1、1生产实习指导书直流脉宽调速系统驱动电源的设计哈尔滨工业大学(威海) 控制科学与工程系2010 年 12 月2“直流脉宽调速系统驱动电源的设计”任务书任务和意义：生产实习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。纵观运动控制的发展历史，交、直流两大电气传动并存于各个应用领域。由于直流电机的调速性能和转矩控制性能好，20世纪30年代起就开始使用直流调速系统。直流调速系统由最早的旋转变流机组控制，发展为用静止的晶闸管变流装置和模拟控制器实现调速，到现在由大功率开关器件组成的PWM电路实现数字化的调速，系统的快速性、可靠性、经济性不断提高，应用领域不断扩展。尽管目前对交流系统
2、的研究比较“热门” ，但是其控制性能在某些方面还达不到直流PWM 系统的水平。直流PWM控制技术作为一门新型的控制技术，其发展潜力还是相当大的。而且，直流PWM技术是电力电子领域广泛采用的各种PWM 技术的典型应用和重要基础，掌握直流 PWM技术对于学习和运用交流变频调速中SPWM技术有很大的帮助和借鉴作用。技术指标：被控直流永磁电动机参数：额定电压 24V，额定电流 1.5A，额定转速3000rpm。驱动系统的调速范围：大于 1：1000设计内容：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
3、号为 PS21564)。2）PWM 控制电路的设计（指以 SG3525 为核心的脉宽调节电路） 。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） 。3 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报告及焊装和调试完毕的控制电路板。时间安排：(学时安排为 3 周) 第 1 阶段布置任务和电路设计：全体开会，布置任务，组成设计小组（每组 3
4、人） ，会后设计工作开始。（详见附录 1 设计指南） 。之后开始电路设计工作。3 第 2 阶段电路板焊装和调试在指定时间提交电路图，教师审查设计方案，发放器件和装焊工具，并答疑。器件和工具领取后，在实验室完成电路板的焊装工作。其后，在指定时间到实验室调试已装焊好的电路板，并完成相关测试和记录（可分几次来调试，总的调试时间为每组 8 学时） 。 （详见附录 2 焊装指南和附录 3 调试指南） 第 3 阶段撰写设计报告具体参见生产实习进度安排表考核方法：由二部分成绩组成：电路调试：60 分设计报告：40 分设计报告要求：依据“生产实习报告” （电子文档）的模板格式撰写。内容应包括：1）主电路设计说
5、明2）控制电路设计说明3）调试过程的详细记录及实验结果讨论（说明是否达到设计指标的要求）该部分中应包括对实验结果（如所观测和记录的波形）的分析和解释等详细内容。4）附录：生产实习进度安排表、主电路和控制电路原理图参考资料：1）电力电子技术教材及补充教材（直流脉宽调速） 。2）电力电子实验台（直流脉宽调速部分）使用说明书（电子文档） 。3）IPM 模块 PS21564 使用说明书及参考资料（电子文档） 。4）SG3525 使用说明书及参考资料（电子文档） 。5）LM2575 使用说明书及参考资料（电子文档） 。6）74LS04 说明书（电子文档） 。7）主电路原理图（附录 5） 。4附录 1：设
6、计指南直流脉宽调速（直流 PWM）驱动电源的原理框图如图 1。在结构上分为两部分：主回路和控制回路。V 1S G 3 5 2 51 3A C 2 2 0 VC隔离驱动V 3V 2V 4MV 1V 2V 3V 42V c cL M 2 5 7 5V d cV d c + 1 5 V图 1 直流 PWM 电路结构示意图1主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或的直流电压。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）PS215
7、64 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。 （针对本设计的特点，即小功率直流 PWM 调速，在实际工程中，一般采用 P. MOSFET 构成 H 桥，本设计中为了让大家了解和掌握 IPM的特点和使用方法，所以指定采用 PS21564 作为主电路）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，5整流桥和逆变桥中功率器件的通态压降。主电路作为电能变换的功率平台已事先做好，因此主电路部分只需要进行理论设计，而
8、不用实际制作。2控制电路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。经过 RC 移相后，输出两组互为倒相，死区时间为 5S 左右的脉冲，经过光耦隔离后，分别驱动四只功率器件，其中 V1、V4 驱动信号相同，V2、V3 驱动信号相同。控制电路中的所有部分都需要进行设计、焊装和调试，因此控制电路是本生产实习中的核心内容。控制电路部分的设计要求如下：1）在设计 SG3525 外围电路时，应采用该集成芯片的 DIP 封装形式。脉冲的频率定为 5KHz（是根据 IPM 中 IGBT 的开关速度而
9、确定的） ，设定频率的电阻可采用电位器，以便于调试。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 V1、V4 驱动脉冲，利用后续门电路反相后再驱动 V2、V3） ，以达到 01.0 的占空比调整范围，如图 2 所示。注：指定 SG3525 的 5 脚 CT 端外界振荡电容为 0.02F 。o u tRV c c图 2 SG3525 输出的接法62）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 移相电路后，为每路驱动信号产生 5S 左右的开通延时。
10、这部分电路中的门电路采用 6 反向器 74LS04；移相环节中的 R 和 C 的取值，应根据 5S 的延迟时间来计算，其中 R 可采用电位器，以便于调试。注：指定移相电路中 C 的取值为 0.01F。3）IPM 中集成了功率器件的驱动电路，因此在控制电路中不需要设计驱动电路；而且为了简化设计，隔离环节也取消。IPM 模块控制部分的接口信号中除了 H 桥中 4 个器件的驱动信号外，还应提供集成在 IPM 内部的 4 个器件的驱动电路的供电电源，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
11、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。4）应设计一个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，将主电路的直流母线电压作为输入，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。7附录 2：焊装指南在设计工作完成，电路图通过指导教师的审查之后，每设计小组应在进入实验室调试之前，领取实验板、器件和焊接工具等，在寝室或其它地点完成焊装工作。注意：由于实验室为各组提供的
12、调试时间十分有限，请务必在进入实验室调试前，完成控制电路板的全部焊装工作，并对电路连接关系进行充分的检验，以保证其后调试工作的效果。调试时应携带本组的所有焊装工具，以便对电路进行必要的修正；调试结束后应立即将工具交还实验室，以便后面的同学能够及时领到工具。焊装控制电路的电路板采用通用板，如图 3 所示。1 5 2 m m1 0 0 m mJ 3J 6 J 71 21 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 图 3 通用电路板板四周有 4 个固定孔，可装入铜柱将板子架起，便于装焊操作。J3 和J6、J7 为预装在电路板上的接插件，用于连接主电路上的电源和信号，各接
13、口的具体引脚定义详见附录 4 主电路原理图。三个插件的 1 号引脚均在最左端，如图 3 所示。在正式装焊之前应根据原理图进行合理的器件布局和布线规划，保证控制电路的制作质量，并兼顾美观和调试的便利。注：电路板较大，建议按照电路功能分区安装器件，以便于调试。8需特殊说明的有以下几点：1）在焊接时集成芯片 SG3525 和 74LS04 都是只将管座焊在板子上，到实验室调试时，向教师领取该芯片，插在管座上进行调试。调试完毕后，将其从管座上拔下，归还实验室，供下一组同学使用。2）LM2575T 的封装形式为 5 脚 TO-220 形式，在焊接时将 14 脚的 DIP插座焊在电路板上代替该器件，插座的
14、 15 脚与该器件的 15 脚一一对应。调试时，将该器件插在管座得 15 脚上。其它阻容等器件可直接焊在板子上。所有器件之间应根据原理图用导线连接起来。对于要测试的管脚可用单独的导线联出来，以便于用示波器测试。注：焊接时器件管脚留长一些，便于拆卸和移动。9附录 3：调试指南直流 PWM 的主电路作为电能变换的功率平台已事先做好，只需将控制板安放在主电路上方，并将主电路板上 J3 和 J6、J7 与控制板上对应的 J3 和J6、J7 用排线相连，就可进行调试，主电路和控制电路中所有可接触部分的电压均在 30V 以下，不会出现电击现象，同学们可放心调试。为了方便调试及保证电路安全，增设调试盒一个。
15、整个系统的连接关系如图 4 所示。变压器 主电路调试盒 控制电路直流电机A C 2 2 0 V图 4 调试系统的组成调试盒上面安放 2 个开关、2 个指示灯和 1 个电流表，其面板如图 5 所示。在主电路中的作用如图 6 所示。S1 用于开关总电源， L1 为其上电指示。S2 用于接通或断开 H 桥的直流电源（可用于电机的启停控制） ，L2 为其上电指示。电流表 M1 用于检测负载电流。主电路中 H 桥（即 IPM 模块）前串入的电阻R1 和 R2，阻值各为 5 欧姆，用于限制短路电流，保护 IPM。Ra 为电机电枢回路的电流取样电阻（阻值为 1 欧姆） ，用于观测电枢电流的波形。02 AL
16、1S 1L 2S 2M 1图 5 调试盒的面板10V 1A C 2 2 0 VCV 3V 2V 4MV d cS 1M 1S 2R 1R 2R a图 6 主电路原理示意图控制板的调试步骤如下：1）先调试控制板上的稳压电路。步骤是：只将控制板的 J3 接口与主电路板相连，J6 和 J7 均不连接。再将 LM2575T 插在电路板的对应插座上。在模拟盒上断开 S2 开关，闭合 S1 开关，控制板将通过 J3 接口获得直流母线电压。然后调节稳压电路中的电位器，直到在稳压电路的输出部分获得所需 15V 直流电压。2）接下来调试脉宽调制信号发生电路。首先将 SG3525 插在电路板的对应插座上。在模拟盒
17、上断开 S2 开关，闭合 S1 开关，给控制板上电。然后调节相应电位器，获得频率为 5KHz，占空比可在 01 之间调节的脉宽调制信号。3）调试两路驱动信号的开通延时电路。首先将 74LS06 插在电路板的对应插座上。在模拟盒上断开 S2 开关，闭合 S1 开关，给控制板上电。然后调节相应电位器，两路驱动信号之间有 5S 的开通延时，或着说存在 5S 的死区。4）测试 IPM 中上桥臂驱动电源的自举电路。将控制板的 J6 和 J7 接口与主电路板相连。在模拟盒上断开 S2 开关，闭合 S1 开关，给控制板上电。测量通过自举电路提供的上桥臂驱动电源是否正常。5）上述单元电路均调试通过后，在模拟盒
18、上断开 S2 开关，闭合 S1 开关，给控制板上电。将驱动信号的占空比调整到 50附近。闭合 S2 开关，接通H 桥的直流电源，测试电机的端电压，判断是否与设想的情况复合。若一切正常，则调节占空比，使电机运转起来，并能够调速和反转。 注意：在整个调试过程中，如系统各部分均正常，电流表上的电流指示值11应在 0.2A（0.5 A）以内，如发现电流表上的电流指示值超过 0.6A，则应立即断开开关 S1, 然后查找过流的原因。调试完成后，对系统进行如下的测试和记录：1）占空比的有效调节范围，对应的电机端电压的平均值（由于直流母线上串入了限流电阻，所得的端电压会偏低） 。2）电机电枢上电压和电流的波形
19、（在与电机串连的取样电阻上获得） 。3）直流母线上电压和电流的波形，可在主电路板上的测试端子上测取。4）经延时后两路驱动信号的波形。在设计报告中应结合电路原理和设计原则，详细分析上述数据和波形是否合理及其产生的原因。12附录 4：学生及教师的一些注意事项本节内容是对指导书及授课中提到的步骤及注意事项的归纳，未尽事宜，要以指导书及指导教师的要求为准。请所有学生严格按照生产实习进度安排的步骤进行，每一步都必须按要求完成，并有指导教师签字确认。 生产实习进度表的所有教师签字栏必须有指导教师签字，该表需要付在生产实习报告书的附录中一并提交，缺少该表报告书无效。 （每组需要有一份该表给教师签字，另两名学
20、生的进度表可复印获得） 。以下为生产实习进度表中的各阶段及说明：第一阶段 专业集体授课全体学生必须到场，认真听讲，阅读学习所有相关文档设计绘制电路图授课后自行学习设计主电路、控制电路，用PROTEL 绘电路图，指导教师负责答疑。特别是必须保证控制电路的正确性（一定仔细阅读附录 1：设计指南） ，注意保障 LM2575T 电源电路、SG3525 PWM 产生电路、74LS06 信号延时及互补电路、自举电路，特别是 J3、J6、J7的定义是否正确。电路图检查提交 请指导教师注意：请把好第一关，上栏中提到的几个注意部分均须严格检查。第二阶段 领取器件 (含答辩1)请指导教师注意：电路检查正确后，方可
21、领取答辩重点是 a 学生是否真正掌握电路 b 学生是否掌握焊装要领及注意事项常出现错误处应予特别注意仔细阅读焊装指南小白连接器位置、管脚定义、焊接必须正确涉及电源的正负的引脚一定要反复核实，如电解电容两引脚的正负等第三 完成电路焊接 合理布局规划，建议按照电路功能分区安装器件，以便于调试。13LM2575T 的封装形式为 5 脚 TO-220 形式，将14 脚的 DIP 插座焊在电路板上代替该器件，插座的 15 脚与该器件的 15 脚一一对应。对于要测试的管脚可用单独的导线联出来，以便于用示波器测试。 （必须作，否则控制信号是否正确无法检查）焊接时器件管脚留长一些，便于拆卸和移动。领取芯片 （
22、答辩2）请教师注意：请指导教师在学生进入实验室时候，再次对本班统一授课以强化焊装、调试步骤及注意事项。确认学生焊装正确，特别是小白连接器管脚定义正确，电源正负是否正确，需要测试的引脚是否引出，其他请教师根据情况检查。答辩重点是学生是否掌握调试步骤及原理阶段领取主平台 请教师注意：领取时可以进行检测，以示主平台完好，并登记领取人及主平台号两根控制线此时均不发放仔细阅读调试指南直流电源接入前再次确定正负极是否正确严格按照调试步骤，芯片安装一个、调试一个，严禁一次全部安装。测量信号过程中，一定要注意表笔不要随意乱动，避免因测量不甚造成的短路故障。示波器使用中，若双踪同时使用，必须保障两地线均接到同一
23、点。第四阶段控制电路调试LM2575T：稳压电路的输出部分获得所需 15V直流电压。SG3525：获得频率为 5KHz，占空比可在 01之间调节的脉宽调制信号。74LS06：获得两路驱动信号（信号互补）的开通延时电路（延时即死区 5S）14V U F BV PV V F SV V F BU PV U F SU NV N 1V N CV N1234567891 0J 6P - U V W12345678J 7N - U V W J6(3) 即 UP 与 J7(2)VN 短路J6(6)即 VP 与 J7(1)UN 短路J6(1)、J6(2)和 J6(4)、J6(5)为自举电路为V1、V3 的驱动电
24、源供电。J6 各引脚信号：UP 与 VP 互补，且开通信号延时5usJ7 各引脚信号：J7(7)即 VNC 为地线J7(8)即 VN1 为 N 侧控制电源端子，应为 15V验收控制信号 请教师注意：各引脚信号均需检测领取控制线(答辩 3）请教师注意：请登记记录控制线编号，若学生混用，责任由领取组负答辩重点是学生是否掌握主电路调试步骤及原理仔细阅读调试指南。 控制线联入时，有机玻璃板需移动，但安装好后，必须将有机玻璃板恢复原位并固定。该工作完成后要经过教师检查确认。控制线联入前再次确认，控制板上的小白连接器引脚定义是否正确，与主电路是否匹配按照调试过程的 4)、5)逐步调试，并严格观察电流表，若
25、有过流立即断电。电路总体调试测量信号过程中，一定要注意表笔不要随意乱动，避免因测量不甚造成的短路故障。示波器使用中，若双踪同时使用，必须保障两地线均接到同一点。调试结果验收（答辩 4）请教师注意：此为最终验收，请教师对所有应掌握的内容全面验收第五阶段主电路收回并验收 请教师注意：一定要验收合格才可收回。在交还给系内统一保管时，若交接时检查不通过，将由指导教师负责维护，设备完好才能返还。学生提交纸质报告，电子模版已给出，16k 打15印。报告附录中应该包括生产实习进度安排表（教师和学生签字必须全） ，主电路图和控制电路图第六阶段提交实习报告报告成绩占 40%焊接及调试中控制电路中个别器件损坏，需
26、签字领取，后由学生按价赔偿关于器件损坏问题的说明学生不当使用，造成主平台损坏，则按价赔偿。主平台价格昂贵，请同学慎重严肃对待。161234B1F12AE1R25/5WD1LEDR3D2LEDR4M12AACV1S1SW1SW2S2P31U32V33W34N35VUFS1VUFB3VP14UP6VVFS7VVFB9VP110VP12VWFS13VWFB15VP116WP18VNO20UN21VN22WN23FO24CFO25CIN26VNC27VN128A1PS21564-PUDC-PUDC-NVUFBVPVVFSVVFBUPVUFSUNVN1VNCVN1 2 3 4 5 6 7 8 910J6P-UVW1 2 3 4 5 6 7 8J7N-UVW1 2JP1P1 2JP2U1 2JP3V1 2JP4W1 2JP5NPU VWN1 2JP6NUDC-ND3R15/5W6个测试点1 2J3UDCUDC-PUDC-NA-+DCMOTOR附录5：主电路原理图
