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文檔簡介

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(qū)動電源的設計院 系:電氣工程系 班 級:1006111,1006151,1006112 設 計 者:甘磊,李棟,任留陽 學 號:1100610114,1100610125,1102800123 指導教師:國海峰,呂瑞峰,趙克 設計時間:2012年06月 哈爾濱工業(yè)大學教務處哈爾濱工業(yè)大學課程設計任務書 姓 名: 院 (系):電氣工程 專 業(yè): 班 號: 任務起至日期: 2012 年 06 月 25 日至 2011 年 07 月 10 日 課程設計題目: 可逆直流P

2、WM驅(qū)動電源的設計 已知技術參數(shù)和設計要求: 課程設計的主要任務是設計一個直流電動機的脈寬調(diào)速(直流PWM)驅(qū)動電源。DC-DC變換器采用H橋形式,控制方式為雙極性(或單極性,根據(jù)具體題目而定)。被控直流永磁電動機參數(shù):額定電壓20V,額定電流1A,額定轉(zhuǎn)速2000rpm。驅(qū)動系統(tǒng)的調(diào)速范圍:大于1:100,電機能夠可逆運行。驅(qū)動系統(tǒng)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(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控制電路的設計(指以SG3525為核心的脈寬調(diào)制電

3、路和用門電路實現(xiàn)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(qū)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)。2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說明書及焊裝和調(diào)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(nèi)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(fā)放器件和裝焊工具。完

4、成焊裝工作。l 第2周每人12學時到實驗室調(diào)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。 同組設計者及分工: 指導教師簽字 2012 年 07 月 10 日 教研室主任意見: 教研室主任簽字_ 年 月 日*注:此任務書由課程設計指導教師填寫哈爾濱工業(yè)大學課程設計說明書(論文)1 主電路設計說明1.0 主電路設計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(jù)脈沖占空比的不同,在直流電機上可得到正或負的直流電壓。主電路作為電能變換的功率平臺已事先已經(jīng)由學校做好做好,因此主電路部分只需要進行理論設計,而不用實際制作。1.1 整流電路設計整流電路采用二極管整流電路,如圖1

5、所示。它將輸入的24V交流電變?yōu)橹绷麟?。其中?4V交流電由220V市電經(jīng)過工頻變壓器變換而來,保證了主電路各處的電壓均在人體安全電壓范圍內(nèi)。濾波電路則采用電容器濾波,能得到相對平滑的直流電。根據(jù)電容濾波的單相不可控整流電路相關理論知識可以計算出整流輸出電壓:Ud=0.92U2=21.634.0V實際數(shù)值要視負載大小以及電容參數(shù)而定。整流電路采用4個二極管集成在一起的整流橋模塊。二極管承受反向最大電壓Udm=2U2=34V,考慮3倍裕量,則有反向重復峰值電壓為:URRM=3Udm=102V濾波電容的選取一般根據(jù)放電的時間常數(shù)計算,負載越大,要求紋波系數(shù)越小,一般不做嚴格計算。因該系統(tǒng)負載不大,

6、故取470uF/100V即可。關于24V交流電的由來,可以由IGBT通態(tài)壓降、直流電機的額定電壓確定,即U2= Ud1.2=20+2×21.2=20V考慮到實驗測試用防直通限流電阻壓降和整流二極管通態(tài)壓降,取U2=24V電機的額定電流為1A,因此變壓器副端電流約為I2=UdInU2=24×1.2×124=1.2A式中取Ud=1.2U2變壓器副端電流約為I1=U2I2U1=24×1.2220=0.13A由此作為設計變壓器的依據(jù)。圖1 主電路原理設計圖1.2 H橋可逆斬波電路設計可逆斬波電路中的H橋不采用分立元件,而是選用IPM(智能功率模塊)PS21564

7、來實現(xiàn)。由圖2可以看出,該模塊含有六只三對IGBT,主電路為三相逆變橋,在本設計中只采用其中U、V兩相即可驅(qū)動直流電機。圖2 IPM模塊內(nèi)部結(jié)構圖2 控制電路設計說明2.0 控制電路設計SG3525的13腳輸出占空比可調(diào)(通過改變2腳電壓)的脈沖波形(占空比調(diào)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(qū)動四只功率器件,其中V1、V4驅(qū)動信號相同,V2、V3驅(qū)動信號相同。2.1 脈寬調(diào)制電路設計采用以SG3525為核心的脈寬調(diào)制電路,其中集成芯片SG3525選擇DIP封裝形式。脈沖的頻率定為5

8、KHz(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(diào)試。根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊和使用明可以知道,輸出頻率由下式?jīng)Q定(5、7腳短接,放電電阻Rd = 0):fs=1CT(0.7RT+3Rd)=10.7RT×CT(注:指定SG3525的5腳CT端外接振蕩電容為0.1F)。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(qū)動脈沖,利用后續(xù)門電路反相后再驅(qū)動V2、V3),以達到01.0的占空比調(diào)整范圍,如圖3所示。SG3525的8管腳接電容,以實現(xiàn)軟啟動功能。軟起動時間可按下式來

9、計算:Tsoft=0.06C1uFs由兩秒的軟起動時間可以確定軟起動電容器取33uF.圖3 脈寬調(diào)制電路原理設計圖2.2 脈寬分配電路設計本次課程設計設計采用H型雙極模式可逆直流PWM控制方式,開關管的控制方式如圖4所示。在該模式下,2個橋臂協(xié)調(diào)控制,即V1、V4組和V2、V3組互補導通。通過調(diào)節(jié)電位器來調(diào)節(jié)占空比,即可調(diào)速也可改變電機方向。圖4 雙極性控制方式示意圖由前述脈寬調(diào)制電路可以產(chǎn)生一路PWM信號,為驅(qū)動H橋逆變器,需要將此PWM信號分為兩路互補的PWM信號。脈寬分配電路原理如圖5所示。同時,為防止同一橋臂上下兩管在驅(qū)動信號翻轉(zhuǎn)時出現(xiàn)瞬時直通現(xiàn)象,應設計兩路驅(qū)動信號的開通延時電路。即

10、利用RC移相電路后,為每路驅(qū)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(diào)試。(注:指定移相電路中C的取值為0.01F,二極管建議選用IN4148。)具體而言,由SG3525產(chǎn)生的負脈沖經(jīng)過一個非門變成幅值為5V正脈沖信號,當信號為高電平時對電容充電,而只有當電容電壓達到非門的開啟電壓2V時,輸出才變?yōu)楦唠娖?,由此達到了延時的目的。所需延遲時間為5us,由三要素公式計算得Uct=5(1-e-tRC)由此解得RC=9.8us取C=0.01uF, R=980,取R=1K圖5 脈沖分配電路

11、原理設計圖3 IPM接口電路設計說明3.0 IPM接口電路設計DIP-IPM 是面向AC100200V 級小容量馬達變頻驅(qū)動,采用傳遞型封裝結(jié)構將功率電路和驅(qū)動保護電路集成于一體的小型智能功率模塊。IPM中集成了功率器件的驅(qū)動電路,因此在控制電路中不需要設計驅(qū)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(qū)動信號外,還應提供集成在IPM內(nèi)部的4個器件的驅(qū)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(qū)動電源采用單電源的自舉式供電。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。(注:自舉電路

12、中的二極管建議選用IN5819。)IPM接口電路原理設計如圖6所示。圖6 IPM接口電路原理設計圖4 DC15V控制電源設計說明4.0 LM2575系列開關穩(wěn)壓集成電路設計需要設計一個DC 15V的控制電源,為SG3525及IPM模塊的驅(qū)動電路供電。穩(wěn)壓源電路原理如圖7所示。為了減小損耗,采用LM2575T-ADJ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(diào)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。(注:濾波電路中的二極管建議選用IN5819。)圖7 DC15V

13、控制電源電路原理設計圖通過芯片的使用說明書得:V0=Vref(1+RHRL)本設計中, V0=15V, Vref=1.23V,得:RHRL=11.2實際電路RH RL使用電位器方便調(diào)試。5 調(diào)試過程及結(jié)果分析5.0 調(diào)試平臺直流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,同時將主電路板上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(diào)試。測試用主電路原理如圖8所示。圖8 測試平臺主電路原理示意圖5.1 調(diào)試步驟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。在模擬盒上斷開S2開關

14、,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(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。2)接下來調(diào)試脈寬調(diào)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(diào)節(jié)相應電位器,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。3)調(diào)試兩路驅(qū)動信號的開通延時電路。在模擬盒上斷開S2開關,閉合S1開關,給控制板上電。然后調(diào)節(jié)相應電位器,使兩路驅(qū)動信號之間有5S的開通延時,或者說存在5S的死區(qū)。4)測試IPM中上橋臂驅(qū)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,

15、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(qū)動電源是否正常。5)上述單元電路均調(diào)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(qū)動信號的占空比調(diào)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,判斷是否與設計的情況復合。若一切正常,則調(diào)節(jié)占空比,使電機運轉(zhuǎn)起來,并能夠調(diào)速和反轉(zhuǎn),且具有軟啟動性能。 5.2 測試結(jié)果分別在純電阻負載(圖11中接端子3和5)和電機負載(圖11中接端子4和1)下對系統(tǒng)進行如下的測試。測試用負載電路原理如圖9所示。圖9 電試用負載電路原理如圖1)占空比的有效調(diào)節(jié)范圍,及所對應的輸出電壓平均值的變化范圍。實驗測得占空比的有

16、效調(diào)節(jié)范圍為2%到95%,對應負載電壓為:電機負載從-16.5V到16.5V,電阻負載從-27V到27V.2)負載電壓和電流的波形,電流波形在與電機串連的取樣電阻上獲得。圖10 電機負載電壓電流波形(占空比約50%)可以看出電壓和電流平均值均為零,電機不轉(zhuǎn)圖11 電機負載電壓電流波形(占空比約10%)可以看出電壓和電流平均值均為負,電機反轉(zhuǎn)圖12 電機負載電壓電流波形(占空比約80%)可以看出電壓和電流平均值均為正,電機正轉(zhuǎn)圖13 電阻負載電壓(電流)波形(占空比約40%)由于是電阻負載,電壓和電流波形相同,一組開關管導通則為正,另一組導通則為負,處于死區(qū)都不導通則為零。且狀態(tài)變化幾乎沒有過渡

17、過程,上升下降時間極短。3)H橋中各個IGBT驅(qū)動控制信號的波形,要求在同時觀察和記錄各驅(qū)動控制信號的波形。圖14 兩組互補的IGBT驅(qū)動信號(死區(qū)約5us)兩路PWM信號互補,且不能同時為正(即有死區(qū)),避免了直通5.3 問題思考問題1:雙極性PWM控制時如何生成基極驅(qū)動控制信號?答:采用以SG3525為核心的脈寬調(diào)制電路,可以產(chǎn)生頻率及占空比可調(diào)的PWM脈沖,經(jīng)過脈沖分配延時電路后成為帶有死區(qū)的兩路互補的PWM信號,再經(jīng)由由自舉電路升驅(qū)動四個兩組IGBT基極。具體驅(qū)動控制方式見圖4所示。問題2:單極性(同頻)PWM控制時電動機如何反轉(zhuǎn)?答:雖然我們做的是雙極性控制,但對單極性控制也相當了解

18、。通過撥碼開關即可實現(xiàn)電機反轉(zhuǎn)。因為包括開關在內(nèi)的邏輯電路決定了4個IGBT中那一組橋臂在轉(zhuǎn)向不變時常開/閉、哪一組是交替導通以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。兩組控制信號對調(diào)時即實現(xiàn)反轉(zhuǎn),而撥碼開關在此邏輯電路中起的作用就是這樣。問題3:脈沖分配電路如何設計?延時導通電路的作用?為什么采用開關型集成穩(wěn)壓電路?答:具體見圖5所示。因為驅(qū)動信號需要兩路互補的PWM波,因此利用反相器獲得反相的PWM波。延時導通電路的作用是為上述兩路互補的PWM波添加死區(qū)以防止橋臂直通。采用開關型集成穩(wěn)壓電路可以產(chǎn)生高質(zhì)量的穩(wěn)定直流電,為后續(xù)PWM產(chǎn)生與控制芯片SG3525提供可靠15V電源線,同時減少損耗。問題4:LM2575-ADJ

19、如何調(diào)節(jié)輸出電壓?輸出濾波器件參數(shù)的選?。看穑喝鐖D6所示,通過調(diào)節(jié)外圍電位器比值即可實現(xiàn)輸出穩(wěn)定直流電壓大小的調(diào)節(jié)。輸出濾波器件參數(shù)的選取可參照數(shù)據(jù)手冊和典型電路,以輸出電壓大小為依據(jù)選擇。6 收獲和體會雖然這次課程設計只有短短的四天,卻讓我們收獲了許多課堂上學不到的東西。一方面,我們學會了如何將從書本上學到的知識應用到工程實踐中,如H橋雙極性PWM控制方式的實現(xiàn),這使我們在對理論知識有了更深刻認識的同時,也懂得了如何將電力電子技術與電機控制技術結(jié)合在一起;另一方面,對于軟件和硬件的操作也更加熟練和得心應手,如用軟件繪制電路原理圖、焊接并調(diào)試硬件電路。此外,由于課程設計的過程涉及了SG3525

20、、LM2575和IMP等芯片的使用方法,我們的自己動手查找資料解決問題的能力也得到了提升。而且,本次課設還為大家提供了一個結(jié)識新同學的機會,鍛煉了溝通能力以及作為一個團隊分工合作共同完成任務的能力。本次課設的主要流程分為以下幾個部分。首先是電路原理圖的設計。根據(jù)課題的要求以及給定的芯片,我們需要對電路的直流15V穩(wěn)壓電源部分(使用LM2575-ADJ)進行設計、對PWM產(chǎn)生及控制電路(使用SG3525)進行設計、對脈沖分配及死區(qū)設置電路進行設計、對驅(qū)動開關管的自舉電路進行設計,最后還要設計主電路中IPM芯片的接口電路。雖然不用實際做主電路,但是為了實現(xiàn)整體的功能以及設計控制電路的需要,也必須理解主電路的電路結(jié)構以及IPM芯片的使用方法。為此,我們的第一步工作就是先構設出整體框架,然后結(jié)合老師提供的豐富的資料進行理論學習,所謂磨刀不誤砍柴工,最后根據(jù)數(shù)據(jù)手冊和使用說明等資料設計以上各功能部分的電路圖,同時計算所用元器件的參數(shù),兼顧考

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