电力电子技术课程指导书.doc

电力电子技术课程设计指导书直流脉宽调速系统驱动电源的设计哈尔滨工业大学 电气工程系2007年3月“直流脉宽调速系统驱动电源的设计”任务书任务和意义： 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。纵观运动控制的发展历史，交、直流两大电气传动并存于各个应用领域。由于直流电机的调速性能和转矩控制性能好，20世纪30年代起就开始使用直流调速系统。直流调速系统由最早的旋转变流机组控制，发展为用静止的晶闸管变流装置和模拟控制器实现调速，到现在由大功率开关器件组成的PWM电路实现数字化的调速，系统的快速性、可靠性、经济性不断提高，应用领域不断扩展。尽管目前对交流系统的研究比较“热门”，但是其控制性能在某些方面还达不到直流PWM系统的水平。直流PWM控制技术作为一门新型的控制技术，其发展潜力还是相当大的。而且，直流PWM技术是电力电子领域广泛采用的各种PWM技术的典型应用和重要基础，掌握直流PWM技术对于学习和运用交流变频调速中SPWM技术有很大的帮助和借鉴作用。技术指标：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1：1000设计内容：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(要求采用IPM作为DC/DC变换的主电路，型号为PS21564)。2）PWM控制电路的设计（指以SG3525为核心的脉宽调节电路）。3）IPM接口电路设计（包括上下桥臂元件的开通延迟，及上桥臂驱动电源的自举电路）。4）DC15V 控制电源的设计（采用LM2575系列开关稳压集成电路，直接从主电路的直流母线电压经稳压获得）。3人组成1个设计小组，通过合理的分工和协作共同完成上述设计任务。设计的成果应包括：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和调试完毕的控制电路板。时间安排：(学时安排为1周，但考虑实验的安排，需分散在2周内完成)l 第1周：周1，全体开会，布置任务，组成设计小组（每组3人），会后设计工作开始。（详见附录1 设计指南）本周内将安排1次实验和1次答疑。实验是在实验室教学设备上完成直流脉宽调速系统的实验，体会系统的组成和性能，为自行设计增加感性认识。（2学时/班，详见附录2 实验指导）其余时间自行安排，完成设计工作。l 第2周周1，提交电路图，教师审查设计方案，发放器件和装焊工具，并答疑。从周开始，每班1整天时间到实验室调试已装焊好的电路板，并完成相关测试和记录。（详见附录3 焊装指南和附录4 调试指南）之后，撰写设计报告。考核方法： 由三部分成绩组成：实验部分：10分电路调试：50分设计报告：40分设计报告要求：依据“课程设计说明书”（电子文档）的模板格式撰写。内容应包括：1）直流脉宽调速实验报告2）主电路设计说明3）控制电路设计说明4）调试过程的详细记录及实验结果讨论（说明是否达到设计指标的要求）5）附录：主电路和控制电路原理图参考资料：1）电力电子技术教材及补充教材（直流脉宽调速）。2）电力电子实验台（直流脉宽调速部分）使用说明书（电子文档）。3）IPM模块PS21564使用说明书及参考资料（电子文档）。4）SG3525使用说明书及参考资料（电子文档）。5）LM2575使用说明书及参考资料（电子文档）。6）74LS04说明书（电子文档）。7）主电路原理图（附录5）。附录1：设计指南直流脉宽调速（直流PWM）驱动电源的原理框图如图1。在结构上分为两部分：主回路和控制回路。图1 直流PWM电路结构示意图1主电路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或的直流电压。主电路部分的设计要求如下：1）整流部分采用4个二极管集成在一起的整流桥模块。2）斩波部分H桥不采用分立元件，而是选用IPM（智能功率模块）PS21564来实现。该模块的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。（针对本设计的特点，即小功率直流PWM调速，在实际工程中，一般采用P. MOSFET构成H桥，本设计中为了让大家了解和掌握IPM的特点和使用方法，所以指定采用PS21564作为主电路）3）在主电路设计中，应根据负载的要求，计算出整流部分的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。该电路的整流输出电压较低，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。主电路作为电能变换的功率平台已事先做好，因此主电路部分只需要进行理论设计，而不用实际制作。2控制电路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。控制电路中的所有部分都需要进行设计、焊装和调试，因此控制电路是本课程设计中的核心内容。控制电路部分的设计要求如下：1）在设计SG3525外围电路时，应采用该集成芯片的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。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2所示。图2 SG3525输出的接法2）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。3）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，详细设计可参考IPM的设计手册。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。4）应设计一个DC 15V的控制电源，为SG3525及IPM模块的驱动电路供电。为了减小损耗，采用LM2575TADJ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。附录2：可逆直流脉宽调速系统实验指导一实验目的1掌握可逆直流脉宽调速系统的组成、原理及各主要单元部件的工作原理。2熟悉直流PWM专用集成电路SG3525的组成、功能与工作原理。3熟悉H型PWM变换器的双极型控制方式的原理与特点。二实验内容1PWM控制器SG3525性能测试。2控制电路的测试3系统特性测试。三实验系统的组成和工作原理在中小容量的直流传动系统中，采用自关断器件的脉宽调速系统比相控系统具有更多的优越性，因而日益得到广泛应用。本实验采用电力电子实验台上的直流脉宽调速专用挂箱，原理框图如图3。图3 直流PWM挂箱原理图在结构上分为两部分：主回路和控制回路。1主回路二极管整流桥把输入的交流电变为直流电，正常情况下，交流输入为220V，经过整流后变为300V直流电，电阻R1为起动限流电阻，滤波电容C为470F/450V；四只功率MOS管构成H桥，根据脉冲占空比的不同，在直流电机上可得到或的直流电压。H桥的具体工作原理可参考有关资料。电阻R2在本实验箱中有两个作用。第一，可用来观察波形，R2的阻值为1，其上的电压波形反映了主回路的电流波形。第二，作为过流保护用。当R2的电压超过整定值后，过流保护电路动作，关闭脉冲，从而保护功率MOS管。2控制回路控制回路中的脉宽调制器采用美国硅通用公司（Silicon General）的第二代产品SG3525，这是一种性能优良，功能全、通用性强的单片集成PWM控制器。由于它简单、可靠及使用方便灵活，大大简化了脉宽调制器的设计及调试，故获得广泛使用。SG3525的13脚输出占空比可调（改变9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MOS管，其中VT1、VT4驱动信号相同，VT2、VT3驱动信号相同。为了保证系统的可靠性，在控制回路设置了保护线路，一旦出现过流，保护电路输出二路信号，分别封锁SG3525的脉冲输出和与门的信号输出。该挂箱为MCL10A，其面板如图4所示。面板的左端为正、负给定。四实验设备及仪器1MCL系列教学实验台主控制屏。2MCL10A组件。3MEL03三相可调电阻。4电机导轨及测速发电机、直流发电机和直流电动机M18。5双踪示波器。五注意事项1直流电动机工作前，必须先加上直流激磁。2不允许突加给定信号Ug起动电机。3改变接线时，必须先按下主控制屏总电源开关的“断开”红色按钮，同时使系统的给定为零。4双踪示波器的两个探头地线通过示波器外壳短接，故在使用时，必须使两探头的地线同电位（只用一根地线即可），以免造成短路事故。图4 MCL10A组件的面板（直流脉宽调速专用挂箱）六实验步骤1SG3525性能测试（1）用示波器观察“1”端的电压波形，记录波形的周期、幅度。（2）用示波器观察“2”端的电压波形，调节RP2电位器，使方波的占空比为50%。（3）用导线将“G”的“1”和“UPW”的“3”相连，分别调节正负给定，记录“2”端输出波形的最大占空比和最小占空比。2控制电路的测试（1）逻辑延时时间的测试在上述实验的基础上，分别将正、负给定均调到零，用示波器观察“DLD”的“1”和“2”端的输出波形，并记录延时时间td= （2）同一桥臂上下管子驱动信号死区时间测试分别将“隔离驱动” 的G和主回路的G相连，用双踪示波器分别测量VVT1.GS和VVT2.GS以及VVT3.GS和VVT4.GS的死区时间：tdVT1.VT2=tdVT3.VT4=3系统调试将主电路整流器的输入电源UVW与主控屏输出的三相交流电源UVW相连，将电动机电枢接在主回路6，7之间，正确连接直流电机励磁电源。按如下步骤进行系统调试：a将正、负给定均调到零，合上主控制屏电源开关，接通直流电机励磁电源。b调节正给定，电机开始起动直至达1800r/minc调节负给定，电机开始反转直至达1800r/mind观察记录电枢上电压和电流的波形，以及直流母线上电压和电流波形。七实验报告1根据实验数据，列出SG3525的各项性能参数。2. 画出两路驱动信号的波形，记录控制电路中逻辑延时时间、同一桥臂驱动信号死区时间。3画出电枢上电压和电流的波形，直流母线上电压和电流波形。4. 思考题为了防止上、下桥臂的直通，有人把上、下桥臂驱动信号死区时间调得很大，这样做行不行，为什么？您认为死区时间长短由哪些参数决定？附录3：焊装指南在设计工作完成，电路图通过指导教师的审查之后，每设计小组应在进入实验室调试之前，领取实验板、器件和焊接工具等，在寝室或其它地点完成焊装工作。注意：由于实验室为各组提供的调试时间十分有限，请务必在进入实验室调试前，完成控制电路板的全部焊装工作，并对电路连接关系进行充分的检验，以保证其后调试工作的效果。调试时应携带本组的所有焊装工具，以便对电路进行必要的修正；调试结束后应立即将工具交还实验室，以便后面的同学能够及时领到工具。焊装控制电路的电路板采用通用板，如图5所示。图5 通用电路板板四周有4个固定孔，可装入铜柱将板子架起，便于装焊操作。J3 和J6、J7为预装在电路板上的接插件，用于连接主电路上的电源和信号，各接口的具体引脚定义详见附录5主电路原理图。三个插件的1号引脚均在最左端，如图2所示。在正式装焊之前应根据原理图进行合理的器件布局和布线规划，保证控制电路的制作质量，并兼顾美观和调试的便利。需特殊说明的有以下几点：1）在焊接时集成芯片SG3525和74LS04都是只将管座焊在板子上，到实验室调试时，向教师领取该芯片，插在管座上进行调试。调试完毕后，将其从管座上拔下，归还实验室，供下一组同学使用。2）LM2575T的封装形式为5脚TO-220形式，在焊接时将10脚的DIP插座焊在电路板上代替该器件，插座的15脚与该器件的15脚一一对应。调试时，将该器件插在管座得15脚上。其它阻容等器件可直接焊在板子上。所有器件之间应根据原理图用导线连接起来。对与要测试的管脚可用单独的导线联出来，以便于用示波器测试。附录4：调试指南直流PWM的主电路作为电能变换的功率平台已事先做好，只需将控制板安放在主电路上方，并将主电路板上J3 和J6、J7与控制板上对应的J3 和J6、J7用排线相连，就可进行调试，主电路和控制电路中所有可接触部分的电压均在30V以下，不会出现电击现象，同学们可放心调试。为了方便调试及保证电路安全，增设调试盒一个。整个系统的连接关系如图6所示。图6 调试系统的组成调试盒上面安放2个开关、2个指示灯和1个电流表，其面板如图7所示。在主电路中的作用如图8所示。S1用于开关总电源，L1为其上电指示。S2用于接通或断开H桥的直流电源（可用于电机的启停控制），L2为其上电指示。电流表M1用于检测负载电流。主电路中H桥（即IPM模块）前串入的电阻R1和R2，阻值各为5欧姆，用于限制短路电流，保护IPM。Ra为电机电枢回路的电流取样电阻（阻值为1欧姆），用于观测电枢电流的波形。图7 调试盒的面板图8 主电路原理示意图控制板的调试步骤如下：1）先调试控制板上的稳压电路。步骤是：只将控制板的J3接口与主电路板相连，J6和J7均不连接。再将LM2575T插在电路板的对应插座上。在模拟盒上断开S2开关，闭合S1开关，控制板将通过J3接口获得直流母线电压。然后调节稳压电路中的电位器，直到在稳压电路的输出部分获得所需15V直流电压。2）接下来调试脉宽调制信号发生电路。首先将SG3525插在电路板的对应插座上。