变频器课程设计.docx
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变频器课程设计
变频器课程设计
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变频器课程设计
题 目：
基于UC3637的直流PWM控制电路
姓 名:
孙 雷周超奇邓 龙
学号:
1０3522012 103522024 １0352205１
专业:
电气工程及其自动化
指导老师：
邓方 雄
设计时间:
2０1３年 6月
电子与信息工程学院
目 录
1．引言·········································································１
２.变频器工作电路分析与设计·········································２
2.１电路工作原理······················································3
2.2模块电路原理介绍··············································３
2.2.1主电路····························································３
２.2.2PWM开环控制电路··········································4
2.2.3自举驱动电路················································６
2．２.4保护电路·························································7
2.２．5实验验证·························································7
3.驱动芯片IR21１0介绍················································８
３.１IR２110性能和结构···············································9
3．２ＩR２110特点及其工作原理·····································9
3.3IR2１1０的功能简介············································１０
4．控制芯片UC3６3７概述··············································10
4．1 UC36３7特点··························································11
4．2UC36３7使用注意事项 ········································1１
５.调试与运行······························································1２
6．设计总结··································································1３
7.附录·········································································１4
8．参考文献·························································16
基于UC3637的直流PWM控制电路
1．引 言
随着电力电子技术、计算机技术以及自动控制技术的迅速发展，电气传动技术正面临一场历史性的革命。
变频器的快速发展得益于电力电子技术、计算机技术和自动控制技术及电机控制理论的发展。
变频器的发展水平是由电力电子技术、电机控制方式以及自动化控制水平三个方面决定的。
近年来,交流调速在国内外发展十分迅速,打破了过去直流拖动在调速领域中的统治地位,交流调速拖动已进入了与直流拖动相媲美、相竞争、相抗衡的时代,并有取代的趋势。
变频器已应用于各行各业的多种设备，并成为当今节电，改造传统工业,改善工艺流程,提高生产过程自动化水平,提高产品质量,改善环境的主要技术之一。
变频器技术是一种绿色技术,是国民经济和日常生活中普遍需要的新技术,也是国际上技术更新换代最快的领域之一。
开关器件是变频器的核心器件,绝缘栅双极型晶体管（ICBT）投入市场以后，很快成为中小功率电力电子设备的主导器件,而且其电压、容量及开关频率性能还在提高。
智能功率模块（ＩPＭ）集成了多个常规IGBT,为用户降低设计和生产成本提供了便利条件，并使系统的性能和可靠性得到了有效提高。
IPM内部集成的驱动和保护电路可简化系统设计,其自我保护功能可使功率模块在测试及现场应用中损坏的可能性大大降低。
采用IＰM后系统的综合性能极大提高,其性价比已经超过IGBT，有很好的经济性。
本课程设计是采用UＣ3637和ＩＲ2110设计一种直流电动机PWM开环控制电路，并与计算机控制系统相结合，实现对某种直流电动机的控制。
２.变频器工作电路原理及原图理分析与设计
2．1.电路工作原理
直流电动机脉宽调制（PWM）控制器UC3637用于控制开环或闭环直流电动机速度或位置,其内部产生１路模拟误差电压信号,并输出2路PWM脉冲信号,这２路PWM脉冲信号与误差电压信号的幅值成正比,并与其极性相关,因此构成双向调速系统,实现PＷM双输出，驱动电流能力为1０0mA，该器件还具有限流保护、欠电压封锁及温度补偿等特点。
而驱动集成电路IR211０对PWＭ信号具有自举功能。
有2路完全独立的高保真输入输出通道，且这２路通道具有开通慢、关断快的防桥臂直通的互锁功能，可使电路可靠工作。
这里采用UC３637和ＩＲ211０设计一种直流电动机PWM开环控制电路,并与计算机控制系统相结合,实现对某种舵系统直流电动机的控制，进而验证该电路的正确性。
2.２各模块电路原理介绍
2.2.1主电路ﻫ 直流电动机的转速通过测速发电机测得,当被控直流电动机的转速小于给定转速时,计算机经D/Ａ转换器输出控制电压UＫ，再经R2~R５电平转换成ＵR输入至引脚9和引脚11，使引脚4导通。
引脚４的导通信号经ＲC延时电路传输至ＩＲ2１１0
（1）的引脚１０和IR２110
（2）的引脚12,分别使上通道引脚1０和下通道引脚12导通。
这时2片ＩR21１0间的“H”桥电路中的VF1、VＦ２被触发导通，电路给电动机提供正向的电流，电动机升速。
当被控直流 电动机的转速大于给定转速时,UＲ使UＣ3６３7中的引脚7导通,引脚７的导通信号经RＣ延时电路传输至ＩR２１1０
（1）的引脚１2和 IR2１10（２）的引脚10，分别使下通道引脚1２和上通道引脚1O导通。
这时“Ｈ”桥电路中的VF4、VF3被触发导通，流过电动机的电流反向,电动机降速。
在控制电路输出的上、下通道输入信号的作用下,VF１、VＦ２和ＶF4、ＶF3交替轮流导通，实现直流电动机的调速。
由于ＩR2110内部的驱动阻抗很小,直接用其驱动“Ｈ”桥中的MOＳFET器件会引起快速开关,可能造成MOＳFＥT漏源间电压振荡，从而损坏MOS管。
所有,应在IR２11O的输出端和MOS管之间串接1个约２０Ω的无感电阻。
２．2.２PWＭ开环控制电路
该电路设计控制系统的目标是在计算机不同的给定信号下，电动机可快速达到指定位置，以满足系统性能要求。
控制原理框图如图１所示。
被控直流电动机M的转速由测速发电机G测得,测速发电机所测得的转速信号经A／Ｄ转换后的数字信号在计算机中与给定信号相比较，再经计算后输出数字控制信号,经D／Ａ转换变为模拟信号送至UC36３7的脉宽信号产生电路，从而实现对直流电动机的速度控制。
图2为基于UC363７的直流电动机PWM控制电路,该电路分为4部分：
脉宽信号产生电路、自举驱动电路、主电路、保护电路。
该电路产生5～１０Ｖ的阈值电压,分别将U２＝1０V接引脚1，Ｕ1=５V接引脚3,这样三角波就在5~１０V内变化,即电容CＴ连接的引脚2电压在5~1０V内变化。
ＵK是从计算机输出经数模转换得到的电压,其范围为－10~+lO Ｖ,而UＣ36３7需要5～1０ V的控制电压接引脚9和11,控制输出端的占空比。
利用R2～Ｒ5对控制电压UK进行电平转换,令R2=1０kΩ、R3=18kΩ、R5＝２0ｋΩ，当ＵＫ=－１0Ｖ时，应有ＵR＝5 V,由电路分流可以获得：
代入数据解得，Ｒ4＝2ｋΩ。
ﻫ 为避免工作过程中发生直通短路现象，应在UＣ36３7的输出端引脚４和引脚７后各接一个RC延时电路，设需延时时间r＝５μs，延时电路中所用电阻R6取5 Ω，由公式可得：
这样双路互补PWM脉冲信号在上升沿有几个微秒的延时,在下降沿无延时，与IＲ2110内部上下路信号设置的延时相结合,可确保“H”桥中同一桥臂的上下 两个MOS管存在一个死区时间，从而保证电路工作安全稳定。
由于15 V直流供电电源含有一定的交流杂波，故分别在引脚１、引脚3和1５V电源前并联1只０．1μF的电容,以滤除交流杂波的干扰。
2.2.3 自举驱动电路
该电路使用2个IR211０，这两个IR２１10由4个ＭＯS管组成的“H”桥电路相连接。
ＩＲ2110的供电电压为15V的电源电压UVD，其输出工作电源为悬浮电源,通过自举技术由固定电源得出。
自举技术利用升压二极管、自举升压电容,使电容放电电压和电源电压叠加，从而使电压升高。
该技术可将电源电压值升高数倍,所以充电二极管VＤ的耐压能力必须大于高压母线的峰值电压。
为防止自举电容两端电压放电,则采用一个高频快恢复二极管。
自举电容C3的电容值对于５kHz以上的开关频率取O．1μF即可。
为向开关的容性负载提供瞬态电流,应在VCC与COM、VＤD与VSＳ之间连接两只旁路电容,VCC上旁路用一只０.1μＦ的陶瓷电容和一只1μF的钽电容并联,而逻辑电源VDＤ上用一只0.1斗F的陶瓷电容即可,即电容C4、C５分别为1μF、０.1μF。
在具体布线时，IＲ2１10是逻辑部分和功率变换部分的接口,逻辑信号地线和主功率电源的地线应合理布局，使负载回路的引线尽可能短,以减少回路电感,同时还要避免因布线而引起的负载电流在信号回路中流动产生的共模干扰。
2．2.４保护电路
在该电路中需限制流经直流电动机的电流,以保护电路的各元件。
TA为电流取样环节，由此构成对IR21１0的过流保护。
电流传感器从电动机的旁路中对电流 取样,将取样电流输入至IR21１0的引脚１1。
当电流过大时,SＤ为高电平，施密特触发器的S端被触发,Q为低电平,IR２１１0停止工作。
Ｖｆ为电压 反馈信号，构成闭环调压网络。
该网络中，RS为电动机电流检测电阻,ＲＳ取值由允许的电动机最大电流决定。
检测信号从引脚12和引脚13输入。
设比较器 C／L有200 mV的阈值,则有
ﻫ取Imaｘ=8Ａ，则：
RS=0．025Ω.ﻫ 当电动机电流增大而使RS上的电压达到该阈值时，C/Ｌ输出高电平，令ＳRA和ＳRB复位至低电平，进而AOUT和BOUT变为低电平，停止输出。
2.2．5实验验证
在某种舵系统实验中,选用额定工作电压为27 V，３W2１１11１5６７9额定工作电流为1Ａ的永磁直流电动机,根据实验的不同要求,电机系统可完成阶跃、正弦等运动,采用精密电阻电位计检测电机位置，经A/Ｄ转换反馈到计算机中与给定控制信号经一种自适应变结构控制得到1个输出信号，再经Ｄ/A转换送至ＵC3６37的PWM控制器中,驱动电动机到期望的位置。
其中，信号的给定，反馈信号取样、控制算法及控制脉冲输出均由计算机完成。
图3、图４分别表示系统的数字仿真与实验曲线,其中曲线1为实验曲线，曲线2为一种自适应变结构控制的数字仿真曲线。
由图可知,运用该控制电路控制直流电动机是可行的。
3.驱动芯片IR2110介绍
3.1 IR2１１0性能和结构
ＩR2１10是美国ＩＲ公司生产的高压、高速PMOＳFET和IGBT的理想驱动器。
该芯片采用HVIＣ和闩锁抗干扰制造工艺,集成ＤIＰ、SOIＣ封装。
其主要特性包括:
悬浮通道电源采用自举电路，其电压最高可达500V;功率器件栅极驱动电压范围10V~2０V;输出电流峰值为2A;逻辑电源范围5Ｖ~20Ｖ，而且逻辑电源地和功率地之间允许+5V的偏移量;带有下拉电阻的COＭＳ施密特输入端,可以方便地与LSTTL和ＣＭOS电平匹配;独立的低端和高端输入通道，具有欠电压同时锁定两通道功能;两通道的匹配延时为10ｎs；开关通断延时小，分别为1２0ｎs和90ｎs；工作频率达５0０kＨz。
其内部结构主要包括逻辑输入，电平转换及输出保护等，如下图所示。
IR2110内部结构图
3.2IR2110特点及其工作原理
ＩR２110包括:
逻辑输入、电平转换、保护、上桥臂侧输出和下桥臂侧输出。
逻辑输入端采用施密特触发电路，提高抗干扰能力。
输入逻辑电路与TTＬ/CＯＭＳ电平兼容,其输入引脚阈值为电源电压Vｄd的10％,各通道相对独立。
由于逻辑信号均通过电平耦合电路连接到各自的通道上，允许逻辑电路参考地（VSＳ）与功率电路参考地（COＭ）之间有-5 V~＋5 Ｖ的偏移量,并且能屏蔽小于50ns脉冲,这样便具有较理想的抗噪声效果。
两个高压MＯS管推挽驱动器的最大灌入或输出电流可达２A,上桥臂通道可以承受50０V的电压。
输入与输出信号之间的传导延时较小，开通传导延时为120ｎs,关断传导延时为95nｓ。
电源VCC典型值为1５ V，逻辑电源和模拟电源共用一个15 V电源,逻辑地和模拟地接在一起。
输出端设有对功率电源VCC的欠压保护，当小于8．2 V时,封锁驱动输出。
IR2110具有很多优点:
自举悬浮驱动电源可同时驱动同一桥臂的上、下两个开关器件,驱动500V主电路系统,工作频率高，可以达到500kHz;具有电源欠压保护相关断逻辑；输出用图腾柱结构,驱动峰值电流为2 A;两通道设有低压延时封锁（50nｓ）。
芯片还有一个封锁两路输出的保护端ＳD,在SD输入高电平时,两路输出均被封锁。
IR2１10的优点，给实际系统设计带来了极大方便，特别是自举悬浮驱动电源大大简化了驱动电源设计，只用一路电源即可完成上下桥臂两个功率开关器件的驱动。
IR211０的典型应用电路如下图所示。
IR211０的典型应用电路图
3.3IR2110的功能简介
IR2１10由三部分组成：
逻辑输入;电平平移及输出保护。
如上所述IR２1１０的特点，可以为装置的设计带来许多方便。
尤其是高端悬浮自举电源的设计,可以大大减少驱动电源的数目，即一组电源即可实现对上下端的控制。
ﻫ 高端侧悬浮驱动的自举原理:
ＩＲ2110驱动半桥的电路如图所示，其中C１，VD1分别为自举电容和自举二极管，C2为VCC的滤波电容。
假定在S1关断期间C1已经充到足够的电压（VC1VCＣ）。
当HIN为高电平时如图4.１9:
VＭ1开通，ＶM2关断,VＣ1加到Ｓ1的栅极和源极之间，C１通过VM1,Ｒg1和栅极和源极形成回路放电，这时C1就相当于一个电压源，从而使Ｓ1导通。
由于ＬIN与HIＮ是一对互补输入信号，所以此时ＬＩN为低电平，VM３关断,VM4导通，这时聚集在Ｓ2栅极和源极的电荷在芯片内部通过Rｇ2迅速对地放电,由于死区时间影响使S２在Ｓ1开通之前迅速关断。
当HIN为低电平时如图4.2０：
ＶM1关断,ＶM2导通,这时聚集在S1栅极和源极的电荷在芯片内部通过Rｇ1迅速放电使S1关断。
经过短暂的死区时间ＬIN为高电平,ＶM３导通,VM4关断使VCC经过Ｒｇ2和Ｓ2的栅极和源极形成回路,使S2开通。
在此同时VCC经自举二极管,C1和S2形成回路，对C１进行充电，迅速为C１补充能量，如此循环反复。
4.控制芯片UC3637概述
４.１UC3637特点
UC363７是直流电动机脉宽调制（PWM）控制器。
该集成电路适用于开环或带测速发电机反馈的闭环直流电动机的速度控制,内部产生一个模拟温差电压信号，输出两路PWM脉冲信号,这两路信号与误差电压信号的幅值成正比,且与极性相关，可构成双向的调速系统。
该控制器还可以用于其它电动机的PWM控制，例如无刷直流电动机PWM速度控制、位置控制和步进电动机电流细分控制。
UC3637芯片结构图
４．２UC3637使用注意事项
UC1637拟被用于各种各样的,是一个脉冲宽度调制电路PWM电机驱动器和放大器的应用程序要求任一的单向或双向驱动电路.用于取代传统的驱动程序时,该电路可提高效率,降低元件成本对于许多应用程序.包含所有必要的电路,以产生一个模拟误差信号和调节两个双向脉冲串输出成比例的误差信号的幅度和极性．此单片器件包含一个锯齿波振荡器，误差放大器,和两个ＰＷM比较器.±作为标准功能的１０0mA输出阶段.保护电路包括欠压锁定，脉冲的脉冲电流限制，温度补偿电压为2.5Ｖ的阈值和关闭端口.
UC１637的特点是操作在整个军用温度范围为-５5°C至+１25°C,而UC2637和UC３637的特点为-２5°Ｃ至+８5°Ｃ和0°Ｃ至+70°C
5．调试与运行
该变频器电路的调试主要硬件调试,首先按电路原理图检查电路的焊接是否正确，然后用万用表测试。
按照之前设计好的电路原理图，详细计算系统中各个模块的元件参数，选择相应器件,制作实际电路板。
然后选取万用表的２０0欧姆档来测试电路板。
用红、黑表笔来测试电路板上每条走线，如果测量的电阻值非常小时，证明走线没有断开,当其电阻值很大时,证明该条走线断了,应该重新制作走线,使电路板在电气上得到正确地连接。
最后用函数发生器和示波器检查各个模块的应该有的现象,例如我们在外接电源和正弦信号的作用下用函数示波器检查ＵC３637的４、7是否出来方波，如果没有现象，用万用表检查旁边的两个电位器的阻值是否恰当,如果不恰当，继续调节其阻值，直到有现象出现。
同样的我们可以检查UC363７的2、8、１０引脚是否有三角波出现,同样调试检查电路并调试直至有现象出现。
在调试的过程中，我们遇到很多的问题,但我们在老师的帮助下和组员之间的相互协作下，这些问题都得以克服。
并且仔细对SPWM控制电路部分，电机驱动电路和主电路对照原理图进行分析，最终在指导老师的帮助下，调试有一些效果，也得到了理想的效果。
。
6.设计总结
通过这次对变频器课程设计,让我们了解了设计电路的程序,也让我们了解了关于变频器的原理与设计理念。
通过这次学习,让我们对各种电路都有了大概的了解。
除了学会了许多专业知识外，在遇到困难时，积极地去请教我们的指导老师和同学,并且通过看现有的教材、去图书馆查阅资料、去网上搜索相关信息这些方式,这些方式大大增强了我们的自学能力和独立能力。
更重要的是，我们拓展了思路，开阔了视野,活跃了思想。
这次课程设计不仅让我们对相关专业知识有了更深的理解，而且还让我们认识到了理论知识对工作实践的重大意义,学会理论联系实际。
设计要求我们完全依靠自己的能力去学习和设计,而不是像以往课程那样一切由教材和老师安排。
这次设计老师只给我们电路原理图和一些电子元器件的资料，其中的一些电子元器件的参数需要我们去调试、改进,通过遇到问题、解决问题去学到真正的东西，比如说Ｕ36３7的4、７引脚怎么调试出方波来。
因此,它给了我们更大的发挥空间，让我们发挥主观能动性独立的查阅资料、寻找数据、设计实验方案,并将理论知识应用到实践中去。
同时，也让我们懂得变频器在生活中的广泛应用。
通过这次设计提高了我们认识问题、分析问题、解决问题的能力。
总之，这次设计既是对我们课程知识的考核，又是对我们思考问题、解决问题能力的考核，更是对我们人格品德的考验,设计让我们收益不浅。
这得感谢我们的指导老师和搭档，是你们的耐心指导和讲解，使我们能够顺利的完成设计。
在我们的设计工作中无不倾注着你们辛勤的汗水和心血。
老师的严谨治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我深受启迪。
从尊敬的老师身上，我们不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。
总之，这次课程设计让我们终身受益!
7．附录
附录A：
实物图
附录B:
电路原理图
８.参考文献
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[２]康华光.电子技术基础数字部分（第五版）高等教育出版社，2０06.１
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