雙極模式直流PWM電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì).doc

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1、天 津 理 工 大 學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目：雙極模式直流PWM電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)學(xué)生姓名 許彪 學(xué)號(hào) 20120775 年 級(jí) 2012 班級(jí) 電氣2班 指導(dǎo)教師 陳鵬 專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化 說 明1. 課程設(shè)計(jì)文本材料包括設(shè)計(jì)報(bào)告、任務(wù)書、指導(dǎo)書三部分，其中任務(wù)書、指導(dǎo)書由教師完成。按設(shè)計(jì)報(bào)告、任務(wù)書、指導(dǎo)書順序裝訂成冊(cè)。2. 學(xué)生根據(jù)指導(dǎo)教師下達(dá)的任務(wù)書、指導(dǎo)書完成課程設(shè)計(jì)工作。3. 設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容建議主要包括：設(shè)計(jì)概述、設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)方案分析、軟硬件具體設(shè)計(jì)、調(diào)試分析、總結(jié)以及參考資料等內(nèi)容。4. 設(shè)計(jì)報(bào)告字?jǐn)?shù)應(yīng)在3000-4000字，圖紙?jiān)O(shè)計(jì)應(yīng)采用電子繪圖。文字規(guī)范，正文采用宋

2、體、小四號(hào)，1.25倍行距。5.課程設(shè)計(jì)成績由平時(shí)表現(xiàn)（30%）、設(shè)計(jì)報(bào)告（40%）和答辯成績（30%）組成。課程設(shè)計(jì)評(píng)語及成績匯總表成績平時(shí)成績報(bào)告成績答辯成績總評(píng)成績課程設(shè)計(jì)評(píng)語16設(shè)計(jì)概述1 主電路設(shè)計(jì)說明1.0 主電路設(shè)計(jì)說明 二極管整流橋把輸入的交流電變?yōu)橹绷麟?。四只功率器件?gòu)成H橋，根據(jù)脈沖占空比的不同，在直流電機(jī)上可得到正或負(fù)的直流電壓。主電路作為電能變換的功率平臺(tái)已事先已經(jīng)由學(xué)校做好做好，因此主電路部分只需要進(jìn)行理論設(shè)計(jì)，而不用實(shí)際制作。主電路設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。該電路由兩部分構(gòu)成：單相不控橋式整流電路和全橋全控可逆斬波電路。交流市電220V經(jīng)變壓器降壓后通過四只二極管構(gòu)成的

3、整流橋整流為直流電，經(jīng)電容濾波后可作為直流電壓源，作為主電路的工作電源及控制電路的穩(wěn)壓電源輸入電壓。閉合開關(guān)S1、S2，四只功率器件（如IGBT）構(gòu)成的H橋斬波電路在PWM脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制下，根據(jù)占空比的不同，在電機(jī)兩端產(chǎn)生或正或負(fù)、電壓值不等的驅(qū)動(dòng)電壓，從而控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及調(diào)速。圖1 直流PWM驅(qū)動(dòng)電源的主電路設(shè)計(jì)原理圖雙極式H型可逆PWM變換器的電路原理圖中四個(gè)功率場效應(yīng)管的基極驅(qū)動(dòng)電壓分為兩組。VT1和VT4同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，其驅(qū)動(dòng)電壓Ub1=Ub4；VT2和VT3同時(shí)動(dòng)作，其驅(qū)動(dòng)電壓Ub2=Ub3= Ub1。它們的波形見圖2。圖2雙極式PWM變換器電壓和電流波形在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)0t

4、ton時(shí)，Ub1和Ub4為正，功率場效應(yīng)管VT1和VT4導(dǎo)通；而Ub2和Ub3為負(fù)，VT2和VT3截止。這時(shí)，Us加在電樞AB兩端，UABUs，電樞電流id沿回路1流通。 tontT時(shí)，Ub1和Ub4變負(fù)，VT1和VT4截止；Ub2、Ub3變正，但VT2、VT3并不能立即導(dǎo)通，因?yàn)樵陔姌须姼嗅尫艃?chǔ)能的作用下，id沿回路2經(jīng)VD2、VD3續(xù)流，在VD2、VD3上的壓降使VT2和VT3ce極承受著反壓，這時(shí)，UABUb。UAB在一個(gè)周期內(nèi)正負(fù)相間，這是雙極式PWM變換器的特征，其電壓、電流波形示于圖3。由于電壓UAB 的正、負(fù)變化，使電流波形存在兩種情況，如圖3中的id1和id2。id1相當(dāng)于電動(dòng)

5、機(jī)負(fù)載較重的情況，這時(shí)平均負(fù)載電流大，在續(xù)流階段電流仍維持正方向，電機(jī)始終工作在第一個(gè)象限的電動(dòng)狀態(tài)。id2相當(dāng)于負(fù)載很輕的情況，平均電流小，在續(xù)流階段電流很快衰減到零，于是VT2和VT3兩端失去反壓，在負(fù)的電源電壓（Us）和電樞反電動(dòng)勢的合成作用下導(dǎo)通，電樞電流反向，沿回路3流通，電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)。與此相仿，在0tton期間，當(dāng)負(fù)載輕時(shí)，電流也有一次倒向。這樣看來，雙極式可逆PWM變換器的電流波形和不可逆但有制動(dòng)電流通路的PWM變換器也差不多，怎樣才能反映出“可逆”的作用呢？這要視正、負(fù)脈沖電壓的寬窄而定。當(dāng)正脈沖較寬時(shí)，tonT2，則電樞兩端的平均電壓為正，在電動(dòng)運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)正脈沖

6、較窄時(shí)，tonT2，平均電壓為負(fù)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。如果正、負(fù)脈沖寬度相等，tonT2，平均電壓為零，則電動(dòng)機(jī)停止。圖3所示的電壓、電流波形都是在電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的情況。雙極式可逆PWM變換器電樞平均端電壓用公式表示為：以UdUs來定義PWM電壓的占空比，則與ton的關(guān)系為： 調(diào)速時(shí)，的變化范圍變成11。當(dāng)為正值時(shí)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；為負(fù)值時(shí)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；0時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止。在0時(shí)，雖然電機(jī)不動(dòng)，電樞兩端的瞬時(shí)電壓和瞬時(shí)電流卻都不是零，而是交變的。這個(gè)交變電流平無值為零，不產(chǎn)生增均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電機(jī)的損耗。但它的好處是使電機(jī)帶有高頻的微振，起著所謂“動(dòng)力潤滑”的作用，消除正、反向時(shí)的靜摩擦死區(qū)。雙極式PWM變換

7、器的優(yōu)點(diǎn)如下：（1）電流一定連續(xù)；（2）可使電動(dòng)機(jī)在四象限運(yùn)行；（3）電機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；（4）低速時(shí)，每個(gè)功率場效應(yīng)管的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證功率場效應(yīng)管可靠導(dǎo)通；（5）低速平穩(wěn)性好，調(diào)速范圍可達(dá)20000左右。雙極式PWM變換器的缺點(diǎn)是：在工作過程中，四個(gè)功率場效應(yīng)管都處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，而且容易發(fā)生上、下兩管直通（即同時(shí)導(dǎo)通）的事故，降低了裝置的可靠性。為了防止上、下兩管直通，在一管關(guān)斷和另一管導(dǎo)通的驅(qū)動(dòng)脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)，本設(shè)計(jì)邏輯延時(shí)時(shí)間為5us。1.1 整流電路設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)的額定電壓為20V，額定電流為1A，查閱ps21564-p的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知當(dāng)驅(qū)

8、動(dòng)電路電源為15V，PWM波幅值為5V時(shí)，開關(guān)器件的通態(tài)導(dǎo)通壓降約為1.6V，所以有：同時(shí)由全橋整流電路（由二極管構(gòu)成，觸發(fā)角=0），有電容濾波且濾波電容選擇合適時(shí), 輸出電壓平均值近似取值為變壓器負(fù)邊電壓平均值的1.2倍，即可知由變壓器能量傳遞可知代入數(shù)據(jù)得即，綜合考慮在電流到達(dá)負(fù)載之前，整流橋和逆變橋中功率器件的通態(tài)壓降，設(shè)計(jì)整流變壓器、選擇整流橋時(shí)以此參數(shù)進(jìn)行考慮即可。由電動(dòng)機(jī)參數(shù)可知，圖5中的整流電路的負(fù)載。為了使整流電路獲得較為平滑的輸出，一般情況下，取放電時(shí)間常數(shù)為：電流頻率50Hz時(shí)周期T=20ms，代入得即所以濾波電容可以選擇容值2000uF、耐壓40V左右的電解電容。1.2

9、H橋可逆斬波電路設(shè)計(jì)可逆斬波電路中的H橋不采用分立元件，而是選用IPM（智能功率模塊）PS21564來實(shí)現(xiàn)。由圖4可以看出，該模塊含有六只三對(duì)IGBT，主電路為三相逆變橋，在本設(shè)計(jì)中只采用其中U、V兩相即可驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。圖4 IPM模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2 控制電路設(shè)計(jì)說明2.0 控制電路設(shè)計(jì)SG3525的13腳輸出占空比可調(diào)（通過改變2腳電壓）的脈沖波形（占空比調(diào)節(jié)范圍不小于0.10.9），同時(shí)頻率可通過充放電時(shí)間的不同而改變。經(jīng)過RC移相后，輸出兩組互為倒相，死區(qū)時(shí)間為5S左右的脈沖，經(jīng)過光耦隔離后，分別驅(qū)動(dòng)四只功率器件，其中V1、V4驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同，V2、V3驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同。2.1 脈寬調(diào)制電路設(shè)計(jì)

10、采用以SG3525為核心的脈寬調(diào)制電路，其中集成芯片SG3525選擇DIP封裝形式。脈沖的頻率定為5KHz（是根據(jù)IPM中IGBT的開關(guān)速度而確定的），設(shè)定頻率的電阻可采用電位器，以便于調(diào)試。根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)和使用明可以知道，輸出頻率由下式?jīng)Q定(5、7腳短接，放電電阻Rd = 0)：（注：指定SG3525的5腳CT端外接振蕩電容為0.1F）。由于SG3525輸出的兩路脈沖是互補(bǔ)形式，在本設(shè)計(jì)中其輸出應(yīng)并聯(lián)使用（即11，14管腳短接，從13管腳通過外部上拉電阻輸出V1、V4驅(qū)動(dòng)脈沖，利用后續(xù)門電路反相后再驅(qū)動(dòng)V2、V3），以達(dá)到01.0的占空比調(diào)整范圍，如圖3所示。SG3525的8管腳接電容，以

11、實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能。軟起動(dòng)時(shí)間可按下式來計(jì)算：由兩秒的軟起動(dòng)時(shí)間可以確定軟起動(dòng)電容器取33uF.圖5 脈寬調(diào)制電路原理設(shè)計(jì)圖2.2 脈寬分配電路設(shè)計(jì)本次課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)采用H型雙極模式可逆直流PWM控制方式，開關(guān)管的控制方式如圖6所示。在該模式下，2個(gè)橋臂協(xié)調(diào)控制，即V1、V4組和V2、V3組互補(bǔ)導(dǎo)通。通過調(diào)節(jié)電位器來調(diào)節(jié)占空比，即可調(diào)速也可改變電機(jī)方向。圖6 雙極性控制方式示意圖由前述脈寬調(diào)制電路可以產(chǎn)生一路PWM信號(hào)，為驅(qū)動(dòng)H橋逆變器，需要將此PWM信號(hào)分為兩路互補(bǔ)的PWM信號(hào)。脈寬分配電路原理如圖7所示。同時(shí)，為防止同一橋臂上下兩管在驅(qū)動(dòng)信號(hào)翻轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)瞬時(shí)直通現(xiàn)象，應(yīng)設(shè)計(jì)兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的開通延時(shí)電

12、路。即利用RC移相電路后，為每路驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生5s左右的開通延時(shí)。這部分電路中的門電路采用6反向器74LS04；移相環(huán)節(jié)中的R和C的取值，應(yīng)根據(jù)5s的延遲時(shí)間來計(jì)算，其中R可采用電位器，以便于調(diào)試。（注：指定移相電路中C的取值為0.01F，二極管建議選用IN4148。）具體而言，由SG3525產(chǎn)生的負(fù)脈沖經(jīng)過一個(gè)非門變成幅值為5V正脈沖信號(hào)，當(dāng)信號(hào)為高電平時(shí)對(duì)電容充電，而只有當(dāng)電容電壓達(dá)到非門的開啟電壓2V時(shí)，輸出才變?yōu)楦唠娖剑纱诉_(dá)到了延時(shí)的目的。所需延遲時(shí)間為5us。圖7 脈沖分配電路原理設(shè)計(jì)圖3 IPM接口電路設(shè)計(jì)說明3.0 IPM接口電路設(shè)計(jì)DIP-IPM 是面向AC100200V 級(jí)小

13、容量馬達(dá)變頻驅(qū)動(dòng)，采用傳遞型封裝結(jié)構(gòu)將功率電路和驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路集成于一體的小型智能功率模塊。IPM中集成了功率器件的驅(qū)動(dòng)電路，因此在控制電路中不需要設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路；而且為了簡化設(shè)計(jì)，隔離環(huán)節(jié)也取消。IPM模塊控制部分的接口信號(hào)中除了H橋中4個(gè)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)外，還應(yīng)提供集成在IPM內(nèi)部的4個(gè)器件的驅(qū)動(dòng)電路的供電電源，為了簡化設(shè)計(jì)，上橋臂兩個(gè)器件，即V1和V3的驅(qū)動(dòng)電源采用單電源的自舉式供電。這樣整個(gè)模塊的控制部分只采用1個(gè)15V電源供電即可，而不必采用3路獨(dú)立的電源，簡化了設(shè)計(jì)。（注：自舉電路中的二極管建議選用IN5819。）IPM接口電路原理設(shè)計(jì)如圖8所示。圖8 IPM接口電路原理設(shè)計(jì)圖4 DC1

14、5V控制電源設(shè)計(jì)說明4.0 LM2575系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)一個(gè)DC 15V的控制電源，為SG3525及IPM模塊的驅(qū)動(dòng)電路供電。穩(wěn)壓源電路原理如圖7所示。為了減小損耗，采用LM2575T-ADJ系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路，將主電路的直流母線電壓作為輸入，通過電位器的調(diào)節(jié)，經(jīng)穩(wěn)壓后獲得15V的直流電源。LM2575T的封裝形式為5腳TO-220形式。另外TTL電路的5V工作電源可直接取自SG3525的內(nèi)部參考電源管腳。（注：濾波電路中的二極管建議選用IN5819。）圖9 DC15V控制電源電路原理設(shè)計(jì)圖通過芯片的使用說明書得：系統(tǒng)原理圖如下圖10收獲和體會(huì) 雖然這次課程設(shè)計(jì)只有短短的幾天

15、，卻讓我們收獲了許多課堂上學(xué)不到的東西。一方面，我們學(xué)會(huì)了如何將從書本上學(xué)到的知識(shí)應(yīng)用到工程實(shí)踐中，如H橋雙極性PWM控制方式的實(shí)現(xiàn)，這使我們?cè)趯?duì)理論知識(shí)有了更深刻認(rèn)識(shí)的同時(shí)，也懂得了如何將電力電子技術(shù)與電機(jī)控制技術(shù)結(jié)合在一起；另一方面，對(duì)于軟件和硬件的操作也更加熟練和得心應(yīng)手，如用軟件繪制電路原理圖、并調(diào)試硬件電路。此外，由于課程設(shè)計(jì)的過程涉及了SG3525、LM2575和IMP等芯片的使用方法，我們的自己動(dòng)手查找資料解決問題的能力也得到了提升。課程設(shè)計(jì)任務(wù)書、指導(dǎo)書課程設(shè)計(jì)題目：雙極模式直流PWM電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì).課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作量）

16、1課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容直流PWM驅(qū)動(dòng)電源的主電路圖如圖1a所示,圖1b為控制原理框圖，它包括整流電路和H橋可逆斬波電路的設(shè)計(jì)。二極管整流橋把輸入交流電變?yōu)橹绷麟?，H橋逆變器則根據(jù)IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比的不同，得到不同的直流電壓，并將其加在電動(dòng)機(jī)上。主電路圖（1）整流部分采用四個(gè)二極管構(gòu)成整流橋模塊；（2）逆變器部分采用IGBT或三極管構(gòu)成。該電路主要為單相逆變橋；（3）根據(jù)負(fù)載要求，計(jì)算出交流側(cè)輸入電壓和電流，作為設(shè)計(jì)整流變壓器、選擇整流橋和濾波電容的依據(jù)。由于該電路整流輸出電壓較低，所以在計(jì)算變壓器副邊電壓時(shí)應(yīng)考慮在電流到達(dá)負(fù)載之前，整流橋和逆變橋中功率器件的通態(tài)壓降。2課程設(shè)計(jì)的要求課程設(shè)計(jì)的主

17、要任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)的脈寬調(diào)速（直流PWM）驅(qū)動(dòng)電源。DC-DC變換器采用H橋形式，控制方式為雙極性。 被控直流永磁電動(dòng)機(jī)參數(shù)：額定電壓20V，額定電流1A，額定轉(zhuǎn)速2000rpm。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)速范圍：大于1：100，電機(jī)能夠可逆運(yùn)行。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)具有軟啟動(dòng)功能，軟啟動(dòng)時(shí)間約為2s。1）主電路的設(shè)計(jì)，器件的選型。包括含整流變壓器在內(nèi)的整流電路設(shè)計(jì)和H橋可逆斬波電路的設(shè)計(jì)。2）PWM控制電路的設(shè)計(jì)。3）驅(qū)動(dòng)接口電路設(shè)計(jì)。4）DC15V 控制電源的設(shè)計(jì)。二、課程設(shè)計(jì)參考資料1 王兆安.電力電子技術(shù).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,20072 王芳主.電子線路Protel 99 SE實(shí)用教程.長沙:中南大

18、學(xué)出版社,20053 龍志文.電力電子技術(shù).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,20054 陳堅(jiān)編.電力電子學(xué).北京：高等教育出版社,20015 趙炳良.現(xiàn)代電力電子技術(shù)基礎(chǔ).北京:清華大學(xué)出版社,1995.課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書一、課程設(shè)計(jì)要點(diǎn)、設(shè)計(jì)步驟用PROTEL繪制的主電路和控制電路的原理圖。電路設(shè)計(jì)過程的詳細(xì)說明書及焊裝。調(diào)試通過的控制電路板。二、主要技術(shù)關(guān)鍵的分析、解決思路設(shè)計(jì)主要可劃分為以下幾個(gè)部分:整流電路設(shè)計(jì),整流部分采用4個(gè)二極管構(gòu)成的整流橋模塊。H型逆變橋設(shè)計(jì);脈沖信號(hào)電路的設(shè)計(jì);脈沖分配電路的設(shè)計(jì),自舉電路設(shè)計(jì), 為了簡化設(shè)計(jì)，上橋臂兩個(gè)器件V1 和V3 的驅(qū)動(dòng)電源采用單電源自舉式供電，這樣整個(gè)模塊的控制部分只需采用1 個(gè)15V 電源供電即可。穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)一個(gè)直流 15V的控制電源，為驅(qū)動(dòng)電路供電。為減小損耗，采用LM2575TADJ系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路，將主電路的直流母線電壓33V作為輸入，通過電位器的調(diào)節(jié)，經(jīng)穩(wěn)壓后獲得15V的直流電源。三、課程設(shè)計(jì)進(jìn)度安排起 迄 日 期工 作 內(nèi) 容查找資料。方案設(shè)計(jì)及論證。硬件設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)調(diào)試。撰寫總結(jié)報(bào)告。