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1、Harbin Institute of Technology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。D
2、C-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
3、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)l 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。l 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
4、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
5、。1.2 参数计算整流桥二极管的通态压降DUdiode =0.7V，IPM模块中IGBT的饱和通态压降DUIGBT =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、R4的压降，即：U2=I(R3+R4)+2DUIGBT +UL =25.2V1.2U2 2DUduide = U2 U2 =22.17V变压器变比：k=U1/U2 =220V/22.17V=9.922 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
6、.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
7、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=20W。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，
8、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
9、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。将控制板的接
10、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（
11、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
12、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
13、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
14、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: