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1、生产实习指导书直流脉宽调速系统驱动电源的设计哈尔滨工业大学(威海) 控制科学与工程系2010年12月“直流脉宽调速系统驱动电源的设计”任务书任务和意义： 生产实习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。纵观运动控制的发展历史，交、直流两大电气传动并存于各个应用领域。由于直流电机的调速性能和转矩控制性能好，20世纪30年代起就开始使用直流调速系统。直流调速系统由最早的旋转变流机组控制，发展为用静止的晶闸管变流装置和模拟控制器实现调速，到现在由大功率开关器件组成的PWM电路实现数字化的调速，系统的快速性、可靠性、经济性不断提高，应用领域不断扩展。尽管目前对交流系统的研究比较
2、“热门”，但是其控制性能在某些方面还达不到直流PWM系统的水平。直流PWM控制技术作为一门新型的控制技术，其发展潜力还是相当大的。而且，直流PWM技术是电力电子领域广泛采用的各种PWM技术的典型应用和重要基础，掌握直流PWM技术对于学习和运用交流变频调速中SPWM技术有很大的帮助和借鉴作用。技术指标：被控直流永磁电动机参数：额定电压24V，额定电流1.5A，额定转速3000rpm。驱动系统的调速范围：大于1：1000设计内容：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
3、电路的设计（指以SG3525为核心的脉宽调节电路）。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）。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报告及焊装和调试完毕的控制电路板。时间安排：(学时安排为3周)l 第1阶段布置任务和电路设计：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。（详见附录1 设计指南）。之后开始电路设计工作。l
4、第2阶段电路板焊装和调试在指定时间提交电路图，教师审查设计方案，发放器件和装焊工具，并答疑。器件和工具领取后，在实验室完成电路板的焊装工作。其后，在指定时间到实验室调试已装焊好的电路板，并完成相关测试和记录（可分几次来调试，总的调试时间为每组8学时）。（详见附录2 焊装指南和附录3 调试指南）l 第3阶段撰写设计报告具体参见生产实习进度安排表考核方法： 由二部分成绩组成：电路调试：60分设计报告：40分设计报告要求：依据“生产实习报告”（电子文档）的模板格式撰写。内容应包括：1）主电路设计说明2）控制电路设计说明3）调试过程的详细记录及实验结果讨论（说明是否达到设计指标的要求）该部分中应包括对
5、实验结果（如所观测和记录的波形）的分析和解释等详细内容。4）附录：生产实习进度安排表、主电路和控制电路原理图参考资料：1）电力电子技术教材及补充教材（直流脉宽调速）。2）电力电子实验台（直流脉宽调速部分）使用说明书（电子文档）。3）IPM模块PS21564使用说明书及参考资料（电子文档）。4）SG3525使用说明书及参考资料（电子文档）。5）LM2575使用说明书及参考资料（电子文档）。6）74LS04说明书（电子文档）。7）主电路原理图（附录5）。附录1：设计指南直流脉宽调速（直流PWM）驱动电源的原理框图如图1。在结构上分为两部分：主回路和控制回路。图1 直流PWM电路结构示意图1主电路二
6、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或的直流电压。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。（针对本设计的特点，即小功率直流PWM调速，在实际工程中，一般采用P. MOSFET构成H桥，本设计中为了让大家了解和掌握IPM的特点和使用方法，所以指定采用PS21564作为主电路）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
7、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。主电路作为电能变换的功率平台已事先做好，因此主电路部分只需要进行理论设计，而不用实际制作。2控制电路SG3525的13脚输出占空比可调（通过改变2脚电压）的脉冲波形（占空比调节范围不小于0.10.9），同时频率可通过充放电时间的不同而改变。经过RC移相后，输出两组互为倒相，死区时间为5S左右的脉冲，经过光耦隔离后，分别驱动四只功率器件，其中V1、V4驱动信号相同，V2、V3驱动信号相同。控制电路中的所有部分都需要进行设计、焊装和调试，因此
8、控制电路是本生产实习中的核心内容。控制电路部分的设计要求如下：1）在设计SG3525外围电路时，应采用该集成芯片的DIP封装形式。脉冲的频率定为5KHz（是根据IPM中IGBT的开关速度而确定的），设定频率的电阻可采用电位器，以便于调试。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），以达到01.0的占空比调整范围，如图2所示。注：指定SG3525的5脚CT端外界振荡电容为0.02F。图2 SG3525输出的接法2）为防止同一桥臂，上下两管在驱动信号翻转时出现瞬
9、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5S左右的开通延时。这部分电路中的门电路采用6反向器74LS04；移相环节中的R和C的取值，应根据5S的延迟时间来计算，其中R可采用电位器，以便于调试。注：指定移相电路中C的取值为0.01F。3）IPM中集成了功率器件的驱动电路，因此在控制电路中不需要设计驱动电路；而且为了简化设计，隔离环节也取消。IPM模块控制部分的接口信号中除了H桥中4个器件的驱动信号外，还应提供集成在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的驱动电源采用单电源的自举式供电，详细设计可参考IPM
10、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。4）应设计一个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LM2575TADJ系列开关稳压集成电路，将主电路的直流母线电压作为输入，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。附录2：焊装指南在设计工作完成，电路图通过指导教师的审查之后，每设计小组应在进入实验室调试之前，领取实验板、器件和焊接工具等，在寝室或其它地点完成焊装工作。注意
11、：由于实验室为各组提供的调试时间十分有限，请务必在进入实验室调试前，完成控制电路板的全部焊装工作，并对电路连接关系进行充分的检验，以保证其后调试工作的效果。调试时应携带本组的所有焊装工具，以便对电路进行必要的修正；调试结束后应立即将工具交还实验室，以便后面的同学能够及时领到工具。焊装控制电路的电路板采用通用板，如图3所示。图3 通用电路板板四周有4个固定孔，可装入铜柱将板子架起，便于装焊操作。J3 和J6、J7为预装在电路板上的接插件，用于连接主电路上的电源和信号，各接口的具体引脚定义详见附录4主电路原理图。三个插件的1号引脚均在最左端，如图3所示。在正式装焊之前应根据原理图进行合理的器件布局
12、和布线规划，保证控制电路的制作质量，并兼顾美观和调试的便利。注：电路板较大，建议按照电路功能分区安装器件，以便于调试。需特殊说明的有以下几点：1）在焊接时集成芯片SG3525和74LS04都是只将管座焊在板子上，到实验室调试时，向教师领取该芯片，插在管座上进行调试。调试完毕后，将其从管座上拔下，归还实验室，供下一组同学使用。2）LM2575T的封装形式为5脚TO-220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，将该器件插在管座得15脚上。其它阻容等器件可直接焊在板子上。所有器件之间应根据原理图用导线连接起来。对于要测试的管脚可用单独
13、的导线联出来，以便于用示波器测试。注：焊接时器件管脚留长一些，便于拆卸和移动。附录3：调试指南直流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，并将主电路板上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，主电路和控制电路中所有可接触部分的电压均在30V以下，不会出现电击现象，同学们可放心调试。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4所示。图4 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5所示。在主电路中的作用如图6所示。S1用于开关总电源，L1为其上电指示。S2用于接通或断
14、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。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5 调试盒的面板图6 主电路原理示意图控制板的调试步骤如下：1）先调试控制板上的稳压电路。步骤是：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，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，直到在稳压电路的输出部分获得所需15V
15、直流电压。2）接下来调试脉宽调制信号发生电路。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。然后调节相应电位器，获得频率为5KHz，占空比可在01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。首先将74LS06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，两路驱动信号之间有5S的开通延时，或着说存在5S的死区。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。测量通过自举电路提供的上桥臂驱动电源是否正常。5）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，判断是否与设想的情况复合。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。 注意：在整个调试过程中，如系统各部分均正常，电流表上的电流指示值应在0.2A（0.5 A）以内，如发现电流表上的电流指示值超
