哈工大电力电子课程设计报告可逆直流PWM驱动电源综述.docx
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哈工大电力电子课程设计报告可逆直流PWM驱动电源综述
HarbinInstituteofTechnology
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：
班级：
设计者：
A
学号：
指导教师：
国海峰
设计时间：
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：
A院（系）：
专业：
电气工程及其自动化班号：
任务起至日期：
年月日至年月日
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，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：
B
分工：
A：
负责IPM接口电路及稳压电源及自举电路部分的设计；
B：
负责SG3525的设计；
焊接工作俩人共同完成。
两人共同完成主电路部分的参数设计及部分调试工作。
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
H型双极性同频可逆直流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型双极性同频可逆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。
表1控制板器件清单
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，容值为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
本设计利用SG3525的13脚输出占空比可调，占空比调节范围不小于0.1~0.9的脉冲信号，经过移相后，输出两组互为倒相，死区时间为5μS左右的脉冲，分别驱动V1，V4和V2，V3的开通和关断。
3.1脉冲产生电路的设计
设计中使用SG3525产生需要的脉冲信号。
5脚接一个0.02uf的电容，6脚接滑动变阻器，两者组成RC振荡电路，可以通过调节滑动变阻器的阻值使脉冲的频率为设计要求的5kHz。
根据芯片手册公式计算可得当R=15K、C=0.02uF时，输出频率为5kHz，为使调节方便选用阻值为20K的滑动变阻器。
通过改变2脚输入电压的大小调节输出脉冲的占空比。
为使电机具有软启动功能，在8脚需要接电容。
根据芯片手册软启动时间和电容大小的关系：
60ms/uF。
要使电机软启动为2s，则所选的电容为33uf。
在输出端，13需要上拉电阻与5V参考电平相连。
将11、14脚短接，脉冲由13脚引出。
电路图设计如图3所示：
图3脉冲产生电路图
3.2脉冲分配电路的设计
本设计采用的是双极性PWM驱动。
由SG3525产生的脉冲经过一个非门变成0V、5V信号，当信号为高电平时对电容充电，只有当电容电压达到非门的开启电压2V时，输出才变为高电平，由此达到了延时的目的。
所需延迟时间为5us，有三要素公式计算得，当选定电容为0.01uf时电阻为978.8ohm。
为了调节方便选择5K的滑动变阻器。
经过此电路即可产生死区时间为5us的双极性PWM调制信号。
脉冲分配电路如图4所示：
图4脉冲分配电路
3.3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5所示。
图5自举电路
3.4稳压电源设计
设计一个DC15V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6所示。
图615V稳压电源电路
通过查阅芯片手册知：
本设计中，
得：
为方便实际电路的调试，
使用定值电阻，
采用电位器。
4.调试过程及结果分析
4.1调制过程：
1.调试控制板上的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，调节稳压电路中的电位器，使稳压电路的输出为所需15V直流电压。
2.调试脉宽调制信号发生电路：
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，获得频率为5KHz，占空比可在0～1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：
给控制板上电。
然后调节相应电位器，观察两路驱动信号，可见驱动信号为：
图7两路驱动信号波形
可见两路驱动信号之间有5us的开通延时，即死区时间为5us。
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。
5.测试电机启动状态
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50％附近。
闭合S2开关，接通H桥的直流电源，调节占空比使电机启动起来并随占空比的调节能够正转和反转，同时电机控制系统具有软启动功能。
4.2结果分析
4.2.1电机负载
1.占空比的有效调节范围
调节驱动信号的占空比使之达到最大值和最小值，最大占空比约为0.9如图：
图8驱动信号最大占空比
最小占空比约为0.1如图：
图9驱动信号最小占空比
其中最大占空比对应的输出电压平均值约为22.9V，最小占空比对应的输出电压平均值约为-23.0V。
2.负载电压和电流的波形
电机负载的电压和电流波形如图，可以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。
当电机两端电压为负时，流过电枢的电流下降，电感能量释放。
图10电机负载的电压和电流的波形
3.直流母线上电压和电流的波形：
其电压波形如图所示：
图11电机负载直流母线上电压波形
4.H桥中各个IGBT驱动控制信号的波形：
其波形如图所示，其中V1，V4为一组V2，V3为一组。
两组驱动信号之间留有5us的死区时间。
图12电机负载H桥驱动控制信号波形
4.2.2电阻性负载
1.占空比的有效调节范围：
其占空比的有效调节范围与输出电压平均值与电机负载情况时基本相同。
2.负载电压和电流的波形：
电阻性负载的电压和电流波形如图,可见电阻性负载的电压与电流波形基本同相。
随开关器件的开通和关断其电压电流值在正负之间交替。
图13电阻性负载的电压和电流波形
3.直流母线上电压和电流的波形：
电阻性负载直流母线电压为：
图14电阻性负载直流母线电压
4.H桥中各个IGBT驱动控制信号的波形：
其驱动信号波形同电机负载驱动信号波形。
V1，V4为一组V2，V3为一组，且两组之间留有5us的死区时间，如图：
图15电阻性负载H桥驱动信号波形
5.收获和体会
本次电力电子课程设计让我从实践上巩固了本学期所学的电力电子知识，在准备过程和设计电路的过程中我对PWM单极性和双极性控制有了更深的学习和理解。
同时我也还有很多书本之外的收获，自举电路的设计是我第一次接触，之前的课程的学习中时我就对桥臂的上半部分器件的驱动有过疑惑，但是也没有仔细的琢磨下去，通过自举电路的学习，我对开关器件的驱动及供电有了更好的理解。
在课程设计中，我学习了一些所需的芯片，例如SG3525、LM2575等，对这些芯片的学习提高了我对英文参考资料的阅读学习能力，了解各管脚的功能，对芯片使用时的一些保护方法有了基本的掌握，例如我在稳压电源设计中使用SG2575时，我一号管脚的输入处串联了一个电阻，防止焊接不当时造成通路烧毁芯片，在我调试正常后，我将该串联电阻短路掉，使电路正常工作且减少了损坏的可能。
通过这次课程设计我对电路的调试有了一些初步的了解，通过老师所给的调试步骤，我逐渐明白了电路的调试要从最基础做起，比如这次实验，一定要先看一下稳压电路的输出是否为15V，如果最开始的这部分供电电路有问题，那电路肯定不能正常工作。
接下调试SG3525部分，首先我先检查了一下16号管脚是否输出了一个5V电压，如果没有5V电压，那么我也可以确定SG3525部分出现了错误，一切正常，在查看一下13号管脚的输出是否为频率和占空比可调的方波。
之后再测量一下延时和反向电路是否为互补且有死区时间的两组方波。
自举电路正常后，便可通电调试电机的正反转了。
我也深刻的感受到了一个正确的调试方法在实验过程中所起的重要作用。
在实验中非常感谢助教对我们的帮助，无论我们是缺少器件还是调试中出现问题，助教总是耐心细致的帮我们解决问题，真的非常感谢他们给我的帮助。
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
接口电路
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