可逆直流PWM驱动电源课设.docx

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可逆直流PWM驱动电源课设

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：

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：

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

1主电路设计说明

1.1主电路结构

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，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∆Udiode=0.7V，IPM模块中IGBT的饱和通态压降∆UIGBT=1.6V，限流电阻为1Ω/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、R4的压降，即：

U2'=I（R3+R4）+2∆UIGBT+UL=25.2V

1.2U2–2∆Uduide=U2'⇒U2=22.17V

变压器变比：

k=U1/U2=220V/22.17V=9.92

2控制电路设计说明

2.1PWM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2PWM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，利用后续门电路反相后再驱动V2、V3，以达到0～1.0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

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0.01uF，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=20Ω。

2.4稳压电源

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。

电路图如图3所示。

图315V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IN5819。

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。

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5μS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。

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：

图4调试系统组成图

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。

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。

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%—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。

2）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

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5us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

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：

图9电机负载IGBT驱动信号

由波形图可知，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。

4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。

附录

主电路图:

控制电路:

15V电源电路: