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： 设 计 者： 学 号： 指导教师： 设计时间：2012 年 06 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： 院 （系）：电气工程专 业：电气工程及其自动化 班 号： 任务起至日期： 2012 年 06 月 25 日至 2011 年 07 月 10 日课程设计题目： 可逆直流 PWM 驱动电源的设计(双极性) 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
2、速（直流 PWM）驱动电源。DC-DC 变换器采用 H 桥形式，控制方式为双极性。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
3、，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。完成焊装工作。 第 2 周每人 12 学时到实验室调
4、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：设计者： 工 作：主电路和控制电路（包括脉宽调制电路和脉冲分配电路、IPM 接口电路、15V 稳压电路）的设计，控制电路电路板的焊接和调试，原理图绘制。指导教师签字 2012 年 07 月 10 日 教研室主任意见：教研室主任签字_ 年 月 日*注：此任务书由课程设计指导教师填写哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）11 主电路设计说明1.1 主电路结构V 1A C 2 2 0 VCV 3V 2V 4MV d cS 1M 1S 2R 1R 2R a图 1 主电路原理图电路由交流电源、隔离变压器、整流桥、滤波电容、负载组成，
5、工频电源经降压变压器降压后，由二极管整流桥整流输出，再经电容滤波后供给负载。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。本次设计中斩波部分 H 桥不采用分立元件，而是选用 IPM（智能功率模块）PS21564 来实现。1.2 参数计算整流桥二极管的通态压降U diode =0.7V，IPM 模块中 IGBT 的饱和通态压降 UIGBT =1.6V，限流电阻为 1/1W。由主电路图可知：整流电路输出电压 U2包括电机两端电压 UL、开关管 IGBT 通态压降和电阻 R3、R 4的压降，即：U2=I(R3+R4)+2UIGBT +UL =25.2V1.2U2 2
6、Uduide = U2 U2 =22.17V变压器变比：k=U 1/U2 =220V/22.17V=9.92哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）22 控制电路设计说明2.1 PWM 波形发生器PWM 波形发生器采用芯片 SG3525，内部结构如图 2 所示。图 2 PWM 波形发生电路SG3525 的 5 管脚 CT 端外接振荡 0.02uF 电容，产生 5kHz 的脉冲信号；电位器中间抽头接芯片 2 管脚，用以调节输出 PWM 信号的占空比；由于 SG3525 输出的两路脉冲是互补形式，将 11、14 管脚短接实现输出并联使用，从 13 管脚通过外部上拉电阻输出 V1、V4 驱动脉冲，利用后
7、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；8 管脚与地之间接 的电容（此处用实验室2s3uF60m/现有的 22uF 电容代替） ，实现上电之后 2s 的软起动；16 管脚输出 5V参考电压给门电路芯片供电。2.2 开通延迟电路哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）3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 5us 左右的开通延时。这部分电路中的门电路采用反向器 74LS04。移相环节中的 R 和 C 的取值，应根据 5us 的延迟时间来计算，电容指定 C 指定为 0.01
8、uF，R 可采用电位器，以便于调试。2.3 自举电路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。自举电容 C=1uF，自举电阻 R=20。2.4 稳压电源设计一个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
9、。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。电路图如图3所示。图 3 15V 稳压电源电路各参数选择如下：电感 L=330mH，电阻分别选择 20K 的变阻器和 1K 的定值电阻，输出稳压电容 C=330uF，输入电容 C=100uF，滤波电路中二极管选择哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）4IN5819。3 调试过程及结果分析3.1 调试过程（1）先调试控制板上的 15V 稳压电源电路。将控制板的接口1、2 与主电路板相连。再将 LM2575 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，控制板将获得直流母线电压。然后调节稳压电路中的电
10、位器，能得到输出为 15V 的直流电压。（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，通过示波器的观察，可以获得频率为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 74LS04 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。然后调节两路开通延时电路的电位器，使两路驱动信号之间有 5S 的开通延时。观察最终的输出驱动信号，可见其逻辑满足设计要求。（4）测试 IPM 中上桥臂驱动电源的自举电路
11、。将控制板的接口1、2 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。测量得到通过自举电路提供的上桥臂驱动电源电压在14V 左右，满足条件。（5）在模拟盒上断开 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 70附近。闭合 S2 开关，接通 H 桥的直流电源，可以看到电机运转起来了。调节占空比，电机能够调速；将驱动信号的占空比调整到 30附近，电机能实现正反转，且具有软启动性能。3.2 调试结果下图为整个系统的连线图：哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）5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 调试系统组成图调试
12、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。S1 用于开关总电源， L1 为其上电指示灯。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 为其上电指示灯。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 1S 1L 2S 2M 1图 5 调试盒的面板1、电阻负载（1）观察电阻两端电压。随着占空比的改变，电阻上的电压也相应改变。占空比的调节范围为 0
13、%97%。其中占空比为 0%时，输出电压平均值 0.144V；占空比 97.0%时，输出电压平均值 29.7V。哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）62）电阻上电压和电流的波形：图 6 电阻电压波形图 7 电阻电流波形（3）直流母线电压哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）7图 8 直流母线电压波形由测得的波形图可知，母线上的电压电流波形大致为一条平直的直线，符合实际。（4）H 桥中各个 IGBT 驱动控制信号的波形图 7 电阻负载 IGBT 驱动信号由测得的波形图可知，两路波形都是互补的，波形是比较好的方波，并且存在大约有 5 us 的死区时间，满足设计要求。2、电机负载（1）占空比有效调节范
14、围：占空比大于 50%时，电机正转；占空比小于 50%时，点击反转。调节占空比可改变电机转速，符合设计要求。（2）负载电压和电流波形：图 8 电压波形哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）8图 9 电流波形由波形可看出，当电机两端电压为正时，流过电枢的电流上升，电感储能；当电机两端电压为零时，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，这是由于电枢电感的作用，电机上产生的反电势引起的波形。（3）直流母线电压波形：图 10 电机直流母线电压（4）H 桥中各个 IGBT 驱动控制信号的波形：哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）9图 9 电机负载 IGBT 驱动信号由波形图可
15、知，两路波形均为互补导通，而且都存在 5us 左右的死区时间，满足设计要求。哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）104 收获和体会通过这次的 PWM 驱动电源设计，我加深了对本学期电力电子课程相关内容的理解，对其应用有了直观的认识，并且通过查找资料，对 PWM 的知识有了更宽更深的了解。电路板制作中遇到了一些困难。首先就是如何布局的问题。随着电路板上焊接的元件增加，我更体会到了合理布局能带来的好处。好的布局可以充分利用电路板预连接的部分，使外加的导线尽可能少，并且电路结构简单明了，可以为之后的检查调试提供极大的方便。我觉得布局是有一定技巧的工作，应当通过更多的实践来练习。另一个问题就是元件的选
16、取。一些电阻电容的实际值与理论选取值并不一样，这时候可以通过串并联来得到想要的值，也可以用相近的电阻电容来代替而不影响电路功能。调试中的问题更多也更麻烦，这时候按照模块分部调试的方法非常重要。比如本次设计中，调试可以按照稳压电源电路、脉宽调制信号发生电路、驱动信号电路、整体调试的步骤进行，这样可以有针对性的检查电路排除错误。我在进行第二步脉宽调制信号发生电路时出现的错误，通过对 3525 及其外围电路的检查发现，少焊了一个电容，加上电容后电路正常。这也再次体现了合理布局的重要性，如果在焊接时元件摆放清楚，就不会出现这样低级的错误。另一个重要的问题就是注意对电路的保护，防止过流烧毁芯片，尤其是 2575 非常容易烧坏，可以在其 1 脚与电源间串一个电阻，防止电流过大。总之，通过这次课程设计，在理论和动手实践方面都得到了锻炼。不过，建议将课设时间安排在电力电子课程结束之后，这样利于知识的及时巩固应用，并且不会在期末和紧张的考试周冲突。哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）11附 录主电路图: VUFB1S2P345678W90NOCIA-+MotridgeTansHzuKR/wDLEJ_哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）12控制电路:哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）1315V 电源电路:
