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文檔簡介
1、<p> 課程設(shè)計說明書(論文)</p><p> 課程名稱:電力電子技術(shù) </p><p> 設(shè)計題目:可逆直流PWM驅(qū)動電源的設(shè)計</p><p> 院 系: </p><p> 班 級: </p><p
2、> 設(shè) 計 者: A </p><p> 學(xué) 號: </p><p> 指導(dǎo)教師: </p><p> 設(shè)計時間: </p><p><b> 課程設(shè)計任
3、務(wù)書</b></p><p> H型雙極性同頻可逆直流PWM驅(qū)動電源的設(shè)計</p><p> 技術(shù)指標:被控直流永磁電動機參數(shù):額定電壓20V,額定電流1A,額定轉(zhuǎn)速2000rpm。驅(qū)動系統(tǒng)的調(diào)速范圍:大于1:100。驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)具有軟啟動功能,軟啟動時間約為2s。詳細設(shè)計要求見附錄2.</p><p><b> 整體方案設(shè)計</b&
4、gt;</p><p> 本文設(shè)計的H型單極性同頻可逆直流PWM驅(qū)動電源由四部分組成:主電路,H型雙極性同頻可逆PWM控制電路,IPM接口電路及穩(wěn)壓電源。同時具有軟啟動功能,軟啟動時間為2s左右??刂圃砣鐖D1所示:</p><p> 圖1 直流PWM驅(qū)動電源的控制原理框圖</p><p> 脈寬調(diào)制電路以SG3525為核心,產(chǎn)生頻率為5KHz的方波控制信號,
5、占空比可調(diào)。經(jīng)用門電路實現(xiàn)的脈沖分配電路,轉(zhuǎn)換成兩列對稱互補的驅(qū)動信號,同時具有5us的死區(qū)時間,該信號驅(qū)動H型功率轉(zhuǎn)換電路中的開關(guān)器件,控制直流永磁電動機。穩(wěn)壓電源采用LM2575-ADJ系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路,通過調(diào)整電位器,使其穩(wěn)定輸出15V直流電源。</p><p> 表1 控制板器件清單</p><p><b> 主電路設(shè)計</b></p>
6、<p><b> 主電路設(shè)計要求</b></p><p> 直流PWM驅(qū)動電源的主電路圖如圖2所示。此部分電路的設(shè)計包括整流電路和H橋可逆斬波電路。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,在直流電機上可得到不同的直流電壓。</p><p> 主電路部分的設(shè)計要求如下:</p><p>
7、 1)整流部分采用4 個二極管集成在一起的整流橋模塊。</p><p> 2)斬波部分H 橋不采用分立元件,而是選用IPM(智能功率模塊)PS21564來實現(xiàn)。該模塊的主電路為三相逆變橋,在本設(shè)計中只采用其中U、V 兩相即可。</p><p><b> 圖2 主電路圖</b></p><p> 3)在主電路設(shè)計中,應(yīng)根據(jù)負載的要求,計算
8、出整流部分的交流側(cè)輸入電壓和電流,作為設(shè)計整流變壓器、選擇整流橋和濾波電容的依據(jù)。該電路的整流輸出電壓較低,所以在計算變壓器副邊電壓時應(yīng)考慮在電流到達負載之前,整流橋和逆變橋中功率器件的通態(tài)壓降。</p><p><b> 整流電路設(shè)計</b></p><p> 整流部分采用4個二極管集成在一起的整流橋模塊。電動機的額定電壓為20V,通過查閱該型號IPM的數(shù)據(jù)手冊
9、可知開關(guān)器件的通態(tài)導(dǎo)通壓降為2V左右,故可知電壓為24V,由全橋整流電路可知:</p><p> 考慮整流橋中二極管壓降為1V,故可知變壓器副邊電壓,從而可知變壓器的變比。濾波電容選擇耐壓40V左右,容值為450uF左右即可。</p><p><b> H型逆變橋設(shè)計</b></p><p> IPM內(nèi)部集成該部分電路,參數(shù)可參考手冊。該
10、模塊為三相逆變橋,只使用其中的U、V兩相即可。</p><p><b> 控制電路設(shè)計</b></p><p> 本設(shè)計利用SG3525的13腳輸出占空比可調(diào),占空比調(diào)節(jié)范圍不小于0.1~0.9的脈沖信號,經(jīng)過移相后,輸出兩組互為倒相,死區(qū)時間為5μS左右的脈沖,分別驅(qū)動V1,V4和V2,V3的開通和關(guān)斷。</p><p> 3.1脈沖產(chǎn)
11、生電路的設(shè)計</p><p> 設(shè)計中使用SG3525產(chǎn)生需要的脈沖信號。5腳接一個0.02uf的電容,6腳接滑動變阻器,兩者組成RC振蕩電路,可以通過調(diào)節(jié)滑動變阻器的阻值使脈沖的頻率為設(shè)計要求的5kHz。根據(jù)芯片手冊公式計算可得當R=15K、C=0.02uF時,輸出頻率為5kHz,為使調(diào)節(jié)方便選用阻值為20K的滑動變阻器。通過改變2腳輸入電壓的大小調(diào)節(jié)輸出脈沖的占空比。為使電機具有軟啟動功能,在8腳需要接電容
12、。根據(jù)芯片手冊軟啟動時間和電容大小的關(guān)系:60ms/uF。要使電機軟啟動為2s,則所選的電容為33uf。在輸出端,13需要上拉電阻與5V參考電平相連。將11、14腳短接,脈沖由13腳引出。電路圖設(shè)計如圖3所示:</p><p> 圖3 脈沖產(chǎn)生電路圖</p><p> 3.2脈沖分配電路的設(shè)計</p><p> 本設(shè)計采用的是雙極性PWM驅(qū)動。由SG3525產(chǎn)
13、生的脈沖經(jīng)過一個非門變成0V、5V信號,當信號為高電平時對電容充電,只有當電容電壓達到非門的開啟電壓2V時,輸出才變?yōu)楦唠娖剑纱诉_到了延時的目的。所需延遲時間為5us,有三要素公式計算得,當選定電容為0.01uf時電阻為978.8ohm。為了調(diào)節(jié)方便選擇5K的滑動變阻器。經(jīng)過此電路即可產(chǎn)生死區(qū)時間為5us的雙極性PWM調(diào)制信號。脈沖分配電路如圖4所示:</p><p><b> 圖4 脈沖分配電路&
14、lt;/b></p><p><b> 3.3自舉電路設(shè)計</b></p><p> 為了簡化設(shè)計,上橋臂兩個器件,即V1 和V3 的驅(qū)動電源采用單電源的自舉式供電,詳細設(shè)計可參考IPM 的設(shè)計手冊。這樣整個模塊的控制部分只采用1 個15V 電源供電即可,而不必采用3 路獨立的電源,簡化了設(shè)計。</p><p> 本設(shè)計中,自舉電路
15、中的二極管建議選用IN5819,電容值為10uF,電阻值為5歐左右。電路圖如圖5所示。</p><p><b> 圖5 自舉電路</b></p><p><b> 3.4穩(wěn)壓電源設(shè)計</b></p><p> 設(shè)計一個DC 15V的控制電源,為SG3525及IPM模塊的驅(qū)動電路供電。為了減小損耗,采用LM2575T-
16、ADJ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。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。濾波電路中的二極管建議選用IN5819。電路圖如圖6所示。</p><p> 圖6 15V穩(wěn)壓電源電路</p><p> 通過查閱芯片手冊知:</p&
17、gt;<p> 本設(shè)計中,,,,得:</p><p> 為方便實際電路的調(diào)試, 使用定值電阻,采用電位器。</p><p><b> 調(diào)試過程及結(jié)果分析</b></p><p><b> 4.1調(diào)制過程:</b></p><p> 1.調(diào)試控制板上的15V穩(wěn)壓電源電路:<
18、;/p><p> 只將控制板的J3接口與主電路板相連,J6和J7均不連接。再將LM2575T插在電路板的對應(yīng)插座上。在模擬盒上斷開S2開關(guān),閉合S1開關(guān),調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電路中的電位器,使穩(wěn)壓電路的輸出為所需15V直流電壓。</p><p> 2.調(diào)試脈寬調(diào)制信號發(fā)生電路:</p><p> 將SG3525插在電路板的對應(yīng)插座上。在模擬盒上斷開S2開關(guān),閉合S1開關(guān),給控
19、制板上電。然后調(diào)節(jié)相應(yīng)電位器,獲得頻率為5KHz,占空比可在0~1之間調(diào)節(jié)的脈寬調(diào)制信號。</p><p> 3.調(diào)試兩路驅(qū)動信號的開通延時電路:</p><p> 給控制板上電。然后調(diào)節(jié)相應(yīng)電位器,觀察兩路驅(qū)動信號,可見驅(qū)動信號為:</p><p> 圖7 兩路驅(qū)動信號波形</p><p> 可見兩路驅(qū)動信號之間有5us的開通延時,
20、即死區(qū)時間為5us。</p><p> 4.測試IPM中上橋臂驅(qū)動電源的自舉電路</p><p> 將控制板的J6和J7接口與主電路板相連。在模擬盒上斷開S2開關(guān),閉合S1開關(guān),給控制板上電。</p><p> 5.測試電機啟動狀態(tài)</p><p> 在模擬盒上斷開S2開關(guān),閉合S1開關(guān),給控制板上電。將驅(qū)動信號的占空比調(diào)整到50%附
21、近。閉合S2開關(guān),接通H橋的直流電源,調(diào)節(jié)占空比使電機啟動起來并隨占空比的調(diào)節(jié)能夠正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn),同時電機控制系統(tǒng)具有軟啟動功能。</p><p><b> 4.2結(jié)果分析</b></p><p><b> 4.2.1電機負載</b></p><p> 1. 占空比的有效調(diào)節(jié)范圍</p><p>
22、 調(diào)節(jié)驅(qū)動信號的占空比使之達到最大值和最小值,最大占空比約為0.9如圖:</p><p> 圖8 驅(qū)動信號最大占空比</p><p> 最小占空比約為0.1如圖:</p><p> 圖9 驅(qū)動信號最小占空比</p><p> 其中最大占空比對應(yīng)的輸出電壓平均值約為22.9V,最小占空比對應(yīng)的輸出電壓平均值約為-23.0V。</
23、p><p> 2. 負載電壓和電流的波形</p><p> 電機負載的電壓和電流波形如圖,可以看出當電機兩端電壓為正時,流過電樞的電流上升,電感儲能。當電機兩端電壓為負時,流過電樞的電流下降,電感能量釋放。</p><p> 圖10 電機負載的電壓和電流的波形</p><p> 3. 直流母線上電壓和電流的波形:其電壓波形如圖所示:<
24、;/p><p> 圖11電機負載直流母線上電壓波形</p><p> 4.H橋中各個IGBT驅(qū)動控制信號的波形:其波形如圖所示,其中V1,V4為一組V2,V3為一組。兩組驅(qū)動信號之間留有5us的死區(qū)時間。</p><p> 圖12電機負載H橋驅(qū)動控制信號波形</p><p> 4.2.2 電阻性負載</p><p>
25、; 1. 占空比的有效調(diào)節(jié)范圍:</p><p> 其占空比的有效調(diào)節(jié)范圍與輸出電壓平均值與電機負載情況時基本相同。</p><p> 2. 負載電壓和電流的波形:</p><p> 電阻性負載的電壓和電流波形如圖,可見電阻性負載的電壓與電流波形基本同相。隨開關(guān)器件的開通和關(guān)斷其電壓電流值在正負之間交替。</p><p> 圖13
26、電阻性負載的電壓和電流波形</p><p> 3. 直流母線上電壓和電流的波形:電阻性負載直流母線電壓為:</p><p> 圖14電阻性負載直流母線電壓</p><p> 4. H橋中各個IGBT驅(qū)動控制信號的波形:其驅(qū)動信號波形同電機負載驅(qū)動信號波形。V1,V4為一組V2,V3為一組,且兩組之間留有5us的死區(qū)時間,如圖:</p><p
27、> 圖15 電阻性負載H橋驅(qū)動信號波形</p><p><b> 收獲和體會</b></p><p> 本次電力電子課程設(shè)計讓我從實踐上鞏固了本學(xué)期所學(xué)的電力電子知識,在準備過程和設(shè)計電路的過程中我對PWM單極性和雙極性控制有了更深的學(xué)習和理解。同時我也還有很多書本之外的收獲,自舉電路的設(shè)計是我第一次接觸,之前的課程的學(xué)習中時我就對橋臂的上半部分器件的驅(qū)動
28、有過疑惑,但是也沒有仔細的琢磨下去,通過自舉電路的學(xué)習,我對開關(guān)器件的驅(qū)動及供電有了更好的理解。</p><p> 在課程設(shè)計中,我學(xué)習了一些所需的芯片,例如SG3525、LM2575等,對這些芯片的學(xué)習提高了我對英文參考資料的閱讀學(xué)習能力,了解各管腳的功能,對芯片使用時的一些保護方法有了基本的掌握,例如我在穩(wěn)壓電源設(shè)計中使用SG2575時,我一號管腳的輸入處串聯(lián)了一個電阻,防止焊接不當時造成通路燒毀芯片,在我
29、調(diào)試正常后,我將該串聯(lián)電阻短路掉,使電路正常工作且減少了損壞的可能。</p><p> 通過這次課程設(shè)計我對電路的調(diào)試有了一些初步的了解,通過老師所給的調(diào)試步驟,我逐漸明白了電路的調(diào)試要從最基礎(chǔ)做起,比如這次實驗,一定要先看一下穩(wěn)壓電路的輸出是否為15V,如果最開始的這部分供電電路有問題,那電路肯定不能正常工作。接下調(diào)試SG3525部分,首先我先檢查了一下16號管腳是否輸出了一個5V電壓,如果沒有5V電壓,那么
30、我也可以確定SG3525部分出現(xiàn)了錯誤,一切正常,在查看一下13號管腳的輸出是否為頻率和占空比可調(diào)的方波。之后再測量一下延時和反向電路是否為互補且有死區(qū)時間的兩組方波。自舉電路正常后,便可通電調(diào)試電機的正反轉(zhuǎn)了。我也深刻的感受到了一個正確的調(diào)試方法在實驗過程中所起的重要作用。</p><p> 在實驗中非常感謝助教對我們的幫助,無論我們是缺少器件還是調(diào)試中出現(xiàn)問題,助教總是耐心細致的幫我們解決問題,真的非常感謝
31、他們給我的幫助。</p><p> 附 錄 主電路圖和控制電路原理圖</p><p><b> 主電路</b></p><p><b> 控制電路</b></p><p><b> 15V穩(wěn)壓電源</b></p><p><b> 自
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