哈工大课程设计说明书可逆直流PWM驱动电源的设计.docx
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哈工大课程设计说明书可逆直流PWM驱动电源的设计
HarbinInstituteofTechnology
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：
班级：
设计者：
学号：
指导教师：
设计时间：
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）：
专业：
班号：
任务起至日期：
2016年06月11日至2016年06月16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（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）。
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）
●第1周：
全体开会，布置任务，组成设计小组（每组2-3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。
●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：
电路原理设计：
电路焊接：
电路调试：
数据整理与记录：
课程报告撰写：
指导教师签字
2016年06月日
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
1.主电路设计说明
1.1主电路设计基本结构
主电路基本结构由整流电路和逆变电路构成，基本设计结构如下图所示。
图1直流PWM驱动电源的主电路原理图
1.2整流部分设计
整流部分由变压器降压模快和整流桥整流模快构成。
1.2.1变压器选择
由于直流电机额定电压20V，额定电流为1A，考虑到二次侧电压经过整流桥和逆变桥的两个IGBT通态压降（2V-3V）以及电路电阻损耗，又因为整流桥输出电压是变压器副边的输入电压的1.1倍左右，因此取变压器副边电压为24V，由此得到变压器的变压比N1：
N2=5:
1。
变压器副边电流一般是直流负载的1.5-1.8倍，由此取副边电流2A，因此变压器的额定功率为48W，即取50W或者100W即可。
1.2.2整流模快设计
整流模快采用4个二极管集成在一起的整流桥模块，由于电机的额定电流为1A，因此每个二极管的正向导通电流有效值为0.7A，采用IN4001硅整流管，其正向导通电流最大值为1A，正向最大导通电压50V。
对于整流桥滤波电容的选择，RC=（3~5）T/2，R=U/I=20/1=20，T=1/f=0.02s，解得C=1.5-2.5mF，可选用3mF的电解电容。
1.3逆变部分设计
由于本设计采用双极性PWM控制，逆变的原理图如下
图2逆变桥原理图图3逆变桥控制信号
可见当VI，V4同时导通时电压为正，V2，V3同时导通时电压为负，通过改变控制信号的占空比控制直流输出电压的正负和大小（占空比50%时电压为0）。
本设计未采用独立的IGBT斩波桥，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。
该模块需要上下桥臂的电源驱动信号以及导通控制信号，这将在之后的控制电路部分给出。
图4IPM功率模块的原理图
2.控制电路设计说明
2.1控制电路基本结构设计
利用SG3525脉冲调制芯片输出占空比可调直流PWM脉冲，作为IPM功率模块的IGBT导通控制信号；利用LM2575线性稳压器为SG3525脉冲调制芯片提供15V稳压电源，同时该电压作为自举电路的输入，为IPM功率模块的IGBT提供驱动电源。
直流PWM控制信号
15V电压
IGBT驱动电源信号
图5控制电路原理框图
2.2LM2575及其外围电路设计
LM2575及其外围电路原理图如下所示
图6LM2575及其外围电路原理图
LM2575输入采用直流母线电压，滤波电容Ci为100uF/35V，用来过滤直流母线电压的高频谐波；输出端反向并联一个稳压二极管IN5819，用于防止反向电压过大而损坏电路；输出端串联一个330uH平波电抗器，用于减小电流脉动；经过平波电抗器的信号并联一个330uF/35V的大滤波电容Co，减少输出直流电压脉动；输出电压经过负反馈到输入端，改变电位器的阻止即可改变反馈电压，从而改变最终输出电压。
将输出电压分别串联一个DIP开关和一个100uF/35V的旁路电容，从而实现输出可关段，电容用于在开关产生动作时充放电从而缓冲瞬时电压，起软开关的作用。
将DIP开关接通，调节电位器，令DIP开关的输出端电压为15V，LM2575及其外围电路设计完成。
图7LM2575及其外围电路参数图
2.3SG3525及其外围电路设计
SG3525的电路原理图如下所示
图8SG3525的电路原理图
15端接入15V电源电压，16端输出一个5V的参考电压，作为内部的TTL门电路的驱动电压，同时可作为外部5V的输出电压（千万不能短接，会导致该端口损坏从而内部TTL电路被损坏，导致整个芯片损坏）；oscillator模块是一个震荡电路，用于产生震荡脉冲信号，其震荡频率需要靠外接的电容电压调节；连接5,7和9,1端，同时将16端参考电压反馈到误差放大器的2端口，如此即可输出直流PWM脉冲信号；脉冲的频率定为5KHz（是根据IPM中IGBT的开关速度而确定的，注：
指定SG3525的5脚CT端外接振荡电容为0.02μF）。
由于SG3525输出的两路脉冲是互补形式，在本设计中其输出并联使用（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0～1.0的占空比调整范围。
SG3525的8管脚接电容，以实现软启动功能。
具体电路参数如下图所示。
图9SG3525及其外围电路设计
P3和c1用于调节脉冲频率为5KHZ，P2用于调节脉冲的占空比，c1起稳压和滤波作用，减少因电压冲击对输入的影响，R4为上拉电阻。
2.4脉冲分配和延时电路的设计
SG3525输出脉冲经过RC移相后，输出两组互为倒相脉冲，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。
为防止同一桥臂，上下两管在驱动信号翻转时出现瞬时直通现象，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5μS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5μS的延迟时间来计算，其中R可采用电位器，以便于调试。
移相电路中C的取值为0.01μF，二极管选用IN4148，采用5K的电位器，由于T=-RCln[（E-V）/E]，取E=5V（输入电压）,V=1V（电容两端要达到的电压）,可解得T=11.157us，因此调节电位器可实现5us的延时。
图10脉冲分配和延时电路的设计
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。
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。
自举电路中的二极管建议选用IN5819，实现单向导电。
自举电容采用容量为1uF/25V，在驱动电路关断时自举电容充电，在开通时自举电容作为电压源提供电流，减少因负载效应而引起的驱动电压降低。
自举电路模块如下所示。
图11自举电路
2.5控制电路和主电路的连接
控制电路和主电路的连接图如下所示，在图中，J3和J6、J7为预装在电路板上的接插件，J3用于连接主电路上的直流输入电源，J6和J7用于连接IPM的驱动控制信号，各插座的引脚定义详见附录4主电路原理图。
图12控制电路和主电路的连接图
3.调试过程及结果分析
3.1H型双极模式可逆直流PWM驱动电源的调试
1）先调试控制板上的15V稳压电源电路。
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，使稳压电路的输出为所需15V直流电压。
图1315V稳压电源调试
2）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0～1之间调节的脉宽调制信号。
图14占空比为50%和小于50%的输出PWM脉冲
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，使两路驱动信号之间有5μS的开通延时，或者说存在5μS的死区。
图15脉冲分配和延时电路的波形调试（经调试存在5μS的开通延时）
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。
用万用表测量，输出端电压约15V。
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。
3.2驱动负载电路的测试结果与分析
2.1纯电阻负载的测试结果与分析
负载输入接入负载端口3和5，测试纯电阻负载特性。
图15负载端口接线示意图
1）占空比的有效调节范围，及所对应的输出电压平均值的变化范围。
图16占空比最小和最大时负载电压波形
可见，占空比的调节范围大致在0.1-1区间，相对应的电压平均值的变化范围是-25.3V-29.8V。
2）负载电压和电流的波形
图17电压均值分别为负和正时负载电压和电流的波形
上图占空比小于50%，平均电压为-15.7V，峰峰值66.4V，电流波形与电压波形相似。
下图占空比大于50%，平均电压为19.7V，峰峰值65.6V，电流波形与电压波形相似。
电压电流波形体现双极性特点
3）直流母线上电压和电流的波形
图18电压均值分别为负和正时直流母线电压和电流的波形
上图占空比小于50%，平均电压为6.15V，峰峰值33.2V，电流为直流。
下图占空比大于50%，平均电压为24.3V，峰峰值35.2V，电流为直流。
分析：
电压由于延时和斩波变成了脉冲波形，电流由于输出到负载的电压为直流，因此对于纯电阻电路来说电流也为直流
4）H桥中各个IGBT驱动控制信号的波形
图19电压均值分别为负和正时H桥中各个IGBT驱动控制信号的波形
上图占空比小于50%，下图占空比大于50%，可以看出上下桥臂信号之间存在明显的延时开通。
2.2直流电机负载的测试结果与分析
负载输入接入负载端口1和4，测试直流电机负载特性。
1）占空比的有效调节范围，及所对应的输出电压平均值的变化范围。
图20占空比最小和最大时负载电压波形
可见，占空比的调节范围大致在0-1区间，相对应的电压平均值的变化范围是-22V-22.9V。
2）负载电压和电流的波形
图21电压均值分别为负和正时负载电压和电流的波形
上图占空比小于50%，平均电压为-14V，峰峰值62V，电压为有点畸形的脉冲，电流波形近似正弦波。
下图占空比大于50%
电压电流波形体现双极性特点
3）直流母线上电压和电流的波形
图22电压均值分别为负和正时直流母线电压和电流的波形
上图占空比小于50%，平均电压为6.35V，峰峰值32.0V，电流为直流脉动。
下图占空比大于50%，平均电压为19.7V，峰峰值32.0V，电流为直流脉动。
分析：
电压由于延时和斩波变成了脉冲波形，电流由于输出到负载的电压为直流，因此对于直流电机负载电路来说由于电机中电感的存在电流为直流脉动波形。
4）H桥中各个IGBT驱动控制信号的波形
图23电压均值分别为负和正时H桥中各个IGBT驱动控制信号的波形
上图占空比小于50%，下图占空比大于50%，可以看出上下桥臂信号之间存在明显的延时开通。
4.收获和体会
通过这次电力电子课程设计，不仅让我巩固了以前在电力电子课本中所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
比如对于双极性PWM调速系统的更深的认识，还有调试电路的知识。
在老师的指导下，我知道了调试电路最有效的方法就是分模块调试，这样不仅可以提高效率，而且能够在电路出现问题时缩小问题范围。
另外，我认识到理论和实践是有一定差别的，所以在实际操作的过程中要注意总结这些不同，对于以后的学习和工作将会有很大的帮助。
在本次课程设计的过程中遇到了很多问题，同时也发现自己的不足之处。
比如在刚开始设计原始电路时，由于对于所学过的知识理解不够深刻，同时对于所用到的芯片不熟悉，所以花费了很长时间才完成电路的设计。
在调试过程中，一开始无法得到正确的PWM波形，后来通过仔细的检查才发现问题所在。
紧接着，信号分配电路又出了问题，检查后发现原来是没有给芯片供电，这是个很低级的错误，但是由于我们的粗心却犯了这个错误，所以我更加认识到设计的过程中要格外仔细，保持谨慎的态度。
通过本次课程设计，让我认识到理论与实际相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
最后，感谢这次课程设计过程中实验指导老师吕瑞峰老师和国海峰老师在我们遇到问题时提供的帮助，谢谢你们！
附录
DIPIPM内部电路
74LS04，74LS00内部电路
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