哈工大-生产实习报告

H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y
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：
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
1 直流脉宽调速实验报告
1．设计题目
直流脉宽调速系统驱动电源的设计。

2．任务与意义
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。

由于直流电机的调速性能和转矩控制性能好，20世纪30年代起就开始使用直流调速系统。

直流调速系统由最早的旋转变流机组控制，发展为用静止的晶闸管变流装置和模拟控制器实现调速，到现在由大功率开关器件组成的PWM电路实现数字化的调速，系统的快速性、可靠性、经济性不断提高，应用领域不断扩展。

直流PWM控制技术作为一门新型的控制技术，其发展潜力是相当大的。

而且，直流PWM技术是电力电子领域广泛采用的各种PWM技术的典型应用和重要基础，掌握直流PWM技术对于学习和运用交流变频调速中SPWM技术有很大的帮助和借鉴作用。

3．仪器与器件
IPM实验箱、示波器、数字万用表、电烙铁、烙铁座、焊锡、导线、通用板、螺丝刀、剥线钳、DIP插座、LM2575、74LS04、SG3525、独石电容、电解电容、电阻、多圈电位器、电感、二极管等。

4. 设计指标
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1：10004。

5．设计内容
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，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。

6. 电路的焊接及调试
在电路原理图的设计完成后，领取所需元器件进行电路板的焊接工作。

1）焊接并调试LM2575模块，调节电位器使其输出为15V；
2）调试PWM生成模块SG3525,使其输出波形为5kHz，并使其占空比为50%；
3）焊接并调试死区发生电路，调节两个电位器使互补PWM波先开通后关断时间间隔都为5us；
4）测试IPM中上桥臂驱动电源的自举电路，保证期电压差为15V左右；
5）在保证UP与VN相连，UN与VP相连的前提下，闭合S2,调节占空比使电机正转和反转。

7. 参考资料
1）3525应用论文（电子文档）；
2）IPM应用手册（电子文档）；
3）LM2575数据手册（电子文档）；
4）LM2575应用论文（电子文档）；
5）SG3525数据手册（电子文档）；
6）SN74LS04数据手册（电子文档）；
7）生产实习指导书（电子文档）；
8）直流脉宽调速实验原理（电子文档）。

2 主电路设计说明
1. 主电路设计简述
根据设计指标及直流脉宽调速的原理，设计主电路并选择主电路所需的器件。

包括整流变压器在内的整流电路的设计和H 桥可逆斩波电路的设计，根据要求采用IPM （型号为PS21564）作为DC/DC 变换的主电路。

并且要选择合适的变压器，满足系统的功率要求，整流桥的最大输出电流应该能够满足电路的要求。

从安全角度考虑，在主电路中设有保险丝和手动开关，在电路故障时切断电路，在电路中，安装两个发光二极管，以示电路工作是否正常。

2. 主电路拓扑结构
主电路引入220V 交流电，经变压器变压后，由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 主电路拓扑结构图
3．变压器和整流电路
单相无控整流桥采用四个二极管集成在一起的整流桥模块。

电动机的额定电压为V 24U m =，通过查阅所用的IPM 数据手册可知25℃时开关器件的通态导通压降最大值为V 2.42*V 1.2U h ==，而此时整流
桥中的二极管的导通压降可计算为为
V 4.12*V 7.0U rec ==。

根据h m rec 0d 2U U U U U 9.0++==，可得到整流变压器副边电压有效值2U =32.89V ,取为33V ，从而可知变压器的变比为220:33=20:3。

滤波电容耐压取V 51U 2*1.1U 2=≥,实验箱上取耐压65V 左右，电容值为2200uF 的电解电容。

根据电动机额定电流为1.5A ，整流二级管承受的最大反向电压为2U 2，取两倍裕量为V 93U 222=，据此选择整流二极管1N5402。

电动机最大功率为W 36V 24*A 5.1P m ==，整流电路最大功率
rec P =1.5A*1.4V=2.1W ，斩波电路最大开通损耗为h P =2.1V*1.5A=6.3W 。

由此得变压器的功率为P=36W+2.1W+
6.3W=44.4W ，留有一定裕量取变压器功率为60W 。

4．斩波部分H 桥
4.1 工作原理
电机调速通过PWM 技术实现，采用双极性H 型PWM 变换器。

图2 双极性H 型PWM 变换器原理图（a ）
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。

第1阶段，在0≤t ≤ton期间，Ug1、Ug4为正，V1、V4导通，Ug2、Ug3为负，V2、V3截止，电流io沿回路1流通，负载两端电压Uo =+E ；第2阶段，在ton≤t≤T期间，Ug1、Ug4为负，V1、V4截止，VD1、VD4续流，并钳位使V2、V3保持截止，电流io沿回路2流通，负载两端电压Uo =－E。

图3 双极性H型PWM变换器原理图（b）
第3阶段，在ton≤t≤T 期间，Ug2、Ug3为正，V2、V3导通，Ug1、Ug4为负，使V1、V4保持截止，电流－io沿回路3流通，负载两端电压Uo= －E；第4阶段，在0≤t≤ton期间，Ug2、Ug3为负，V2、V3截止，VD2、VD3续流，并钳位使V1、V4截止，电流－io沿回路4流通，负载两端电压Uo = +E 。

双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为：
这里占空比用ρ表示，定义电压系数γ =Ud/E 。

则在双极式控制的可逆变换器中γ = 2ρ－1。

调速时，ρ的可调范围为0—1，－1<γ <+1。

当ρ >0.5时，γ为正，电机正转；
当ρ <0.5时，γ为负，电机反转；
当ρ = 0.5时，γ= 0 ，电机停止。

当电机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。

这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，
徒然增大电机的损耗，这是双极式控制的缺点。

但它也有好处，在电机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时的静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。

4.2 电路的实现
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。

在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，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。

主电路图见附录。

3 控制电路设计说明
1.控制电路设计简述
控制电路的设计分为PWM脉宽调制控制电路（SG3525）、IPM接口电路（PS21564）、开关稳压集成电路（LM2575T）。

1）PWM脉宽调制控制电路（SG3525）
采用电压型PWM控制器SG3525为核心，根据SG3525芯片的原理及各引脚的功能及参数，设计SG3525的外围电路，使其产生PWM波，并且满足系统的设计要求，即频率为5khz，占空比调节范围为0-1。

2）IPM接口电路（PS21564）
接口电路的设计只要包括上下桥壁元件的开通延迟和上桥壁驱动电源的设计。

开通延迟可以通过电容的充放电来完成。

上桥壁的驱动电源应该独立于下桥臂，本设计采用自举电路来实现。

认真分析IPM的应用手册，理解其原理，保证设计电路的合理性
3）开关稳压集成电路（LM2575T）
系统只能提供整流输出的约30V直流电，但SG3525和IPM的驱动电源所需的电压约为15V，故需要设计15V直流稳压电源。

本设计采用
LM2575-ADJ开关稳压集成电路，分析其应用资料，理解稳压原理，设计电路，通过调整输出级的电阻使输出稳定在15V。

2.脉宽调制控制电路（SG3525）
控制电路采用以SG3525为核心的脉宽调节电路，工作原理如图4所示。

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。

图4 以SG3525为核心的脉宽调节电路原理图
图5 3525频率电容电阻选择图
在设计SG3525外围电路时，采用该集成芯片的DIP 封装形式。

由于SG3525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，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，其接法如图6所示。

其中VCC 由SG3525的内部5V 参考电源管脚提供，上拉电阻R 取5.1K Ω。

SG3525输出的震荡频率通过外接的电阻和电容调节，取震荡频率为5KHz （是根据IPM 中IGBT 的开关速度而确定的），由图五可知,选择SG3525的5脚
T C 端外界振荡电容为0.02uF ，死区电阻为D R =0，查SG3525数据手册可知T R 约为15K Ω，选择T R 为20K 的滑动变阻器。

电路如图5所示。

图6 SG3525外围电路图
3．IPM接口电路（PS21564）
3.1 上下桥臂元件的开通延迟电路的设计
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。

反向二极管起到开通延时，关断不延时的作用。

当输入为高电平时，由于电容两端电压不能突变，通过电阻对电容充电，产生开通延时。

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。

电路如图6。

图7 开通延时电路图
3.2 上下桥臂驱动电源的自举电路设计
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。

自举电路实际就是利用电容带电给
1VT 3VT 管的驱动模块提供电源。

自
举电路电路如下：
图8 自举电路图
由于DB V 的电压不降于14.5V 以下，例如，驱动电路损耗电压
DB V
=0.2V ，上臂IGBT 的最大导通脉冲宽度
1200s T μ=，DB I 为0.4mA(最大的
额定值)时61
0.410DB DB I T C V -⨯==⨯∆即自举电容的计算值为0.4F μ。

考虑到分散特性和可靠性等，自举电容容值的选择通常为计算值的2～3 倍，选择电容为1uF 。

由于自举电容C=1F μ，D V =15V ，DB V =14.5V 。

下臂IGBT 的最小导通
脉冲宽度0t =5s μ，自举电容在此期间需要被充电DB V ∆=0.2V 。

0()12.5D DB DB V V t R C V -⨯==⨯∆Ω，取自举电阻为20Ω。

4. 开关稳压集成电路（LM2575T ）
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。

LM2575T 的封装形式为5脚TO-220形式。

采用LM2575的可变输出电压典型应用电路，如图5所示。

图9 DC15V 控制电源
根据LM2575的内部原理可知，将稳压输出的电压接到反馈输入端的目的是同内部电压基准比较，若电压偏低，则用放大器来控制内部振荡器以提高输出占空比，从而提高输出电压，直至反馈端电压与基准电压相等，
起到稳定输出电压的目的。

所以输出电压满足：
211out REF R U U R ⎛⎫=+ ⎪⎝⎭，其中，15out U V =， 1.23REF U V =。

取1 1.1R K =Ω，则21112.31out REF U R R K U ⎛⎫=-=Ω ⎪⎝⎭，2R 采用20K Ω多圈电位器。

4 调试结果及讨论
1．调试过程
1）稳压电源的电路。

将控制板的J3接口与主电路板相连，J6和J7均不连接。

再将LM2575T插在电路板的对应插座上。

在模拟盒上断开S2开关，闭合S1开关，控制板将通过J3接口获得直流母线电压。

然后调节稳压电路中的电位器，直到在稳压电路的输出部分获得所需15V直流电压。

2）脉宽调制信号发生电路调试。

首先将SG3525插在电路板的对应插座上。

在模拟盒上断开S2开关，闭合S1开关，给控制板上电。

然后调节相应电位器，获得频率为5KHz，占空比可在0～1之间调节的脉宽调制信号。

3）两路驱动信号的开通延时电路调试。

将74LS06插在电路板的对应插座上。

在模拟盒上断开S2开关，闭合S1开关，给控制板上电。

然后调节相应电位器，两路驱动信号之间有5μS的开通延时。

4）测试IPM中上桥臂驱动电源的自举电路。

将控制板的J6和J7接口与主电路板相连。

在模拟盒上断开S2开关，闭合S1开关，给控制板上电。

测量通过自举电路提供的上桥臂驱动电源是否正常。

5）上述单元电路均调试通过后，在模拟盒上断开S2开关，闭合S1开关，给控制板上电。

将驱动信号的占空比调整到50％附近。

闭合S2开关，接通H桥的直流电源，测试电机的端电压，判断是否与设想的情况复合。

若一切正常，则调节占空比，使电机运转起来，并能够调速和反转。

2．测试结果
1）占空比的有效调节范围为5%-95%，对应的电机端电压的平均值范围约为-19V—+19V。

2）驱动电压波形
图10 驱动电压波形
3.感想与体会
我们在调试的过程中，遇到了各种各样的问题，先是测不出15V的电压，后来经过电压表的逐一排查，确定了是LM2575T芯片损坏，我们进行更换后，成功得到了15V电压。

在之后的波形调试中，我们总得不到矩形波，后来经过反复检查，才找到了是焊接的时候有一部分电路没有接地，我们赶紧重新修改并焊接电路板，最后终于得到了方波。

调试过程中，由于我们的失误，还击穿了一个电容。

调试的过程说起来简单，做起来才发现需要注意的问题有很多，虽然遇到很多困难，但我们都没有放弃，一直不断地检查，不断地发现问题和解决问题，最终完成了这次生产实习。

5 附录
1.主电路图
图11 主电路图2.控制电路图
图12 控制电路图1
图13 控制电路图2。