双极模式直流PWM电动机驱动电源的设计.doc

天 津 理 工 大 学自动化学院课程设计报告题目：双极模式直流pwm电动机驱动电源的设计学生姓名 许彪 学号 20120775 年 级 2012 班级 电气2班 指导教师 陈鹏 专业电气工程及其自动化 说 明1. 课程设计文本材料包括设计报告、任务书、指导书三部分，其中任务书、指导书由教师完成。按设计报告、任务书、指导书顺序装订成册。2. 学生根据指导教师下达的任务书、指导书完成课程设计工作。3. 设计报告内容建议主要包括：设计概述、设计原理、设计方案分析、软硬件具体设计、调试分析、总结以及参考资料等内容。4. 设计报告字数应在3000-4000字，图纸设计应采用电子绘图。文字规范，正文采用宋体、小四号，1.25倍行距。5.课程设计成绩由平时表现（30%）、设计报告（40%）和答辩成绩（30%）组成。课程设计评语及成绩汇总表成绩平时成绩报告成绩答辩成绩总评成绩课程设计评语16设计概述1 主电路设计说明1.0 主电路设计说明 二极管整流桥把输入的交流电变为直流电。四只功率器件构成h桥，根据脉冲占空比的不同，在直流电机上可得到正或负的直流电压。主电路作为电能变换的功率平台已事先已经由学校做好做好，因此主电路部分只需要进行理论设计，而不用实际制作。主电路设计原理图如图1所示。该电路由两部分构成：单相不控桥式整流电路和全桥全控可逆斩波电路。交流市电220v经变压器降压后通过四只二极管构成的整流桥整流为直流电，经电容滤波后可作为直流电压源，作为主电路的工作电源及控制电路的稳压电源输入电压。闭合开关s1、s2，四只功率器件（如igbt）构成的h桥斩波电路在pwm脉冲驱动信号控制下，根据占空比的不同，在电机两端产生或正或负、电压值不等的驱动电压，从而控制电机的正反转及调速。图1 直流pwm驱动电源的主电路设计原理图双极式h型可逆pwm变换器的电路原理图中四个功率场效应管的基极驱动电压分为两组。vt1和vt4同时导通和关断，其驱动电压ub1=ub4；vt2和vt3同时动作，其驱动电压ub2=ub3= ub1。它们的波形见图2。图2双极式pwm变换器电压和电流波形在一个开关周期内，当0tton时，ub1和ub4为正，功率场效应管vt1和vt4导通；而ub2和ub3为负，vt2和vt3截止。这时，us加在电枢ab两端，uabus，电枢电流id沿回路1流通。 tontt时，ub1和ub4变负，vt1和vt4截止；ub2、ub3变正，但vt2、vt3并不能立即导通，因为在电枢电感释放储能的作用下，id沿回路2经vd2、vd3续流，在vd2、vd3上的压降使vt2和vt3ce极承受着反压，这时，uabub。uab在一个周期内正负相间，这是双极式pwm变换器的特征，其电压、电流波形示于图3。由于电压uab 的正、负变化，使电流波形存在两种情况，如图3中的id1和id2。id1相当于电动机负载较重的情况，这时平均负载电流大，在续流阶段电流仍维持正方向，电机始终工作在第一个象限的电动状态。id2相当于负载很轻的情况，平均电流小，在续流阶段电流很快衰减到零，于是vt2和vt3两端失去反压，在负的电源电压（us）和电枢反电动势的合成作用下导通，电枢电流反向，沿回路3流通，电机处于制动状态。与此相仿，在0tton期间，当负载轻时，电流也有一次倒向。这样看来，双极式可逆pwm变换器的电流波形和不可逆但有制动电流通路的pwm变换器也差不多，怎样才能反映出“可逆”的作用呢？这要视正、负脉冲电压的宽窄而定。当正脉冲较宽时，tont2，则电枢两端的平均电压为正，在电动运行时电动机正转。当正脉冲较窄时，tont2，平均电压为负，电动机反转。如果正、负脉冲宽度相等，tont2，平均电压为零，则电动机停止。图3所示的电压、电流波形都是在电动机正转时的情况。双极式可逆pwm变换器电枢平均端电压用公式表示为：以udus来定义pwm电压的占空比，则与ton的关系为： 调速时，的变化范围变成11。当为正值时，电动机正转；为负值时，电动机反转；0时，电动机停止。在0时，虽然电机不动，电枢两端的瞬时电压和瞬时电流却都不是零，而是交变的。这个交变电流平无值为零，不产生增均转矩，徒然增大电机的损耗。但它的好处是使电机带有高频的微振，起着所谓“动力润滑”的作用，消除正、反向时的静摩擦死区。双极式pwm变换器的优点如下：（1）电流一定连续；（2）可使电动机在四象限运行；（3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；（4）低速时，每个功率场效应管的驱动脉冲仍较宽，有利于保证功率场效应管可靠导通；（5）低速平稳性好，调速范围可达20000左右。双极式pwm变换器的缺点是：在工作过程中，四个功率场效应管都处于开关状态，开关损耗大，而且容易发生上、下两管直通（即同时导通）的事故，降低了装置的可靠性。为了防止上、下两管直通，在一管关断和另一管导通的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时，本设计逻辑延时时间为5us。1.1 整流电路设计电动机的额定电压为20v，额定电流为1a，查阅ps21564-p的数据手册可知当驱动电路电源为15v，pwm波幅值为5v时，开关器件的通态导通压降约为1.6v，所以有：同时由全桥整流电路（由二极管构成，触发角=0），有电容滤波且滤波电容选择合适时, 输出电压平均值近似取值为变压器负边电压平均值的1.2倍，即可知由变压器能量传递可知代入数据得即，综合考虑在电流到达负载之前，整流桥和逆变桥中功率器件的通态压降，设计整流变压器、选择整流桥时以此参数进行考虑即可。由电动机参数可知，图5中的整流电路的负载。为了使整流电路获得较为平滑的输出，一般情况下，取放电时间常数为：电流频率50hz时周期t=20ms，代入得即所以滤波电容可以选择容值2000uf、耐压40v左右的电解电容。1.2 h桥可逆斩波电路设计可逆斩波电路中的h桥不采用分立元件，而是选用ipm（智能功率模块）ps21564来实现。由图4可以看出，该模块含有六只三对igbt，主电路为三相逆变桥，在本设计中只采用其中u、v两相即可驱动直流电机。图4 ipm模块内部结构图2 控制电路设计说明2.0 控制电路设计sg3525的13脚输出占空比可调（通过改变2脚电压）的脉冲波形（占空比调节范围不小于0.10.9），同时频率可通过充放电时间的不同而改变。经过rc移相后，输出两组互为倒相，死区时间为5s左右的脉冲，经过光耦隔离后，分别驱动四只功率器件，其中v1、v4驱动信号相同，v2、v3驱动信号相同。2.1 脉宽调制电路设计采用以sg3525为核心的脉宽调制电路，其中集成芯片sg3525选择dip封装形式。脉冲的频率定为5khz（是根据ipm中igbt的开关速度而确定的），设定频率的电阻可采用电位器，以便于调试。根据芯片数据手册和使用明可以知道，输出频率由下式决定(5、7脚短接，放电电阻rd = 0)：（注：指定sg3525的5脚ct端外接振荡电容为0.1f）。由于sg3525输出的两路脉冲是互补形式，在本设计中其输出应并联使用（即11，14管脚短接，从13管脚通过外部上拉电阻输出v1、v4驱动脉冲，利用后续门电路反相后再驱动v2、v3），以达到01.0的占空比调整范围，如图3所示。sg3525的8管脚接电容，以实现软启动功能。软起动时间可按下式来计算：由两秒的软起动时间可以确定软起动电容器取33uf.图5 脉宽调制电路原理设计图2.2 脉宽分配电路设计本次课程设计设计采用h型双极模式可逆直流pwm控制方式，开关管的控制方式如图6所示。在该模式下，2个桥臂协调控制，即v1、v4组和v2、v3组互补导通。通过调节电位器来调节占空比，即可调速也可改变电机方向。图6 双极性控制方式示意图由前述脉宽调制电路可以产生一路pwm信号，为驱动h桥逆变器，需要将此pwm信号分为两路互补的pwm信号。脉宽分配电路原理如图7所示。同时，为防止同一桥臂上下两管在驱动信号翻转时出现瞬时直通现象，应设计两路驱动信号的开通延时电路。即利用rc移相电路后，为每路驱动信号产生5s左右的开通延时。这部分电路中的门电路采用6反向器74ls04；移相环节中的r和c的取值，应根据5s的延迟时间来计算，其中r可采用电位器，以便于调试。（注：指定移相电路中c的取值为0.01f，二极管建议选用in4148。）具体而言，由sg3525产生的负脉冲经过一个非门变成幅值为5v正脉冲信号，当信号为高电平时对电容充电，而只有当电容电压达到非门的开启电压2v时，输出才变为高电平，由此达到了延时的目的。所需延迟时间为5us。图7 脉冲分配电路原理设计图3 ipm接口电路设计说明3.0 ipm接口电路设计dip-ipm 是面向ac100200v 级小容量马达变频驱动，采用传递型封装结构将功率电路和驱动保护电路集成于一体的小型智能功率模块。ipm中集成了功率器件的驱动电路，因此在控制电路中不需要设计驱动电路；而且为了简化设计，隔离环节也取消。ipm模块控制部分的接口信号中除了h桥中4个器件的驱动信号外，还应提供集成在ipm内部的4个器件的驱动电路的供电电源，为了简化设计，上桥臂两个器件，即v1和v3的驱动电源采用单电源的自举式供电。这样整个模块的控制部分只采用1个15v电源供电即可，而不必采用3路独立的电源，简化了设计。（注：自举电路中的二极管建议选用in5819。）ipm接口电路原理设计如图8所示。图8 ipm接口电路原理设计图4 dc15v控制电源设计说明4.0 lm2575系列开关稳压集成电路设计需要设计一个dc 15v的控制电源，为sg3525及ipm模块的驱动电路供电。稳压源电路原理如图7所示。为了减小损耗，采用lm2575t-adj系列开关稳压集成电路，将主电路的直流母线电压作为输入，通过电位器的调节，经稳压后获得15v的直流电源。lm2575t的封装形式为5脚to-220形式。另外ttl电路的5v工作电源可直接取自sg3525的内部参考电源管脚。（注：滤波电路中的二极管建议选用in5819。）图9 dc15v控制电源电路原理设计图通过芯片的使用说明书得：系统原理图如下图10收获和体会 虽然这次课程设计只有短短的几天，却让我们收获了许多课堂上学不到的东西。一方面，我们学会了如何将从书本上学到的知识应用到工程实践中，如h桥双极性pwm控制方式的实现，这使我们在对理论知识有了更深刻认识的同时，也懂得了如何将电力电子技术与电机控制技术结合在一起；另一方面，对于软件和硬件的操作也更加熟练和得心应手，如用软件绘制电路原理图、并调试硬件电路。此外，由于课程设计的过程涉及了sg3525、lm2575和imp等芯片的使用方法，我们的自己动手查找资料解决问题的能力也得到了提升。课程设计任务书、指导书课程设计题目：双极模式直流pwm电动机驱动电源的设计.课程设计任务书一、课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作量）1课程设计的内容直流pwm驱动电源的主电路图如图1a所示,图1b为控制原理框图，它包括整流电路和h桥可逆斩波电路的设计。二极管整流桥把输入交流电变为直流电，h桥逆变器则根据igbt驱动信号占空比的不同，得到不同的直流电压，并将其加在电动机上。主电路图（1）整流部分采用四个二极管构成整流桥模块；（2）逆变器部分采用igbt或三极管构成。该电路主要为单相逆变桥；（3）根据负载要求，计算出交流侧输入电压和电流，作为设计整流变压器、选择整流桥和滤波电容的依据。由于该电路整流输出电压较低，所以在计算变压器副边电压时应考虑在电流到达负载之前，整流桥和逆变桥中功率器件的通态压降。2课程设计的要求课程设计的主要任务是设计一个直流电动机的脉宽调速（直流pwm）驱动电源。dc-dc变换器采用h桥形式，控制方式为双极性。 被控直流永磁电动机参数：额定电压20v，额定电流1a，额定转速2000rpm。驱动系统的调速范围：大于1：100，电机能够可逆运行。驱动系统应具有软启动功能，软启动时间约为2s。1）主电路的设计，器件的选型。包括含整流变压器在内的整流电路设计和h桥可逆斩波电路的设计。2）pwm控制电路的设计。3）驱动接口电路设计。4）dc15v 控制电源的设计。二、课程设计参考资料1 王兆安.电力电子技术.北京:机械工业出版社,20072 王芳主.电子线路protel 99 se实用教程.长沙:中南大学出版社,20053 龙志文.电力电子技术.北京:机械工业出版社,20054 陈坚编.电力电子学.北京：高等教育出版社,20015 赵炳良.现代电力电子技术基础.北京:清华大学出版社,1995.课程设计指导书一、课程设计要点、设计步骤用protel绘制的主电路和控制电路的原理图。电路设计过程的详细说明书及焊装。调试通过的控制电路板。二、主要技术关键的分析、解决思路设计主要可划分为以下几个部分:整流电路设计,整流部分采