最全课程设计说明书_双极性可逆直流PWM驱动电源的设计

1、Harbin Institute of Technology课程设计说明书（论文）课程名称：电力电子技术 设计题目：双极性可逆直流PWM驱动电源的设计院 系：电气工程系 班 级：* 设 计 者： * 学 号：* 指导教师： * 设计时间： 2013年*月*日 哈尔滨工业大学教务处哈尔滨工业大学课程设计任务书 姓 名：* 院 （系）：电气工程 专 业：电气工业自动化 班 号：* 任务起止日期： 2013 年 * 月 * 日至 2013 年 * 月 * 日 课程设计题目： 双极性可逆直流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

2、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

3、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Altium Designer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)l 第1周：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。答疑，审查设计方案，发放器件和装焊工具。完成焊装工作。l 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：*

4、：SG3525脉冲产生及分配电路的设计*：15V稳压电源、IPM自举电路、接口电路的设计*：参数计算，电路焊装电路调试及参数记录由三人共同完成 指导教师签字 2013 年 06 月 27 日 教研室主任意见： 教研室主任签字_ 年 月 日*注：此任务书由课程设计指导教师填写哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）1 主电路设计说明1.1 设计方案综述本设计目的在于构成H型双极性可逆直流PWM驱动电源，该电源由四部分构成：主电路、15V稳压电源、H型双极性同频可逆PWM控制电路及IPM（智能功率模块）接口电路。该电源具有可逆调速及软启动功能，控制原理图如图1所示。图1 双极性直流PWM驱动电源的控制

5、原理图通过LM2575开关稳压集成电路产生15V稳定电压，作为SG3525脉冲发生电路及IPM全桥可逆斩波电路的供电电源；以SG3525为核心，产生频率为5KHz、占空比从0-1可调、软启动时间为2s的脉宽调制信号；经由74LS04反相器构成的脉冲分配电路后，构成具有约5us死区时间的四路两相PWM驱动信号；通过IPM接口电路与主电路中IPM PS21564构成的斩波电路对应驱动端子相连后，根据脉冲占空比的不同，产生或正或负的直流电压用于驱动直流电机的可逆运行。1.2 主电路设计说明主电路设计原理图如图2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

6、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2 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3。图3 双极式PWM变换器电压和

7、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

8、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，

9、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

10、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。1.3 H桥可逆斩波电路设计该电路不采用分立元件，而是使用IPM PS

11、21564-p来实现H桥可逆斩波电路，IPM PS21564-p内部结构图如图4所示。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。该模块内置有IGBT的驱动电路，具有过载保护、控制电源欠压保护功能，IPM模块控制部分的接口信号（H桥中4个器件的驱动信号、集成在IPM内部的4个器件的驱动电路的供电电源）由控制电路部分提供，主电路中留出接口即可。该模块最大承受电源电压，最大IGBT集电极电流为，功率等级完全可以驱动被控的直流电动机。控制信号输入ON阈值的典型值为，输入OFF阈值的典型值为，可以实现低电压PWM控制。图4 DIP-IPM 内部电路图1.4 整流电路设计整流部分采用

12、4个二极管集成在一起的整流桥模块。整流电路原理图如图5所示。图5 单相不控桥式整流滤波电路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：Udc=U额定+2U=20+21.624V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Udc1.2U2可知U2=20V由变压器能量传递可知U1I1=U2I2Udc1A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

13、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。2 控制电路设计说明2.1 控制电路设计总述整个控制电路分为四个模块：第一个模块是LM2575开关型稳压器构成的15V直流稳压电源，为SG3525及IPM模块的驱动电路供电。第二个模块是脉宽调制电路，以SG3525为核心产生占空比0-1可调的PWM波，具有软启动功能，软启动时间2s。 第三个模块是脉冲分配电路，采用74LS04N非门电路

14、构成。第四个模块IPM自举电路及接口电路，通过自举电路为4个IGBT的驱动电源供电，控制电路通过接口电路与主电路相连。2.2 DC 15V稳压电源本设计采用LM2575TADJ系列开关稳压集成电路，输入主电路的直流母线电压，通过调节外接的电位器，经稳压后获得15V的直流电源。电路原理图如图6所示。图6 15V直流稳压电源电路（1）电容选择。参考LM2575数据手册中的典型电路连接可知，输入电容应大于47F，这里我们选择100F电解电容；而输出电容推荐使用的电容量为100F 470F，这里我们选择330F电解电容。（2）电感选择。根据电感曲线图（如图7），此次实验中，输入电压为15V，而最大负载

15、电流也在0.6-0.9范围内，因此选择330H电感。图7 电感曲线图（3）二极管选择。二极管的额定电流值应大于最大负载电流的1.2倍，但考虑到负载短路的情况， 二极管的额定电流值应大于LM2575的最大电流限制；另外二极管的反向电压应大于最大输入电压的1.25倍。综合分析应选择IN5819。(4)反馈电阻选择。反馈电阻的计算公式为VOUT=VREF1+R2R1R2=R1VOUTVREF-1其中，VREF=1.23V，R1介于1K到5K之间。在数据手册中明确说明，当我们需要输出15V电压时，R1=1K，R2=11.3K，在此我们用20K电位计调节11.3K作为R2，可以准确调出15V稳定电压。2

16、.3 脉宽调制电路本设计使用电压型PWM 控制器SG3525芯片构建脉宽调制电路，电路原理图如图8所示。要求PWM频率为，占空比01可调，并实现约软起动。在此使用LM2575输出的电压给SG3525供电，SG3525的16管脚可输出一个的基准电压，这个基准电压可以用来给门电路芯片74LS04供电。图8 SG3525脉宽调制电路SG3525外围电路参数确定：（1） 产生5KHz PWM脉冲根据IPM中IGBT的开关速度需要，振荡器输出频率fs=5KHz，制定SG3525管脚5（CT）外接振荡电容0.02F。振荡器输出频率设计公式如下：其中RD用于调节两路输出脉冲信号死区时间,由于SG3525输出

17、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的占空比调整范围，因而不需要设置死区时间，我们将管脚5与管脚7（定时电容CT 的放电端）直接连在一起，如此RD=0，于是有：10.02F（0.7RT+30）=5KHz解方程得6脚所接电阻RT=14.3K。我们设计使用20K电位计配合万用表调节至约为14.3K并连入电路作为RT，调试时用示波器观察输出的PWM波形频率，调节电位器进一步使其输出PWM波形频率为5KHz。（2）占空比0-1可调SG3525的管脚1（IN-）为误差放

18、大器反相输入端，管脚2（IN+）误差放大器同相输入端，管脚9（COMP）为误差放大器补偿端/ 输出端，用于补偿反馈回路的频率响应。我们将管脚1与管脚9相连，构成负反馈，使误差放大器输出与管脚2输入电压一致。由于管脚16（Vref）稳定输出5.1V电压，可以将一个5K电位计两端分别接管脚16和地，中间管脚作为SG3525管脚2的输入。通过调节电位计调节管脚2上的电压便可使占空比0-1可调，局部接线如图9所示。图9 SG3525占空比调节电路连线图（3）软启动设计根据直流电机启动特性，要求驱动系统需具有约2s的软启动时间，该功能可以通过在SG3525管脚8上外接电容实现。软启动时间可按60ms/F

19、计算，则C=2s60ms/F=33.33F此处我们选择33F电解电容。(4)输出部分的设计由于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，上拉电源由SG3525的16脚输出电压提供，上拉电阻取1K，输出部分连线如图10所示。图10 SG3525输出的连线示意图2.4 脉冲分配电路电路图如图11所示。图11 双极性移相脉冲分配电路该电路我们使用74LS04N 6非门集成电路来实现，其中芯片电源由SG3525管脚16提供。由于我们采用H型双极模式可逆直流PWM控制方式

20、，因此V1与V4，V2与V3分别拥有相同的驱动波形，而上述两组驱动波形则理论上互补。我们设计两条支路，一条直接从SG3525管脚13（驱动输出级的电源端）引出，另一条则通过一个反向器引出。为了防止H桥上下桥臂同时导通引起短路，两组脉冲需要设置死区时间。设计指导书要求死区时间为5s，电容规定使用0.01F，二极管推荐使用IN4148，至于电阻，可有下式求出：ut=u+u0+-u()e-tRC其中，u(t)= 2V（74LS04非门开启电压）u(0+)=0u()=5VC=0.01Ft=5s解方程得：R978.8，此处我们使用1K的电阻。2.5 IPM自举电路参考DIP-IPM应用手册，可得到自举电

21、路的结构如图12所示，而我们需要确定的则是自举电容，自举电阻和二极管。关于自举电容与电阻，在实验指导书中要求不严格，因此我们只需要选择一个适当的RC值，使充放电时间快，且储能足够便可，此处我们选择R=20，C=1F。在DIP-IPM 中，电源电压(Vcc)的最大定额为450V，附加浪涌电压50V，施加在自举二极管上的电压为500V。再考虑给出100V 裕量，那么二极管的耐压应在600V。此外，推荐选用具有快速恢复特性的二极管(推荐值为：反向恢复时间小于100ns)，因此我们可以选择IN5819。图12 IPM自举电路2.6 IPM接口电路为了实现控制电路与主电路的连接，需要在主电路和控制电路上

22、对应设置接口电路，调试及工作时通过插针进行连接，方便合理。IPM接口电路如图13所示。 图13 接口电路调试时将主电路板和控制板上的对应接口J3、J6、J7插上，就可以正常进行控制，实现既定功能。2.7 控制板器件清单所设计的双极性同频可逆PWM驱动电源控制板所用元器件清单如表1所示。表1 控制板器件清单器件名称参数数量0.25W电阻（引线）2020.25W电阻（引线）1k43296电位器（立式）20 k23296电位器（立式）5 k1二极管（引线）IN41482二极管（引线）IN58193独石电容0.01F2独石电容0.02F1电解电容1F/35V2电解电容100F/35V1电解电容330F

23、/35V1电解电容33F/35V1电感330H1拨码开关4位4开关式稳压器LM2575-ADJ1PWM控制芯片SG352516反相器74LS041IC插座P161IC插座P142通用电路板100mm*152mm13 调试过程及结果分析3.1 调试说明直流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，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。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14所示。图14 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15所示。它们在主电路

24、中的作用如图2所示。S1用于开关总电源，L1为其上电指示灯。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为其上电指示灯。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15 调试盒的面板3.2 调试过程（1）15V电源调试。LM2575为5脚TO-220封装形式，在焊接时将14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，将该器件插在管座的15脚上。将主电路母线电源接入控制板J3接口，J

25、6和J7均不连接，并将LM2575输出接入示波器。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，使稳压电路的输出为所需15V直流电压。由于焊接之前，已将电位计调至11.3K，所以此时只需微调电位计，观察示波器直到输出为15V左右。输出结果如图17所示。图17 LM2575 DC15V波形由测试结果可知，输出电压稳定在15.2V，LM2575正15V直流稳压电源模块工作正常，符合要求。（2）脉宽调制电路调试。首先将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。将LM2575输出的15V电源与SG3

26、525管脚15之间的开关闭合，给SG3525供电，将管脚13输出端接入示波器，管脚13输出端与下一模块间拨码开关断开。先调节与管脚6相连的电位计使输出脉冲频率达到5KHz，并保持不变。然后调节与管脚2相连的电位计并观察输出脉冲的占空比是否可在01之间变化。如图18所示为占空比约为1（实际系统可调至1，为观察方便留有一定负频宽）时的输出脉冲波形。图18 占空比约为1时的PWM波形如图19所示为占空比约为0（实际系统可调至0，为观察方便留有一定正频宽）时的输出脉冲波形。图19 占空比约为0时的PWM波形如图20所示为占空比约为0.5时的输出脉冲波形。图20 占空比约为0.5时的PWM波形由测试结果

27、可知，SG3525脉冲发生电路模块可以输出频率为5KHz、占空比在01之间可调的脉冲信号，脉冲电压幅值为5V。脉冲发生电路模块工作正常，符合要求。（3）延时电路调试。首先将74LS04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。将SG3525管脚13输出端与脉冲分配模块间拨码开关接通，然后调节相应电位器，用示波器观察脉冲分配电路的两条支路的输出脉冲，使两路驱动信号之间有5S的开通延时，或者说存在 5S的死区时间。两路驱动信号的开通延时电路输出PWM信号延时时间测试结果如图21所示。图21 死区时间同时可观察到H桥两组IGBT的驱动信号的死区时间为5.0000s，

28、脉冲分配及死区控制电路工作正常，符合设计要求。同时可以观察到H桥中各个IGBT驱动控制信号的波形，其中VT1与VT4波形相同，VT2与VT3波形相同，且两组波形互为反相且具有5us的死区延时时间，避免同时导通时环流现象的产生以对系统造成破坏。 （4）IPM自举电路调试。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。测量通过自举电路提供的上桥臂驱动电源是否正常。经测量，自举电容端电压为13.93V；自举电路桥臂电压为14.15V，驱动电源正常，符合设计要求。（5）整体调试。上述单元电路均调试通过后，在模拟盒上断开S2开关，闭合S1开关，给控制板上电。将驱动信号的占空比调整到50附近。闭合S2开关，接通H桥的直流电源，测试电机的端电压，判断是否与设计的情况复合。若一切正常，则调节占空比，使电机运转起来，并能够调速和反转，且具有软启动性能。经测试，在控制