雙極模式直流PWM電動機(jī)驅(qū)動電源的設(shè)計(jì)

1、天津理工大學(xué)自動化學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目：雙極模式直流PWM電動機(jī)驅(qū)動電源的設(shè)計(jì)學(xué)生姓名許彪學(xué)號20120775年級2012班級電氣2甜指導(dǎo)教師.陳鵬專業(yè)電氣丁程及其自動化一1 .課程設(shè)計(jì)文本資料包含設(shè)計(jì)報(bào)告、任務(wù)書、指導(dǎo)書三部分，此中任務(wù)書、指導(dǎo)書由教師達(dá)成。按設(shè)計(jì)報(bào)告、任務(wù)書、指導(dǎo)書次序裝訂成冊。2 .學(xué)生依據(jù)指導(dǎo)教師下達(dá)的任務(wù)書、指導(dǎo)書達(dá)成課程設(shè)計(jì)工作。3 .設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容建議主要包含：設(shè)計(jì)概括、設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)方案剖析、軟硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)、調(diào)試剖析、總結(jié)以及參照資料等內(nèi)容。4 .設(shè)計(jì)報(bào)告字?jǐn)?shù)應(yīng)在3000-4000字，圖紙?jiān)O(shè)計(jì)應(yīng)采納電子畫圖。文字規(guī)范，正文采納宋體、小四號，1.25倍行距。5 .課

2、程設(shè)計(jì)成績由平常表現(xiàn)（30%）、設(shè)計(jì)報(bào)告（40%）和辯論成績（30%）構(gòu)成。課程設(shè)計(jì)考語及成績匯總表成績平常成績報(bào)成功績辯論成績總評成績課程設(shè)計(jì)考語設(shè)計(jì)概括1主電路設(shè)計(jì)說明1.0主電路設(shè)計(jì)說明二極管整流橋把輸入的溝通電變?yōu)橹绷麟?。四只功率器件?gòu)成H橋，依據(jù)脈沖占空比的不一樣，在直流電機(jī)上可獲取正或負(fù)的直流電壓。主電路作為電能變換的功率平臺已預(yù)先已經(jīng)由學(xué)校做好做好，所以主電路部分只要要進(jìn)行理論設(shè)計(jì)，而不用實(shí)質(zhì)制作。主電路設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。該電路由兩部分構(gòu)成：單相不控橋式整流電路和全橋全控可逆斬波電路。溝通市電220V經(jīng)變壓器降壓后經(jīng)過四只二極管構(gòu)成的整流橋整流為直流電，經(jīng)電容濾波后可作為直流

3、電壓源，作為主電路的工作電源及控制電路的穩(wěn)壓電源輸入電壓。閉合開關(guān)S1、S2,四只功率器件（如IGBT）構(gòu)成的H橋斬波電路在PWM脈沖驅(qū)動信號控制下，依據(jù)占空比的不一樣，在電機(jī)兩頭產(chǎn)生或正或負(fù)、電壓值不等的驅(qū)動電壓，進(jìn)而控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及調(diào)速。圖1直流PWM驅(qū)動電源的主電路設(shè)計(jì)原理圖雙極式H型可逆PWM變換器的電路原理圖中四個(gè)功率場效應(yīng)管的基極驅(qū)動電壓分為兩組。VT1和VT4同時(shí)與通和關(guān)斷，其驅(qū)動電壓Ub1=Ub4;VT2和VT3同時(shí)動作，其驅(qū)動電壓Ub2=Ub3=Ub1。它們的波形見圖2Ubl4Ub4vTTVT4mz7B3VD3¥T4T圖2雙極式PWM變換器電壓和電流波形在一個(gè)開關(guān)

4、周期內(nèi)，當(dāng)0Wt<ton時(shí)，Ub1和Ub4為正，功率場效應(yīng)管VT1和VT4與通；而Ub2和Ub3為負(fù),VT2和VT3截止。這時(shí)，+Us加在電樞AB兩頭,UAB=Us,電樞電流id沿回路1流通。ton<t<T時(shí)，Ub1和Ub4變負(fù)，VT1和VT4截止；Ub2、Ub3變正，但VT2、VT3其實(shí)不可以立刻與通，因?yàn)樵陔姌须姼嗅尫艃δ艿淖饔孟?，id沿回路2經(jīng)VD2、VD3續(xù)流，在VD2、VD3上的壓降使VT2和VT3ce極蒙受著反壓，這時(shí)，UAB=Ub。UAB在一個(gè)周期內(nèi)正負(fù)相問，這是雙極式PWM變換器的特點(diǎn)，其電壓、電流波形示于圖3。因?yàn)殡妷篣AB的正、負(fù)變化，使電流波形存在兩種狀

5、況，如圖3中的id1和id2oid1相當(dāng)于電動機(jī)負(fù)載較重的狀況，這時(shí)均勻負(fù)載電流大，在續(xù)流階段電流仍保持正方向，電機(jī)一直工作在第一個(gè)象限的電動狀態(tài)。id2相當(dāng)于負(fù)載很輕的狀況，均勻電流小，在續(xù)流階段電流很快衰減到零，于是VT2和VT3兩頭失掉反壓，在負(fù)的電源電壓（一Us）和電樞反電動勢的合成作用下導(dǎo)通，電樞電流反向，沿回路3流通，電機(jī)處于制動狀態(tài)。與此相仿，在0wt<ton時(shí)期，當(dāng)負(fù)載輕時(shí)，電流也有一次倒向。這樣看來，雙極式可逆PWM變換器的電流波形和不行逆但有制動電流通路的PWM變換器也差不多，如何才能反應(yīng)出“可逆”的作用呢？這要視正、負(fù)脈沖電壓的寬窄而定。當(dāng)正脈沖較寬時(shí)，ton>

6、;T/2,則電樞兩頭的均勻電壓為正，在電動運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電動機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)正脈沖較窄時(shí)，ton<T/2,均勻電壓為負(fù)，電動機(jī)反轉(zhuǎn)。假如正、負(fù)脈沖寬度相等，ton=T/2,均勻電壓為零，則電動機(jī)停止。圖3所示的電壓、電流波形都是在電動機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的狀況。雙極式可逆PWM變換器電樞均勻端電壓用公式表示為:Ud-tonUs-T10nUs-（2ton_1）UsTTT以p=Ud/Us來定義PWM電壓的占空比，則P與ton的關(guān)系為：僧=2ton1T調(diào)速時(shí)，p的變化范圍變?yōu)橐籭WpWl。當(dāng)p為正當(dāng)時(shí)，電動機(jī)正轉(zhuǎn)；p為負(fù)值時(shí)，電動機(jī)反轉(zhuǎn)；p=0時(shí)，電動機(jī)停止。在p=0時(shí)，固然電機(jī)不動，電樞兩頭的剎時(shí)電壓和剎時(shí)電流卻都不

7、是零，而是交變的。這個(gè)交變電流平無值為零，不產(chǎn)生增均轉(zhuǎn)矩，陡然增大電機(jī)的消耗。但它的利處是使電機(jī)帶有高頻的微振，起著所謂“動力潤滑”的作用，除去正、反向時(shí)的靜摩擦死區(qū)。雙極式PWM變換器的長處以下：（1）電流必定連續(xù)；（2）可使電動機(jī)在四象限運(yùn)轉(zhuǎn)；（3）電機(jī)停止時(shí)有微振電流，能除去靜摩擦死區(qū)；（4）低速時(shí)，每個(gè)功率場效應(yīng)管的驅(qū)動脈沖仍較寬，有益于保證功率場效應(yīng)管靠譜導(dǎo)通；（5）低速安穩(wěn)性好，調(diào)速范圍可達(dá)20000左右。雙極式PWM變換器的弊端是：在工作過程中，四個(gè)功率場效應(yīng)管都處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)消耗大，并且簡單發(fā)生上、下兩管直通（即同時(shí)導(dǎo)通）的事故，降低了裝置的靠譜性。為了防備上、下兩管直通，

8、在一管關(guān)斷和另一管導(dǎo)通的驅(qū)動脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)，本設(shè)計(jì)邏輯延不時(shí)間為5us。整流電路設(shè)計(jì)電動機(jī)的額定電壓為20V,額定電流為1A,查閱ps21564-p的數(shù)據(jù)手冊可知當(dāng)驅(qū)動電路電源為15V,PWM波幅值為5V時(shí)，開關(guān)器件的通態(tài)與通壓降約為1.6V,所以有：同時(shí)由全橋整流電路（由二極管構(gòu)成，觸發(fā)角a=0）,有電容濾波且濾波電容選擇合合時(shí)，輸出電壓均勻值近似取值為變壓器負(fù)邊電壓均勻值的1.2倍，即可知由變壓器能量傳達(dá)可知代入數(shù)據(jù)得220VIi20VI224V1AIl,I2綜合考慮在電流抵達(dá)負(fù)載以前，整流橋和逆變橋中功率器件的通態(tài)壓降，設(shè)計(jì)整流變壓器、選擇整流橋時(shí)以此參數(shù)進(jìn)行考慮即可。由電動機(jī)

9、參數(shù)可知，圖5中的整流電路的負(fù)載rl=20門。為了使整1A流電路獲取較為光滑的輸出，一般狀況下，取放電時(shí)間常數(shù)為：-RlC(3-5)2、T電流頻次50Hz時(shí)周期T=20ms,代入得d-20'C-(35)20msC可500uF：第60uF所以濾波電容能夠選擇容值2000UF、耐壓40V左右的電解電容。1.2H橋可逆斬波電路設(shè)計(jì)可逆斬波電路中的H橋不采納分立元件，而是采納IPM（智能功率模塊）PS21564來實(shí)現(xiàn)。由圖4能夠看出，該模塊含有六只三對IGBT,主電路為三相逆變橋，在本設(shè)計(jì)中只采納此中U、V兩相即可驅(qū)動直流電機(jī)。DIP-Pt'i'35mUpH7h.-MM.季SL

10、VfCJG0T5圖4IPM模塊內(nèi)部構(gòu)造圖2 控制電路設(shè)計(jì)說明控制電路設(shè)計(jì)SG3525的13腳輸出占空比可調(diào)（經(jīng)過改變2腳電壓）的脈沖波形（占空比調(diào)理范圍不小于0.10.9）,同時(shí)頻次可經(jīng)過充放電時(shí)間的不一樣而改變。經(jīng)過RC移相后，輸出兩組互為倒相，死區(qū)時(shí)間為5uS左右的脈沖，經(jīng)過光耦隔絕后，分別驅(qū)動四只功率器件，此中V1、V4驅(qū)動信號同樣，V2、V3驅(qū)動信號同樣。脈寬調(diào)制電路設(shè)計(jì)采納以SG3525為中心的脈寬調(diào)制電路，此中集成芯片SG3525選擇DIP封裝形式。脈沖的頻次定為5KHz（是依據(jù)IPM中IGBT的開關(guān)速度而確立的），設(shè)定頻次的電阻可采納電位器，以便于調(diào)試。依據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊和使用明能

11、夠知道，輸出頻次由下式?jīng)Q定（5、7腳短接，放電電阻Rd=0）:（注：指定SG3525的5腳CT端外接振蕩電容為0.1UF）。因?yàn)镾G3525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管腳短接，從13管腳經(jīng)過外面上拉電阻輸出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(dá)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(shí)現(xiàn)軟啟動功能。軟起動時(shí)間可按下式來計(jì)算：由兩秒的軟起動時(shí)間能夠確立軟起動電容器取33uF.圖5脈寬調(diào)制電路原理設(shè)計(jì)圖脈寬分派電路設(shè)計(jì)本次課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)采納H型雙極模式可逆直流PWM控制方式，開關(guān)管的控制方式如圖6所示。在

12、該模式下，2個(gè)橋臂協(xié)調(diào)控制，即V1、V4組和V2、V3組互補(bǔ)與通。經(jīng)過調(diào)理電位器來調(diào)理占空比，即可調(diào)速也可改變電機(jī)方向圖6雙極性控制方式表示圖由前述脈寬調(diào)制電路能夠產(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(bǔ)的PWM信號。脈寬分派電路原理如圖7所示。同時(shí)，為防備同一橋臂上下兩管在驅(qū)動信號翻轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)剎時(shí)直通現(xiàn)象，應(yīng)設(shè)計(jì)兩路驅(qū)動信號的開通延時(shí)電路。即利用RC移相電路后，為每路驅(qū)動信號產(chǎn)生5us左右的開通延時(shí)。這部分電路中的門電路采納6反向器74LS04;移相環(huán)節(jié)中的R和C的取值，應(yīng)依據(jù)5(注：指定移相電us的延緩時(shí)間來計(jì)算，此中R可采納電位器，以便于調(diào)試路中C的取值為0.0

13、1小，二極管建議采納IN4148o)詳細(xì)而言，由SG3525產(chǎn)生的負(fù)脈沖經(jīng)過一個(gè)非門變?yōu)榉禐?V正脈沖信號,當(dāng)信號為高電平常對電容充電，而只有當(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。所需延緩時(shí)間為5uso圖7脈沖分派電路原理設(shè)計(jì)圖3 IPM接口電路設(shè)計(jì)說明3.0IPM接口電路設(shè)計(jì)DIP-IPM是面向AC100200V級小容量馬達(dá)變頻驅(qū)動，采納傳達(dá)型封裝構(gòu)造將功率電路和驅(qū)動保護(hù)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，所以在控制電路中不需要設(shè)計(jì)驅(qū)動電路；并且為了簡化設(shè)計(jì)，隔絕環(huán)節(jié)也撤消。IPM模塊控制部分的接口信號中除了H橋中4個(gè)器

14、件的驅(qū)動信號外，還應(yīng)供給集成在IPM內(nèi)部的4個(gè)器件的驅(qū)動電路的供電電源，為了簡化設(shè)計(jì)，上橋臂兩個(gè)器件，即V1和V3的驅(qū)動電源采納單電源的自舉式供電。這樣整個(gè)模塊的控制部分只采納1個(gè)15V電源供電即可，而不用采納3路獨(dú)立的電源，簡化了設(shè)計(jì)。（注：自舉電路中的二極管建議采納IN5819o）IPM接口電路原理設(shè)計(jì)如圖8所示。圖8IPM接口電路原理設(shè)計(jì)圖4DC15V控制電源設(shè)計(jì)說明4.0LM2575系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)一個(gè)DC15V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。為了減小消耗，采納LM2575T-ADJ系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路，將主電路的直流母線

15、電壓作為輸入，經(jīng)過電位器的調(diào)理，經(jīng)穩(wěn)壓后獲取15V的直流電源。LM2575T的封裝形式為5腳TO-220形式。止匕外TTL電路的5V工作電源可直接取自SG3525的內(nèi)部參照電源管腳。（注：濾波電路中的二極管建議采納IN5819。LM2575T-ADJ圖9DC15V控制電源電路原理設(shè)計(jì)圖經(jīng)過芯片的使用說明書得：系統(tǒng)原理圖以下IuoI,%.nqr>-iiiiCinDcjc"：«4=0D304B41nL徹.Ilj*iQun8PO'ioU-J.J«t=iT圖10A收獲和領(lǐng)會固然此次課程設(shè)計(jì)只有短短的幾日，卻讓我們收獲了很多講堂上學(xué)不到的東西。一方面，我們學(xué)會

16、了如何將從書籍上學(xué)到的知識應(yīng)用到工程實(shí)踐中，如H橋雙極性PWM控制方式的實(shí)現(xiàn)，這使我們在對理論知識有了更深刻認(rèn)識的同時(shí)，也懂得了如何將電力電子技術(shù)與電機(jī)控制技術(shù)聯(lián)合在一同；另一方面，關(guān)于軟件和硬件的操作也更為嫻熟和駕輕就熟，如用軟件繪制電路原理圖、并調(diào)試硬件電路。別的，因?yàn)檎n程設(shè)計(jì)的過程波及了SG3525、LM2575和IMP等芯片的使用方法，我們的自己著手查找資料解決問題的能力也獲取了提高。課程設(shè)計(jì)任務(wù)書、指導(dǎo)書課程設(shè)計(jì)題目：雙極模式直流I.課程設(shè)計(jì)任務(wù)書PWM電動機(jī)驅(qū)動電源的設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容和要求(包含原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作量)1 .課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容直流PWM驅(qū)動電源的主電路圖如圖1a所

17、示，圖1b為控制原理框圖，它包含整流電路和H橋可逆斬波電路的設(shè)計(jì)。二極管整流橋把輸入中通電變?yōu)橹绷麟姡?,獲取不一樣的E變器則依據(jù)IGBT慳動信號占空比的不一,并將其加在電動機(jī)上。A主電路圖(1)整流部分采納四個(gè)二極管構(gòu)成整流橋模塊；(2)逆變器部分采納IGBT或三極管構(gòu)成。該電路主要為單相逆變橋；(3)依據(jù)負(fù)載要求，計(jì)算出溝通側(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照。因?yàn)樵撾娐氛鬏敵鲭妷狠^低，所以在計(jì)算變壓器副邊電壓時(shí)應(yīng)試慮在電流抵達(dá)負(fù)載以前，整流橋和逆變橋中功率器件的通態(tài)壓降。2 .課程設(shè)計(jì)的要求課程設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)直流電動機(jī)的脈寬調(diào)速（直流PWM）驅(qū)動電

18、源。DC-DC變換器采納H橋形式，控制方式為雙極性。被控直流永磁電動機(jī)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(jī)能夠可逆運(yùn)轉(zhuǎn)。驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)擁有軟啟動功能，軟啟動時(shí)間約為2s。1）主電路的設(shè)計(jì)，器件的選型。包含含整流變壓器在內(nèi)的整流電路設(shè)計(jì)和H橋可逆斬波電路的設(shè)計(jì)。2）PWM控制電路的設(shè)計(jì)。3）驅(qū)動接口電路設(shè)計(jì)。4）DC15V控制電源的設(shè)計(jì)。二、課程設(shè)計(jì)參照資料1王兆安.電力電子技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)第一版社,20072王芳主.電子線路Protel99SE適用教程.長沙：中南大學(xué)第一版社,20053龍志文.電力電子技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)第一版社,20054陳堅(jiān)編.電力電子學(xué).北京：高等教育第一版社,20015趙炳良.現(xiàn)代電力電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：清華大學(xué)第一版社，1995n.課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書一、課程設(shè)計(jì)重點(diǎn)、設(shè)計(jì)步驟用PROTEL繪制的主電路和控制電路的原理圖。電路設(shè)計(jì)過程的詳盡說明書及焊裝。調(diào)試經(jīng)過的控制電路板。二、主要技術(shù)重點(diǎn)的剖析、解決思路設(shè)計(jì)主