頻可逆P

3、WM控制電路，IPM接口電路及穩(wěn)壓電源。同時具有軟啟 動功能，軟啟動時間為2s左右?？刂圃砣鐖D1所示：功率轉(zhuǎn)換電滋U«35(圖1直流PWM驅(qū)動電源的控制原理框圖脈寬調(diào)制電路以SG3525為核心，產(chǎn)生頻率為5KHz的方波控制信號，占空比 可調(diào)。經(jīng)用門電路實現(xiàn)的脈沖分配電路，轉(zhuǎn)換成兩列對稱互補的驅(qū)動信號，同時具 有5us的死區(qū)時間，該信號驅(qū)動II型功率轉(zhuǎn)換電路中的開關(guān)器件，控制直流永磁電 動機。穩(wěn)壓電源采用LM2575-ADJ系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路，通過調(diào)整電位器，使其 穩(wěn)定輸出15V直流電源。2. 主電路設(shè)計2.1主電路設(shè)計要求直流PWM驅(qū)動電源的主電路圖如圖2所示。此部分電路的設(shè)計包

4、括整流電路 和H橋可逆斬波電路。二極管整流橋把輸入的交流電變?yōu)橹绷麟姟Ｋ闹还β势骷?gòu) 成H橋，根據(jù)脈沖占空比的不同，在直流電機上可得到不同的直流電壓。主電路部分的設(shè)計要求如下：1）整流部分采用4個二極管集成在一起的整流橋模塊。2）斬波部分H橋不采用分立元件，而是選用IPM （智能功率模塊）PS21564 來實現(xiàn)。該模塊的主電路為三相逆變橋，在本設(shè)汁中只采用其中U、V兩相即可。3）在主電路設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)負載的要求，訃算岀整流部分的交流側(cè)輸入電壓 和電流，作為設(shè)計整流變壓器、選擇整流橋和濾波電容的依據(jù)。該電路的整流輸出 電壓較低，所以在計算變壓器副邊電壓時應(yīng)考慮在電流到達負載之前，整流橋和逆 變橋

5、中功率器件的通態(tài)壓降。2.2整流電路設(shè)計整流部分采用4個二極管集成在一起的整流橋模塊。電動機的額左電壓為20V, 通過查閱該型號IPM的數(shù)據(jù)手冊可知開關(guān)器件的通態(tài)導(dǎo)通壓降為2V左右，故可知 %.電壓為24V,由全橋整流電路可知，/ = 0.9 匕考慮整流橋中二極管壓降為iv,故可知變壓器副邊電壓，從而可知變壓器的 變比。濾波電容選擇耐壓40V左右，容值450UF左右即可。2.3H型逆變橋設(shè)計IPM內(nèi)部集成該部分電路，參數(shù)可參考手冊。該模塊為三相逆變橋，只使用其 中的U、V兩相即可。3. 控制電路設(shè)計3H型單極模式同頻可逆直流PWM控制原理所謂單極性，即在控制指令的作用下，在一個開關(guān)周期之內(nèi)，電

6、動機電樞兩端 的調(diào)制脈沖電壓是單一極性的。同頻，是指PWM功率轉(zhuǎn)換電路輸岀的調(diào)制脈沖電 壓頻率與頻率發(fā)生器給泄的基準頻率相同。如圖3所示，同一側(cè)的、匕工作在交 替的開關(guān)狀態(tài)，另一側(cè)兩個晶體管中，嶺基極施加截上關(guān)斷電壓，人基極施加飽 和驅(qū)動電壓，當電機反向時，將兩側(cè)晶體管的驅(qū)動信號互換即可。薦3.2脈沖調(diào)制電路以SG3525為核心，采用該集成芯片的DIP封裝形式。SG3525的13腳輸岀占空比 可調(diào)(通過改變2腳電壓)的脈沖波形(占空比調(diào)節(jié)范圍不小于0.1-0.9),同時頻 率可通過充放電時間的不同而改變，通過調(diào)節(jié)6腳的變阻器，將脈沖頻率設(shè)左為 5KHz。由于SG3525輸出的兩路脈沖是互補形式

7、，在本設(shè)計中英輸出應(yīng)并聯(lián)使用(即 11，14管腳短接，從13管腳通過外部上拉電阻輸出驅(qū)動脈沖),以達到01.0的 占空比調(diào)整范用。SG3525的8管腳接電容，以實現(xiàn)軟啟動功能。SG3525的外|羽電 路設(shè)計如圖4所示。(1) 6腳電阻RT選擇指左5腳的外接震蕩電容為0.02UF,通過查閱芯片手冊可知，當輸出頻率設(shè)立為 5KHz時，6腳所接電阻約為15K,實際電路中采用20K的變阻器，便于調(diào)試。(2) 8腳電容選擇通過査閱芯片手冊可知，8腳電容值與軟啟動時間的關(guān)系為：60nis4iF,設(shè)計要 求軟啟動時間為2s,貝18腳電容值為33uF。1 -T-1LT-圖4 SG3525原理圖3.3脈沖分配電

8、路規(guī)左電機正轉(zhuǎn)時驅(qū)動信號波形如圖5(a)所示.則電機反轉(zhuǎn)時驅(qū)動信號如圖所zjs o薦圖5(a)電機正轉(zhuǎn)時驅(qū)動信號圖5(b)電機反轉(zhuǎn)時驅(qū)動信號利用DIP開關(guān)設(shè)泄方向控制信號，以決定電機的方向，利用門電路實現(xiàn)驅(qū)動信 號的轉(zhuǎn)換。為防止同一橋臂上下兩管在驅(qū)動信號翻轉(zhuǎn)時出現(xiàn)瞬時直通現(xiàn)象，應(yīng)設(shè)計 兩路驅(qū)動信號的開通延時電路。即利用RC移相后，為每路驅(qū)動信號產(chǎn)生5us的開通 延時。這部分電路中的門電路采用6反相器74LS04和74LS00,移相電路中C的取值 為O.OluF,分析電路，利用三要素公式可計算電阻R的取值，實際電路中采用變阻 器，以便于調(diào)試。電路原理圖如圖6所示。圖6脈沖分配電路3.4自舉電路設(shè)

9、計為了簡化設(shè)計，上橋臂兩個器件，即VI和V3的驅(qū)動電源采用單電源的自舉式 供電，詳細設(shè)計可參考IPM的設(shè)計手冊。這樣整個模塊的控制部分只采用1個15V 電源供電即可，而不必采用3路獨立的電源，簡化了設(shè)計。本設(shè)計中，自舉電路中的二極管建議選用IN5819,電容值為10uF,電阻值為5 歐左右。電路圖如圖7所示。薦圖7自舉電路3.5穩(wěn)壓電源設(shè)計設(shè)計一個DC 15V的控制電源，為SG3525及IPM模塊的驅(qū)動電路供電。為了減小 損耗，采用LM2575T-ADJ系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路，將主電路的直流母線電壓33V 作為輸入，通過電位器的調(diào)節(jié)，經(jīng)穩(wěn)壓后獲得15V的直流電源。LM2575T的封裝形 式為5腳

10、TO-220形式。另外TTL電路的5V工作電源可宜接取自SG3525的內(nèi)部參考電 源管腳。濾波電路中的二極管建議選用IN5819。電路圖如圖8所示。圖8 15V穩(wěn)壓電源電路通過査閱芯片手冊知：%-%本設(shè)計中，匕盡"K ,計算得：尺2三113K。實際電 路中，采用變阻器代替b 便于調(diào)試。4. 調(diào)試過程及結(jié)果分析4調(diào)試過程(1) 調(diào)試15V穩(wěn)壓電源電路只將控制板的J3接口與主電路板相連，J6和J7都不連接。再將LM2575插在 電路板的對應(yīng)插座上。模擬盒上斷開S2開關(guān)，閉合S1開關(guān)。調(diào)節(jié)電位器，直 至穩(wěn)壓電路輸出為所需的15V為止。(2) 調(diào)試脈寬調(diào)制信號發(fā)生電路接好電路，首先調(diào)節(jié)SG3

11、525的6腳變阻器，使13腳輸出脈沖的頻率為5KHz, 之后調(diào)節(jié)2腳變阻器，確定輸岀脈沖的占空比可在01之間可調(diào)。(3) 調(diào)試兩路驅(qū)動信號的開通延時電路最新資料推薦用示波器同時觀察兩路輸出脈沖，分別調(diào)肖兩個RC移相電路中的變阻器，使 死區(qū)時間為5us。同時，觀察最終的輸出驅(qū)動信號，確左其邏借滿足設(shè)il要求。調(diào)試自舉電路接好電路，測試自舉電壓為14V左右，自舉電路工作正常。(5)整體調(diào)試將驅(qū)動脈沖信號的占空比調(diào)到50%左右，將電機接入電路，電機開始運轉(zhuǎn)，調(diào) 盯占空比，可調(diào)節(jié)電機的速度，切換開關(guān).可改變電機的運行方向。4.2調(diào)試結(jié)果及分析(1)電機負載1) 調(diào)節(jié)占空比，電機能夠正常運轉(zhuǎn)且速度變化：

12、切換開關(guān)，可改變電機的運行方 向，滿足設(shè)計要求。2) 電機電樞上電壓和電流的波形。(chi為電流，ch2為電壓)：如圖10所示。由波 形可看出，當電機兩端為正電壓時，流過電樞的電流上升，電感儲能；當外接 電壓斷開時，電感釋放能量，電流下降。觀察電壓波形，發(fā)現(xiàn)電樞電壓并不是 標準的矩形波，在髙電平時電壓呈下降的趨勢，這是由于電樞電感的儲能作用,4) H橋中各個IGBT驅(qū)動控制信號的波形，如圖12所示。驅(qū)動信號互補，且有明 顯的死區(qū)時間，滿足設(shè)計要求。F1IG0Lf 1 'X1 .1 1 > . | * . 4-A1CXI 2.KIVCM2 ZOdVM (MMl?Dcl3JiO 0X

13、0X(RIGOL-，1r-CHI 2 0OVCH2 ZO(W90 OOuaC<44>QOXOX:圖12 VI和V3、V2和V4波形(2)電阻負載1)調(diào)節(jié)占空比，觀察電阻電壓，隨著占空比的改變，電阻上的電壓也相應(yīng)改變。3)直流母線電壓電流波形。(chi為電流，ch2為電壓人如圖14所示:RIGOL'* E13-»a CH2 5.00VSO.OOuiD如653X3:圖14母線電壓波形4) H橋中各個IGBT驅(qū)動控制信號的波形，如圖15所示。且有明顯的死區(qū)時間, 滿足設(shè)計要求。RIGOL(JJ 1*- *h . J1.J:*J*r-*:*- -CHI 2 0OVCH2 2 00V50 OOu*D2S圖15 VI和V3、V2和V4波形5. 收獲和體會通過本次課程設(shè)計，我們組兩個人共同完成設(shè)計直流電動機的脈寬調(diào)制（直流 PWM）驅(qū)動電源，采用單極性同頻可逆直流PWM控制方式，經(jīng)過我們的設(shè)訃，焊 制電路板，凋試的全部流程，我們對于protel的應(yīng)用，電路板的焊接，調(diào)試電路時 對于分析錯誤出現(xiàn)的原