学位论文__直流脉宽h桥控制电路设计Word格式文档下载.docx
《学位论文__直流脉宽h桥控制电路设计Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《学位论文__直流脉宽h桥控制电路设计Word格式文档下载.docx（32页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
2.3选择PWM控制H桥型电路理由 3
2.4选择IGBT的H桥型主电路理由 3
2.5设计框图 3
3主电路设计 5
3.1H桥主电路 5
3.2参数设计 5
4驱动控制电路及PCB设计 7
4.1SG3525芯片特点 7
4.2SG3525引脚 8
4.3SG3525控制电路 9
4.4EXB841驱动芯片 10
4.5驱动控制电路原理及PCB设计 11
5系统仿真及结果分析 12
5.1电机正转运行 12
5.2电机正转回馈制动 15
5.3电机反转运行 18
5.4电机反转回馈制动 21
6总结 25
附录 26
参考文献 27
致谢
1前言
当今社会，电动机在人们日常生活和工农业生产中起着十分重要的作用。
直流电机是最常见的一种电机，它具有良好的起、制动性能和调速性能，易于在大范围内平滑调速，且调速后的效率很高，在各领域中得到广泛应用。
如在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。
近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。
直流电动机有三种调速方法，分别是改变电枢供电电压、励磁磁通和电枢回路电阻来调速。
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢电压方式为最好，调压调速是调速系统的主要调速方式。
直流调压调速需要有专门的可控直流电源给直流电动机，随着电力电子的迅速发展，直流调速系统中的可控变流装置广泛采用晶闸管，将晶闸管的单向导电性与相位控制原理相结合,构成可控直流电源,以实现电枢端电压的平滑调节。
直流电机调速运用广泛，但不同的领域对电机的调速性能有不同的要求，因此，不同的调速方法应用于不同的行业。
本次设计的题目是直流脉宽H桥控制电路设计，采用G3525组成的控制电路，发出触发脉宽控制H型PWM调速系统的IGBT，使H
桥电路构成降压斩波电流或升压斩波电路，最终能够使直流电机工作于正转电动运行、正转回馈制动、反转电动运行，反转回馈制动四种工作模式。
2绪论
2.1直流调速系统概述
调速系统是当今电力拖动自动控制系统中应用最广泛的一中系统。
目前对调速性能要求较高的各类生产机械大多采用直流传动,简称为直流调速。
早在20世纪40年代采用的是发电机－电动机系统,又称放大机控制的发电机
－电动机组系统。
这种系统在40年代广泛应用，但是它的缺点是占地大,效率低,
运行费用昂贵,维护不方便等,特别是至少要包含两台与被调速电机容量相同的电机。
为了克服这些缺点,50年代开始使用水银整流器作为可控变流装置。
这种系统缺点也很明显,只要是污染环境,危害人体健康。
50年代末晶闸管出现,晶闸管变流技术日益成熟,使直流调速系统更加完善。
晶闸管－电动机调速系统已经成为当今主要
的支流调速系统,广泛应用于世界各国。
直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。
近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。
2.2设计要求和内容设计要求：
已知直流脉宽H桥，是用于控制直流电机四象限运行的电力电子DC/DC复合变换器，其工作模式受控制电路控制，现要求设计一个用于直流脉宽H桥控制的控制电路。
要求如下：
1）直流H桥可以工作在四象限，即正转电动运行、正转回馈制动、反转电动运行，反转回馈制动四种工作模式，控制电路应能根据四象限工作的具体要求，产生符合要求的控制波形；
2）仿真分析直流H桥工作在四象限时的具体控制波形，以弄清H桥控制的具体要求。
3）完成整个控制器的原理图设计和PCB设计设计内容：
1）根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构形式和控制电路
SG3525的组成，画出系统组成的原理框图。
2）调速系统主电路电路元器件的确定及其参数计算（其中包括电力电子器件，保护电路等）。
3）控制电路型号选择以及参数的计算。
4）绘制直流脉宽H桥控制电路原理图，并进行软件仿真。
27
2.3选择PWM控制H桥型电路理由
脉宽调制器UPW采用美国硅通用公司（Silicon General）的第二代产品
SG3525,这是一种性能优良，功能全、通用性强的单片集成PWM控制器。
由于它简
单、可靠及使用方便灵活，大大简化了脉宽调制器的设计及调试，故获得广泛使用。
PWM系统在很多方面具有较大的优越性：
1）PWM调速系统主电路线路简单，需用的功率器件少。
2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。
3）低速性能好，稳速精度高，调速范围广，可达到1：
10000左右。
4）如果可以与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。
5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高。
6）直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高。
变频调速很快为广大电动机用户所接受，成为了一种最受欢迎的调速方法，在一些中小容量的动态高性能系统中更是已经完全取代了其他调速方式。
由此可见变频调速是非常值得自动化工作者去研究的。
在变频调速方式中，PWM调速方式尤大家所重视，这是我们选取它作为研究对象的重要原因。
2.4选择IGBT的H桥型主电路理由
IGBT的优点：
1）IGBT的开关速度高，开关损耗小。
2）在相同电压和电流定额的情况下，IGBT的安全工作区比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。
3）IGBT的通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。
4）IGBT的输入阻抗高，其输入特性与电力MOSFET类似。
5）与电力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐压和通流能力还可以进一步提高，同时可保持开关频率高的特点。
在众多PWM变换器实现方法中，又以H型PWM变换器更为多见。
这种电路具备电流连续、电动机四象限运行、无摩擦死区、低速平稳性好等优点。
本次设计以H型PWM直流控制器为主要研究对象。
2.5设计框图
电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路，驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。
有信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断，来完成整个系统的功能。
因此，一个完整的直流脉宽H桥电路也应该包括主电路，控制电路和驱动电路这些环节。
直流脉宽H桥电路由电源，主电路，控制和驱动电路组成。
如图1所示：
直流电源
直流电机
1
控制电路
驱动电路
H
桥复合斩波电路
图1直流脉宽H桥电路框图
H桥式电路中晶闸管中电路保护有电压、电流保护。
驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。
采用性能良好的驱动电路，可使是电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。
驱动电路的基本任务，就是就将信息电子电路穿来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。
本设计使用的是IGBT。
驱动电路采用EXB841，控制电路为SG3525，对IGBT提供
开通控制信号。
3主电路设计
3.1H桥主电路
脉宽调速系统的主要电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。
图2为直流脉宽H桥电路图。
T1
D1
D1N5819
T3
GT15Q101 GT15Q101
R1
L1
Ea
V1
220V
10
10m
30Vdc
T2
T4
GT15Q101
D2
D3
D4
图2H桥整流电路
本次设计需要电机达到正转电动运行、正转回馈制动、反转电动运行，反转回馈制动四种工作模式。
1）T2、T3被置于断态，T4被置于通态，T1周期性的通断转换，成为一个降压斩波变换器，能使电机正转运行。
2）T1、T3被置于断态，T4被置于通态，T2周期性的通断转换，成为一个升压压斩波变换器，能使电机正转回馈制动。
3）T1、T4被置于断态，T2被置于通态，T3周期性的通断转换，成为一个降压斩波变换器，能使电机反转运行。
4）T1、T3被置于断态，T2被置于通态，T4周期性的通断转换，成为一个升压压斩波变换器，能使电机反转回馈制动。
3.2参数设计
由设计要求可取直流输入电压E=220V，选取受控制的直流电机型号为Z2-42，其额定工作电压为220V,额定电流为6A，R=10Ω，L=10mH，额定转速为
1200r/min,则:
1）二极管承受反向最大电压：
Umax=220V。
考虑2～3倍裕量，则Umax可取
600V，
故可选取1N5918高频整流管。
2）电感L要尽量大一些否则会出现负载电流断续的情况，由ωL>
>
R，ω=2Pf，脉宽周期选取T=10us，故L>
0.016mH。
取L=10mH。
3）IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor）叫做绝缘栅极双极晶体管。
这种器件具有MOS门极的高速开关性能和双极动作的高耐压、大电流容量的两种特点。
其电压驱动，自身损耗小。
设计中IGBT承受反向最大电压：
Umax=220V，Imax=6A考虑3～4倍裕量，可选用GT15Q101，其能承受最大反向电压为1200V，最大反向电流为25A。
4驱动控制电路及PCB设计
4.1SG3525芯片特点
PWM信号发生器以集成可调脉宽调制器SG3525为核心构成，他把产生的电压信号送给H桥中的四个IGBT。
通过改变电力晶体管基极控制电压的占空比，而达到调速的目的。
SG3525为美国Silicon General公司生产的专用PWM控制集成电路，如图3
所示。
图3SG3525内部结构
它采用恒频脉宽调制控制方案，其内部包含有精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。
调节Ur的大小，在A、B两端可输出两个幅度相等、频率相等、相位相互错开180度、占空比可调的矩形波（即PWM信号）
。
它适用于各开关电源、斩波器的控制。
输出级采用推挽输出，双通道输出，占空比可调.每一通道的驱动电流最大值可达200mA,灌拉电流峰值可达500mA。
可直接驱动功率MOS管，工作频率高达400KHz，具有欠压锁定、过压保护和软启动振荡器外部同步、死区时间可调、PWM琐存、禁止多脉冲、逐个脉冲关断等功能。
该电路由基准电压源、震荡器、误差放大器、PWM比较器与锁存器、分相器、欠压锁定输出驱动级，软启动及关断电路等组成，可正常工作的温度范围是0-700C。
基准电压为5.1V士1%，工作电压范围很宽，为8V到35V。
4.2SG3525引脚
图4SG3525的引脚
直流电源Vs从脚15接入后分两路，一路加到或非门；
另一路送到基准电压稳压器的输入端，产生稳定的元器件作为电源。
振荡器脚5须外接电容CT，脚6须
外接电阻RT。
振荡器频率由外接电阻RT和电容CT决定，fT=
1
（0.7R2+1.3R1）C1，
振荡器的输出分为两路，一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及两个或非门；
另一路以锯齿波形式送至比较器的同相输入端，比较器的反向输入端接误差放大器的输出，误差放大器的输出与锯齿波电压在比较器中进行比较，输出一个随误差放大器输出电压高低而改变宽度的方波脉冲，再将此方波脉冲送到或非门的一个输入端。
或非门的另两个输入端分别为双稳态触发器和振荡器锯齿波。
双稳态触发器的两个输出互补，交替输出高低电平，将PWM脉冲送至三极管VT1及VT2的基极，锯齿波的作用是加入死区时间，保证VT1及VT2不同时导通。
最后，VT1及VT2分别输出相位相差为180°
的PWM波。
4.3SG3525控制电路
P1
GND
12V
R4 20K
Plug
U1
100
C1
R5
10k
R210n 1K
R3
4
7
5
6
9
2
8
15
13
14
11
16
3
12
D5
D6
C3
0.01u
SG3525
C2
5u
R7
R6
VI
OSCVCC
DISOUTACT
RTOUTBCOMPVREFIN-SYNC
IN+GND
SSSD
5.1V
图5SG3525控制电路
1）振荡器振荡频率的确定
振荡器频率主要取决于6脚外接的定时电阻R2，5脚外接的定时电容C1和放电电阻R2（连接于5脚与7脚之间的电阻）的大小。
他们的关系满足：
fT=
（0.7R2+3R1）C1
由于本课题设计驱动全桥的IGBT开关管频率为100KHz，则PWM控制器振荡频率为100KHz，现取R2=1K，R1=100Ω,
C1=
（0.7R2+3R1）fT
=
（0.7´
1000+3´
100）´
100´
1000
=10nF
2）占空比计算，当R5调制最大10K时，占空比a=（10+10）
/40´
100%=50%；
当R5调制最小0Ω时，占空比a=10/40´
100%=25%。
故占空比为
25%~50%,本次设计用占空比为40%和48%，能达到要求。
3）8脚外接软启动电容，该端到地所连接的电容可以决定该芯片的软启动时间，一般为1~10uF，现取C2=5uF。
4）2脚为误差放大器同向输入端，2脚接给定基准电压，在图中，接由5.1V引出的分压基准。
1脚为误差放大器反向输入端，与2脚误差放大器同向输入端相比较，从而控制输出PWM脉冲宽度，1脚与9脚接在一起。
5）10脚为外部控制端，该端输入的控制信号为低电平时，PWM脉冲信号正常输出；
为高电平时，芯片内部工作被关断，输出的PWM信号为零。
在仿真时，需要接地，因此，10脚串联一个R4后再接地。
6）11脚和14脚为两路相位相差180度的输出PWM驱动信号。
4.4EXB841驱动芯片
根据IGBT的特性，对其驱动电路要求如下：
1）触发脉冲要具有足够快的上升和下降速度即脉冲前后沿要陡峭；
2）栅极串连电阻Rg要恰当。
Rg过小，关断时间过短，关断时产生的集电极尖峰电压过高；
Rg过大，器件的开关速度降低，开关损耗增大；
3）删射电压要适当。
增大删射正偏压对减小开通损耗和导通损耗有利，但也会使管子承受短路电流的时间变短，续流二极管反向恢复过电压增大。
因此，正偏压要适当，通常为+15V。
为了保证在C-E间出现dv/dt噪声时可靠关断，关断时必须在栅极施加负片电压，以防受到干扰时误开通和加快关断速度，减小关断损耗，幅值一般为-（5-10）V；
4）当IGBT处于负载短路或过流状态时，能在IGBT允许时间内通过逐渐降低删压自动抑制故障电流，实现IGBT的软关断。
驱动电路的软关断过程不应随输入信号的消失而受到影响。
IGBT常用驱动方法有：
直接驱动法，隔离驱动法和集成模块驱动电路。
本次设计采用的是EXB系列集成模块EXB841来驱动H桥整流电路中的IGBT。
集成模块驱动电路与分立元件的驱动电路相比，有体积小，效率高，可靠性高的优点。
EXB841内部结构如图
图6EXB内部原理图
EXB841驱动主要有三个工作过程：
正常开通过程，正常关断过程和过流保护
过程。
14和15两脚间外加PWM控制信号，当触发脉冲信号施加于14和15引脚时，在GE两端产生约16V的IGBT开通电压；
当触发控制脉冲撤销时，在GE两端产生-
5.1B的IGBT关断电压。
过流保护动作过程是根据IGBT的CE极间电压Uce的大学判定是否过流而进行保护的，Uce由二极管VD7检测。
当IGBT开通时，若发生负载
短路等发生大电流的故障，Uce会上升很多，使得VD7截止，EXB841的6脚“悬空”
，B点和C点电位开始由约6V上升，当上升至13V时，BZ1被击穿，V3导通，C4通过R7和V3放电，E点的电压逐渐下降，B6导通，从而使IGBT的GE间电压
Uce下降，实现软关断，完成EXB841对IGBT的保护。
射极电位为-5.1V，由
EXB841内部的稳压二极管VZ2决定。
4.5驱动控制电路原理及PCB设计
5.1V
D7
Diode
R84.7K
20V
R4
20K
U1U2
VI15D5U3
R210n
4OSC
7DIS
5CT
VCC13
OUTA14D6
OPTOISO1
5
15IS01
VCC2
6RTOUTB11C3
R51K
9COM
升级会员 