電力電子課設(shè)報(bào)告

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：電氣工程系 班 級(jí)：0706111 設(shè) 計(jì) 者：王勃 學(xué) 號(hào)：02 指導(dǎo)教師：李久勝 設(shè)計(jì)時(shí)間：2010年11月 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： 王勃 院 （系）：電氣工程 專 業(yè)： 電機(jī)與電器 班 號(hào)： 任務(wù)起至日期： 2010 年 11 月 15 日至 2010 年 12 月 1 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

2、）驅(qū)動(dòng)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(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)(要求采用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

3、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)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：同組設(shè)計(jì)者：遲廣晟分

4、工：王勃：負(fù)責(zé)主電路及IPM接口電路的設(shè)計(jì)；遲廣晟：負(fù)責(zé)SG3525及穩(wěn)壓電源部分的設(shè)計(jì)； 焊接以及調(diào)試工作倆人共同完成。 指導(dǎo)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11 / 15文檔可自由編輯打印H型單極性同頻可逆直流PWM驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)：被控直流永磁電動(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。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。詳細(xì)設(shè)計(jì)要求見附錄2.1. 整體方案設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的H型單極性同頻可逆直流PWM驅(qū)動(dòng)電源由四部分組成：主電路，H型單極模式同頻可逆P

5、WM控制電路，IPM接口電路及穩(wěn)壓電源。同時(shí)具有軟啟動(dòng)功能，軟啟動(dòng)時(shí)間為2s左右?？刂圃砣鐖D1所示：圖1 直流PWM驅(qū)動(dòng)電源的控制原理框圖脈寬調(diào)制電路以SG3525為核心，產(chǎn)生頻率為5KHz的方波控制信號(hào)，占空比可調(diào)。經(jīng)用門電路實(shí)現(xiàn)的脈沖分配電路，轉(zhuǎn)換成兩列對(duì)稱互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)具有5us的死區(qū)時(shí)間，該信號(hào)驅(qū)動(dòng)型功率轉(zhuǎn)換電路中的開關(guān)器件，控制直流永磁電動(dòng)機(jī)。穩(wěn)壓電源采用LM2575-ADJ系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路，通過調(diào)整電位器，使其穩(wěn)定輸出15V直流電源。2. 主電路設(shè)計(jì)2.1 主電路設(shè)計(jì)要求直流PWM驅(qū)動(dòng)電源的主電路圖如圖2所示。此部分電路的設(shè)計(jì)包括整流電路和H橋可逆斬波電路。二極管整流橋

6、把輸入的交流電變?yōu)橹绷麟?。四只功率器件?gòu)成H 橋，根據(jù)脈沖占空比的不同，在直流電機(jī)上可得到不同的直流電壓。主電路部分的設(shè)計(jì)要求如下：1）整流部分采用4 個(gè)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(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。圖2 主電路圖3）在主電路設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)負(fù)載的要求，計(jì)算出整流部分的交流側(cè)輸入電壓和電流，作為設(shè)計(jì)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(jì)算變壓器副邊電壓時(shí)應(yīng)考慮在電流到達(dá)負(fù)載之前，整流橋和逆變橋中功率器件的通態(tài)壓降。2.2 整流

7、電路設(shè)計(jì)整流部分采用4個(gè)二極管集成在一起的整流橋模塊。電動(dòng)機(jī)的額定電壓為20V，通過查閱該型號(hào)IPM的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知開關(guān)器件的通態(tài)導(dǎo)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(shè)計(jì)IPM內(nèi)部集成該部分電路，參數(shù)可參考手冊(cè)。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(shè)計(jì)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(gè)開關(guān)周期之內(nèi)，電動(dòng)機(jī)電樞兩端的調(diào)制脈沖電壓是單一極性的。同頻，是指P

8、WM功率轉(zhuǎn)換電路輸出的調(diào)制脈沖電壓頻率與頻率發(fā)生器給定的基準(zhǔn)頻率相同。如圖3所示，同一側(cè)的、工作在交替的開關(guān)狀態(tài)，另一側(cè)兩個(gè)晶體管中，基極施加截止關(guān)斷電壓，基極施加飽和驅(qū)動(dòng)電壓，當(dāng)電機(jī)反向時(shí)，將兩側(cè)晶體管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)互換即可。圖3 單極性同頻PWM控制3.2 脈沖調(diào)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(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(shí)頻率可通過充放電時(shí)間的不同而改變，通過調(diào)節(jié)6腳的變阻器，將脈沖頻率設(shè)定為5KHz。由于SG3525 輸出的兩路脈沖是互補(bǔ)形式，在本設(shè)計(jì)中其輸出應(yīng)并聯(lián)使用（即11，14

9、管腳短接，從13 管腳通過外部上拉電阻輸出驅(qū)動(dòng)脈沖），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。SG3525的外圍電路設(shè)計(jì)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(cè)可知，當(dāng)輸出頻率設(shè)定為5KHz時(shí)，6腳所接電阻約為15K，實(shí)際電路中采用20K的變阻器，便于調(diào)試。(2) 8腳電容選擇通過查閱芯片手冊(cè)可知，8腳電容值與軟啟動(dòng)時(shí)間的關(guān)系為：60ms/F，設(shè)計(jì)要求軟啟動(dòng)時(shí)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(guī)定電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形如圖5(a)所示，則電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)如

10、圖(b)所示。 圖5(a) 電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)驅(qū)動(dòng)信號(hào) 圖5(b) 電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)利用DIP開關(guān)設(shè)定方向控制信號(hào)，以決定電機(jī)的方向，利用門電路實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的轉(zhuǎn)換。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RC移相后，為每路驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生5us的開通延時(shí)。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(jì)算電阻R的取值，實(shí)際電路中采用變阻器，以便于調(diào)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(shè)計(jì)為了簡化設(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

11、源的自舉式供電，詳細(xì)設(shè)計(jì)可參考IPM 的設(shè)計(jì)手冊(cè)。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，簡化了設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)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(wěn)壓電源設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)一個(gè)DC 15V的控制電源，為SG3525及IPM模塊的驅(qū)動(dòng)電路供電。為了減小損耗，采用LM2575TADJ系列開關(guān)穩(wěn)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(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SG352

12、5的內(nèi)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(wěn)壓電源電路通過查閱芯片手冊(cè)知：本設(shè)計(jì)中，,計(jì)算得：。實(shí)際電路中，采用變阻器代替，便于調(diào)試。4. 調(diào)試過程及結(jié)果分析4.1 調(diào)試過程(1) 調(diào)試15V穩(wěn)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(duì)應(yīng)插座上。模擬盒上斷開S2開關(guān)，閉合S1開關(guān)。調(diào)節(jié)電位器，直至穩(wěn)壓電路輸出為所需的15V為止。(2) 調(diào)試脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生電路接好電路，首先調(diào)節(jié)SG3525的6腳變阻器，使13腳輸出脈沖的頻率為5KHz，之后調(diào)節(jié)2腳變阻器，確定輸出脈沖的占空比可在01之間可調(diào)

13、。(3) 調(diào)試兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的開通延時(shí)電路用示波器同時(shí)觀察兩路輸出脈沖，分別調(diào)節(jié)兩個(gè)RC移相電路中的變阻器，使死區(qū)時(shí)間為5us。同時(shí)，觀察最終的輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，確定其邏輯滿足設(shè)計(jì)要求。圖9死區(qū)時(shí)間(4) 調(diào)試自舉電路接好電路，測(cè)試自舉電壓為14V左右，自舉電路工作正常。(5) 整體調(diào)試將驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)的占空比調(diào)到50%左右，將電機(jī)接入電路，電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)占空比，可調(diào)節(jié)電機(jī)的速度，切換開關(guān)，可改變電機(jī)的運(yùn)行方向。4.2 調(diào)試結(jié)果及分析(1) 電機(jī)負(fù)載1) 調(diào)節(jié)占空比，電機(jī)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)且速度變化；切換開關(guān)，可改變電機(jī)的運(yùn)行方向，滿足設(shè)計(jì)要求。2) 電機(jī)電樞上電壓和電流的波形。（ch1為電流，ch2為

14、電壓）：如圖10所示。由波形可看出，當(dāng)電機(jī)兩端為正電壓時(shí)，流過電樞的電流上升，電感儲(chǔ)能；當(dāng)外接電壓斷開時(shí)，電感釋放能量，電流下降。觀察電壓波形，發(fā)現(xiàn)電樞電壓并不是標(biāo)準(zhǔn)的矩形波，在高電平時(shí)電壓呈下降的趨勢(shì)，這是由于電樞電感的儲(chǔ)能作用，產(chǎn)生的反電動(dòng)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(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的波形，如圖12所示。驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)，且有明顯的死區(qū)時(shí)間，滿足設(shè)計(jì)要求。圖12 V1和V3 、V2和V4波形(2) 電阻負(fù)載1) 調(diào)節(jié)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(yīng)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(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的波形，如圖15所示。且有明顯的死區(qū)時(shí)間，滿足設(shè)計(jì)要求。圖15 V1和V3 、V2和V4波形5. 收獲和體會(huì)通過本次課程設(shè)計(jì)，我們組兩個(gè)人共同完成設(shè)計(jì)直流電動(dòng)機(jī)的脈寬調(diào)制（直流PWM）驅(qū)動(dòng)電源，采用單極性同頻可逆直流PWM控制方式，經(jīng)過我們的設(shè)計(jì)，焊