哈工大电力电子课程设计报告资料Word文档格式.docx
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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):
电气工程
专业:
电气工程及其自动化班号:
任务起至日期:
2016年06月03日至2016年6月08日
课程设计题目:
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(要求采用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)。
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:
指导教师签字
年月日
教研室主任意见:
教研室主任签字___________________
年月日
双极模式直流PWM驱动电源的设计
1.主电路设计
1.1.主电路设计要求
直流PWM驱动电源的主电路图如图1a所示,图1b为控制原理框图,它包括整流电路和H桥可逆斩波电路的设计。
二极管整流桥把输入交流电变为直流电,H桥逆变器则根据IGBT驱动信号占空比的不同,得到不同的直流电压,并将其加在电动机上。
a主电路图
b控制原理框图
图1
(1)整流部分采用四个二极管构成整流桥模块;
(2)逆变器部分采用IPM(智能功率模块)PS21564构成。
该电路主要为三相逆变桥,此处采用其中的U、V两相;
(3)根据负载要求,计算出交流侧输入电压和电流,作为设计整流变压器、选择整流桥和滤波电容的依据。
由于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。
1.2整流电路设计
整流部分采用4个二极管构成的整流桥模块。
电动机的额定电压为20V,通过查阅该型号IPM的数据手册得知,开关器件的通态压降为2V左右,可知
电压为24V,由全桥整流电路可知:
整流桥中二极管的管压降为1V,可知变压器副边电压及变压器的变比,滤波电容选择耐压40V左右,容值450uF左右。
1.H型逆变桥设计
该部分电路在IPM模块内部集成,不需要设计。
它的主电路是三相逆变桥,此处采用其中的U、V两相。
2.控制电路设计说明
SG3525的13脚输出占空比可调,占空比调节范围为0~1的脉冲信号,经过移相后,输出两组相位相反,死区时间为5μS左右的脉冲,分别驱动V1、V4和V2、V3的开通和关断。
2.1脉冲信号电路的设计
设计中使用SG3525产生需要的脉冲信号。
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,可以通过调节滑动变阻器的阻值使脉冲的频率为设计要求的5kHz。
根据芯片手册公式计算可得当R=15K、C=0.02uF时,输出频率为5kHz,为使调节方便选用阻值为20K的滑动变阻器。
通过改变2脚输入电压的大小调节输出脉冲的占空比。
为使电机具有软启动功能,在8脚需要接电容。
根据芯片手册软启动时间和电容大小的关系:
60ms/uF。
为了使电机软启动为2s,所选的电容应为33uF,同时,10脚应该接地。
在输出端,13需要上拉电阻与5V参考电平相连。
将11和14脚短接,脉冲由13脚引出。
电路图设计如图2所示:
图2脉冲产生电路
2.2脉冲分配电路的设计
本设计是双极性PWM驱动。
由SG3525产生的脉冲经过一个非门变成0V、5V信号,当信号为高电平时对电容充电,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,对应的电阻为978.8Ω。
为了方便调节,选择5K的滑动变阻器。
此电路即可产生死区时间为5us的双极性PWM调制信号。
具体脉冲分配电路如图3:
图3脉冲分配电路
2.3自举电路设计
为了简化设计,上桥臂两个器件V1和V3的驱动电源采用单电源自举式供电,这样整个模块的控制部分只需采用1个15V电源供电即可。
自举电路中的二极管选用IN5819,电容值为10uF,电阻值为5欧左右。
如图4所示。
图4自举电路
2.4稳压电源设计
设计一个直流15V的控制电源,为SG3525及IPM模块的驱动电路供电。
为减小损耗,采用LM2575T-ADJ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。
TTL电路的5V工作电源可以直接取自SG3525的内部参考电源管脚。
滤波电路中的二极管选用IN5819。
如图5所示。
图515V稳压电源电路
查阅芯片手册知:
可得:
为使电路方便调试,
使用定值电阻,
使用电位器。
3调试过程及结果分析
3.1调过试程:
(1).控制板上的15V稳压电源电路的调试
将控制板的J3接口与主电路板相连,J6和J7都不连接。
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,调节稳压电路中的电位器,使稳压电路的输出为15V直流电压。
(2).脉宽调制信号发生电路的调试
将SG3525插在电路板上。
在模拟盒上断开S2,闭合S1,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。
(3).两路驱动信号的开通延时电路的调试
给控制板上电后,调节相应电位器,观察两路驱动信号,驱动信号为:
图6两路驱动信号波形对应的死区时间
两路驱动信号之间有5us左右的的开通延时,即5us的死区时间。
(4).测试IPM中上桥臂驱动电源的自举电路
将主电路板和控制板的J6和J7接口相连,在模拟盒上断开S2,闭合S1,给控制板上电。
(5).测试电机启动状态
在模拟盒上断开S2,闭合S1,给控制板上电。
先将驱动信号的占空比调到50%附近。
闭合S2开关,接通H桥的直流电源,调节占空比使电机启动起来。
通过占空比的调节,能够调节电机转速,并控制电机正反转。
电机控制系统具有软启动功能。
3.2结果分析
3.2.1电机负载
(1).占空比的有效调节范围
调节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;
最小占空比约为0.1。
其中最大占空比对应的输出电压平均值约为19.2V,最小占空比对应的输出电压平均值约为-22.1V。
(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7和8所示所示,可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,电感释放能量。
图7电机负载,正转时,电压(下)和电流(上)的波形
图8电机负载,反转时,电压(下)和电流(上)的波形
(3).H桥中各个IGBT驱动控制信号的波形:
其波形如图10所示,其中V1,V4为一组V2,V3为一组。
图9电机负载时,H桥驱动控制信号
附录
主电路图和控制电路原理图。
图14主电路原理图
图15SG3525控制电路原理图
图16脉冲分配电路
图17+15V稳压电源
图18自举电路
课程设计心得体会
在这次实验中,我学到很多东西,加强了我的动手能力,并且培养了我的独立思考能力。
这次实验一开始不是很顺利,我焊接弄了好久,好多地方老师在前面讲的很清楚,可是放到我自己这里就做不好。
之后又遇到了好多问题,不够细心比如由于粗心大意连错了线,由于对课本理论的不熟悉导致设置电路出现错误。
这让我体会到,作为一名工程技术人员,要求具备的首要素质绝对应该是严谨。
我们这次实验所遇到的多半问题多数都是由于我们不够严谨。
我十分懊恼自己有一身的理论知识却还是做出这么差的效果,所以我觉得这次的实验是很必要的,对于我们这些学了很多理论知识的学生来说是很有帮助的,它使得我们看到了自己的差距和经验的不足,以后需要勤奋的学习的同时多注重实际的运用,这样才应该是全面实际的应用型人才!