1、Harbin Institute of Technology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驅動電源的設計院 系：電氣工程系 班 級：0706111 設 計 者：王勃 學 號：1070610602 指導教師：李久勝 設計時間：2010年11月 哈爾濱工業大學教務處哈爾濱工業大學課程設計任務書姓 名： 王勃 院 （系）：電氣工程 專 業： 電機與電器 班 號：0706112 任務起至日期： 2010 年 11 月 15 日至 2010 年 12 月 1 日 課程設計題目： 可逆直流PWM驅動電源的設計 已知技術參數和設計要求： 課程設計的主要任務是設計一個直

2、流電動機的脈寬調速（直流PWM）驅動電源。DC-DC變換器采用H橋形式，控制方式為單極性。被控直流永磁電動機參數：額定電壓20V，額定電流1A，額定轉速2000rpm。驅動系統的調速范圍：大于1：100，電機能夠可逆運行。驅動系統應具有軟啟動功能，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為核心的脈寬調制電路和用門電路實現的脈沖分配電路）。3）IPM接口電路設計（包括上下橋臂元件的開通延遲，及上橋臂驅動電源的自

3、舉電路）。4）DC15V 控制電源的設計（采用LM2575系列開關穩壓集成電路，直接從主電路的直流母線電壓經穩壓獲得）。2人組成1個設計小組，通過合理的分工和協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周內完成)l 第1周：全體開會，布置任務，組成設計小組（每組2人），會后設計工作開始。答疑，審查設計方案，發放器件和裝焊工具。完成焊裝工作。l 第2周每人12學時到實驗室調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

4、者及分工：同組設計者：遲廣晟分工：王勃：負責主電路及IPM接口電路的設計；遲廣晟：負責SG3525及穩壓電源部分的設計； 焊接以及調試工作倆人共同完成。 指導教師簽字 李久勝 2010 年 11 月 15 日 教研室主任意見： 教研室主任簽字_ 年 月 日H型單極性同頻可逆直流PWM驅動電源的設計技術指標：被控直流永磁電動機參數：額定電壓20V，額定電流1A，額定轉速2000rpm。驅動系統的調速范圍：大于1：100。驅動系統應具有軟啟動功能，軟啟動時間約為2s。詳細設計要求見附錄2.1. 整體方案設計本文設計的H型單極性同頻可逆直流PWM驅動電源由四部分組成：主電路，H型單極模式同頻可逆PW

5、M控制電路，IPM接口電路及穩壓電源。同時具有軟啟動功能，軟啟動時間為2s左右。控制原理如圖1所示：圖1 直流PWM驅動電源的控制原理框圖脈寬調制電路以SG3525為核心，產生頻率為5KHz的方波控制信號，占空比可調。經用門電路實現的脈沖分配電路，轉換成兩列對稱互補的驅動信號，同時具有5us的死區時間，該信號驅動型功率轉換電路中的開關器件，控制直流永磁電動機。穩壓電源采用LM2575-ADJ系列開關穩壓集成電路，通過調整電位器，使其穩定輸出15V直流電源。2. 主電路設計2.1 主電路設計要求直流PWM驅動電源的主電路圖如圖2所示。此部分電路的設計包括整流電路和H橋可逆斬波電路。二極管整流橋把

6、輸入的交流電變為直流電。四只功率器件構成H 橋，根據脈沖占空比的不同，在直流電機上可得到不同的直流電壓。主電路部分的設計要求如下：1）整流部分采用4 個二極管集成在一起的整流橋模塊。2）斬波部分H 橋不采用分立元件，而是選用IPM（智能功率模塊）PS21564來實現。該模塊的主電路為三相逆變橋，在本設計中只采用其中U、V 兩相即可。圖2 主電路圖3）在主電路設計中，應根據負載的要求，計算出整流部分的交流側輸入電壓和電流，作為設計整流變壓器、選擇整流橋和濾波電容的依據。該電路的整流輸出電壓較低，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壓降。2.2 整流電

7、路設計整流部分采用4個二極管集成在一起的整流橋模塊。電動機的額定電壓為20V，通過查閱該型號IPM的數據手冊可知開關器件的通態導通壓降為2V左右，故可知電壓為24V，由全橋整流電路可知， 考慮整流橋中二極管壓降為1V，故可知變壓器副邊電壓，從而可知變壓器的變比。濾波電容選擇耐壓40V左右，容值450uF左右即可。2.3 H型逆變橋設計IPM內部集成該部分電路，參數可參考手冊。該模塊為三相逆變橋，只使用其中的U、V兩相即可。3. 控制電路設計3.1 H型單極模式同頻可逆直流PWM控制原理所謂單極性，即在控制指令的作用下，在一個開關周期之內，電動機電樞兩端的調制脈沖電壓是單一極性的。同頻，是指PW

8、M功率轉換電路輸出的調制脈沖電壓頻率與頻率發生器給定的基準頻率相同。如圖3所示，同一側的、工作在交替的開關狀態，另一側兩個晶體管中，基極施加截止關斷電壓，基極施加飽和驅動電壓，當電機反向時，將兩側晶體管的驅動信號互換即可。圖3 單極性同頻PWM控制3.2 脈沖調制電路以SG3525為核心，采用該集成芯片的DIP封裝形式。SG3525的13腳輸出占空比可調（通過改變2 腳電壓）的脈沖波形（占空比調節范圍不小于0.10.9），同時頻率可通過充放電時間的不同而改變，通過調節6腳的變阻器，將脈沖頻率設定為5KHz。由于SG3525 輸出的兩路脈沖是互補形式，在本設計中其輸出應并聯使用（即11，14 管

9、腳短接，從13 管腳通過外部上拉電阻輸出驅動脈沖），以達到01.0 的占空比調整范圍。SG3525 的8 管腳接電容，以實現軟啟動功能。SG3525的外圍電路設計如圖4所示。(1) 6腳電阻RT選擇指定5腳的外接震蕩電容為0.02uF，通過查閱芯片手冊可知，當輸出頻率設定為5KHz時，6腳所接電阻約為15K，實際電路中采用20K的變阻器，便于調試。(2) 8腳電容選擇通過查閱芯片手冊可知，8腳電容值與軟啟動時間的關系為：60ms/F，設計要求軟啟動時間為2s，則8腳電容值為33uF。圖4 SG3525原理圖3.3 脈沖分配電路規定電機正轉時驅動信號波形如圖5(a)所示，則電機反轉時驅動信號如圖

10、(b)所示。 圖5(a) 電機正轉時驅動信號 圖5(b) 電機反轉時驅動信號利用DIP開關設定方向控制信號，以決定電機的方向，利用門電路實現驅動信號的轉換。為防止同一橋臂上下兩管在驅動信號翻轉時出現瞬時直通現象，應設計兩路驅動信號的開通延時電路。即利用RC移相后，為每路驅動信號產生5us的開通延時。這部分電路中的門電路采用6反相器74LS04和74LS00，移相電路中C的取值為0.01uF，分析電路，利用三要素公式可計算電阻R的取值，實際電路中采用變阻器，以便于調試。電路原理圖如圖6所示。 圖6 脈沖分配電路3.4 自舉電路設計為了簡化設計，上橋臂兩個器件，即V1 和V3 的驅動電源采用單電源

11、的自舉式供電，詳細設計可參考IPM 的設計手冊。這樣整個模塊的控制部分只采用1 個15V 電源供電即可，而不必采用3 路獨立的電源，簡化了設計。本設計中，自舉電路中的二極管建議選用IN5819，電容值為10uF，電阻值為5歐左右。電路圖如圖7所示。圖7 自舉電路3.5 穩壓電源設計設計一個DC 15V的控制電源，為SG3525及IPM模塊的驅動電路供電。為了減小損耗，采用LM2575TADJ系列開關穩壓集成電路，將主電路的直流母線電壓33V作為輸入，通過電位器的調節，經穩壓后獲得15V的直流電源。LM2575T的封裝形式為5腳TO-220形式。另外TTL電路的5V工作電源可直接取自SG3525

12、的內部參考電源管腳。濾波電路中的二極管建議選用IN5819。電路圖如圖8所示。圖8 15V穩壓電源電路通過查閱芯片手冊知：本設計中，,計算得：。實際電路中，采用變阻器代替，便于調試。4. 調試過程及結果分析4.1 調試過程(1) 調試15V穩壓電源電路只將控制板的J3接口與主電路板相連，J6和J7都不連接。再將LM2575插在電路板的對應插座上。模擬盒上斷開S2開關，閉合S1開關。調節電位器，直至穩壓電路輸出為所需的15V為止。(2) 調試脈寬調制信號發生電路接好電路，首先調節SG3525的6腳變阻器，使13腳輸出脈沖的頻率為5KHz，之后調節2腳變阻器，確定輸出脈沖的占空比可在01之間可調。

13、(3) 調試兩路驅動信號的開通延時電路用示波器同時觀察兩路輸出脈沖，分別調節兩個RC移相電路中的變阻器，使死區時間為5us。同時，觀察最終的輸出驅動信號，確定其邏輯滿足設計要求。圖9死區時間(4) 調試自舉電路接好電路，測試自舉電壓為14V左右，自舉電路工作正常。(5) 整體調試將驅動脈沖信號的占空比調到50%左右，將電機接入電路，電機開始運轉，調節占空比，可調節電機的速度，切換開關，可改變電機的運行方向。4.2 調試結果及分析(1) 電機負載1) 調節占空比，電機能夠正常運轉且速度變化；切換開關，可改變電機的運行方向，滿足設計要求。2) 電機電樞上電壓和電流的波形。（ch1為電流，ch2為電

14、壓）：如圖10所示。由波形可看出，當電機兩端為正電壓時，流過電樞的電流上升，電感儲能；當外接電壓斷開時，電感釋放能量，電流下降。觀察電壓波形，發現電樞電壓并不是標準的矩形波，在高電平時電壓呈下降的趨勢，這是由于電樞電感的儲能作用，產生的反電動式引起的。圖10 電樞電壓電流波形3) 直流母線電壓電流波形。（ch1為電流，ch2為電壓）：如圖11所示：圖11 母線電壓電流波形4) H橋中各個IGBT驅動控制信號的波形，如圖12所示。驅動信號互補，且有明顯的死區時間，滿足設計要求。圖12 V1和V3 、V2和V4波形(2) 電阻負載1) 調節占空比，觀察電阻電壓，隨著占空比的改變，電阻上的電壓也相應

15、改變。2) 電阻上電壓和電流的波形。（ch1為電流，ch2為電壓）：如圖13所示：圖13 電阻上電壓波形3) 直流母線電壓電流波形。（ch1為電流，ch2為電壓）：如圖14所示：圖14 母線電壓波形4) H橋中各個IGBT驅動控制信號的波形，如圖15所示。且有明顯的死區時間，滿足設計要求。圖15 V1和V3 、V2和V4波形5. 收獲和體會通過本次課程設計，我們組兩個人共同完成設計直流電動機的脈寬調制（直流PWM）驅動電源，采用單極性同頻可逆直流PWM控制方式，經過我們的設計，焊制電路板，調試的全部流程，我們對于protel的應用，電路板的焊接，調試電路時對于分析錯誤出現的原因都有了進一步的掌握。在設計自舉電路時，我們對于參數的設計不清楚，通過兩人討論、查資料、向同學和老師請教，得以解決；在調試電路時我們也出現了一些問題，通過具體分析也得到了解決。總之，通過本次課程設計，我們對于電力電子裝置的設計有了一定的掌握，提過了動手實踐的能力，對于我們以后的工作和學習有很大幫助。附 錄主電路圖和控制電路