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文檔簡介
天津理工大學自動化學院課程設(shè)計報告題目:雙極模式直流PWM電動機驅(qū)動電源的設(shè)計學生姓名許彪學號年級2012班級電氣2班指導教師陳鵬專業(yè)電氣工程及其自動化課程設(shè)計文本資料包含設(shè)計報告、任務(wù)書、指導書三部分,此中任務(wù)書、指導書由教師達成。按設(shè)計報告、任務(wù)書、指導書次序裝訂成冊。學生依據(jù)指導教師下達的任務(wù)書、指導書達成課程設(shè)計工作。設(shè)計報告內(nèi)容建議主要包含:設(shè)計概括、設(shè)計原理、設(shè)計方案剖析、軟硬件詳細設(shè)計、調(diào)試剖析、總結(jié)以及參照資料等內(nèi)容。設(shè)計報告字數(shù)應(yīng)在3000-4000字,圖紙設(shè)計應(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。課程設(shè)計成績由平常表現(xiàn)(30%)、設(shè)計報告(40%)和辯論成績(30%)構(gòu)成。課程設(shè)計考語及成績匯總表成績平常成績報成功績辯論成績總評成績課程設(shè)計考語設(shè)計概括1主電路設(shè)計說明1.0主電路設(shè)計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,在直流電機上可獲取正或負的直流電壓。主電路作為電能變換的功率平臺已預先已經(jīng)由學校做好做好,所以主電路部分只要要進行理論設(shè)計,而不用實質(zhì)制作。主電路設(shè)計原理圖如圖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,在電機兩頭產(chǎn)生或正或負、電壓值不等的驅(qū)動電壓,進而控制電機的正反轉(zhuǎn)及調(diào)速。*「】圖1直流PWM驅(qū)動電源的主電路設(shè)計原理圖雙極式H型可逆PWM變換器的電路原理圖中四個功率場效應(yīng)管的基極驅(qū)動電壓分為兩組。VT1和VT4同時導通和關(guān)斷,其驅(qū)動電壓Ub1=Ub4;VT2和VT3同時動作,其驅(qū)動電壓Ub2=Ub3=—Ub1。它們的波形見圖2。VI1VT4VT2711VD2YDSlotiTttt圖2雙極式PWM變換器電壓和電流波形在一個開關(guān)周期內(nèi),當0WtVton時,Ub1和Ub4為正,功率場效應(yīng)管vti和VT4導通;而Ub2和Ub3為負,VT2和VT3截止。這時,+Us加在電樞AB兩頭,UAB=Us,電樞電流id沿回路1流通。tonWtVT時,Ub1和Ub4變負,VT1和VT4截止;Ub2、Ub3變正,但VT2、VT3其實不可以立刻導通,因為在電樞電感釋放儲能的作用下,id沿回路2經(jīng)VD2、VD3續(xù)流,在VD2、VD3上的壓降使VT2和VT3c?e極蒙受著反壓,這時,UAB=—Ub。UAB在一個周期內(nèi)正負相間,這是雙極式PWM變換器的特點,其電壓、電流波形示于圖3。因為電壓UAB的正、負變化,使電流波形存在兩種狀況,如圖3中的id1和id2。id1相當于電動機負載較重的狀況,這時均勻負載電流大,在續(xù)流階段電流仍保持正方向,電機一直工作在第一個象限的電動狀態(tài)。id2相當于負載很輕的狀況,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,在負的電源電壓(一Us)和電樞反電動勢的合成作用下導通,電樞電流反向,沿回路3流通,電機處于制動狀態(tài)。與此相仿,在0WtVton時期,當負載輕時,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、負脈沖電壓的寬窄而定。當正脈沖較寬時,ton〉T/2,則電樞兩頭的均勻電壓為正,在電動運轉(zhuǎn)時電動機正轉(zhuǎn)。當正脈沖較窄時,tonVT/2,均勻電壓為負,電動機反轉(zhuǎn)。假如正、負脈沖寬度相等,ton=T/2,均勻電壓為零,則電動機停止。圖3所示的電壓、電流波形都是在電動機正轉(zhuǎn)時的狀況。Us=(.2t^Us=(.2t^n_1)UST則P與t的關(guān)系TTon為正當時,電動機正轉(zhuǎn);P為以「=U/U來定義PWMon為正當時,電動機正轉(zhuǎn);P為T調(diào)速時,P的變化范圍變?yōu)橐?WpW1。負值時,電動機反轉(zhuǎn);P=0時,電動機停止。在P=0時,固然電機不動,電樞兩頭的剎時電壓和剎時電流卻都不是零,而是交變的。這個交變電流平無值為零,不產(chǎn)生增均轉(zhuǎn)矩,陡然增大電機的消耗。但它的利處是使電機帶有高頻的微振,起著所謂“動力潤滑”的作用,除去正、反向時的靜摩擦死區(qū)。雙極式PWM變換器的長處以下:(1)電流必定連續(xù);(2)可使電動機在四象限運轉(zhuǎn);(3)電機停止時有微振電流,能除去靜摩擦死區(qū);(4)低速時,每個功率場效應(yīng)管的驅(qū)動脈沖仍較寬,有益于保證功率場效應(yīng)管靠譜導通;(5)低速安穩(wěn)性好,調(diào)速范圍可達20000左右。雙極式PWM變換器的弊端是:在工作過程中,四個功率場效應(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(即同時導通)的事故,降低了裝置的靠譜性。為了防備上、下兩管直通,在一管關(guān)斷和另一管導通的驅(qū)動脈沖之間,應(yīng)設(shè)置邏輯延時,本設(shè)計邏輯延不時間為5us。整流電路設(shè)計電動機的額定電壓為20V,額定電流為1A,查閱ps21564-p的數(shù)據(jù)手冊可知當驅(qū)動電路電源為15V,PWM波幅值為5V時,開關(guān)器件的通態(tài)導通壓降約為1.6V,所以有:同時由全橋整流電路(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,輸出電壓均勻值近似取值為變壓器負邊電壓均勻值的1.2倍,即可知由變壓器能量傳達可知代入數(shù)據(jù)得220VI120VI224V1A綜合考慮在電流抵達負載以前,整流橋和逆變橋中功率器件的通態(tài)壓降,設(shè)計整流變壓器、選擇整流橋時以此參數(shù)進行考慮即可。由電動機參數(shù)可知,圖5中的整流電路的負載R一20V—20「I。為了使整L-1A流電路獲取較為光滑的輸出,一般狀況下,取放電時間常數(shù)為:Td=RlC_(3._5)一2電流頻次50Hz時周期T=20ms,代入得20ms
一d二20」C一(35)一了C1500uFfuF所以濾波電容能夠選擇容值2000uF、耐壓40V左右的電解電容。230VAC230VAC1.2H橋可逆斬波電路設(shè)計可逆斬波電路中的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)計中只采納此中U、V1.2H橋可逆斬波電路設(shè)計VuraiVdFS?DIP4PMVcc*IF:HCCOM%IGHTIZ16ETT2Dt£VwiiINHQVuraiVdFS?DIP4PMVcc*IF:HCCOM%IGHTIZ16ETT2Dt£VwiiINHQCOMVsVccV6IMCOMVsHVIC5-40t3不JGBTJJVccLRMTVturIkjLMVhWoqiMlkfri'FoVncCiNGN:DCFOLV1CIGBT5JGBT^Dt5圖4IPM模塊內(nèi)部構(gòu)造圖2控制電路設(shè)計說明控制電路設(shè)計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0.1?0.9),同時頻次可經(jīng)過充放電時間的不一樣而改變。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VI、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)。因為SG3525輸出的兩路脈沖是互補形式,在本設(shè)計中其輸出應(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),以達到0?1.0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計算:由兩秒的軟起動時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)計圖脈寬分派電路設(shè)計本次課程設(shè)計設(shè)計采納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。經(jīng)過調(diào)理電位器來調(diào)理占空比,即可調(diào)速也可改變電機方向。
功率蜻換電路誑1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)動功率蜻換電路誑1圖6雙極性控制方式表示圖PWM信號分為兩路互補的PWM信號。脈寬分派電路原理如圖7所示。同時,為防備同一橋臂上下兩管在驅(qū)動信號翻轉(zhuǎn)時出現(xiàn)剎時直通現(xiàn)象,應(yīng)設(shè)計兩路驅(qū)動信號的開通延時電路。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。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)5us的延緩時間來計算,此中R可采納電位器,以便于調(diào)試。(注:指定移相電路中C的取值為0.01uF,二極管建議采納IN4148o)詳細而言,由SG3525產(chǎn)生的負脈沖經(jīng)過一個非門變?yōu)榉禐?V正脈沖信號,當信號為高電平常對電容充電,而只有當電容電壓達到非門的開啟電壓2V時,輸出才變?yōu)楦唠娖剑纱诉_到了延時的目的。所需延緩時間為5uso3IPM接口電路設(shè)計說明3.0IPM接口電路設(shè)計DIP-IPM是面向AC100?200V級小容量馬達變頻驅(qū)動,采納傳達型封裝構(gòu)造將功率電路和驅(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,所以在控制電路中不需要設(shè)計驅(qū)動電路;并且為了簡化設(shè)計,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個器件的驅(qū)動信號外,還應(yīng)供給集成在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(shè)計,上橋臂兩個器件,即V1和V3的驅(qū)動電源采納單電源的自舉式供電。這樣整個模塊的控制部分只采納1個15V電源供電即可,而不用采納3路獨立的電源,簡化了設(shè)計。(注:自舉電路中的二極管建議采納IN5819。)IPM接口電路原理設(shè)計如圖8所示。圖8IPM接口電路原理設(shè)計圖4DC15V控制電源設(shè)計說明4.0LM2575系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路設(shè)計
需要設(shè)計一個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。此外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[N5819圖9DC15V控制電源電路原理設(shè)計圖經(jīng)過芯片的使用說明書得:系統(tǒng)原理圖以下圖10收獲和領(lǐng)會固然此次課程設(shè)計只有短短的幾日,卻讓我們收獲了很多講堂上學不到的東西。一方面,我們學會了如何將從書籍上學到的知識應(yīng)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(shù)與電機控制技術(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,因為課程設(shè)計的過程波及了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)計任務(wù)書、指導書課程設(shè)計題目:雙極模式直流PWM電動機驅(qū)動電源的設(shè)計I.課程設(shè)計任務(wù)書-、課程設(shè)計的內(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)計的內(nèi)容直流PWM驅(qū)動電源的主電路圖如圖1a所示,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。二極管整流橋把輸入溝通電變?yōu)橹绷麟?,H橋逆變器則依據(jù)IGBT驅(qū)動信號占空比的不一樣,獲取不一樣:直流電壓,并將其加在電動機上。vdeAC22CV主電路圖(2)橋;整流部分采納四個二極管構(gòu)成整流橋模塊;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(3)變壓器、選擇整流橋和濾波電容的依照。因為該電路整流輸出電壓較低,所以在計算變壓器副邊電壓時應(yīng)試慮在電流抵達負載以前,整流橋和逆變橋中功率器件的通態(tài)壓降。依據(jù)負載要求,計算出溝通側(cè)輸入電壓和電流,作為設(shè)計整流2.課程設(shè)計的要求課程設(shè)計的主要任務(wù)是設(shè)計一個直流電動機的脈寬調(diào)速(直流PWM)驅(qū)動電源。DC-DC變換器采納H橋形式,控制方式為雙極性。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,電機能夠可逆運轉(zhuǎn)。驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)擁有軟啟動功能,軟啟動時間約為2s。1)主電路的設(shè)計,器件的選型。包含含整流變壓器在內(nèi)的整流電路設(shè)計和H橋可逆斬波電路的設(shè)計。2)PWM控制電路的設(shè)計。3)驅(qū)動接口電路設(shè)計。4)DC15V控制電源的設(shè)計。二、課程設(shè)計參照資料[1]王兆安.電力電子技術(shù).北京:機械工業(yè)第一版社,2007⑵王芳主.電子線路Protel99SE適用教程.長沙:中南大學第一版社,2005龍志文.電力電子技術(shù).北京:機械工業(yè)第一版社,2005陳堅編.電力電子學.北京:高等教育第一版社,2001趙炳良.現(xiàn)代電力電子技術(shù)基礎(chǔ).北京:清華大學第一版社,1995II.課程設(shè)計指導書一、課程設(shè)計重點、設(shè)計步驟用PROTEL繪制的主電路和控制電路的原理圖。電路設(shè)計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)重點的剖析、解決思路設(shè)
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