可逆直流PWM驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)

1、Harbin Institute of Technology課程設(shè)計(jì)說明書（論文）課程名稱：電力電子技術(shù) 設(shè)計(jì)題目：可逆直流PWM驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)院 系：電氣工程系 班 級(jí)：1006111，1006151，1006112 設(shè) 計(jì) 者：甘磊，李棟，任留陽 學(xué) 號(hào)：1100610114，1100610125，1102800123 指導(dǎo)教師：國(guó)海峰，呂瑞峰，趙克 設(shè)計(jì)時(shí)間：2012年06月 哈爾濱工業(yè)大學(xué)教務(wù)處哈爾濱工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 姓 名： 院 （系）：電氣工程 專 業(yè)： 班 號(hào)： 任務(wù)起至日期： 2012 年 06 月 25 日至 2011 年 07 月 10 日 課程設(shè)計(jì)題目： 可逆直流P

2、WM驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì) 已知技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)要求： 課程設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)的脈寬調(diào)速（直流PWM）驅(qū)動(dòng)電源。DC-DC變換器采用H橋形式，控制方式為雙極性（或單極性，根據(jù)具體題目而定）。被控直流永磁電動(dòng)機(jī)參數(shù)：額定電壓20V，額定電流1A，額定轉(zhuǎn)速2000rpm。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)速范圍：大于1：100，電機(jī)能夠可逆運(yùn)行。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)具有軟啟動(dòng)功能，軟啟動(dòng)時(shí)間約為2s。 工作量：1）主電路的設(shè)計(jì)，器件的選型。包括含整流變壓器在內(nèi)的整流電路設(shè)計(jì)和H橋可逆斬波電路的設(shè)計(jì)(要求采用IPM作為DC/DC變換的主電路，型號(hào)為PS21564)。2）PWM控制電路的設(shè)計(jì)（指以SG3525為核心的脈寬調(diào)制電

3、路和用門電路實(shí)現(xiàn)的脈沖分配電路）。3）IPM接口電路設(shè)計(jì)（包括上下橋臂元件的開通延遲，及上橋臂驅(qū)動(dòng)電源的自舉電路）。4）DC15V 控制電源的設(shè)計(jì)（采用LM2575系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路，直接從主電路的直流母線電壓經(jīng)穩(wěn)壓獲得）。2人組成1個(gè)設(shè)計(jì)小組，通過合理的分工和協(xié)作共同完成上述設(shè)計(jì)任務(wù)。設(shè)計(jì)的成果應(yīng)包括：用PROTEL繪制的主電路和控制電路的原理圖，電路設(shè)計(jì)過程的詳細(xì)說明書及焊裝和調(diào)試通過的控制電路板。 工作計(jì)劃安排： (學(xué)時(shí)安排為1周，但考慮實(shí)驗(yàn)的安排，需分散在2周內(nèi)完成)l 第1周：全體開會(huì)，布置任務(wù)，組成設(shè)計(jì)小組（每組2人），會(huì)后設(shè)計(jì)工作開始。答疑，審查設(shè)計(jì)方案，發(fā)放器件和裝焊工具。完

4、成焊裝工作。l 第2周每人12學(xué)時(shí)到實(shí)驗(yàn)室調(diào)試已裝焊好的電路板，并完成相關(guān)測(cè)試和記錄。撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。 同組設(shè)計(jì)者及分工： 指導(dǎo)教師簽字 2012 年 07 月 10 日 教研室主任意見： 教研室主任簽字_ 年 月 日*注：此任務(wù)書由課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師填寫哈爾濱工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書（論文）1 主電路設(shè)計(jì)說明1.0 主電路設(shè)計(jì)二極管整流橋把輸入的交流電變?yōu)橹绷麟?。四只功率器件?gòu)成H橋，根據(jù)脈沖占空比的不同，在直流電機(jī)上可得到正或負(fù)的直流電壓。主電路作為電能變換的功率平臺(tái)已事先已經(jīng)由學(xué)校做好做好，因此主電路部分只需要進(jìn)行理論設(shè)計(jì)，而不用實(shí)際制作。1.1 整流電路設(shè)計(jì)整流電路采用二極管整流電路，如圖1

5、所示。它將輸入的24V交流電變?yōu)橹绷麟?。其中?4V交流電由220V市電經(jīng)過工頻變壓器變換而來，保證了主電路各處的電壓均在人體安全電壓范圍內(nèi)。濾波電路則采用電容器濾波，能得到相對(duì)平滑的直流電。根據(jù)電容濾波的單相不可控整流電路相關(guān)理論知識(shí)可以計(jì)算出整流輸出電壓：Ud=0.92U2=21.634.0V實(shí)際數(shù)值要視負(fù)載大小以及電容參數(shù)而定。整流電路采用4個(gè)二極管集成在一起的整流橋模塊。二極管承受反向最大電壓Udm=2U2=34V,考慮3倍裕量，則有反向重復(fù)峰值電壓為：URRM=3Udm=102V濾波電容的選取一般根據(jù)放電的時(shí)間常數(shù)計(jì)算，負(fù)載越大，要求紋波系數(shù)越小，一般不做嚴(yán)格計(jì)算。因該系統(tǒng)負(fù)載不大，

6、故取470uF/100V即可。關(guān)于24V交流電的由來，可以由IGBT通態(tài)壓降、直流電機(jī)的額定電壓確定，即U2= Ud1.2=20+2×21.2=20V考慮到實(shí)驗(yàn)測(cè)試用防直通限流電阻壓降和整流二極管通態(tài)壓降，取U2=24V電機(jī)的額定電流為1A，因此變壓器副端電流約為I2=UdInU2=24×1.2×124=1.2A式中取Ud=1.2U2變壓器副端電流約為I1=U2I2U1=24×1.2220=0.13A由此作為設(shè)計(jì)變壓器的依據(jù)。圖1 主電路原理設(shè)計(jì)圖1.2 H橋可逆斬波電路設(shè)計(jì)可逆斬波電路中的H橋不采用分立元件，而是選用IPM（智能功率模塊）PS21564

7、來實(shí)現(xiàn)。由圖2可以看出，該模塊含有六只三對(duì)IGBT，主電路為三相逆變橋，在本設(shè)計(jì)中只采用其中U、V兩相即可驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。圖2 IPM模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2 控制電路設(shè)計(jì)說明2.0 控制電路設(shè)計(jì)SG3525的13腳輸出占空比可調(diào)（通過改變2腳電壓）的脈沖波形（占空比調(diào)節(jié)范圍不小于0.10.9），同時(shí)頻率可通過充放電時(shí)間的不同而改變。經(jīng)過RC移相后，輸出兩組互為倒相，死區(qū)時(shí)間為5S左右的脈沖，經(jīng)過光耦隔離后，分別驅(qū)動(dòng)四只功率器件，其中V1、V4驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同，V2、V3驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同。2.1 脈寬調(diào)制電路設(shè)計(jì)采用以SG3525為核心的脈寬調(diào)制電路，其中集成芯片SG3525選擇DIP封裝形式。脈沖的頻率定為5

8、KHz（是根據(jù)IPM中IGBT的開關(guān)速度而確定的），設(shè)定頻率的電阻可采用電位器，以便于調(diào)試。根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)和使用明可以知道，輸出頻率由下式?jīng)Q定(5、7腳短接，放電電阻Rd = 0)：fs=1CT(0.7RT+3Rd)=10.7RT×CT（注：指定SG3525的5腳CT端外接振蕩電容為0.1F）。由于SG3525輸出的兩路脈沖是互補(bǔ)形式，在本設(shè)計(jì)中其輸出應(yīng)并聯(lián)使用（即11，14管腳短接，從13管腳通過外部上拉電阻輸出V1、V4驅(qū)動(dòng)脈沖，利用后續(xù)門電路反相后再驅(qū)動(dòng)V2、V3），以達(dá)到01.0的占空比調(diào)整范圍，如圖3所示。SG3525的8管腳接電容，以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能。軟起動(dòng)時(shí)間可按下式來

9、計(jì)算：Tsoft=0.06C1uFs由兩秒的軟起動(dòng)時(shí)間可以確定軟起動(dòng)電容器取33uF.圖3 脈寬調(diào)制電路原理設(shè)計(jì)圖2.2 脈寬分配電路設(shè)計(jì)本次課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)采用H型雙極模式可逆直流PWM控制方式，開關(guān)管的控制方式如圖4所示。在該模式下，2個(gè)橋臂協(xié)調(diào)控制，即V1、V4組和V2、V3組互補(bǔ)導(dǎo)通。通過調(diào)節(jié)電位器來調(diào)節(jié)占空比，即可調(diào)速也可改變電機(jī)方向。圖4 雙極性控制方式示意圖由前述脈寬調(diào)制電路可以產(chǎn)生一路PWM信號(hào)，為驅(qū)動(dòng)H橋逆變器，需要將此PWM信號(hào)分為兩路互補(bǔ)的PWM信號(hào)。脈寬分配電路原理如圖5所示。同時(shí)，為防止同一橋臂上下兩管在驅(qū)動(dòng)信號(hào)翻轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)瞬時(shí)直通現(xiàn)象，應(yīng)設(shè)計(jì)兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的開通延時(shí)電路。即

10、利用RC移相電路后，為每路驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生5s左右的開通延時(shí)。這部分電路中的門電路采用6反向器74LS04；移相環(huán)節(jié)中的R和C的取值，應(yīng)根據(jù)5s的延遲時(shí)間來計(jì)算，其中R可采用電位器，以便于調(diào)試。（注：指定移相電路中C的取值為0.01F，二極管建議選用IN4148。）具體而言，由SG3525產(chǎn)生的負(fù)脈沖經(jīng)過一個(gè)非門變成幅值為5V正脈沖信號(hào)，當(dāng)信號(hào)為高電平時(shí)對(duì)電容充電，而只有當(dāng)電容電壓達(dá)到非門的開啟電壓2V時(shí)，輸出才變?yōu)楦唠娖?，由此達(dá)到了延時(shí)的目的。所需延遲時(shí)間為5us，由三要素公式計(jì)算得Uct=5（1-e-tRC）由此解得RC=9.8us取C=0.01uF， R=980，取R=1K圖5 脈沖分配電路

11、原理設(shè)計(jì)圖3 IPM接口電路設(shè)計(jì)說明3.0 IPM接口電路設(shè)計(jì)DIP-IPM 是面向AC100200V 級(jí)小容量馬達(dá)變頻驅(qū)動(dòng)，采用傳遞型封裝結(jié)構(gòu)將功率電路和驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路集成于一體的小型智能功率模塊。IPM中集成了功率器件的驅(qū)動(dòng)電路，因此在控制電路中不需要設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路；而且為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，隔離環(huán)節(jié)也取消。IPM模塊控制部分的接口信號(hào)中除了H橋中4個(gè)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)外，還應(yīng)提供集成在IPM內(nèi)部的4個(gè)器件的驅(qū)動(dòng)電路的供電電源，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，上橋臂兩個(gè)器件，即V1和V3的驅(qū)動(dòng)電源采用單電源的自舉式供電。這樣整個(gè)模塊的控制部分只采用1個(gè)15V電源供電即可，而不必采用3路獨(dú)立的電源，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。（注：自舉電路

12、中的二極管建議選用IN5819。）IPM接口電路原理設(shè)計(jì)如圖6所示。圖6 IPM接口電路原理設(shè)計(jì)圖4 DC15V控制電源設(shè)計(jì)說明4.0 LM2575系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)一個(gè)DC 15V的控制電源，為SG3525及IPM模塊的驅(qū)動(dòng)電路供電。穩(wěn)壓源電路原理如圖7所示。為了減小損耗，采用LM2575T-ADJ系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路，將主電路的直流母線電壓作為輸入，通過電位器的調(diào)節(jié)，經(jīng)穩(wěn)壓后獲得15V的直流電源。LM2575T的封裝形式為5腳TO-220形式。另外TTL電路的5V工作電源可直接取自SG3525的內(nèi)部參考電源管腳。（注：濾波電路中的二極管建議選用IN5819。）圖7 DC15V

13、控制電源電路原理設(shè)計(jì)圖通過芯片的使用說明書得：V0=Vref（1+RHRL）本設(shè)計(jì)中， V0=15V, Vref=1.23V,得：RHRL=11.2實(shí)際電路RH RL使用電位器方便調(diào)試。5 調(diào)試過程及結(jié)果分析5.0 調(diào)試平臺(tái)直流PWM的主電路作為電能變換的功率平臺(tái)已事先做好，只需將控制板安放在主電路上方，同時(shí)將主電路板上J3 和J6、J7與控制板上對(duì)應(yīng)的J3 和J6、J7用排線相連，就可進(jìn)行調(diào)試。測(cè)試用主電路原理如圖8所示。圖8 測(cè)試平臺(tái)主電路原理示意圖5.1 調(diào)試步驟1）先調(diào)試控制板上的15V穩(wěn)壓電源電路。步驟是：只將控制板的J3接口與主電路板相連，J6和J7均不連接。在模擬盒上斷開S2開關(guān)

14、，閉合S1開關(guān)，控制板將通過J3接口獲得直流母線電壓。然后調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電路中的電位器，使穩(wěn)壓電路的輸出為所需15V直流電壓。2）接下來調(diào)試脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生電路。首先將SG3525插在電路板的對(duì)應(yīng)插座上。在模擬盒上斷開S2開關(guān)，閉合S1開關(guān)，給控制板上電。然后調(diào)節(jié)相應(yīng)電位器，獲得頻率為5KHz，占空比可在01之間調(diào)節(jié)的脈寬調(diào)制信號(hào)。3）調(diào)試兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的開通延時(shí)電路。在模擬盒上斷開S2開關(guān)，閉合S1開關(guān)，給控制板上電。然后調(diào)節(jié)相應(yīng)電位器，使兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間有5S的開通延時(shí)，或者說存在5S的死區(qū)。4）測(cè)試IPM中上橋臂驅(qū)動(dòng)電源的自舉電路。將控制板的J6和J7接口與主電路板相連。在模擬盒上斷開S2開關(guān)，

15、閉合S1開關(guān)，給控制板上電。測(cè)量通過自舉電路提供的上橋臂驅(qū)動(dòng)電源是否正常。5）上述單元電路均調(diào)試通過后，在模擬盒上斷開S2開關(guān)，閉合S1開關(guān)，給控制板上電。將驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比調(diào)整到50附近。閉合S2開關(guān)，接通H橋的直流電源，測(cè)試電機(jī)的端電壓，判斷是否與設(shè)計(jì)的情況復(fù)合。若一切正常，則調(diào)節(jié)占空比，使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)起來，并能夠調(diào)速和反轉(zhuǎn)，且具有軟啟動(dòng)性能。 5.2 測(cè)試結(jié)果分別在純電阻負(fù)載（圖11中接端子3和5）和電機(jī)負(fù)載（圖11中接端子4和1）下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行如下的測(cè)試。測(cè)試用負(fù)載電路原理如圖9所示。圖9 電試用負(fù)載電路原理如圖1）占空比的有效調(diào)節(jié)范圍，及所對(duì)應(yīng)的輸出電壓平均值的變化范圍。實(shí)驗(yàn)測(cè)得占空比的有

16、效調(diào)節(jié)范圍為2%到95%，對(duì)應(yīng)負(fù)載電壓為：電機(jī)負(fù)載從-16.5V到16.5V，電阻負(fù)載從-27V到27V.2）負(fù)載電壓和電流的波形，電流波形在與電機(jī)串連的取樣電阻上獲得。圖10 電機(jī)負(fù)載電壓電流波形（占空比約50%）可以看出電壓和電流平均值均為零，電機(jī)不轉(zhuǎn)圖11 電機(jī)負(fù)載電壓電流波形（占空比約10%）可以看出電壓和電流平均值均為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)圖12 電機(jī)負(fù)載電壓電流波形（占空比約80%）可以看出電壓和電流平均值均為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)圖13 電阻負(fù)載電壓（電流）波形（占空比約40%）由于是電阻負(fù)載，電壓和電流波形相同，一組開關(guān)管導(dǎo)通則為正，另一組導(dǎo)通則為負(fù)，處于死區(qū)都不導(dǎo)通則為零。且狀態(tài)變化幾乎沒有過渡

17、過程，上升下降時(shí)間極短。3）H橋中各個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的波形，要求在同時(shí)觀察和記錄各驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的波形。圖14 兩組互補(bǔ)的IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)（死區(qū)約5us）兩路PWM信號(hào)互補(bǔ)，且不能同時(shí)為正（即有死區(qū)），避免了直通5.3 問題思考問題1：雙極性PWM控制時(shí)如何生成基極驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)？答：采用以SG3525為核心的脈寬調(diào)制電路，可以產(chǎn)生頻率及占空比可調(diào)的PWM脈沖，經(jīng)過脈沖分配延時(shí)電路后成為帶有死區(qū)的兩路互補(bǔ)的PWM信號(hào)，再經(jīng)由由自舉電路升驅(qū)動(dòng)四個(gè)兩組IGBT基極。具體驅(qū)動(dòng)控制方式見圖4所示。問題2：?jiǎn)螛O性（同頻）PWM控制時(shí)電動(dòng)機(jī)如何反轉(zhuǎn)？答：雖然我們做的是雙極性控制，但對(duì)單極性控制也相當(dāng)了解

18、。通過撥碼開關(guān)即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。因?yàn)榘ㄩ_關(guān)在內(nèi)的邏輯電路決定了4個(gè)IGBT中那一組橋臂在轉(zhuǎn)向不變時(shí)常開/閉、哪一組是交替導(dǎo)通以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。兩組控制信號(hào)對(duì)調(diào)時(shí)即實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)，而撥碼開關(guān)在此邏輯電路中起的作用就是這樣。問題3：脈沖分配電路如何設(shè)計(jì)？延時(shí)導(dǎo)通電路的作用？為什么采用開關(guān)型集成穩(wěn)壓電路？答：具體見圖5所示。因?yàn)轵?qū)動(dòng)信號(hào)需要兩路互補(bǔ)的PWM波，因此利用反相器獲得反相的PWM波。延時(shí)導(dǎo)通電路的作用是為上述兩路互補(bǔ)的PWM波添加死區(qū)以防止橋臂直通。采用開關(guān)型集成穩(wěn)壓電路可以產(chǎn)生高質(zhì)量的穩(wěn)定直流電，為后續(xù)PWM產(chǎn)生與控制芯片SG3525提供可靠15V電源線，同時(shí)減少損耗。問題4：LM2575-ADJ

19、如何調(diào)節(jié)輸出電壓？輸出濾波器件參數(shù)的選?。看穑喝鐖D6所示，通過調(diào)節(jié)外圍電位器比值即可實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)定直流電壓大小的調(diào)節(jié)。輸出濾波器件參數(shù)的選取可參照數(shù)據(jù)手冊(cè)和典型電路，以輸出電壓大小為依據(jù)選擇。6 收獲和體會(huì)雖然這次課程設(shè)計(jì)只有短短的四天，卻讓我們收獲了許多課堂上學(xué)不到的東西。一方面，我們學(xué)會(huì)了如何將從書本上學(xué)到的知識(shí)應(yīng)用到工程實(shí)踐中，如H橋雙極性PWM控制方式的實(shí)現(xiàn)，這使我們?cè)趯?duì)理論知識(shí)有了更深刻認(rèn)識(shí)的同時(shí)，也懂得了如何將電力電子技術(shù)與電機(jī)控制技術(shù)結(jié)合在一起；另一方面，對(duì)于軟件和硬件的操作也更加熟練和得心應(yīng)手，如用軟件繪制電路原理圖、焊接并調(diào)試硬件電路。此外，由于課程設(shè)計(jì)的過程涉及了SG3525

20、、LM2575和IMP等芯片的使用方法，我們的自己動(dòng)手查找資料解決問題的能力也得到了提升。而且，本次課設(shè)還為大家提供了一個(gè)結(jié)識(shí)新同學(xué)的機(jī)會(huì)，鍛煉了溝通能力以及作為一個(gè)團(tuán)隊(duì)分工合作共同完成任務(wù)的能力。本次課設(shè)的主要流程分為以下幾個(gè)部分。首先是電路原理圖的設(shè)計(jì)。根據(jù)課題的要求以及給定的芯片，我們需要對(duì)電路的直流15V穩(wěn)壓電源部分（使用LM2575-ADJ）進(jìn)行設(shè)計(jì)、對(duì)PWM產(chǎn)生及控制電路（使用SG3525）進(jìn)行設(shè)計(jì)、對(duì)脈沖分配及死區(qū)設(shè)置電路進(jìn)行設(shè)計(jì)、對(duì)驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的自舉電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后還要設(shè)計(jì)主電路中IPM芯片的接口電路。雖然不用實(shí)際做主電路，但是為了實(shí)現(xiàn)整體的功能以及設(shè)計(jì)控制電路的需要，也必須理解主電路的電路結(jié)構(gòu)以及IPM芯片的使用方法。為此，我們的第一步工作就是先構(gòu)設(shè)出整體框架，然后結(jié)合老師提供的豐富的資料進(jìn)行理論學(xué)習(xí)，所謂磨刀不誤砍柴工，最后根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)和使用說明等資料設(shè)計(jì)以上各功能部分的電路圖，同時(shí)計(jì)算所用元器件的參數(shù)，兼顧考