直流脈寬調速系統(tǒng)設計的生產實習報告

1、Harbin Institute of Technology生產實習報告（論文） 課程名稱：生產實習 設計題目：直流脈寬調速系統(tǒng)驅動電源的設計院 系：電氣工程系 班 級： 設 計 者： 學 號： 指導教師： 設計時間：2015年12月1日-12日 哈爾濱工業(yè)大學（威海）教務處哈爾濱工業(yè)大學（威海）生產實習任務書 姓 名： 院 （系）：信息與電氣工程學院 專 業(yè)：電氣工程及其自動化 班 號： 任務起至日期：2015 年 12 月 1 日 至 2015 年 12 月 12 日 設計題目： 直流脈寬調速系統(tǒng)驅動電源的設計 已知技術參數和設計要求： 生產實習的主要任務是設計一個直流電動機的脈寬調速（直

2、流PWM）驅動電源。被控直流永磁電動機參數：額定電壓24V，額定電流1.5A，額定轉速3000rpm。驅動系統(tǒng)的調速范圍：大于1：1000 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為核心的脈寬調節(jié)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穩(wěn)壓獲得）。3人組成1個設計小組，通過合理的分工和

3、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試通過的控制電路板。 工作計劃安排： (學時安排為2周)l 第1周：周1，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，繪制電路圖。l 第2周發(fā)放器件和裝焊工具，調試電路，完成設計報告。 同組設計者及分工： 指導教師簽字_ 年 月 日 教研室主任簽字_ 年 月 日哈爾濱工業(yè)大學生產實習報告（論文）一直流脈寬調速實驗報告1脈寬調制技術脈寬調制技術簡稱PWM,PWM控制技術就是半導體開關元件的導通和關斷時間比，即調節(jié)脈沖寬度或周期來控制輸

4、出電壓的一種控制技術。近年來，隨著全控型器件的不斷發(fā)展和PWM技術的日益完善，已廣泛應用于變頻調速和開關電源等領域。PWM常用于電壓型逆變器，它可消除或減小低次諧波，濾波器體積可減小，有利于小型化和降低成本。直流電動機的PWM調速原理，為了獲得可調的直流電壓，利用電力電子器件的完全可控性，采用脈寬調制技術，直接將恒定的直流電壓調制成可變大小和極性的直流電壓作為電動機的電樞端電壓，實現系統(tǒng)的平滑調速，這種調速系統(tǒng)就稱為直流脈寬調速系統(tǒng)。脈寬調制的基本原理，脈寬調制（Pulse Width Modulation），是利用電力電子開關器件的導通與關斷，將直流電壓變成連續(xù)的直流脈沖序列，并通過控制脈沖

5、的寬度或周期達到變壓的目的。所采用的電力電子器件都為全控型器件，如電力晶體管（GTR）、功率MOSFET、IGBT等。 通常PWM變換器是用定頻調寬來達到調壓的目的 PWM 變換器調壓與晶閘管相控調壓相比有許多優(yōu)點，如需要的濾波裝置很小甚至只利用電樞電感已經足夠，不需要外加濾波裝置；電動機的損耗和發(fā)熱較小、動態(tài)響應快、開關頻率高、控制線路簡單等。PWM的占空比決定輸出到直流電機的平均電壓. PWM不是調節(jié)電流的.PWM的意思是脈寬調節(jié),也就是調節(jié)方波高電平和低電平的時間比, PWM信號是一個矩形的方波，他的脈沖寬度可以任意改變，改變其脈沖寬度控制控制回路輸出電壓高低或者做功時間的長短，實現無級

6、調速。2.脈沖寬度調制器脈沖寬度調制器是控制電路中最關鍵的部分，是一個電壓脈沖變換裝置，用于產生PWM變換器所需的脈沖信號PWM波形電壓信號。脈沖寬度調制器的輸出脈沖寬度與控制電壓成正比，常用的脈沖寬度調制器有以下幾種；1.鋸齒波作調制信號的脈沖寬度調制器鋸齒波脈寬調制器；2.三角波作調制信號的三角波脈寬調制器；3.多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)角觸發(fā)器組成的脈寬調制器；4成可調脈寬調制器和數字脈寬調制器。下面介紹其中一種鋸齒波脈沖寬度調制器：鋸齒波脈沖寬度調制器本身是一個由集成運算放大器和幾個輸入信號組成的電壓比較器。運算放大器工作在開環(huán)狀態(tài)，稍微有一點輸入信號就可使其輸出電壓達到飽和限幅值，當輸入信號

7、電壓極性改變時，輸出電壓就在正、負限幅值之間變化，從而完成把連續(xù)電壓變成脈沖電壓的轉換。加在運算放大器輸入端的信號有三個：一個是由鋸齒波發(fā)生器提供的鋸齒波調制信號，其頻率是主電路所需要的開關頻率，通常視所采用的電力電子器件和系統(tǒng)性能而定。另一個輸入信號是控制器輸出的直流控制電壓，其極性和大小隨時可變。與在運算放大器的輸入端相加，使放大器的輸出端得到周期固定、脈沖寬度可變的調制輸出電壓。為了在時的正負脈沖相等，以使PWM變換器的輸出電壓，在運算放大器的輸入端還有第三個輸入信號負偏壓。3.脈寬調制優(yōu)點PWM的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數字形式的，無需進行數模轉換。讓信號保持為數字形式可將

8、噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或將邏輯0改變?yōu)檫壿?時，也才能對數字信號產生影響。 對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點，而且這也是在某些時候將PWM用于通信的主要原因。從模擬信號轉向PWM可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當的RC或LC網絡可以濾除調制高頻方波并將信號還原為模擬形式。 總之，PWM既經濟、節(jié)約空間、抗噪性能強，是一種值得廣大工程師在許多設計應用中使用的有效技術。 2 主電路設計說明1.簡要概述二極管整流橋把輸入的交流電變?yōu)橹绷麟?。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或的直流電壓。圖1 主電路原理圖2

9、.設計說明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。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(tài)壓降。4）在本實習過程中，因為主電路是已經設計好的，所以我們只需要了解明白主電路中的各部分電路及芯片的功能，然后設計控制電路，并將其與主電路相連接。3.以下是我

10、們PWM控制電機原理圖和PWM工作波形圖2 PWM控制原理圖和PWM工作波形圖4.PROTEL畫主電路原理圖圖3 主電路原理圖三控制電路設計說明1簡要概述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(jié)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。經過RC移相后，輸出兩組互為倒相，死區(qū)時間為5S左右的脈沖，經過光耦隔離后，分別驅動四只功率器件，其中V1、V4驅動信號相同，V2、V3驅動信號相同。控制電路中的所有部分都需要進行設計、焊裝和調試，因此控制電路是本生產實習中的核心內容。2設計說明1）在設計SG3525外圍電路時，我們采用該集成芯片的DIP

11、封裝形式。脈沖的頻率定為5KHz（是根據IPM中IGBT的開關速度而確定的），設定頻率的電阻可采用電位器，以便于調試。由于SG3525輸出的兩路脈沖是互補形式，在本設計中其輸出并聯(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、V4驅動脈沖，利用后續(xù)門電路反相后再驅動V2、V3），以達到01.0的占空比調整范圍。圖4 3525典型應用電路圖5 3525實際電路圖2）LM2575典型應用及PROTEL圖圖6 2575典型應用電路圖7 2575實際電路圖3）應設計一個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(wěn)壓

12、集成電路，將主電路的直流母線電壓作為輸入，通過電位器的調節(jié)，經穩(wěn)壓后獲得15V的直流電源。圖8 控制電路示意圖4）自舉電路以及PWM波的輸出電路圖9 自舉電路圖圖10 PWM波經74LS04輸出電路圖4. 調試結果及討論1LM2575輸出15V的調試以及3525輸出PWM波的調試通過調節(jié)與反饋管腳連接的20K電位器，使輸出為15V。調試以后把15V輸出分別給自舉電路的輸入和芯片3525的15管腳。通過調節(jié)3525的5管腳以及管腳6，即Rt和Ct，使PWM波輸出的周期為200us,即周期為5KHZ。而后調節(jié)16管腳和2管腳相連的5V電位器使得13管腳輸出的PWM波的占空比為50%。調好以后把13管腳和74LS04的1管腳相連。由于電路鏈接正常，故而這一步得到的結果均與預期一致，圖如下：圖11 5KHZ時占空比為50%的波形2關于5us延遲時間的調試輸出波有問題，出來的波形不是矩形，而是類梯形，同時出來的幅值也大不相同，只有正常的一半。起始覺得應該是延遲電路中電容的接地問題，但經過電路的檢查，電路正確，并沒有連接錯誤，而后檢查發(fā)現也沒有其他的連線脫落或短接。最后重新查看了74LS04的芯片管腳圖，發(fā)現對芯片有些想當然了，而沒接VCC（14引腳）和GND（7引腳）。而后經排查，發(fā)現電路再無問題，調試兩