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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：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：0806153 设 计 者：xxx 学 号：1080610xxx 指导老师：xxx 设计时间：201x年x月 哈尔滨工业高校教务处哈尔滨工业高校课程设计任务书姓 名： xxx 院 （系）：电气学院 专 业： 电气工程及其自动化 班 号：0806153 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
2、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变换器采纳H桥形式，限制方式为双极性。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(要求采纳IPM作为DC/DC变换的主电路，型号为PS21564)。2）PWM限制电路的设计（指以SG3525为核心的脉宽调制电路和用门电路实现的脉冲安排电路）。3）IPM接口电路设计（包括上下桥臂元件的开通延迟，
3、及上桥臂驱动电源的自举电路）。4）DC15V 限制电源的设计（采纳LM2575系列开关稳压集成电路，干脆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绘制的主电路和限制电路的原理图，电路设计过程的具体说明书及焊装和调试通过的限制电路板。 工作支配支配：(学时支配为1周，但考虑试验的支配，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2人），会后设计工作起先。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学时到试验室调试已装焊好的电路板，并完成相关测试和记录。撰
4、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。 指导老师签字 2011 年 06 月 28 日 教研室主随看法： 教研室主任签字_ 年 月 日哈尔滨工业高校课程设计说明书（论文）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。具体设计要求见附录2.1. 整体方案设计
5、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限制电路，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。限制原理如图1所示：图1 直流PWM驱动电源的限制原理框图脉宽调制电路以SG3525为核心，产生频率为5KHz的方波限制信号，占空比可调。经用门电路实现的脉冲安排电路，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，限制直流永磁电动机。稳压电源采纳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 限制板器件清单2. 主电路设计2.1 主电路
6、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）整流部分采纳4 个二极管集成在一起的整流桥模块。2）斩波部分H 桥不采纳分立元件，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，在本设计中只采纳其中U、V 两相即可。图2 主电路图3）在主电路设计中，应依据负载的要求，计算出整流部分的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据。该电路的整流输出电
7、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纳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：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。2.3 H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，只运用其中的U、V两相即可。3. 限制电路设计本设计利用SG3525的13脚输出占空比可调，
8、占空比调整范围不小于0.10.9的脉冲信号，经过移相后，输出两组互为倒相，死区时间为5S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设计中运用SG3525产生须要的脉冲信号。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，可以通过调整滑动变阻器的阻值使脉冲的频率为设计要求的5kHz。依据芯片手册公式计算可得当R=15K、C=0.02uF时，输出频率为5kHz，为使调整便利选用阻值为20K的滑动变阻器。通过变更2脚输入电压的大小调整输出脉冲的占空比。为使电机具有软启动功能，在8脚须要接电容。依据芯片手册软启动时间和电容大小的关系：60ms
9、/uF。要使电机软启动为2s，则所选的电容为33uf。在输出端，13须要上拉电阻与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脉冲安排电路的设计本设计采纳的是双极性PWM驱动。由SG3525产生的脉冲经过一个非门变成0V、5V信号，当信号为高电平常对电容充电，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。为了调整便利选择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。脉冲安排电路如
10、图4所示：图4 脉冲安排电路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 的驱动电源采纳单电源的自举式供电，具体设计可参考IPM 的设计手册。这样整个模块的限制部分只采纳1 个15V 电源供电即可，而不必采纳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。图5 自举电路3.4稳压电源设计设计一个DC 15V的限制电源，为SG3525及IPM模块的驱动电路供电。为了减小损耗，采纳LM2575TADJ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，通过电位器的调整，经稳压后获得15V
11、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工作电源可干脆取自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。图6 15V稳压电源电路通过查阅芯片手册知：本设计中，,得： 为便利实际电路的调试， 运用定值电阻，采纳电位器。4. 调试过程及结果分析4.1调制过程：1.调试限制板上的15V稳压电源电路：只将限制板的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，调整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
12、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，给限制板上电。然后调整相应电位器，获得频率为5KHz，占空比可在01之间调整的脉宽调制信号。3.调试两路驱动信号的开通延时电路：给限制板上电。然后调整相应电位器，视察两路驱动信号，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限制板的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，给限制板上电。5.测试电机启动状态在模拟盒上断开S2开关，闭合S1开关，给限制板上电。将驱动信号的占空比调整到50旁边。闭
13、合S2开关，接通H桥的直流电源，调整占空比使电机启动起来并随占空比的调整能够正转和反转，同时电机限制系统具有软启动功能。4.2结果分析电机负载1. 占空比的有效调整范围调整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：图11电机负载直流母线上电压波形4.H桥中各个IGBT驱动限制信号的波形：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桥驱动限制信号波形 电阻性负载1. 占空比的有效调整范围：其占空比的有效调整范围与输出电压平均值与电机负载状况时基本相同。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
