双极模式直流PWM电动机驱动电源的设计

1、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甜指导教师.陈鹏专业电气丁程及其自动化一1 .课程设计文本资料包含设计报告、任务书、指导书三部分，此中任务书、指导书由教师达成。按设计报告、任务书、指导书次序装订成册。2 .学生依据指导教师下达的任务书、指导书达成课程设计工作。3 .设计报告内容建议主要包含：设计概括、设计原理、设计方案剖析、软硬件详细设计、调试剖析、总结以及参照资料等内容。4 .设计报告字数应在3000-4000字，图纸设计应采纳电子画图。文字规范，正文采纳宋体、小四号，1.25倍行距。5 .课

2、程设计成绩由平常表现（30%）、设计报告（40%）和辩论成绩（30%）构成。课程设计考语及成绩汇总表成绩平常成绩报成功绩辩论成绩总评成绩课程设计考语设计概括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沟通电变为直流电。四只功率器件构成H桥，依据脉冲占空比的不一样，在直流电机上可获取正或负的直流电压。主电路作为电能变换的功率平台已预先已经由学校做好做好，所以主电路部分只要要进行理论设计，而不用实质制作。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。沟通市电220V经变压器降压后经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

3、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，依据占空比的不一样，在电机两头产生或正或负、电压值不等的驱动电压，进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同时与通和关断，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2Ubl4Ub4vTTVT4mz7B3VD3¥T4T图2双极式PWM变换器电压和电流波形在一个开关

4、周期内，当0Wt<ton时，Ub1和Ub4为正，功率场效应管VT1和VT4与通；而Ub2和Ub3为负,VT2和VT3截止。这时，+Us加在电枢AB两头,UAB=Us,电枢电流id沿回路1流通。ton<t<T时，Ub1和Ub4变负，VT1和VT4截止；Ub2、Ub3变正，但VT2、VT3其实不可以立刻与通，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极蒙受着反压，这时，UAB=Ub。UAB在一个周期内正负相问，这是双极式PWM变换器的特点，其电压、电流波形示于图3。因为电压UAB的正、负变化，使电流波形存在两种状

5、况，如图3中的id1和id2oid1相当于电动机负载较重的状况，这时均匀负载电流大，在续流阶段电流仍保持正方向，电机一直工作在第一个象限的电动状态。id2相当于负载很轻的状况，均匀电流小，在续流阶段电流很快衰减到零，于是VT2和VT3两头失掉反压，在负的电源电压（一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0wt<ton时期，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行逆但有制动电流通路的PWM变换器也差不多，如何才能反应出“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，ton>

6、;T/2,则电枢两头的均匀电压为正，在电动运转时电动机正转。当正脉冲较窄时，ton<T/2,均匀电压为负，电动机反转。假如正、负脉冲宽度相等，ton=T/2,均匀电压为零，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状况。双极式可逆PWM变换器电枢均匀端电压用公式表示为:Ud-tonUs-T10nUs-（2ton_1）UsTTT以p=Ud/Us来定义PWM电压的占空比，则P与ton的关系为：僧=2ton1T调速时，p的变化范围变为一iWpWl。当p为正当时，电动机正转；p为负值时，电动机反转；p=0时，电动机停止。在p=0时，固然电机不动，电枢两头的刹时电压和刹时电流却都不

7、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，陡然增大电机的消耗。但它的利处是使电机带有高频的微振，起着所谓“动力润滑”的作用，除去正、反向时的静摩擦死区。双极式PWM变换器的长处以下：（1）电流必定连续；（2）可使电动机在四象限运转；（3）电机停止时有微振电流，能除去静摩擦死区；（4）低速时，每个功率场效应管的驱动脉冲仍较宽，有益于保证功率场效应管靠谱导通；（5）低速安稳性好，调速范围可达20000左右。双极式PWM变换器的弊端是：在工作过程中，四个功率场效应管都处于开关状态，开关消耗大，并且简单发生上、下两管直通（即同时导通）的事故，降低了装置的靠谱性。为了防备上、下两管直通，

8、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，本设计逻辑延不时间为5us。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，开关器件的通态与通压降约为1.6V,所以有：同时由全桥整流电路（由二极管构成，触发角a=0）,有电容滤波且滤波电容选择合合时，输出电压均匀值近似取值为变压器负边电压均匀值的1.2倍，即可知由变压器能量传达可知代入数据得220VIi20VI224V1AIl,I2综合考虑在电流抵达负载以前，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

9、参数可知，图5中的整流电路的负载rl=20门。为了使整1A流电路获取较为光滑的输出，一般状况下，取放电时间常数为：-RlC(3-5)2、T电流频次50Hz时周期T=20ms,代入得d-20'C-(35)20msC可500uF：第60uF所以滤波电容能够选择容值2000UF、耐压40V左右的电解电容。1.2H桥可逆斩波电路设计可逆斩波电路中的H桥不采纳分立元件，而是采纳IPM（智能功率模块）PS21564来实现。由图4能够看出，该模块含有六只三对IGBT,主电路为三相逆变桥，在本设计中只采纳此中U、V两相即可驱动直流电机。DIP-Pt'i'35mUpH7h.-MM.季SL

10、VfCJG0T5图4IPM模块内部构造图2 控制电路设计说明控制电路设计SG3525的13脚输出占空比可调（经过改变2脚电压）的脉冲波形（占空比调理范围不小于0.10.9）,同时频次可经过充放电时间的不一样而改变。经过RC移相后，输出两组互为倒相，死区时间为5uS左右的脉冲，经过光耦隔绝后，分别驱动四只功率器件，此中V1、V4驱动信号同样，V2、V3驱动信号同样。脉宽调制电路设计采纳以SG3525为中心的脉宽调制电路，此中集成芯片SG3525选择DIP封装形式。脉冲的频次定为5KHz（是依据IPM中IGBT的开关速度而确立的），设定频次的电阻可采纳电位器，以便于调试。依据芯片数据手册和使用明能

11、够知道，输出频次由下式决定（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0.1UF）。因为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管脚经过外面上拉电阻输出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能够确立软起动电容器取33uF.图5脉宽调制电路原理设计图脉宽分派电路设计本次课程设计设计采纳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

12、该模式下，2个桥臂协调控制，即V1、V4组和V2、V3组互补与通。经过调理电位器来调理占空比，即可调速也可改变电机方向图6双极性控制方式表示图由前述脉宽调制电路能够产生一路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。脉宽分派电路原理如图7所示。同时，为防备同一桥臂上下两管在驱动信号翻转时出现刹时直通现象，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5us左右的开通延时。这部分电路中的门电路采纳6反向器74LS04;移相环节中的R和C的取值，应依据5(注：指定移相电us的延缓时间来计算，此中R可采纳电位器，以便于调试路中C的取值为0.0

13、1小，二极管建议采纳IN4148o)详细而言，由SG3525产生的负脉冲经过一个非门变为幅值为5V正脉冲信号,当信号为高电平常对电容充电，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。所需延缓时间为5uso图7脉冲分派电路原理设计图3 IPM接口电路设计说明3.0IPM接口电路设计DIP-IPM是面向AC100200V级小容量马达变频驱动，采纳传达型封装构造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，所以在控制电路中不需要设计驱动电路；并且为了简化设计，隔绝环节也撤消。IPM模块控制部分的接口信号中除了H桥中4个器

14、件的驱动信号外，还应供给集成在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的驱动电源采纳单电源的自举式供电。这样整个模块的控制部分只采纳1个15V电源供电即可，而不用采纳3路独立的电源，简化了设计。（注：自举电路中的二极管建议采纳IN5819o）IPM接口电路原理设计如图8所示。图8IPM接口电路原理设计图4DC15V控制电源设计说明4.0LM2575系列开关稳压集成电路设计需要设计一个DC15V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。为了减小消耗，采纳LM2575T-ADJ系列开关稳压集成电路，将主电路的直流母线

15、电压作为输入，经过电位器的调理，经稳压后获取15V的直流电源。LM2575T的封装形式为5脚TO-220形式。止匕外TTL电路的5V工作电源可直接取自SG3525的内部参照电源管脚。（注：滤波电路中的二极管建议采纳IN5819。LM2575T-ADJ图9DC15V控制电源电路原理设计图经过芯片的使用说明书得：系统原理图以下IuoI,%.nqr>-iiiiCinDcjc"：«4=0D304B41nL彻.Ilj*iQun8PO'ioU-J.J«t=iT图10A收获和领会固然此次课程设计只有短短的几日，却让我们收获了很多讲堂上学不到的东西。一方面，我们学会

16、了如何将从书籍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联合在一同；另一方面，关于软件和硬件的操作也更为娴熟和驾轻就熟，如用软件绘制电路原理图、并调试硬件电路。别的，因为课程设计的过程波及了SG3525、LM2575和IMP等芯片的使用方法，我们的自己着手查找资料解决问题的能力也获取了提高。课程设计任务书、指导书课程设计题目：双极模式直流I.课程设计任务书PWM电动机驱动电源的设计课程设计的内容和要求(包含原始数据、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

17、示，图1b为控制原理框图，它包含整流电路和H桥可逆斩波电路的设计。二极管整流桥把输入中通电变为直流电；4,获取不一样的E变器则依据IGBT悭动信号占空比的不一,并将其加在电动机上。A主电路图(1)整流部分采纳四个二极管构成整流桥模块；(2)逆变器部分采纳IGBT或三极管构成。该电路主要为单相逆变桥；(3)依据负载要求，计算出沟通侧输入电压和电流，作为设计整流变压器、选择整流桥和滤波电容的依照。因为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试虑在电流抵达负载以前，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

18、源。DC-DC变换器采纳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,电机能够可逆运转。驱动系统应拥有软启动功能，软启动时间约为2s。1）主电路的设计，器件的选型。包含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、课程设计参照资料1王兆安.电力电子技术.北京：机械工业第一版社,20072王芳主.电子线路Protel99SE适用教程.长沙：中南大学第一版社,20053龙志文.电力电子技术.北京：机械工业第一版社,20054陈坚编.电力电子学.北京：高等教育第一版社,20015赵炳良.现代电力电子技术基础.北京：清华大学第一版社，1995n.课程设计指导书一、课程设计重点、设计步骤用PROTEL绘制的主电路和控制电路的原理图。电路设计过程的详尽说明书及焊装。调试经过的控制电路板。二、主要技术重点的剖析、解决思路设计主