哈工大課程設(shè)計(jì)說明書_可逆直流PWM驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)

1、Harbin Institute of Technology課程設(shè)計(jì)說明書（論文）課程名稱：電力電子技術(shù) 設(shè)計(jì)題目：可逆直流PWM驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì) 院 系： 班 級(jí)： 設(shè) 計(jì) 者： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計(jì)時(shí)間： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)教務(wù)處哈爾濱工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 姓 名： 院 （系）： 專 業(yè)： 班 號(hào)： 任務(wù)起至日期： 2016 年 06 月 11 日至 2016 年 06 月 16 日 課程設(shè)計(jì)題目： 可逆直流PWM驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì) 已知技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)要求： 課程設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)的脈寬調(diào)速（直流PWM）驅(qū)動(dòng)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

2、動(dòng)機(jī)參數(shù)：額定電壓20V，額定電流1A，額定轉(zhuǎn)速2000rpm。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)速范圍：大于1：100，電機(jī)能夠可逆運(yùn)行。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)具有軟啟動(dòng)功能，軟啟動(dòng)時(shí)間約為2s。 工作量：1）主電路的設(shè)計(jì)，器件的選型。包括含整流變壓器在內(nèi)的整流電路設(shè)計(jì)和H橋可逆斬波電路的設(shè)計(jì)(采用IPM作為DC/DC變換的主電路，型號(hào)為PS21564)。2）PWM控制電路的設(shè)計(jì)（指以SG3525為核心的脈寬調(diào)制電路和用門電路實(shí)現(xiàn)的脈沖分配電路）。3）IPM接口電路設(shè)計(jì)（包括上下橋臂元件的開通延遲，及上橋臂驅(qū)動(dòng)電源的自舉電路）。4）DC15V 控制電源的設(shè)計(jì)（采用LM2575系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路，直接從主電路的直流母線電壓經(jīng)

3、穩(wěn)壓獲得）。2人組成1個(gè)設(shè)計(jì)小組，通過合理的分工和協(xié)作共同完成上述設(shè)計(jì)任務(wù)。設(shè)計(jì)的成果應(yīng)包括：用PROTEL繪制的主電路和控制電路的原理圖，電路設(shè)計(jì)過程的詳細(xì)說明書及焊裝和調(diào)試通過的控制電路板。 工作計(jì)劃安排： (學(xué)時(shí)安排為1周，但考慮實(shí)驗(yàn)的安排，需分散在2周內(nèi)完成)l 第1周：全體開會(huì)，布置任務(wù)，組成設(shè)計(jì)小組（每組2-3人），會(huì)后設(shè)計(jì)工作開始。答疑，審查設(shè)計(jì)方案，發(fā)放器件和裝焊工具。完成焊裝工作。l 第2周每人12學(xué)時(shí)到實(shí)驗(yàn)室調(diào)試已裝焊好的電路板，并完成相關(guān)測(cè)試和記錄。撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。 同組設(shè)計(jì)者及分工： 電路原理設(shè)計(jì)： 電路焊接： 電路調(diào)試： 數(shù)據(jù)整理與記錄： 課程報(bào)告撰寫： 指導(dǎo)教師簽字

4、2016 年 06 月 日 教研室主任意見： 教研室主任簽字_ 年 月 日*注：此任務(wù)書由課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師填寫哈爾濱工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書（論文）1.主電路設(shè)計(jì)說明 1.1主電路設(shè)計(jì)基本結(jié)構(gòu)主電路基本結(jié)構(gòu)由整流電路和逆變電路構(gòu)成，基本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如下圖所示。圖1 直流PWM驅(qū)動(dòng)電源的主電路原理圖 1.2整流部分設(shè)計(jì)整流部分由變壓器降壓?？旌驼鳂蛘髂？鞓?gòu)成。 1.2.1變壓器選擇由于直流電機(jī)額定電壓20V，額定電流為1A，考慮到二次側(cè)電壓經(jīng)過整流橋和逆變橋的兩個(gè)IGBT通態(tài)壓降（2V-3V）以及電路電阻損耗，又因?yàn)檎鳂蜉敵鲭妷菏亲儔浩鞲边叺妮斎腚妷旱?.1倍左右，因此取變壓器副邊電壓為24V，

5、由此得到變壓器的變壓比N1：N2=5:1。變壓器副邊電流一般是直流負(fù)載的1.5-1.8倍，由此取副邊電流2A，因此變壓器的額定功率為48W，即取50W或者100W即可。 1.2.2整流?？煸O(shè)計(jì) 整流模快采用4個(gè)二極管集成在一起的整流橋模塊，由于電機(jī)的額定電流為1A，因此每個(gè)二極管的正向?qū)娏饔行е禐?.7A，采用IN4001硅整流管，其正向?qū)娏髯畲笾禐?A，正向最大導(dǎo)通電壓50V。對(duì)于整流橋?yàn)V波電容的選擇，RC=(35)T/2，R=U/I=20/1=20，T=1/f=0.02s，解得C=1.5-2.5mF，可選用3mF的電解電容。1.3逆變部分設(shè)計(jì)由于本設(shè)計(jì)采用雙極性PWM控制，逆變的原

6、理圖如下 圖2 逆變橋原理圖 圖3 逆變橋控制信號(hào)可見當(dāng)VI，V4同時(shí)導(dǎo)通時(shí)電壓為正，V2，V3同時(shí)導(dǎo)通時(shí)電壓為負(fù)，通過改變控制信號(hào)的占空比控制直流輸出電壓的正負(fù)和大?。ㄕ伎毡?0%時(shí)電壓為0）。本設(shè)計(jì)未采用獨(dú)立的IGBT斬波橋，而是選用IPM（智能功率模塊）PS21564來實(shí)現(xiàn)。該模塊的主電路為三相逆變橋，在本設(shè)計(jì)中只采用其中U、V兩相即可。該模塊需要上下橋臂的電源驅(qū)動(dòng)信號(hào)以及導(dǎo)通控制信號(hào)，這將在之后的控制電路部分給出。圖4 IPM功率模塊的原理圖2.控制電路設(shè)計(jì)說明 2.1 控制電路基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)利用SG3525脈沖調(diào)制芯片輸出占空比可調(diào)直流PWM脈沖，作為IPM功率模塊的IGBT導(dǎo)通控制信

7、號(hào)；利用LM2575線性穩(wěn)壓器為SG3525脈沖調(diào)制芯片提供15V穩(wěn)壓電源，同時(shí)該電壓作為自舉電路的輸入，為IPM功率模塊的IGBT提供驅(qū)動(dòng)電源。SG3525直流PWM控制信號(hào)LM2575IPM15V電壓自舉電路 IGBT驅(qū)動(dòng)電源信號(hào)圖5 控制電路原理框圖2.2 LM2575及其外圍電路設(shè)計(jì)LM2575及其外圍電路原理圖如下所示圖6 LM2575及其外圍電路原理圖 LM2575輸入采用直流母線電壓，濾波電容Ci為100uF/35V，用來過濾直流母線電壓的高頻諧波；輸出端反向并聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓二極管IN5819，用于防止反向電壓過大而損壞電路；輸出端串聯(lián)一個(gè)330uH平波電抗器，用于減小電流脈動(dòng)；經(jīng)過

8、平波電抗器的信號(hào)并聯(lián)一個(gè)330uF/35V的大濾波電容Co，減少輸出直流電壓脈動(dòng)；輸出電壓經(jīng)過負(fù)反饋到輸入端，改變電位器的阻止即可改變反饋電壓，從而改變最終輸出電壓。將輸出電壓分別串聯(lián)一個(gè)DIP開關(guān)和一個(gè)100uF/35V的旁路電容，從而實(shí)現(xiàn)輸出可關(guān)段，電容用于在開關(guān)產(chǎn)生動(dòng)作時(shí)充放電從而緩沖瞬時(shí)電壓，起軟開關(guān)的作用。將DIP開關(guān)接通，調(diào)節(jié)電位器，令DIP開關(guān)的輸出端電壓為15V，LM2575及其外圍電路設(shè)計(jì)完成。圖7 LM2575及其外圍電路參數(shù)圖2.3 SG3525及其外圍電路設(shè)計(jì)SG3525的電路原理圖如下所示圖8 SG3525的電路原理圖 15端接入15V電源電壓，16端輸出一個(gè)5V的參

9、考電壓，作為內(nèi)部的TTL門電路的驅(qū)動(dòng)電壓，同時(shí)可作為外部5V的輸出電壓（千萬不能短接，會(huì)導(dǎo)致該端口損壞從而內(nèi)部TTL電路被損壞，導(dǎo)致整個(gè)芯片損壞）；oscillator模塊是一個(gè)震蕩電路，用于產(chǎn)生震蕩脈沖信號(hào)，其震蕩頻率需要靠外接的電容電壓調(diào)節(jié)；連接5,7和9,1端，同時(shí)將16端參考電壓反饋到誤差放大器的2端口，如此即可輸出直流PWM脈沖信號(hào)；脈沖的頻率定為5KHz（是根據(jù)IPM中IGBT的開關(guān)速度而確定的，注：指定SG3525的5腳CT端外接振蕩電容為0.02F）。由于SG3525輸出的兩路脈沖是互補(bǔ)形式，在本設(shè)計(jì)中其輸出并聯(lián)使用（即11，14管腳短接，從13管腳通過外部上拉電阻輸出V1、V

10、4驅(qū)動(dòng)脈沖，利用后續(xù)門電路反相后再驅(qū)動(dòng)V2、V3），以達(dá)到01.0的占空比調(diào)整范圍。SG3525的8管腳接電容，以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能。具體電路參數(shù)如下圖所示。圖9 SG3525及其外圍電路設(shè)計(jì)P3和c1用于調(diào)節(jié)脈沖頻率為5KHZ，P2用于調(diào)節(jié)脈沖的占空比，c1起穩(wěn)壓和濾波作用，減少因電壓沖擊對(duì)輸入的影響，R4為上拉電阻。 2.4 脈沖分配和延時(shí)電路的設(shè)計(jì)SG3525輸出脈沖經(jīng)過RC移相后，輸出兩組互為倒相脈沖，經(jīng)過光耦隔離后，分別驅(qū)動(dòng)四只功率器件，其中V1、V4驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同，V2、V3驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同。為防止同一橋臂，上下兩管在驅(qū)動(dòng)信號(hào)翻轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)瞬時(shí)直通現(xiàn)象，應(yīng)設(shè)計(jì)兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的開通延時(shí)電路。即利用R

11、C移相電路后，為每路驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生5S左右的開通延時(shí)。這部分電路中的門電路采用6反向器74LS04；移相環(huán)節(jié)中的R和C的取值，應(yīng)根據(jù)5S的延遲時(shí)間來計(jì)算，其中R可采用電位器，以便于調(diào)試。移相電路中C的取值為0.01F，二極管選用IN4148，采用5K的電位器，由于T=-RCln(E-V)/E，取E=5V（輸入電壓）,V=1V（電容兩端要達(dá)到的電壓）,可解得T=11.157us，因此調(diào)節(jié)電位器可實(shí)現(xiàn)5us的延時(shí)。圖10 脈沖分配和延時(shí)電路的設(shè)計(jì) IPM中集成了功率器件的驅(qū)動(dòng)電路，因此在控制電路中不需要設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路；而且為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，隔離環(huán)節(jié)也取消。IPM模塊控制部分的接口信號(hào)中除了H橋中4個(gè)器件的

12、驅(qū)動(dòng)信號(hào)外，還應(yīng)提供集成在IPM內(nèi)部的4個(gè)器件的驅(qū)動(dòng)電路的供電電源，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，上橋臂兩個(gè)器件，即V1和V3的驅(qū)動(dòng)電源采用單電源的自舉式供電。這樣整個(gè)模塊的控制部分只采用1個(gè)15V電源供電即可，而不必采用3路獨(dú)立的電源，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。自舉電路中的二極管建議選用IN5819，實(shí)現(xiàn)單向?qū)щ?。自舉電容采用容量為1uF/25V，在驅(qū)動(dòng)電路關(guān)斷時(shí)自舉電容充電，在開通時(shí)自舉電容作為電壓源提供電流，減少因負(fù)載效應(yīng)而引起的驅(qū)動(dòng)電壓降低。自舉電路模塊如下所示。 圖11 自舉電路 2.5 控制電路和主電路的連接 控制電路和主電路的連接圖如下所示，在圖中，J3 和J6、J7為預(yù)裝在電路板上的接插件，J3用于連接主電

13、路上的直流輸入電源，J6和J7用于連接IPM的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，各插座的引腳定義詳見附錄4主電路原理圖。圖12 控制電路和主電路的連接圖3.調(diào)試過程及結(jié)果分析3.1 H型雙極模式可逆直流PWM驅(qū)動(dòng)電源的調(diào)試1）先調(diào)試控制板上的15V穩(wěn)壓電源電路。步驟是：只將控制板的J3接口與主電路板相連，J6和J7均不連接。再將LM2575T插在電路板的對(duì)應(yīng)插座上。在模擬盒上斷開S2開關(guān)，閉合S1開關(guān)，控制板將通過J3接口獲得直流母線電壓。然后調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電路中的電位器，使穩(wěn)壓電路的輸出為所需15V直流電壓。 圖13 15V穩(wěn)壓電源調(diào)試2）調(diào)試脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生電路。首先將SG3525插在電路板的對(duì)應(yīng)插座上。在模擬盒上

14、斷開S2開關(guān)，閉合S1開關(guān)，給控制板上電。然后調(diào)節(jié)相應(yīng)電位器，獲得頻率為5KHz，占空比可在01之間調(diào)節(jié)的脈寬調(diào)制信號(hào)。圖14 占空比為50%和小于50%的輸出PWM脈沖3）調(diào)試兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的開通延時(shí)電路。首先將74LS06插在電路板的對(duì)應(yīng)插座上。在模擬盒上斷開S2開關(guān)，閉合S1開關(guān)，給控制板上電。然后調(diào)節(jié)相應(yīng)電位器，使兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間有5S的開通延時(shí)，或者說存在5S的死區(qū)。 圖15 脈沖分配和延時(shí)電路的波形調(diào)試（經(jīng)調(diào)試存在5S的開通延時(shí)）4） 測(cè)試IPM中上橋臂驅(qū)動(dòng)電源的自舉電路。將控制板的J6和J7接口與主電路板相連。在模擬盒上斷開S2開關(guān)，閉合S1開關(guān)，給控制板上電。測(cè)量通過自舉電路提供

15、的上橋臂驅(qū)動(dòng)電源是否正常。用萬用表測(cè)量，輸出端電壓約15V。5） 上述單元電路均調(diào)試通過后，在模擬盒上斷開S2開關(guān)，閉合S1開關(guān)，給控制板上電。將驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比調(diào)整到50附近。閉合S2開關(guān)，接通H橋的直流電源，測(cè)試電機(jī)的端電壓，判斷是否與設(shè)計(jì)的情況復(fù)合。若一切正常，則調(diào)節(jié)占空比，使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)起來，并能夠調(diào)速和反轉(zhuǎn)，且具有軟啟動(dòng)性能。 3.2驅(qū)動(dòng)負(fù)載電路的測(cè)試結(jié)果與分析 2.1 純電阻負(fù)載的測(cè)試結(jié)果與分析 負(fù)載輸入接入負(fù)載端口3和5，測(cè)試純電阻負(fù)載特性。圖15 負(fù)載端口接線示意圖1） 占空比的有效調(diào)節(jié)范圍，及所對(duì)應(yīng)的輸出電壓平均值的變化范圍。圖16占空比最小和最大時(shí)負(fù)載電壓波形可見，占空比的調(diào)節(jié)

16、范圍大致在0.1-1區(qū)間，相對(duì)應(yīng)的電壓平均值的變化范圍是-25.3V-29.8V。2） 負(fù)載電壓和電流的波形圖17 電壓均值分別為負(fù)和正時(shí)負(fù)載電壓和電流的波形上圖占空比小于50%，平均電壓為-15.7V，峰峰值66.4V，電流波形與電壓波形相似。下圖占空比大于50%，平均電壓為19.7V，峰峰值65.6V，電流波形與電壓波形相似。電壓電流波形體現(xiàn)雙極性特點(diǎn)3）直流母線上電壓和電流的波形圖18 電壓均值分別為負(fù)和正時(shí)直流母線電壓和電流的波形上圖占空比小于50%，平均電壓為6.15V，峰峰值33.2V，電流為直流。下圖占空比大于50%，平均電壓為24.3V，峰峰值35.2V，電流為直流。分析：電壓

17、由于延時(shí)和斬波變成了脈沖波形，電流由于輸出到負(fù)載的電壓為直流，因此對(duì)于純電阻電路來說電流也為直流4） H橋中各個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的波形 圖19 電壓均值分別為負(fù)和正時(shí)H橋中各個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的波形上圖占空比小于50%，下圖占空比大于50%，可以看出上下橋臂信號(hào)之間存在明顯的延時(shí)開通。 2.2 直流電機(jī)負(fù)載的測(cè)試結(jié)果與分析 負(fù)載輸入接入負(fù)載端口1和4，測(cè)試直流電機(jī)負(fù)載特性。1）占空比的有效調(diào)節(jié)范圍，及所對(duì)應(yīng)的輸出電壓平均值的變化范圍。圖20占空比最小和最大時(shí)負(fù)載電壓波形可見，占空比的調(diào)節(jié)范圍大致在0-1區(qū)間，相對(duì)應(yīng)的電壓平均值的變化范圍是-22V-22.9V。2） 負(fù)載電壓和電流的波形

18、圖21電壓均值分別為負(fù)和正時(shí)負(fù)載電壓和電流的波形上圖占空比小于50%，平均電壓為-14V，峰峰值62V，電壓為有點(diǎn)畸形的脈沖，電流波形近似正弦波。下圖占空比大于50%電壓電流波形體現(xiàn)雙極性特點(diǎn)3）直流母線上電壓和電流的波形圖22 電壓均值分別為負(fù)和正時(shí)直流母線電壓和電流的波形上圖占空比小于50%，平均電壓為6.35V，峰峰值32.0V，電流為直流脈動(dòng)。下圖占空比大于50%，平均電壓為19.7V，峰峰值32.0V，電流為直流脈動(dòng)。分析：電壓由于延時(shí)和斬波變成了脈沖波形，電流由于輸出到負(fù)載的電壓為直流，因此對(duì)于直流電機(jī)負(fù)載電路來說由于電機(jī)中電感的存在電流為直流脈動(dòng)波形。4）H橋中各個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的波形 圖23 電壓均值分別為負(fù)和正時(shí)H橋中各個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的波形上圖占空比小于50%，下圖占空比大于50%，可以看出上下橋臂信號(hào)之間存在明顯的延時(shí)開通。4.收