直流PWM驱动电源设计

南京工程学院

课程设计说明书

题目直流电动机脉宽调速系统设计课程名称电力电子技术

院（系、部、中心）电力工程学院

专业建筑电气与智能化

班级建筑电气091

学生姓名陈曦

学号206091034

设计时间2011.12.12~12.24

设计地点电力工程实践中心8-319 指导教师陈刚廖德利

2011 年12 月南京

5．课程设计进度安排

起止日期工作内容2011年

12月14 日－12月15日12月16日－12 月17日12月18日－12月19 日12月21日－12月22日12月23日－12月25 日课题选择查找资料

设计并绘制电路图

焊接主电路和控制电路调试电路并测量波形撰写报告并答辩

6．成绩考核办法

1、考核方法：平时表现，设计成果，答辩表现。

2、成绩评定：平时表现30%，设计成果40%，答辩表现30%。

教研室审查意见：

教研室主任签字：

年月日院（系、部、中心）意见：

主管领导签字：

年月日

电力电子技术课程设计

1、课设目的

电源和驱动是电力电子技术的两大主要应用领域。课程设计的主要任务是设训一和实现一个直流电动机的脉宽调速(直流PWM)驱动电源及控制用小功

率开关电源。其目的是通过对实际电力电子装置的设计、制作和调试，深化和拓展课程所学知识，提高工程实践能力。

2、控制对象

题目1:直流PWM驱动电源的设计

技术指标: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:大十1: 100。驱动系统应具有软启动功能，软启动时间约为2s。

3、课程设计任务

7.阅读相关资料，设计主电路和控制电路，用PROTEL绘制的主电路和控制电

路的原理图。

8.采购器件，装焊控制电路板。

9.在实验室进行装置调试。

10.设计成果验收。

11.整理设计文件，撰写设计说明书。

12.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完毕的控制电路板。

4、主电路设计说明

1设计计算

系统方案论证,绘制电路原理图

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。（针对本设计的特点，即小功率直流PWM 调速，在实际工程中，一般采用P. MOSFET 构成H 桥，本设计中为了让大家了解和掌握IPM 的特点和使用方法，所

以指定采用PS21564作为主电路）

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。整流部分采用4个二极管集成在一起的整流桥模块。

5）电动机的额定电压为20V ，通过查阅该型号IPM 的数据手册可知开关器

件的通态导通压降为2V 左右，故可知dc V 电压为24V ，由全桥整流电路可知，

20.9dc V V

考虑整流桥中二极管压降为1V ，故可知变压器副边电压，从而可知变压器

的变比。滤波电容选择耐压40V 左右，容值450uF 左右即可。

主电路元部件参数的选择

元部件型号 独石电容 多圈电位器 电解电容 电阻 电感 肖特基二极管IN5819 二极管IN4148 发光二级管 PS21564-P(IPM 直流芯片) 熔断器

5、控制电路设计说明

1．接口设计：如图详细设计提供了主电路所需要的所有控制信号和工作电压

2.自举电路设计原理图

为了简化设计，上桥臂两个器件，即V1 和V3 的驱动电源采用单电源的自举式供电，详细设计可参考IPM 的设计手册。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。

本设计中，自举电路中的二极管建议选用IN5819，电容值为1uF，电阻值为20欧左右3.脉冲调制芯片SG3525的外围电路设计图

4.脉冲信号逻辑分配电路：包括移相电路和与非门组成的逻辑变换电路及开关控制电机转向电路。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RC移相后，为每路驱动信号产生5us的开通延时。这部分电路中的门电路采用6反相器74LS04和74LS00，移相电路中C的取值为0.1uF，分析电路，利用三要素公式可计算电阻R的取值，实际电路中采用变阻器，以便于调试。

2 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。

3525典型应用电路

2）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，我们设计了两路驱动信号的开通延时电路。即利用RC移相电路后，为每路驱动信号产生5μS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5μS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0.01μF。

3）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的驱动电源采用单电源的自举式供电，详细设计可参考IPM的设计手册。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。

4）设计一个DC 15V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。LM2575T 的封装形式为5脚TO-220形式。另外TTL电路的5V工作电源可直接取自SG3525的内部参考电源管脚。滤波电路中的二极管建议选用IN5819。电路图如图8所示。

图8 15V 稳压电源电路

通过查阅芯片手册知：

211OUT REF R V V R ??=+ ???

本设计中，

115, 1.23,1OUT REF V V V V R K ===,计算得：211.3R K =&。实际电路中，采用变阻器代替

1R ，2R ，便于调试。

控制电路示意图

3 触发电路元部件和保护装置元部件参数的选择

元部件型号 独石电容 多圈电位器 电解电容 电阻 电感 肖特基二极管IN5819二极管IN4148 DIP 开关 LM2575 74LS00 74LS04 SG3525

6、调试过程的详细记录

(1)调试15V稳压电源电路

只将控制板的J3接口与主电路板相连，J6和J7都不连接。再将LM2575插在电路板的对应插座上。模拟盒上断开S2开关，闭合S1开关。调节电位器，直至稳压电路输出为所需的15V为止。

(2)调试脉宽调制信号发生电路

接好电路，首先调节SG3525的6脚变阻器，使13脚输出脉冲的频率为5KHz，之后调节2脚变阻器，确定输出脉冲的占空比可在0~1之间可调。

(3)调试两路驱动信号的开通延时电路

用示波器同时观察两路输出脉冲，分别调节两个RC移相电路中的变阻器，使死区时间为5us。同时，观察最终的输出驱动信号，确定其逻辑满足设计要求。

(4)调试自举电路

接好电路，测试自举电压为14V左右，自举电路工作正常。

(5)整体调试

将驱动脉冲信号的占空比调到50%左右，将电机接入电路，电机开始运转，调节占空比，可调节电机的速度，切换开关，可改变电机的运行方向。

调试结果及分析

(1)电机负载

1)调节占空比，电机能够正常运转且速度变化；切换开关，可改变电机的运行

方向，满足设计要求。

2)电机电枢上电压和电流的波形。（ch1为电流，ch2为电压）：如图10所示。

由波形可看出，当电机两端为正电压时，流过电枢的电流上升，电感储能；

当外接电压断开时，电感释放能量，电流下降。观察电压波形，发现电枢电压并不是标准的矩形波，在高电平时电压呈下降的趋势，这是由于电枢电感的储能作用，产生的反电动式引起的。

图10 电枢电压电流波形

3)直流母线电压电流波形。（ch1为电流，ch2为电压）：如图11所示：

图11 母线电压电流波形

4)H桥中各个IGBT驱动控制信号的波形，如图12所示。驱动信号互补，且有

明显的死区时间，满足设计要求。

图12 V1和V3 、V2和V4波形

(2)电阻负载

1)调节占空比，观察电阻电压，随着占空比的改变，电阻上的电压也相应改变。

2)电阻上电压和电流的波形。（ch1为电流，ch2为电压）：如图13所示：

图13 电阻上电压波形

3)直流母线电压电流波形。（ch1为电流，ch2为电压）：如图14所示：

图14 母线电压波形

4)H桥中各个IGBT驱动控制信号的波形，如图15所示。且有明显的死区时间，满足设计要求。

图15 V1和V3 、V2和V4波形

控制电路实物图

主电路实物图

7、收获和体会

这次的自动控制系统课程设计整整做了二周，比起以前的数电、模电、微机等课设要复杂得多，难得多，同时也让我深深的体会到自己有很多不足。这次课设是我大学期间做过的最具有挑战性的一次课设，不是因为这次课设的难度，而是韧度。我们在做课设的过程中遇到了非常非常困难的情况。

从画原理图到进实验室感觉上是一个漫长的过程，我们从一点也摸不到头脑开始，扎根于新图，翻阅了N本书，一切准备就绪后，下面就是利用绘图工具来绘制电路图了。因为之前学过了Protell，所以它当然是首当其选。不过，由

于很久都没使用过了，有点生疏，很多细节还要重新查阅书本，中间牵涉到很多很多。比如说器件引脚的快速顺序赋值、器件的旋转、字体的大小颜色，文本、电源等的添加，器件的查找、元件库的添加……在这里我很有感触的就是，在查找单片机时在Miscellaneous Devices.lib这个库中找了几遍都找不到，一开始还以为自己找漏了，但是找了几遍都没找到后，不难想象，这个库中没有单片机这类器件，于是开始从别的库开始找，但是，那么多的元件库该从何找起，找了几个后，可能运气不佳，没被我碰到。在心情极其低落之下，于是想起了互联网，于是开始在网上搜索相应信息。终于，功夫不负苦心人，我终于找到了，原来它在Protell DOS Schematic Libraries.ddb这个库中，最终经过半天的精心绘制，本次设计的电路原理图总算是画完了。但是，其中的引脚的编号赋值、器件的摆放位置等等细节甚是繁琐，但还是在耐心的规划下圆满结束了，终于画出了一幅能让自己满意的原理图，但当时其中有很多东西都不是太明白，才发现我们的理论知识真有些薄弱。当老师给我们分析讲解时，我们有了进一步的认识。到最后我们真正进入实验室，才发现老师已经给我们一个非常完美的实验原理图。

当我们领完器件、工具后，我们开始对老师给的电路进行分析和解剖。基本了解后我们开始对控制板进行组装和焊接。因为我们是第一次焊接电路板，对工具不是能够熟练的运用，因此在焊接中出了不少错误，比如数错了引脚导致连线错误，焊接时手不稳烫到同学等等，最终我们还是克服了困难，在反复接线拆线在检查后，终于完成了电路板的焊接。

接下来就是让人期待的调试过程了，也是验收我们这些天成果的时候了，我们在检查了电路之后，按要求将线接好，接通电源，按要求调试出信号脉冲，实现电机的软启动和正反转。在此过程中，我们也不是一帆风顺，因为没有经验，起初调试不出来，但怎么也检查不出来错误在哪儿，最终在老师的帮助下完成了调试

课设已经结束，但是从始至终，即从最初的选题到最后的落幕，经历了很多之后也感受颇多。本次设计主要考察我们通过已经学过的理论知识，查阅相关资料，锻炼我们独立思考的能力。同时通过设计，也加深了自己对理论知识的理解和掌握，在解决困难的过程中，获得了许多专业方面的知识,拓展了视野。也把以前的所学重新拿出来复习一下，有助于在以后的学习生涯中少走一些弯路。虽然自我感觉理论知识还行，但是，一到实践中去却总是碰壁、无从下手。经过两周的设计过程，我也明白了一些道理。那就是，第一，不管做什么事情，一定要有耐心，一定要细心，切不可浮躁，切不可麻痹大意。遇到问题要耐心的去检查，然后细心的去分析去研究，最终将会把问题给解决掉。第二，要学好理论知识，否则的话，开头将很难，你会无从下手。在理论基础勉强过关的情况下，方可进行更深一步的设计研究。另外，要广泛查阅资料，要动用一切可以利用的资源，这样才能把问题研究懂研究透。还有就是，不会的一定要去请教别人，不可感觉会丢面子而不懂装懂，这样会对整个设计的进程带来很大困难。

总而言之，我个人认为这次设计很有价值，让我获益颇多，希望在大学期间能够多一些类似的课程设计，这样不经可以激发学生学习的积极性，更能增强学

生的实践动手能力，那么在以后的工作岗位上，也会少些许坎坷。虽然我们已经步入大三的尾声了，类似的机会也不多了，但还是希望我们会有更多参加类似设计的机会。

8、附录:主电路和控制电路原理图

主电路原理图

控制电路原理图

V1

AC 220V

C

V3 V2V4

M Vdc