1、Harbin Institute of Technology课程设计说明书（论文）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
2、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）I
3、PM 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) 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
4、作。 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）1H 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
5、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：M脉宽调制电路脉冲分配电路器件驱动电路uiub 2ub 1ub 3ub 4L1L2功率转换电路图 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，
6、该信号驱动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
7、路为三相逆变桥，在本设计中只采用其中 U、V 两相即可。哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）2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，dcV20.9dcV考虑整流桥中二极管
8、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。2.3H 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3.1H 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1V3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2V4
9、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。哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）3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0.10.9），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01.0 的占空比调整范围。SG3525 的8 管脚接电容
10、，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/F，设计要求软启动时间为2s，则8脚电容值为33uF。 OUTB1SCIN+RD7MPE9-YGVAF.uKref=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)所哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）4示。t
11、tttV 1V 3V 2V 4ttttV 1V 3V 2V 4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。 D7N8UAMLS09.uF5BEPiW-K+图6
12、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。哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）5D1N893R20uFCVUBSI.6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LM2575TADJ系列开关稳压集成电路，将主电路的
13、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。4HL+O/GTM-AJK图 8 15V 稳压电源电路通过查阅芯片手册知： 21OUTREFV本设计中， ,计算得： 。实际15,.3,OUT K21.3RK电路中，采用变阻器代替 ， ，便于调试。24.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
14、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 01 之间可调。(3) 调试两路驱动信号的开通延时电路哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）6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
15、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
16、枢电感的储能作用，产生的反电动式引起的。哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）7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。哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）8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
17、 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。哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）9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。哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）10附 录主电路图和控制电路原理图。 D56S1W-PT24FA+JCMORVEK78N/UB309I主电路YG.uLiref=控制电路 H15V 稳压电源哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）111234567890JHeadr DNVUFSBPCIRu.+G自举电路
