直流脈寬調速 生產(chǎn)實習指導書

1、生產(chǎn)實習指導書直流脈寬調速系統(tǒng)驅動電源的設計哈爾濱工業(yè)大學(威海) 控制科學與工程系2010年12月“直流脈寬調速系統(tǒng)驅動電源的設計”任務書任務和意義： 生產(chǎn)實習的主要任務是設計一個直流電動機的脈寬調速（直流PWM）驅動電源。縱觀運動控制的發(fā)展歷史，交、直流兩大電氣傳動并存于各個應用領域。由于直流電機的調速性能和轉矩控制性能好，20世紀30年代起就開始使用直流調速系統(tǒng)。直流調速系統(tǒng)由最早的旋轉變流機組控制，發(fā)展為用靜止的晶閘管變流裝置和模擬控制器實現(xiàn)調速，到現(xiàn)在由大功率開關器件組成的PWM電路實現(xiàn)數(shù)字化的調速，系統(tǒng)的快速性、可靠性、經(jīng)濟性不斷提高，應用領域不斷擴展。盡管目前對交流系統(tǒng)的研究比較

2、“熱門”，但是其控制性能在某些方面還達不到直流PWM系統(tǒng)的水平。直流PWM控制技術作為一門新型的控制技術，其發(fā)展?jié)摿€是相當大的。而且，直流PWM技術是電力電子領域廣泛采用的各種PWM技術的典型應用和重要基礎，掌握直流PWM技術對于學習和運用交流變頻調速中SPWM技術有很大的幫助和借鑒作用。技術指標：被控直流永磁電動機參數(shù)：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設計內(nèi)容：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

3、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(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報告及焊裝和調試完畢的控制電路板。時間安排：(學時安排為3周)l 第1階段布置任務和電路設計：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。（詳見附錄1 設計指南）。之后開始電路設計工作。l

4、第2階段電路板焊裝和調試在指定時間提交電路圖，教師審查設計方案，發(fā)放器件和裝焊工具，并答疑。器件和工具領取后，在實驗室完成電路板的焊裝工作。其后，在指定時間到實驗室調試已裝焊好的電路板，并完成相關測試和記錄（可分幾次來調試，總的調試時間為每組8學時）。（詳見附錄2 焊裝指南和附錄3 調試指南）l 第3階段撰寫設計報告具體參見生產(chǎn)實習進度安排表考核方法： 由二部分成績組成：電路調試：60分設計報告：40分設計報告要求：依據(jù)“生產(chǎn)實習報告”（電子文檔）的模板格式撰寫。內(nèi)容應包括：1）主電路設計說明2）控制電路設計說明3）調試過程的詳細記錄及實驗結果討論（說明是否達到設計指標的要求）該部分中應包括對

5、實驗結果（如所觀測和記錄的波形）的分析和解釋等詳細內(nèi)容。4）附錄：生產(chǎn)實習進度安排表、主電路和控制電路原理圖參考資料：1）電力電子技術教材及補充教材（直流脈寬調速）。2）電力電子實驗臺（直流脈寬調速部分）使用說明書（電子文檔）。3）IPM模塊PS21564使用說明書及參考資料（電子文檔）。4）SG3525使用說明書及參考資料（電子文檔）。5）LM2575使用說明書及參考資料（電子文檔）。6）74LS04說明書（電子文檔）。7）主電路原理圖（附錄5）。附錄1：設計指南直流脈寬調速（直流PWM）驅動電源的原理框圖如圖1。在結構上分為兩部分：主回路和控制回路。圖1 直流PWM電路結構示意圖1主電路二

6、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(jù)脈沖占空比的不同，在直流電機上可得到或的直流電壓。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(xiàn)。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。（針對本設計的特點，即小功率直流PWM調速，在實際工程中，一般采用P. MOSFET構成H橋，本設計中為了讓大家了解和掌握IPM的特點和使用方法，所以指定采用PS21564作為主電路）3）在主電路設計中，應根據(jù)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

7、設計整流變壓器、選擇整流橋和濾波電容的依據(jù)。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。主電路作為電能變換的功率平臺已事先做好，因此主電路部分只需要進行理論設計，而不用實際制作。2控制電路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(jīng)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(jīng)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?？刂齐娐分械乃胁糠侄夹枰M行設計、焊裝和調試，因此

8、控制電路是本生產(chǎn)實習中的核心內(nèi)容?？刂齐娐凡糠值脑O計要求如下：1）在設計SG3525外圍電路時，應采用該集成芯片的DIP封裝形式。脈沖的頻率定為5KHz（是根據(jù)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，在本設計中其輸出應并聯(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，如圖2所示。注：指定SG3525的5腳CT端外界振蕩電容為0.02F。圖2 SG3525輸出的接法2）為防止同一橋臂，上下兩管在驅動信號翻轉時出現(xiàn)瞬

9、時直通現(xiàn)象，應設計兩路驅動信號的開通延時電路。即利用RC移相電路后，為每路驅動信號產(chǎn)生5S左右的開通延時。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，應根據(jù)5S的延遲時間來計算，其中R可采用電位器，以便于調試。注：指定移相電路中C的取值為0.01F。3）IPM中集成了功率器件的驅動電路，因此在控制電路中不需要設計驅動電路；而且為了簡化設計，隔離環(huán)節(jié)也取消。IPM模塊控制部分的接口信號中除了H橋中4個器件的驅動信號外，還應提供集成在IPM內(nèi)部的4個器件的驅動電路的供電電源，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的自舉式供電，詳細設計可參考IPM

10、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。4）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(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。另外TTL電路的5V工作電源可直接取自SG3525的內(nèi)部參考電源管腳。附錄2：焊裝指南在設計工作完成，電路圖通過指導教師的審查之后，每設計小組應在進入實驗室調試之前，領取實驗板、器件和焊接工具等，在寢室或其它地點完成焊裝工作。注意

11、：由于實驗室為各組提供的調試時間十分有限，請務必在進入實驗室調試前，完成控制電路板的全部焊裝工作，并對電路連接關系進行充分的檢驗，以保證其后調試工作的效果。調試時應攜帶本組的所有焊裝工具，以便對電路進行必要的修正；調試結束后應立即將工具交還實驗室，以便后面的同學能夠及時領到工具。焊裝控制電路的電路板采用通用板，如圖3所示。圖3 通用電路板板四周有4個固定孔，可裝入銅柱將板子架起，便于裝焊操作。J3 和J6、J7為預裝在電路板上的接插件，用于連接主電路上的電源和信號，各接口的具體引腳定義詳見附錄4主電路原理圖。三個插件的1號引腳均在最左端，如圖3所示。在正式裝焊之前應根據(jù)原理圖進行合理的器件布局

12、和布線規(guī)劃，保證控制電路的制作質量，并兼顧美觀和調試的便利。注：電路板較大，建議按照電路功能分區(qū)安裝器件，以便于調試。需特殊說明的有以下幾點：1）在焊接時集成芯片SG3525和74LS04都是只將管座焊在板子上，到實驗室調試時，向教師領取該芯片，插在管座上進行調試。調試完畢后，將其從管座上拔下，歸還實驗室，供下一組同學使用。2）LM2575T的封裝形式為5腳TO-220形式，在焊接時將14腳的DIP插座焊在電路板上代替該器件，插座的15腳與該器件的15腳一一對應。調試時，將該器件插在管座得15腳上。其它阻容等器件可直接焊在板子上。所有器件之間應根據(jù)原理圖用導線連接起來。對于要測試的管腳可用單獨

13、的導線聯(lián)出來，以便于用示波器測試。注：焊接時器件管腳留長一些，便于拆卸和移動。附錄3：調試指南直流PWM的主電路作為電能變換的功率平臺已事先做好，只需將控制板安放在主電路上方，并將主電路板上J3 和J6、J7與控制板上對應的J3 和J6、J7用排線相連，就可進行調試，主電路和控制電路中所有可接觸部分的電壓均在30V以下，不會出現(xiàn)電擊現(xiàn)象，同學們可放心調試。為了方便調試及保證電路安全，增設調試盒一個。整個系統(tǒng)的連接關系如圖4所示。圖4 調試系統(tǒng)的組成調試盒上面安放2個開關、2個指示燈和1個電流表，其面板如圖5所示。在主電路中的作用如圖6所示。S1用于開關總電源，L1為其上電指示。S2用于接通或斷

14、開H橋的直流電源（可用于電機的啟停控制），L2為其上電指示。電流表M1用于檢測負載電流。主電路中H橋（即IPM模塊）前串入的電阻R1和R2，阻值各為5歐姆，用于限制短路電流，保護IPM。Ra為電機電樞回路的電流取樣電阻（阻值為1歐姆），用于觀測電樞電流的波形。圖5 調試盒的面板圖6 主電路原理示意圖控制板的調試步驟如下：1）先調試控制板上的穩(wěn)壓電路。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插在電路板的對應插座上。在模擬盒上斷開S2開關，閉合S1開關，控制板將通過J3接口獲得直流母線電壓。然后調節(jié)穩(wěn)壓電路中的電位器，直到在穩(wěn)壓電路的輸出部分獲得所需15V

15、直流電壓。2）接下來調試脈寬調制信號發(fā)生電路。首先將SG3525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，給控制板上電。然后調節(jié)相應電位器，獲得頻率為5KHz，占空比可在01之間調節(jié)的脈寬調制信號。3）調試兩路驅動信號的開通延時電路。首先將74LS06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，給控制板上電。然后調節(jié)相應電位器，兩路驅動信號之間有5S的開通延時，或著說存在5S的死區(qū)。4）測試IPM中上橋臂驅動電源的自舉電路。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，閉合S1開關，給控制板上電。測量通過自舉電路提供的上橋臂驅動電源是否正

16、常。5）上述單元電路均調試通過后，在模擬盒上斷開S2開關，閉合S1開關，給控制板上電。將驅動信號的占空比調整到50附近。閉合S2開關，接通H橋的直流電源，測試電機的端電壓，判斷是否與設想的情況復合。若一切正常，則調節(jié)占空比，使電機運轉起來，并能夠調速和反轉。 注意：在整個調試過程中，如系統(tǒng)各部分均正常，電流表上的電流指示值應在0.2A（0.5 A）以內(nèi)，如發(fā)現(xiàn)電流表上的電流指示值超過0.6A，則應立即斷開開關S1, 然后查找過流的原因。調試完成后，對系統(tǒng)進行如下的測試和記錄：1）占空比的有效調節(jié)范圍，對應的電機端電壓的平均值（由于直流母線上串入了限流電阻，所得的端電壓會偏低）。2）電機電樞上電

17、壓和電流的波形（在與電機串連的取樣電阻上獲得）。3）直流母線上電壓和電流的波形，可在主電路板上的測試端子上測取。4）經(jīng)延時后兩路驅動信號的波形。在設計報告中應結合電路原理和設計原則，詳細分析上述數(shù)據(jù)和波形是否合理及其產(chǎn)生的原因。附錄4：學生及教師的一些注意事項本節(jié)內(nèi)容是對指導書及授課中提到的步驟及注意事項的歸納，未盡事宜，要以指導書及指導教師的要求為準。請所有學生嚴格按照生產(chǎn)實習進度安排的步驟進行，每一步都必須按要求完成，并有指導教師簽字確認。生產(chǎn)實習進度表的所有教師簽字欄必須有指導教師簽字，該表需要付在生產(chǎn)實習報告書的附錄中一并提交，缺少該表報告書無效。（每組需要有一份該表給教師簽字，另兩名

18、學生的進度表可復印獲得）。以下為生產(chǎn)實習進度表中的各階段及說明：第一階段專業(yè)集體授課全體學生必須到場，認真聽講，閱讀學習所有相關文檔第二階段設計繪制電路圖授課后自行學習設計主電路、控制電路，用PROTEL繪電路圖，指導教師負責答疑。特別是必須保證控制電路的正確性（一定仔細閱讀附錄1：設計指南），注意保障LM2575T電源電路、SG3525 PWM產(chǎn)生電路、74LS06 信號延時及互補電路、自舉電路，特別是J3、J6、J7的定義是否正確。電路圖檢查提交請指導教師注意：請把好第一關，上欄中提到的幾個注意部分均須嚴格檢查。領取器件 (含答辯1)請指導教師注意：電路檢查正確后，方可領取答辯重點是a學生

19、是否真正掌握電路b學生是否掌握焊裝要領及注意事項常出現(xiàn)錯誤處應予特別注意第三階段完成電路焊接仔細閱讀焊裝指南小白連接器位置、管腳定義、焊接必須正確涉及電源的正負的引腳一定要反復核實，如電解電容兩引腳的正負等合理布局規(guī)劃，建議按照電路功能分區(qū)安裝器件，以便于調試。LM2575T的封裝形式為5腳TO-220形式，將14腳的DIP插座焊在電路板上代替該器件，插座的15腳與該器件的15腳一一對應。對于要測試的管腳可用單獨的導線聯(lián)出來，以便于用示波器測試。（必須作，否則控制信號是否正確無法檢查）焊接時器件管腳留長一些，便于拆卸和移動。領取芯片 （答辯2）請教師注意：請指導教師在學生進入實驗室時候，再次對

20、本班統(tǒng)一授課以強化焊裝、調試步驟及注意事項。確認學生焊裝正確，特別是小白連接器管腳定義正確，電源正負是否正確，需要測試的引腳是否引出，其他請教師根據(jù)情況檢查。答辯重點是學生是否掌握調試步驟及原理領取主平臺請教師注意：領取時可以進行檢測，以示主平臺完好，并登記領取人及主平臺號兩根控制線此時均不發(fā)放第四階段控制電路調試仔細閱讀調試指南直流電源接入前再次確定正負極是否正確嚴格按照調試步驟，芯片安裝一個、調試一個，嚴禁一次全部安裝。測量信號過程中，一定要注意表筆不要隨意亂動，避免因測量不甚造成的短路故障。示波器使用中，若雙蹤同時使用，必須保障兩地線均接到同一點。LM2575T：穩(wěn)壓電路的輸出部分獲得所需15V直流電壓。SG3525：獲得頻率為5KHz，占空比可在01之間調節(jié)的脈寬調制信號。74LS06：獲得兩路驅動信號（信號互補）的開通延時電路（延時即死區(qū)5S） J6(3)即UP與J7(2)VN短路 J6(6)即VP與J7(1)UN短路 J