可逆直流PWM驅(qū)動電源的設計電力電子課程設計報告

課程設計說明書（論文）

課程名稱：電力電子技術

設計題目：可逆直流PWM驅(qū)動電源的設計

院

系：電氣工程系

班

級：

設

計

者：

學

號：

同

組

人：

指導教師：

設計時間：

XXXX大學教務處

XXX大學課程設計任務書

姓

名：

院

（系）：電氣工程

專

業(yè)：電氣工程及其自動化

班

號：

任務起至日期：

年

月

日至

年

XX月

日

課程設計題目：

可逆直流PWM驅(qū)動電源的設計

已知技術參數(shù)和設計要求：

課程設計的主要任務是設計一個直流電動機的脈寬調(diào)速（直流PWM）驅(qū)動電源。DC-DC變換器采用H橋形式，控制方式為雙極性。

被控直流永磁電動機參數(shù)：額定電壓20V，額定電流1A，額定轉(zhuǎn)速2000rpm。驅(qū)動系統(tǒng)的調(diào)速范圍：大于1：100，電機能夠可逆運行。驅(qū)動系統(tǒng)應具有軟啟動功能，軟啟動時間約為2s。

工作量：

1）主電路的設計，器件的選型。包括含整流變壓器在內(nèi)的整流電路設計和H橋可逆斬波電路的設計(要求采用IPM作為DC/DC變換的主電路，型號為PS21564)。

2）PWM控制電路的設計（指以SG3525為核心的脈寬調(diào)制電路和用門電路實現(xiàn)的脈沖分配電路）。

3）IPM接口電路設計（包括上下橋臂元件的開通延遲，及上橋臂驅(qū)動電源的自舉電路）。

4）DC15V

控制電源的設計（采用LM2575系列開關穩(wěn)壓集成電路，直接從主電路的直流母線電壓經(jīng)穩(wěn)壓獲得）。

3人組成1個設計小組，通過合理的分工和協(xié)作共同完成上述設計任務。設計的成果應包括：用PROTEL繪制的主電路和控制電路的原理圖，電路設計過程的詳細說明書及焊裝和調(diào)試通過的控制電路板。

工作計劃安排：

(學時安排為1周，但考慮實驗的安排，需分散在2周內(nèi)完成)

第1周：

全體開會，布置任務，組成設計小組（每組3人），會后設計工作開始。

答疑，審查設計方案，發(fā)放器件和裝焊工具。

完成焊裝工作。

第2周每人12學時到實驗室調(diào)試已裝焊好的電路板，并完成相關測試和記錄。

撰寫設計報告。

同組設計者及分工：

指導教師簽字

****年**月**日

教研室主任意見：

教研室主任簽字___________________

****年**月**日

雙極模式直流PWM驅(qū)動電源的設計

1.主電路設計

1.1.主電路設計要求

直流PWM驅(qū)動電源的主電路圖如圖1a所示,圖1b為控制原理框圖，它包括整流電路和H橋可逆斬波電路的設計。二極管整流橋把輸入交流電變?yōu)橹绷麟姡琀橋逆變器則根據(jù)IGBT驅(qū)動信號占空比的不同，得到不同的直流電壓，并將其加在電動機上。

a主電路圖

控制原理框圖

圖1

（1）整流部分采用四個二極管構(gòu)成整流橋模塊；

（2）逆變器部分采用IPM（智能功率模塊）PS21564構(gòu)成。該電路主要為三相逆變橋，此處采用其中的U、V兩相；

（3）根據(jù)負載要求，計算出交流側(cè)輸入電壓和電流，作為設計整流變壓器、選擇整流橋和濾波電容的依據(jù)。由于該電路整流輸出電壓較低，所以在計算變壓器副邊電壓時應考慮在電流到達負載之前，整流橋和逆變橋中功率器件的通態(tài)壓降。

1.2

整流電路設計

整流部分采用4個二極管構(gòu)成的整流橋模塊。電動機的額定電壓為20V，通過查閱該型號

IPM的數(shù)據(jù)手冊得知，開關器件的通態(tài)壓降為2V左右，可知電壓為24V，由全橋整流電路可知：

整流橋中二極管的管壓降為1V，可知變壓器副邊電壓及變壓器的變比，濾波電容選擇耐壓40V左右，容值450uF左右。

1.H型逆變橋設計

該部分電路在IPM模塊內(nèi)部集成，不需要設計。它的主電路是三相逆變橋，此處采用其中的U、V兩相。

.控制電路設計說明

SG3525的13腳輸出占空比可調(diào)，占空比調(diào)節(jié)范圍為0~1的脈沖信號，經(jīng)過移相后，輸出兩組相位相反，死區(qū)時間為5μS左右的脈沖，分別驅(qū)動V1、V4和V2、V3的開通和關斷。

2.1脈沖信號電路的設計

設計中使用SG3525產(chǎn)生需要的脈沖信號。5腳接一個0.02uf的電容，6腳接滑動變阻器，兩者組成RC振蕩電路，可以通過調(diào)節(jié)滑動變阻器的阻值使脈沖的頻率為設計要求的5kHz。根據(jù)芯片手冊公式計算可得當R=15K、C=0.02uF時，輸出頻率為5kHz，為使調(diào)節(jié)方便選用阻值為20K的滑動變阻器。通過改變2腳輸入電壓的大小調(diào)節(jié)輸出脈沖的占空比。為使電機具有軟啟動功能，在8腳需要接電容。根據(jù)芯片手冊軟啟動時間和電容大小的關系：60ms/uF。為了使電機軟啟動為2s，所選的電容應為33uF，同時，10腳應該接地。在輸出端，13需要上拉電阻與5V參考電平相連。將11和14腳短接，脈沖由13腳引出。電路圖設計如圖2所示：

圖2

脈沖產(chǎn)生電路

2.2脈沖分配電路的設計

本設計是雙極性PWM驅(qū)動。由SG3525產(chǎn)生的脈沖經(jīng)過一個非門變成0V、5V信號，當信號為高電平時對電容充電，當電容電壓達到非門的開啟電壓2V時，輸出才變?yōu)楦唠娖?，由此達到了延時的目的。所需延遲時間為5us，有三要素公式計算得，當選定電容為0.01uf時，對應的電阻為978.8Ω。為了方便調(diào)節(jié)，選擇5K的滑動變阻器。此電路即可產(chǎn)生死區(qū)時間為5us的雙極性PWM調(diào)制信號。具體脈沖分配電路如圖3：

圖3

脈沖分配電路

2.3自舉電路設計

為了簡化設計，上橋臂兩個器件V1

和V3的驅(qū)動電源采用單電源自舉式供電，這樣整個模塊的控制部分只需采用1

個15V

電源供電即可。

自舉電路中的二極管選用IN5819，電容值為10uF，電阻值為5歐左右。如圖4所示。

圖4

自舉電路

2．4

穩(wěn)壓電源設計

設計一個直流

15V的控制電源，為SG3525及IPM模塊的驅(qū)動電路供電。為減小損耗，采用LM2575T－ADJ系列開關穩(wěn)壓集成電路，將主電路的直流母線電壓33V作為輸入，通過電位器的調(diào)節(jié)，經(jīng)穩(wěn)壓后獲得15V的直流電源。LM2575T的封裝形式為5腳TO-220形式。TTL電路的5V工作電源可以直接取自SG3525的內(nèi)部參考電源管腳。濾波電路中的二極管選用IN5819。如圖5所示。

圖5

15V穩(wěn)壓電源電路

查閱芯片手冊知：

可得：

為使電路方便調(diào)試，使用定值電阻，使用電位器。

調(diào)試過程及結(jié)果分析

3.1調(diào)過試程：

（1）.控制板上的15V穩(wěn)壓電源電路的調(diào)試

將控制板的J3接口與主電路板相連，J6和J7都不連接。再將LM2575T插在電路板的對應插座上。在模擬盒上斷開S2開關，閉合S1開關，調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電路中的電位器，使穩(wěn)壓電路的輸出為15V直流電壓。

（2）.脈寬調(diào)制信號發(fā)生電路的調(diào)試

將SG3525插在電路板上。在模擬盒上斷開S2，閉合S1，給控制板上電。然后調(diào)節(jié)相應電位器，獲得頻率為5KHz，占空比可在0～1之間調(diào)節(jié)的脈寬調(diào)制信號。

（3）.兩路驅(qū)動信號的開通延時電路的調(diào)試

給控制板上電后，調(diào)節(jié)相應電位器，觀察兩路驅(qū)動信號，驅(qū)動信號為：

圖6

兩路驅(qū)動信號波形對應的死區(qū)時間

兩路驅(qū)動信號之間有5us左右的的開通延時，即5us的死區(qū)時間。

（4）.測試IPM中上橋臂驅(qū)動電源的自舉電路

將主電路板和控制板的J6和J7接口相連，在模擬盒上斷開S2，閉合S1，給控制板上電。

（5）.測試電機啟動狀態(tài)

在模擬盒上斷開S2，閉合S1，給控制板上電。先將驅(qū)動信號的占空比調(diào)到50％附近。閉合S2開關，接通H橋的直流電源，調(diào)節(jié)占空比使電機啟動起來。通過占空比的調(diào)節(jié)，能夠調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，并控制電機正反轉(zhuǎn)。電機控制系統(tǒng)具有軟啟動功能。

3.2結(jié)果分析

3.2.1電機負載

（1）.占空比的有效調(diào)節(jié)范圍

調(diào)節(jié)驅(qū)動信號的占空比使之達到最大值和最小值，最大占空比約為0.9；最小占空比約為0.1。

其中最大占空比對應的輸出電壓平均值約為19.2V，最小占空比對應的輸出電壓平均值約為-22.1V。

（2）.負載電壓和電流的波形

電機負載的電壓和電流波形如圖7和8所示所示，可看出當電機兩端電壓為正時，流過電樞的電流上升，電感儲能。當電機兩端電壓為負時，流過電樞的電流下降，電感釋放能量。

圖7

電機負載，正轉(zhuǎn)時，電壓（下）和電流（上）的波形

圖8

電機負載，反轉(zhuǎn)時，電壓（下）和電流（上）的波形

（3）.H橋中各個IGBT驅(qū)動控制信號的波形：其波形如圖10所示，其中V1，V4為一組V2，V3為一組。

圖9電機負載時，H橋驅(qū)動控制信號

附

錄

主電路圖和控制電路原理圖。

圖14

主電路原理圖

圖15

SG3525控制電路原理圖

圖16

脈沖分配電路

圖17

+15V穩(wěn)壓電源

圖18

自舉電路

課程設計心得體會

在這次實驗中，我學到很多東西，加強了我的動手能力，并且培養(yǎng)了我的獨立思考能力。這次實驗一開始不是很順利，我焊接弄了好久，好多地方老師在前面講的很清楚，可是放到我自己這里就做不好。之后又遇到了好多問題，不夠細心比如由于粗心大意連錯了線，由于對課本理論的不熟悉導致設置電路出現(xiàn)錯誤。這讓我體會到，作為一名工程技術人員，要求具備的首要素質(zhì)絕對應該是嚴謹。我們這次實驗所遇到的多半問題多數(shù)都是由于我們不夠嚴謹。我十分懊惱自己有一身的理論知識卻還是做出這么差的效果，所以我覺得這次的實驗是很必要的，對于我們這些學了很多理論知識的學生來說是很有幫助的，它使得我們看到了自己的差距和經(jīng)驗的不足，以后需要勤奮的學習的同時多注重實際的運用，這樣才應該是全面實際的應用型人才！