电力电子课程设计报告

HarbinHarbinHarbin InstituteInstituteInstitute ofofof TechnologyTechnologyTechnology 课程设计说明书 论文 课程设计说明书 论文 课程设计说明书 论文 课程设计说明书 论文 课程名称 电力电子技术 设计题目 可逆直流 PWM 驱动电源的设计 院 系 电气工程及其自动化 班 级 设 计 者 xxx 学 号 xxx 指导教师 xxx 设计时间 201x 年 x 月 哈尔滨工业大学教务处 哈尔滨工业大学课程设计任务书哈尔滨工业大学课程设计任务书 姓 名 xxx 院 系 电气学院 专 业 电气工程及其自动化 班 号 任务起至日期 2011 年 06 月 18 日 至 2011 年 06 月 28 日 课程设计题目 可逆直流 PWM 驱动电源的设计 已知技术参数和设计要求 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 工作量 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 为核心的脉宽调制电路和用门电路实现的 脉冲分配电路 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 2 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 书及焊装和调试通过的控制电路板 工作计划安排 学时安排为 1 周 但考虑实验的安排 需分散在 2 周内完成 第 1 周 全体开会 布置任务 组成设计小组 每组 2 人 会后设计工作开始 答疑 审查设计方案 发放器件和装焊工具 完成焊装工作 第 2 周 每人 12 学时到实验室调试已装焊好的电路板 并完成相关测试和记录 撰写设计报告 同组设计者及分工 同组设计者 yyy zzz 分工 xxx 负责 IPM 接口电路及稳压电源部分的设计 yyy 负责 SG3525 的设计 焊接工作俩人共同完成 zzz 完成主电路部分的参数设计及部分调试工作 指导教师签字 2011 年 06 月 28 日 教研室主任意见 教研室主任签字 年 月 日 哈尔滨工业大学课程设计说明书 论文 1 H 型双极性同频可逆直流 PWM 驱动电源的设计 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 1 100 驱动系统应具有软启动功能 软启 动时间约为 2s 详细设计要求见附录 2 1 整体方案设计 本文设计的 H 型单极性同频可逆直流 PWM 驱动电源由四部分组成 主电路 H 型双极性同频可逆 PWM 控制电路 IPM 接口电路及稳压电源 同时具有软启动 功能 软启动时间为 2s 左右 控制原理如图 1 所示 脉宽 调制 电路 脉冲 分配 电路 器件 驱动 电路 V1 V3 V2 V4 L1 L2 L3 M ub2 ub1 ub3 ub4 ui 功率转换电路 图 1 直流 PWM 驱动电源的控制原理框图 脉宽调制电路以 SG3525 为核心 产生频率为 5KHz 的方波控制信号 占空比 可调 经用门电路实现的脉冲分配电路 转换成两列对称互补的驱动信号 同时 具有 5us 的死区时间 该信号驱动 型功率转换电路中的开关器件 控制直流永磁 电动机 稳压电源采用 LM2575 ADJ 系列开关稳压集成电路 通过调整电位器 使其稳定输出 15V 直流电源 表 1 控制板器件清单 名称参数数量 0 01u2 0 022u1 0 1u3 10K2 20K3 10u 35V3 47u 35V1 100u 35V1 330u 35V1 5 12 1K4 电感330uH1 肖特基二极管IN58193 二极管IN41482 电阻 独石电容 多圈电位器 电解电容 哈尔滨工业大学课程设计说明书 论文 2 2 主电路设计 2 1主电路设计要求 直流 PWM 驱动电源的主电路图如图 2 所示 此部分电路的设计包括整流电路 和 H 桥可逆斩波电路 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不同的直流电压 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 图 2 主电路图 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 2 2整流电路设计 整流部分采用 4 个二极管集成在一起的整流桥模块 电动机的额定电压为 20V 通过查阅该型号 IPM 的数据手册可知开关器件的通态导通压降为 2V 左右 故可知电压为 24V 由全桥整流电路可知 dc V 2 0 9 dc VV 考虑整流桥中二极管压降为 1V 故可知变压器副边电压 从而可知变压器的变比 滤波电容选择耐压 40V 左右 容值为 450uF 左右即可 2 3H 型逆变桥设计 IPM 内部集成该部分电路 参数可参考手册 该模块为三相逆变桥 只使用 其中的 U V 两相即可 3 控制电路设计 本设计利用 SG3525 的 13 脚输出占空比可调 占空比调节范围不小于 0 1 0 9 的脉冲信号 经过移相后 输出两组互为倒相 死区时间为 5 S 左右的脉冲 分 别驱动 V1 V4 和 V2 V3 的开通和关断 3 1 脉冲产生电路的设计 哈尔滨工业大学课程设计说明书 论文 3 设计中使用 SG3525 产生需要的脉冲信号 5 脚接一个 0 02uf 的电容 6 脚接 滑动变阻器 两者组成 RC 振荡电路 可以通过调节滑动变阻器的阻值使脉冲的频 率为设计要求的 5kHz 根据芯片手册公式计算可得当 R 15K C 0 02uF 时 输出 频率为 5kHz 为使调节方便选用阻值为 20K 的滑动变阻器 通过改变 2 脚输入电 压的大小调节输出脉冲的占空比 为使电机具有软启动功能 在 8 脚需要接电容 根据芯片手册软启动时间和电容大小的关系 60ms uF 要使电机软启动为 2s 则 所选的电容为 33uf 在输出端 13 需要上拉电阻与 5V 参考电平相连 将 11 14 脚短接 脉冲由 13 脚引出 电路图设计如图 3 所示 图 3 脉冲产生电路图 3 2 脉冲分配电路的设计 本设计采用的是双极性 PWM 驱动 由 SG3525 产生的脉冲经过一个非门变成 0V 5V 信号 当信号为高电平时对电容充电 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 有 三要素公式计算得 当选定电容为 0 01uf 时电阻为 978 8ohm 为了调节方便选择 5K 的滑动变阻器 经过此电路即可产生死区时间为 5us 的双极性 PWM 调制信号 脉冲分配电路如图 4 所示 哈尔滨工业大学课程设计说明书 论文 4 图 4 脉冲分配电路 3 3 自举电路设计 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 本设计中 自举电路中的二极管建议选用IN5819 电容值为10uF 电阻值为5欧左 右 电路图如图5所示 D1 1N5819 D3 1N5819 5 R2 5 R5 10uF C2 10uF C5 VUFB VUFS VVFS VVFBVNI VNI 0 1uF C3 0 1uF C6 图5 自举电路 3 4稳压电源设计 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LM2575T ADJ系列开关稳压集成电路 将主电路的直流母线电压 33V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 滤波电路中的二极管建议选用IN5819 电路图如图6所示 D8 1N5819330uF C14100uF C12 330uHL1 VDC 15V FB 4 ON OFF 5 GND 3 IN 1 OUT 2 U5 LM2575T ADJ 11 3K R2 1K R1 图 6 15V 稳压电源电路 通过查阅芯片手册知 2 R 1 1 oEF R VV R 本设计中 得 15 out VV 1 23 REF VV 1 1RK 21 1 11 3K o REF V RR V 哈尔滨工业大学课程设计说明书 论文 5 为方便实际电路的调试 使用定值电阻 采用电位器 1 R 2 R 4 调试过程及结果分析 4 1 调制过程 1 调试控制板上的 15V 稳压电源电路 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 调节稳压电路 中的电位器 使稳压电路的输出为所需 15V 直流电压 2 调试脉宽调制信号发生电路 将 SG3525 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 给控制板上电 然后调节相应电位器 获得频率为 5KHz 占空比可在 0 1 之间 调节的脉宽调制信号 3 调试两路驱动信号的开通延时电路 给控制板上电 然后调节相应电位器 观察两路驱动信号 可见驱动信号为 图 7 两路驱动信号波形 可见两路驱动信号之间有 5us 的开通延时 即死区时间为 5us 4 测试 IPM 中上桥臂驱动电源的自举电路 将控制板的 J6 和 J7 接口与主电路板相连 在模拟盒上断开 S2 开关 闭合 S1 开关 给控制板上电 5 测试电机启动状态 在模拟盒上断开 S2 开关 闭合 S1 开关 给控制板上电 将驱动信号的占空 哈尔滨工业大学课程设计说明书 论文 6 比调整到 50 附近 闭合 S2 开关 接通 H 桥的直流电源 调节占空比使电机启 动起来并随占空比的调节能够正转和反转 同时电机控制系统具有软启动功能 4 2 结果分析 4 2 1 电机负载 1 占空比的有效调节范围 调节驱动信号的占空比使之达到最大值和最小值 最大占空比约为 0 9 如图 图 8 驱动信号最大占空比 最小占空比约为 0 1 如图 图 9 驱动信号最小占空比 其中最大占空比对应的输出电压平均值约为 22 9V 最小占空比对应的输出电压平 哈尔滨工业大学课程设计说明书 论文 7 均值约为 23 0V 2 负载电压和电流的波形 电机负载的电压和电流波形如图 可以看出当电机两端电压为正时 流过电 枢的电流上升 电感储能 当电机两端电压为负时 流过电枢的电流下降 电感 能量释放 图 10 电机负载的电压和电流的波形 3 直流母线上电压和电流的波形 其电压波形如图所示 哈尔滨工业大学课程设计说明书 论文 8 图 11 电机负载直流母线上电压波形 4 H 桥中各个 IGBT 驱动控制信号的波形 其波形如图所示 其中 V1 V4 为一组 V2 V3 为一组 两组驱动信号之间留有 5us 的死区时间 图 12 电机负载 H 桥驱动控制信号波形 4 2 2 电阻性负载 1 占空比的有效调节范围 其占空比的有效调节范围与输出电压平均值与电机负载情况时基本相同 哈尔滨工业大学课程设计说明书 论文 9 2 负载电压和电流的波形 电阻性负载的电压和电流波形如图 可见电阻性负载的电压与电流波形基本同 相 随开关器件的开通和关断其电压电流值在正负之间交替 图 13 电阻性负载的电压和电流波形 3 直流母线上电压和电流的波形 电阻性负载直流母线电压为 图 14 电阻性负载直流母线电压 4 H 桥中各个 IGBT 驱动控制信号的波形 其驱动信号波形同电机负载驱动信号波 形 V1 V4 为一组 V2 V3 为一组 且两组之间留有 5us 的死区时间 如图 哈尔滨工业大学课程设计说明书 论文 10 图 15 电阻性负载 H 桥驱动信号波形 5 收获和体会 通过本次电力电子课程设计 我们组完成了可逆直流 PWM 驱动电源的设计 在这近两周的课设过程中 我们通过设计电路 计算参数 焊接电路板 调试电 路 记录波形和写实验报告等几部分 不仅对电力电子相关知识有了更深刻的认 识 在调试过程中遇到的各种问题和试转前的测试过程都对我们的动手能力有了 不小的锻炼 这次课设也让我知道实际并不一定是如我们理论认为的那样理想 有的时候一点小问题就可能导致整个调试过程陷入瘫痪 这次课设中老师给提供 的参考资料对我们快速掌握相关电路和芯片的引脚功能帮助很大 在此非常感谢 老师 附 录 主电路图和控制电路原理图 哈尔滨工业大学课程设计说明书 论文 11 D5D6 S1 SW DPST