电力电子课设报告—刘福旭---复制.doc

电力电子课设报告—刘福旭---复制

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3

Harbin Institute of Technology
课程设计说明书（论文）

课程名称：电力电子技术
设计题目：可逆直流PWM驱动电源的设计
院 系：电气工程系
班 级：0706111
设 计 者：王勃
学 号：1070610602
指导教师：李久胜
设计时间：2010年11月

哈尔滨工业大学教务处
哈尔滨工业大学课程设计任务书
姓 名： 王勃 院 （系）：电气工程
专 业： 电机与电器 班 号：0706112
任务起至日期： 2010 年 11 月 15 日至 2010 年 12 月 1 日

课程设计题目：

可逆直流PWM驱动电源的设计

已知技术参数和设计要求：

课程设计的主要任务是设计一个直流电动机的脉宽调速（直流PWM）驱动电源。DC-DC变换器采用H桥形式，控制方式为单极性。
被控直流永磁电动机参数：额定电压20V，额定电流1A，额定转速2000rpm。驱动系统的调速范围：大于1：100，电机能够可逆运行。驱动系统应具有软启动功能，软启动时间约为2s。

工作量：

1）主电路的设计，器件的选型。包括含整流变压器在内的整流电路设计和H桥可逆斩波电路的设计(要求采用IPM作为DC/DC变换的主电路，型号为PS21564)。
2）PWM控制电路的设计（指以SG3525为核心的脉宽调制电路和用门电路实现的脉冲分配电路）。
3）IPM接口电路设计（包括上下桥臂元件的开通延迟，及上桥臂驱动电源的自举电路）。
4）DC15V 控制电源的设计（采用LM2575系列开关稳压集成电路，直接从主电路的直流母线电压经稳压获得）。
2人组成1个设计小组，通过合理的分工和协作共同完成上述设计任务。设计的成果应包括：用PROTEL绘制的主电路和控制电路的原理图，电路设计过程的详细说明书及焊装和调试通过的控制电路板。

工作计划安排：
(学时安排为1周，但考虑实验的安排，需分散在2周内完成)

l 第1周：
全体开会，布置任务，组成设计小组（每组2人），会后设计工作开始。
答疑，审查设计方案，发放器件和装焊工具。
完成焊装工作。

l 第2周
每人12学时到实验室调试已装焊好的电路板，并完成相关测试和记录。
撰写设计报告。

同组设计者及分工：
同组设计者：迟广晟
分工：王勃：负责主电路及IPM接口电路的设计；
迟广晟：负责SG3525及稳压电源部分的设计；
焊接以及调试工作俩人共同完成。

指导教师签字 李久胜

2010 年 11 月 15 日
教研室主任意见：

教研室主任签字___________________
年 月 日

哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）
H型单极性同频可逆直流PWM驱动电源的设计
技术指标：被控直流永磁电动机参数：额定电压20V，额定电流1A，额定转速2000rpm。驱动系统的调速范围：大于1：100。驱动系统应具有软启动功能，软启动时间约为2s。详细设计要求见附录2.
1. 整体方案设计
本文设计的H型单极性同频可逆直流PWM驱动电源由四部分组成：主电路，H型单极模式同频可逆PWM控制电路，IPM接口电路及稳压电源。同时具有软启动功能，软启动时间为2s左右。控制原理如图1所示：

图1 直流PWM驱动电源的控制原理框图
脉宽调制电路以SG3525为核心，产生频率为5KHz的方波控制信号，占空比可调。经用门电路实现的脉冲分配电路，转换成两列对称互补的驱动信号，同时具有5us的死区时间，该信号驱动Ｈ型功率转换电路中的开关器件，控制直流永磁电动机。稳压电源采用LM2575-ADJ系列开关稳压集成电路，通过调整电位器，使其稳定输出15V直流电源。
2. 主电路设计
2.1 主电路设计要求
直流PWM驱动电源的主电路图如图2所示。此部分电路的设计包括整流电路和H桥可逆斩波电路。二极管整流桥把输入的交流电变为直流电。四只功率器件构成H 桥，根据脉冲占空比的不同，在直流电机上可得到不同的直流电压。
主电路部分的设计要求如下：
1）整流部分采用4 个二极管集成在一起的整流桥模块。
2）斩波部分H 桥不采用分立元件，而是选用IPM（智能功率模块）PS21564来实现。该模块的主电路为三相逆变桥，在本设计中只采用其中U、V 两相即可。

图2 主电路图
3）在主电路设计中，应根据负载的要求，计算出整流部分的交流侧输入电压和电流，作为设计整流变压器、选择整流桥和滤波电容的依据。该电路的整流输出电压较低，所以在计算变压器副边电压时应考虑在电流到达负载之前，整流桥和逆变桥中功率器件的通态压降。
2.2 整流电路设计
整流部分采用4个二极管集成在一起的整流桥模块。电动机的额定电压为20V，通过查阅该型号IPM的数据手册可知开关器件的通态导通压降为2V左右，故可知电压为24V，由全桥整流电路可知，

考虑整流桥中二极管压降为1V，故可知变压器副边电压，从而可知变压器的变比。滤波电容选择耐压40V左右，容值450uF左右即可。
2.3 H型逆变桥设计
IPM内部集成该部分电路，参数可参考手册。该模块为三相逆变桥，只使用其中的U、V两相即可。
3. 控制电路设计
3.1 H型单极模式同频可逆直流PWM控制原理
所谓单极性，即在控制指令的作用下，在一个开关周期之内，电动机电枢两端的调制脉冲电压是单一极性的。同频，是指PWM功率转换电路输出的调制脉冲电压频率与频率发生器给定的基准频率相同。如图3所示，同一侧的、工作在交替的开关状态，另一侧两个晶体管中，基极施加截止关断电压，基极施加饱和驱动电压，当电机反向时，将两侧晶体管的驱动信号互换即可。

图3 单极性同频PWM控制
3.2 脉冲调制电路
以SG3525为核心，采用该集成芯片的DIP封装形式。SG3525的13脚输出占空比可调（通过改变2 脚电压）的脉冲波形（占空比调节范围不小于0.1~0.9），同时频率可通过充放电时间的不同而改变，通过调节6脚的变阻器，将脉冲频率设定为5KHz。由于SG3525 输出的两路脉冲是互补形式，在本设计中其输出应并联使用（即11，14 管脚短接，从13 管脚通过外部上拉电阻输出驱动脉冲），以达到0～1.0 的占空比调整范围。SG3525 的8 管脚接电容，以实现软启动功能。SG3525的外围电路设计如图4所示。
(1) 6脚电阻RT选择
指定5脚的外接震荡电容为0.02uF，通过查阅芯片手册可知，当输出频率设定为5KHz时，6脚所接电阻约为15K，实际电路中采用20K的变阻器，便于调试。
(2) 8脚电容选择
通过查阅芯片手册可知，8脚电容值与软启动时间的关系为：60ms/μF，设计要求软启动时间为2s，则8脚电容值为33uF。

图4 SG3525原理图
3.3 脉冲分配电路
规定电机正转时驱动信号波形如图5(a)所示，则电机反转时驱动信号如图(b)所示。

图5(a) 电机正转时驱动信号 图5(b) 电机反转时驱动信号
利用DIP开关设定方向控制信号，以决定电机的方向，利用门电路实现驱动信号的转换。为防止同一桥臂上下两管在驱动信号翻转时出现瞬时直通现象，应设计两路驱动信号的开通延时电路。即利用RC移相后，为每路驱动信号产生5us的开通延时。这部分电路中的门电路采用6反相器74LS04和74LS00，移相电路中C的取值为0.01uF，分析电路，利用三要素公式可计算电阻R的取值，实际电路中采用变阻器，以便于调试。电路原理图如图6所示。

图6 脉冲分配电路
3.4 自举电路设计
为了简化设计，上桥臂两个器件，即V1 和V3 的驱动电源采用单电源的自举式供电，详细设计可参考IPM 的设计手册。这样整个模块的控制部分只采用1 个15V 电源供电即可，而不必采用3 路独立的电源，简化了设计。
本设计中，自举电路中的二极管建议选用IN5819，电容值为10uF，电阻值为5欧左右。电路图如图7所示。

图7 自举电路
3.5 稳压电源设计
设计一个DC 15V的控制电源，为SG3525及IPM模块的驱动电路供电。为了减小损耗，采用LM2575T－ADJ系列开关稳压集成电路，将主电路的直流母线电压33V作为输入，通过电位器的调节，经稳压后获得15V的直流电源。LM2575T的封装形式为5脚TO-220形式。另外TTL电路的5V工作电源可直接取自SG3525的内部参考电源管脚。滤波电路中的二极管建议选用IN5819。电路图如图8所示。

图8 15V稳压电源电路
通过查阅芯片手册知：

本设计中，,计算得：。实际电路中，采用变阻器代替，，便于调试。
4. 调试过程及结果分析
4.1 调试过程
(1) 调试15V稳压电源电路
只将控制板的J3接口与主电路板相连，J6和J7都不连接。再将LM2575插在电路板的对应插座上。模拟盒上断开S2开关，闭合S1开关。调节电位器，直至稳压电路输出为所需的15V为止。
(2) 调试脉宽调制信号发生电路
接好电路，首先调节SG3525的6脚变阻器，使13脚输出脉冲的频率为5KHz，之后调节2脚变阻器，确定输出脉冲的占空比可在0~1之间可调。
(3) 调试两路驱动信号的开通延时电路
用示波器同时观察两路输出脉冲，分别调节两个RC移相电路中的变阻器，使死区时间为5us。同时，观察最终的输出驱动信号，确定其逻辑满足设计要求。

图9死区时间
(4) 调试自举电路
接好电路，测试自举电压为14V左右，自举电路工作正常。
(5) 整体调试
将驱动脉冲信号的占空比调到50%左右，将电机接入电路，电机开始运转，调节占空比，可调节电机的速度，切换开关，可改变电机的运行方向。
4.2 调试结果及分析
(1) 电机负载
1) 调节占空比，电机能够正常运转且速度变化；切换开关，可改变电机的运行方向，满足设计要求。
2) 电机电枢上电压和电流的波形。（ch1为电流，ch2为电压）：如图10所示。由波形可看出，当电机两端为正电压时，流过电枢的电流上升，电感储能；当外接电压断开时，电感释放能量，电流下降。观察电压波形，发现电枢电压并不是标准的矩形波，在高电平时电压呈下降的趋势，这是由于电枢电感的储能作用，产生的反电动式引起的。

图10 电枢电压电流波形
3) 直流母线电压电流波形。（ch1为电流，ch2为电压）：如图11所示：

图11 母线电压电流波形
4) H桥中各个IGBT驱动控制信号的波形，如图12所示。驱动信号互补，且有明显的死区时间，满足设计要求。

图12 V1和V3 、V2和V4波形
(2) 电阻负载
1) 调节占空比，观察电阻电压，随着占空比的改变，电阻上的电压也相应改变。
2) 电阻上电压和电流的波形。（ch1为电流，ch2为电压）：如图13所示：

图13 电阻上电压波形
3) 直流母线电压电流波形。（ch1为电流，ch2为电压）：如图14所示：

图14 母线电压波形
4) H桥中各个IGBT驱动控制信号的波形，如图15所示。且有明显的死区时间，满足设计要求。

图15 V1和V3 、V2和V4波形
5. 收获和体会
通过本次课程设计，我们组两个人共同完成设计直流电动机的脉宽调制（直流PWM）驱动电源，采用单极性同频可逆直流PWM控制方式，经过我们的设计，焊制电路板，调试的全部流程，我们对于protel的应用，电路板的焊接，调试电路时对于分析错误出现的原因都有了进一步的掌握。在设计自举电路时，我们对于参数的设计不清楚，通过两人讨论、查资料、向同学和老师请教，得以解决；在调试电路时我们也出现了一些问题，通过具体分析也得到了解决。总之，通过本次课程设计，我们对于电力电子装置的设计有了一定的掌握，提过了动手实践的能力，对于我们以后的工作和学习有很大帮助。

附 录
主电路图和控制电路原理图。

主电路

控制电路

15V稳压电源

自举电路

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