直流脉宽调速系统设计的生产实习报告资料.docx
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直流脉宽调速系统设计的生产实习报告资料
HarbinInstituteofTechnology
生产实习报告（论文）
课程名称：
生产实习
设计题目：
直流脉宽调速系统驱动电源的设计
院系：
电气工程系
班级：
设计者：
学号：
指导教师：
设计时间：
2015年12月1日-12日
哈尔滨工业大学（威海）教务处
哈尔滨工业大学（威海）生产实习任务书
姓名：
院（系）：
信息与电气工程学院
专业：
电气工程及其自动化班号：
任务起至日期：
2015年12月1日至2015年12月12日
设计题目：
直流脉宽调速系统驱动电源的设计
已知技术参数和设计要求：
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。
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
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2周）
●第1周：
周1，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，绘制电路图。
●第2周
发放器件和装焊工具，调试电路，完成设计报告。
同组设计者及分工：
指导教师签字___________________
年月日
教研室主任签字___________________
年月日
一．直流脉宽调速实验报告
1．脉宽调制技术
脉宽调制技术简称PWM,PWM控制技术就是半导体开关元件的导通和关断时间比，即调节脉冲宽度或周期来控制输出电压的一种控制技术。
近年来，随着全控型器件的不断发展和PWM技术的日益完善，已广泛应用于变频调速和开关电源等领域。
PWM常用于电压型逆变器，它可消除或减小低次谐波，滤波器体积可减小，有利于小型化和降低成本。
直流电动机的PWM调速原理，为了获得可调的直流电压，利用电力电子器件的完全可控性，采用脉宽调制技术，直接将恒定的直流电压调制成可变大小和极性的直流电压作为电动机的电枢端电压，实现系统的平滑调速，这种调速系统就称为直流脉宽调速系统。
脉宽调制的基本原理，脉宽调制（PulseWidthModulation），是利用电力电子开关器件的导通与关断，将直流电压变成连续的直流脉冲序列，并通过控制脉冲的宽度或周期达到变压的目的。
所采用的电力电子器件都为全控型器件，如电力晶体管（GTR）、功率MOSFET、IGBT等。
通常PWM变换器是用定频调宽来达到调压的目的PWM变换器调压与晶闸管相控调压相比有许多优点，如需要的滤波装置很小甚至只利用电枢电感已经足够，不需要外加滤波装置；电动机的损耗和发热较小、动态响应快、开关频率高、控制线路简单等。
PWM的占空比决定输出到直流电机的平均电压.PWM不是调节电流的.PWM的意思是脉宽调节,也就是调节方波高电平和低电平的时间比,PWM信号是一个矩形的方波，他的脉冲宽度可以任意改变，改变其脉冲宽度控制控制回路输出电压高低或者做功时间的长短，实现无级调速。
2.脉冲宽度调制器
脉冲宽度调制器是控制电路中最关键的部分，是一个电压－脉冲变换装置，用于产生PWM变换器所需的脉冲信号——PWM波形电压信号。
脉冲宽度调制器的输出脉冲宽度与控制电压成正比，常用的脉冲宽度调制器有以下几种；
1.锯齿波作调制信号的脉冲宽度调制器——锯齿波脉宽调制器；
2.三角波作调制信号的三角波脉宽调制器；
3.多谐振荡器和单稳态角触发器组成的脉宽调制器；
4．成可调脉宽调制器和数字脉宽调制器。
下面介绍其中一种锯齿波脉冲宽度调制器：
锯齿波脉冲宽度调制器本身是一个由集成运算放大器和几个输入信号组成的电压比较器。
运算放大器工作在开环状态，稍微有一点输入信号就可使其输出电压达到饱和限幅值，当输入信号电压极性改变时，输出电压就在正、负限幅值之间变化，从而完成把连续电压变成脉冲电压的转换。
加在运算放大器输入端的信号有三个：
一个是由锯齿波发生器提供的锯齿波调制信号，其频率是主电路所需要的开关频率，通常视所采用的电力电子器件和系统性能而定。
另一个输入信号是控制器输出的直流控制电压，其极性和大小随时可变。
与在运算放大器的输入端相加，使放大器的输出端得到周期固定、脉冲宽度可变的调制输出电压。
为了在时的正负脉冲相等，以使PWM变换器的输出电压，在运算放大器的输入端还有第三个输入信号——负偏压。
3.脉宽调制优点
PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。
让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。
噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。
对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。
从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。
在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。
总之，PWM既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。
2．主电路设计说明
1.简要概述
二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。
图1主电路原理图
2.设计说明
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。
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。
4）在本实习过程中，因为主电路是已经设计好的，所以我们只需要了解明白主电路中的各部分电路及芯片的功能，然后设计控制电路，并将其与主电路相连接。
3.以下是我们PWM控制电机原理图和PWM工作波形
图2PWM控制原理图和PWM工作波形图
4.PROTEL画主电路原理图
图3主电路原理图
三．控制电路设计说明
1．简要概述
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0.1~0.9），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5μS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，因此控制电路是本生产实习中的核心内容。
2．设计说明
1）在设计SG3525外围电路时，我们采用该集成芯片的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。
图43525典型应用电路
图53525实际电路图
2）LM2575典型应用及PROTEL图
图62575典型应用电路
图72575实际电路图
3）应设计一个DC15V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LM2575T－ADJ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。
图8控制电路示意图
4）自举电路以及PWM波的输出电路
图9自举电路图
图10PWM波经74LS04输出电路图
4.调试结果及讨论
1．LM2575输出15V的调试以及3525输出PWM波的调试
通过调节与反馈管脚连接的20K电位器，使输出为15V。
调试以后把15V输出分别给自举电路的输入和芯片3525的15管脚。
通过调节3525的5管脚以及管脚6，即Rt和Ct，使PWM波输出的周期为200us,即周期为5KHZ。
而后调节16管脚和2管脚相连的5V电位器使得13管脚输出的PWM波的占空比为50%。
调好以后把13管脚和74LS04的1管脚相连。
由于电路链接正常，故而这一步得到的结果均与预期一致，图如下：
图115KHZ时占空比为50%的波形
2．关于5us延迟时间的调试
输出波有问题，出来的波形不是矩形，而是类梯形，同时出来的幅值也大不相同，只有正常的一半。
起始觉得应该是延迟电路中电容的接地问题，但经过电路的检查，电路正确，并没有连接错误，而后检查发现也没有其他的连线脱落或短接。
最后重新查看了74LS04的芯片管脚图，发现对芯片有些想当然了，而没接VCC（14引脚）和GND（7引脚）。
而后经排查，发现电路再无问题，调试两路PWM波，使之相差5us。
图125us的调试波形
3.在主电路上的调试
经调试电路正常。
通过调节3525的管脚2可以控制电机的转速和正反转。
而电流也处在额定电流以内，为0——1A。
参考文献
[1]王兆安，刘进军主编《电力电子技术（第五版）》，机械工业出版社，2011年
[2]SG3525使用说明书及参考资料（电子文档）
[3]LM2575以及74LS04使用说明书及参考资料（电子文档）
附录
1.主电路图
2.控制电路图
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