双极模式直流PWM电动机驱动电源的设计
题目：双极模式直流 PWM电动机驱动电源的设计
学生姓名 许彪 _____________ 学号 20120775 年级 __________ 2012
班级
_________
指导教师 陈鹏 专业电气工程及其自动化
1. 课程设计文本材料包括设计报告、任务书、指导书三部分，其中 任务书、指导书由教师完成。 按设计报告、任务书、指导书顺序 装订成册。 2. 学生根据指导教师下达的任务书、指导书完成课程设计工作。
3. 设计报告内容建议主要包括：设计概述、设计原理、设计方案分 析、软硬件具体设计、调试分析、总结以及参考资料等内容。
4. 设计报告字数应在3000-4000字，图纸设计应采用电子绘图。文 字规范，
正文采用宋体、小四号，1.25倍行距。
5. 课程设计成绩由平时表现（30%、设计报告（40%和答辩成绩（30% 组成。
课程设计评语及成绩汇总表
成绩 平时成绩 报告成绩 答辩成绩 总评成绩 课程设计 评语 设计概述
1主电路设计说明
1.0主电路设计说明
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 冲占空比的不同，在直流电机上可得到正或负的直流电压。
主电路作为电能变换的功率平台已事先已经由学校做好做好， 分只需要进行理论设计，而不用实际制作。
主电路设计原理图如图1所示。该电路由两部分构成：单相不控桥式整流电 路和全桥全控可逆斩波电路。交流市电 220V经变压器降压后通过四只二极管构 成的整流桥整流为直流电，经电容滤波后可作为直流电压源，作为主电路的工作 电源及控制电路的稳压电源输入电压。闭合开关S1、S2,四只功率器件（如IGBT） 构成的H桥斩波电路在PWM脉冲驱动信号控制下，根据占空比的不同，在电机两 端产生或正或负、电压值不等的驱动电压，从而控制电机的正反转及调速。
因此主电路部
H桥，根据脉
双极式H型可逆PW变换器的电路原理图中四个功率场效应管的基极驱动电 压分为两组。VT1和VT4同时导通和关断，其驱动电压 Ub1=Ub4 VT2和VT3同 时动作，其驱动电压Ub2=Ub3=— Ub1。它们的波形见图2。
0 ----- -- ------------------ A t
t UE
UAM
Us ---- ------- -----
图2双极式PWM变换器电压和电流波形
在一个开关周期内，当OWt vton时，Ub1和Ub4为正，功率场效应管 VT1 和VT4导通；而Ub2和Ub3为负，VT2和VT3截止。这时，+ Us加在电枢AB两 端，UAB= Us,电枢电流id沿回路1流通。ton 示于图 3。 由于电压UAB的正、负变化，使电流波形存在两种情况，如图 3中的id1 和id2。id1相当于电动机负载较重的情况，这时平均负载电流大，在续流阶段 电流仍维持正方向，电机始终工作在第一个象限的电动状态。 id2相当于负载很 轻的情况，平均电流小，在续流阶段电流很快衰减到零， 于是VT2和VT3两端失 去反压，在负的电源电压（一Us）和电枢反电动势的合成作用下导通，电枢电流 反向，沿回路3流通，电机处于制动状态。与此相仿，在 OWt vton期间，当负 载轻时，电流也有一次倒向。 这样看来，双极式可逆pwr变换器的电流波形和不可逆但有制动电流通路的 PWM变换器也差不多，怎样才能反映出“可逆”的作用呢？这要视正、负脉冲电 压的宽窄而定。 当正脉冲较宽时，ton >T/2,则电枢两端的平均电压为正，在 电动运行时电动机正转。当正脉冲较窄时，ton vT/2，平均电压为负，电动机 反转。如果正、负脉冲宽度相等， ton = T/ 2,平均电压为零，则电动机停止。 图3所示的电压、电流波形都是在电动机正 转时的情况。 T - ton -1)Us T T 双极式可逆PWM换器电枢平均端电压用公式表示为: 以p = Ud / U来定义PWI电压的占空比，贝U p与ton的关系为: Lon T 调速时，p的变化范围变成一K p < 1。当p为正值时，电动机正转；p为 负值时，电动机反转；p =0时，电动机停止。在p = 0时，虽然电机不动，电 枢两端的瞬时电压和瞬时电流却都不是零， 而是交变的。这个交变电流平无值为 零，不产生增均转矩，徒然增大电机的损耗。但它的好处是使电机带有高频的微 振，起着所谓“动力润滑”的作用，消除正、反向时的静摩擦死区。 双极式PWI变换器的优点如下：（1）电流一定连续；（2）可使电动机在四象 限运行；（3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；（4）低速时，每个功 率场效应管的驱动脉冲仍较宽，有利于保证功率场效应管可靠导通；（5）低速平 稳性好，调速范围可达20000左右。 双极式PWh变换器的缺点是：在工作过程中，四个功率场效应管都处于开关 状态，开关损耗大，而且容易发生上、下两管直通（即同时导通）的事故，降低 了装置的可靠性。为了防止上、下两管直通，在一管关断和另一管导通的驱动脉 冲之间，应设置逻辑延时，本设计逻辑延时时间为 5us。 1.1 整流电路设计 电动机的额定电压为20V,额定电流为1A,查阅ps21564-p的数据手册可知 当驱动电路电源为15V,PW波幅值为5V时，开关器件的通态导通压降约为1.6V， 所以有： 同时由全桥整流电路（由二极管构成，触发角 a =0），有电容滤波且滤波电 1.2倍，即 容选择合适时，输出电压平均值近似取值为变压器负边电压平均值的 可知 由变压器能量传递可知 代入数据得 220V 「20V 12 ： 24V 1A I—0.109A, I2 =1.2A 综合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， 计整流变压器、选择整流桥时以此参数进行考虑即可。 由电动机参数可知，图5中的整流电路的负载 ％二空=20门。为了使整 1A 流电路获得较为平滑的输出，一般情况下，取放电时间常数为： .d = RC 亠（3、5）— 2 电流频率50Hz时周期T=20ms代入得 • d =20\" C _（3、5）-20mS 设 C _1500uF 、 X工 uF 所以滤波电容可以选择容值 2000uF、耐压40V左右的电解电容。 22CVAC 1.2 H桥可逆斩波电路设计 可逆斩波电路中的H桥不采用分立元件，而是选用IPM（智能功率模块）PS21564 来实现。由图4可以看出，该模块含有六只三对IGBT,主电路为三相逆变桥， 在本设计中只 米用其中U、V两相即可驱动直流电机。 2控制电路设计说明 VUFH 2.0 控制电路设计 L VUFS P 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 VVF0 移相后，输出两组互为倒相，死区时间为 WFS RC 5卩S左右的脉冲，经过光耦隔离后， 分别驱动四只功率器件，其中 VI、V4驱动信号相同，V2、V3驱动信号相同。 Vwrg VWTS 2.1 脉宽调制电路设计 采用以SG352为核心的脉宽调制电路，其中集成芯片 SG352选择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。根据芯片数据手册和使用明可以知道， 输出频 率由下式决定 （5、7脚短接，放电电阻Rd = 0）: （注：指定SG3525勺5脚CT端外接振荡电容为0.1卩F）。由于SG352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，禾U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，如图3所示。SG3525勺8管脚接电容，以实现软 启动功能。软起动时间可按下式来计算： 由两秒的软起动时间可以确定软起动电容器取 33uF. 2.2 脉宽分配电路设计 gzggos 本次课程设计设计采用H型双极模式可逆直流PWIM制方式，开关管的控制方 式如图6所示。在该模式下，2个桥臂协调控制，即V1、V4组和V2、V3组互补导通。 通过 图5脉宽调制电路原理设计图 调节电位器来调节占空比，即可调速也可改变电机方向。 功聿转换电路 图6双极性控制方式示意图 由前述脉宽调制电路可以产生一路 PW信号，为驱动H桥逆变器，需要将此PWM 信号分为两路互补的PW信号。脉宽分配电路原理如图7所示。同时，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R（移相电路后，为每路驱动信号产生5卩s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5 卩s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0.01卩F,二极管建议选用IN4148。） 具体而言，由SG3525^生的负脉冲经过一个非门变成幅值为 5V正脉冲信号， 当信号为高电平时对电容充电，而只有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。 V1 V2 顶 7 脉冲分配电路原理设计图 图3 IPM接口电路设计说明 3.0 IPM接口电路设计 DIP-IPM是面向AC100-200V级小容量马达变频驱动，采用传递型封装结构 将功 率电路和驱动保护电路集成于一体的小型智能功率模块。 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勺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。（注：自举电路中的二极管建议选用IN5819。）IPM接口 电路原理设计如图 8所示。 图8 IPM接口电路原理设计图 4 DC15V控制电源设计说明 4.0 LM2575系列开关稳压集成电路设计 需要设计一个DC 15V勺控制电源，为SG352及IPM模块的驱动电路供电。稳 压源电路原理如图7所示。为了减小损耗，采用LM2575T-AD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 直接取自SG3525勺内部参考电源管脚。（注：滤波电路中的二极管建议选用 15V 的直流电源。LM2575T勺封装形式为5脚TO-220形式。另外TTL电路的5V工作电源 可 IN5819。） LM2575T-ADJ 330uH 15V 图9 DC15V控制电源电路原理设计图 通过芯片的使用说明书得： [N58 330UF 4- 系统原理图如下 X 20K 2K I M 图10 收获和体会 虽然这次课程设计只有短短的几天，却让我们收获了许多课堂上学不到的东 西。一方面，我们学会了如何将从书本上学到的知识应用到工程实践中，如 得了如何将电力电子技术与电机控制技术结合在一起； H 桥双极性PWM控制方式的实现，这使我们在对理论知识有了更深刻认识的同时， 也懂 另一方面，对于软件 和硬件的操作也更加熟练和得心应手， 如用软件绘制电路原理图、并调试硬件电 路。此外，由于课程设计的过程涉及了 SG3525 LM2575和IMP等芯片的使用方 法，我们的自己动手查找资料解决问题的能力也得到了提升。 课程设计任务书、指导书 课程设计题目：双极模式直流 PWMfe动机驱动电源的设计 I .课程设计任务书 一、课程设计的内容和要求(包括原始数据、技术要求、工作量) 1. 课程设计的内容 直流PWM驱动电源的主电路图如图1a所示，图1b为 二极管整流桥把 驱 控制原理框 图，它包括整流电路和 H桥可逆斩波 动信号占空比的 电路的设计 输入的直流电压，并将其加在电动机 O AC 220V 交流电变为直流电，幫桥逆变器则根据 不同，得到不同 主电路图 (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IGBT或三极管构成。该电路主要为单相逆变 桥； (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， 桥和逆变桥中功率器件的通态压降。 2. 课程设计的要求 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。驱动系统应整流 具有软启动功能，软启动时间约为 2so 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。 2） 3） 4） PWM控制电路的设计。 驱动接口电路设计。 DC15V控制电源的设计。 二、课程设计参考资料 [1] 王兆安•电力电子技术•北京:机械工业出版社，2007 [2] 王芳主•电子线路 Protel 99 SE实用教程•长沙：中南大学出版 社,2005 [3] 龙志文•电力电子技术•北京:机械工业出版社,2005 [4] 陈坚编•电力电子学•北京：高等教育出版社,2001 [5] 赵炳良•现代电力电子技术基础•北京:清华大学出版社，1995 n.课程设计指导书 一、 课程设计要点、设计步骤 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。 调试通过的控制电路板。 二、 主要技术关键的分析、解决思路 设计主要可划分为以下几个部分： 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。 H型逆变桥设计； 脉冲信号电路的设计； 脉冲分配电路的设计，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。 稳压电源设计，设计一个直流15V的控制电源，为驱动电路供电。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。 三、课程设计进度安排 起迄日期 查找资料。 方案设计及论证。 硬件设计。 软件设计。 系统调试。 撰写总结报告。 工作内容 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容