哈工大電力電子課程設(shè)計(jì)報(bào)告--可逆直流PWM驅(qū)動(dòng)電源

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上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： A 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師：國海峰 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： A 院 （系）： 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 班 號(hào)： 任務(wù)起至日期： 年 月 日 至 年 月 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。

2、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

3、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：B分工：A：負(fù)責(zé)IPM接口電路及穩(wěn)壓電源及自舉電路部分的設(shè)計(jì)；B：負(fù)

4、責(zé)SG3525的設(shè)計(jì)； 焊接工作倆人共同完成。 兩人共同完成主電路部分的參數(shù)設(shè)計(jì)及部分調(diào)試工作。 指導(dǎo)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 日專心-專注-專業(yè)H型雙極性同頻可逆直流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型雙極性同頻可逆PWM控制電路，IPM接口電路及穩(wěn)壓電源。同時(shí)具有軟啟

5、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。表1 控制板器件清單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。二極管整流橋把輸入的交流電變?yōu)橹绷麟?。四只?/p>

6、率器件構(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 整流電路設(shè)計(jì)整流部分采用4個(gè)二極管集

7、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，容值為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)本設(shè)計(jì)利用SG3525的13腳輸出占空比可調(diào)，占空比調(diào)節(jié)范圍不小于0.10.9的脈沖信號(hào)，經(jīng)過移相后，輸出兩組互為倒相，死區(qū)時(shí)間為5S左右的脈沖，分別驅(qū)動(dòng)V1，V4和V2，V3的開通和關(guān)

8、斷。3.1脈沖產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中使用SG3525產(chǎn)生需要的脈沖信號(hào)。5腳接一個(gè)0.02uf的電容，6腳接滑動(dòng)變阻器，兩者組成RC振蕩電路，可以通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的阻值使脈沖的頻率為設(shè)計(jì)要求的5kHz。根據(jù)芯片手冊(cè)公式計(jì)算可得當(dāng)R=15K、C=0.02uF時(shí)，輸出頻率為5kHz，為使調(diào)節(jié)方便選用阻值為20K的滑動(dòng)變阻器。通過改變2腳輸入電壓的大小調(diào)節(jié)輸出脈沖的占空比。為使電機(jī)具有軟啟動(dòng)功能，在8腳需要接電容。根據(jù)芯片手冊(cè)軟啟動(dòng)時(shí)間和電容大小的關(guān)系：60ms/uF。要使電機(jī)軟啟動(dòng)為2s，則所選的電容為33uf。在輸出端，13需要上拉電阻與5V參考電平相連。將11、14腳短接，脈沖由13腳引出。電

9、路圖設(shè)計(jì)如圖3所示： 圖3 脈沖產(chǎn)生電路圖3.2脈沖分配電路的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用的是雙極性PWM驅(qū)動(dòng)。由SG3525產(chǎn)生的脈沖經(jīng)過一個(gè)非門變成0V、5V信號(hào)，當(dāng)信號(hào)為高電平時(shí)對(duì)電容充電，只有當(dāng)電容電壓達(dá)到非門的開啟電壓2V時(shí)，輸出才變?yōu)楦唠娖?，由此達(dá)到了延時(shí)的目的。所需延遲時(shí)間為5us，有三要素公式計(jì)算得，當(dāng)選定電容為0.01uf時(shí)電阻為978.8ohm。為了調(diào)節(jié)方便選擇5K的滑動(dòng)變阻器。經(jīng)過此電路即可產(chǎn)生死區(qū)時(shí)間為5us的雙極性PWM調(diào)制信號(hào)。脈沖分配電路如圖4所示：圖4 脈沖分配電路3.3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)電源采用單電源的自舉式供電，詳細(xì)設(shè)計(jì)可參考

10、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5所示。圖5 自舉電路3.4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SG3525的內(nèi)部參考電源管腳。濾波電路中

11、的二極管建議選用IN5819。電路圖如圖6所示。圖6 15V穩(wěn)壓電源電路通過查閱芯片手冊(cè)知：本設(shè)計(jì)中，,得： 為方便實(shí)際電路的調(diào)試， 使用定值電阻，采用電位器。4. 調(diào)試過程及結(jié)果分析4.1調(diào)制過程：1.調(diào)試控制板上的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)，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.調(diào)試脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生電路：將SG3525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，獲得頻率為5KHz，占空

12、比可在01之間調(diào)節(jié)的脈寬調(diào)制信號(hào)。3.調(diào)試兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的開通延時(shí)電路：給控制板上電。然后調(diào)節(jié)相應(yīng)電位器，觀察兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，可見驅(qū)動(dòng)信號(hào)為：圖7 兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形可見兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間有5us的開通延時(shí)，即死區(qū)時(shí)間為5us。4.測試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。5.測試電機(jī)啟動(dòng)狀態(tài)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，調(diào)節(jié)占空比使電機(jī)啟動(dòng)起來并隨占空比的調(diào)節(jié)能夠正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，同時(shí)電機(jī)控制系統(tǒng)具有軟啟動(dòng)功能。4.2結(jié)果分析4.2

13、.1電機(jī)負(fù)載1. 占空比的有效調(diào)節(jié)范圍調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比使之達(dá)到最大值和最小值，最大占空比約為0.9如圖：圖8 驅(qū)動(dòng)信號(hào)最大占空比最小占空比約為0.1如圖：圖9 驅(qū)動(dòng)信號(hào)最小占空比其中最大占空比對(duì)應(yīng)的輸出電壓平均值約為22.9V，最小占空比對(duì)應(yīng)的輸出電壓平均值約為-23.0V。2. 負(fù)載電壓和電流的波形電機(jī)負(fù)載的電壓和電流波形如圖，可以看出當(dāng)電機(jī)兩端電壓為正時(shí)，流過電樞的電流上升，電感儲(chǔ)能。當(dāng)電機(jī)兩端電壓為負(fù)時(shí)，流過電樞的電流下降，電感能量釋放。圖10 電機(jī)負(fù)載的電壓和電流的波形3. 直流母線上電壓和電流的波形：其電壓波形如圖所示：圖11電機(jī)負(fù)載直流母線上電壓波形4.H橋中各個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)控

14、制信號(hào)的波形：其波形如圖所示，其中V1，V4為一組V2，V3為一組。兩組驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間留有5us的死區(qū)時(shí)間。圖12電機(jī)負(fù)載H橋驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)波形4.2.2 電阻性負(fù)載1. 占空比的有效調(diào)節(jié)范圍：其占空比的有效調(diào)節(jié)范圍與輸出電壓平均值與電機(jī)負(fù)載情況時(shí)基本相同。2. 負(fù)載電壓和電流的波形：電阻性負(fù)載的電壓和電流波形如圖,可見電阻性負(fù)載的電壓與電流波形基本同相。隨開關(guān)器件的開通和關(guān)斷其電壓電流值在正負(fù)之間交替。圖13電阻性負(fù)載的電壓和電流波形3. 直流母線上電壓和電流的波形：電阻性負(fù)載直流母線電壓為：圖14電阻性負(fù)載直流母線電壓4. H橋中各個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的波形：其驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形同電機(jī)負(fù)載驅(qū)動(dòng)信號(hào)

15、波形。V1，V4為一組V2，V3為一組，且兩組之間留有5us的死區(qū)時(shí)間，如圖：圖15 電阻性負(fù)載H橋驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形5. 收獲和體會(huì)本次電力電子課程設(shè)計(jì)讓我從實(shí)踐上鞏固了本學(xué)期所學(xué)的電力電子知識(shí)，在準(zhǔn)備過程和設(shè)計(jì)電路的過程中我對(duì)PWM單極性和雙極性控制有了更深的學(xué)習(xí)和理解。同時(shí)我也還有很多書本之外的收獲，自舉電路的設(shè)計(jì)是我第一次接觸，之前的課程的學(xué)習(xí)中時(shí)我就對(duì)橋臂的上半部分器件的驅(qū)動(dòng)有過疑惑，但是也沒有仔細(xì)的琢磨下去，通過自舉電路的學(xué)習(xí)，我對(duì)開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)及供電有了更好的理解。在課程設(shè)計(jì)中，我學(xué)習(xí)了一些所需的芯片，例如SG3525、LM2575等，對(duì)這些芯片的學(xué)習(xí)提高了我對(duì)英文參考資料的閱讀學(xué)習(xí)能力，了解各管腳的功能，對(duì)芯片使用時(shí)的一些保護(hù)方法有了基本的掌握，例如我在穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)中使用SG2575時(shí)，我一號(hào)管腳的輸入處串聯(lián)了一個(gè)電阻，防止焊接不當(dāng)時(shí)造成通路燒毀芯片，在我調(diào)試正常后，我將該串聯(lián)電阻短路掉，使電路正常工作且減少了損壞的可能。通過這次課程設(shè)計(jì)我對(duì)電路的調(diào)試有了一些初步的了解，通過老師所給的調(diào)試步驟，我逐漸明白了電路的調(diào)試要從最基礎(chǔ)做起，比如這次實(shí)驗(yàn)，一定要先看一下穩(wěn)壓電路的輸出是否為15V，如果最開始的這部分供電電路有問題，那電路肯定不能正常工作。接下調(diào)試SG3525部分，首先我先檢查了一下16號(hào)管腳是否輸出了一個(gè)5V電壓，如果沒有