直流脉宽调速系统驱动电源设计
目录
1.直流脉宽调速系统驱动电源 .............................................. 1
1.1任务和意义...................................................................................................................... 1
1.2技术指标 ......................................................................................................................... 1
1.3设计内容 ......................................................................................................................... 1
2. 脉宽调制技术 ........................................................... 1
2.1脉宽调速系统的控制电路: . .............................................................................................. 2
2.2脉冲宽度调制器: ........................................................................................................... 2
2.3直流脉宽调制放大器工作原理.......................................................................................... 3
2.4脉宽调制优点 .................................................................................................................. 3
2.5电路参数及选型............................................................................................................... 4
3. 直流脉宽调速实验原理 ................................................... 5
3.1 SG3525A脉宽调制器控制电路简介................................................................................... 5
3.2 SG3525A内部结构和工作特性.......................................................................................... 5
3.3 IC芯片的工作 ................................................................................................................ 7
3.4脉宽调速系统的开环机械特性.......................................................................................... 7
4. 主电路设计说明 ......................................................... 8
4.1主电路的选择 .................................................................................................................. 8
4.1.1简要概述 . ............................................................................................................ 8
4.2设计说明 ....................................................................................................................... 10
5. 简要概述 .............................................................. 11
5.1设计说明 ........................................................................................................................11
5.2.1控制电路的选择 .................................................................................................. 13
5.2.2驱动电路的选择 .................................................................................................. 14
6.调速系统各部分功能 ................................................... 17
6.1 欠压锁定功能 ............................................................................................................... 17
6.2系统的故障关闭功能...................................................................................................... 17
6.3软起动功能.................................................................................................................... 17
7. 仿真电路模块 .......................................................... 17
总结 .................................................................... 19
附录:主电路和控制电路 ................................................... 20
1.直流脉宽调速系统驱动电源
1.1任务和意义
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。纵观运动控制的发展历史,交、直流两大电气传动并存于各个应用领域。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。
尽管目前对交流系统的研究比较“热门”,但是其控制性能在某些方面还达不到直流PWM 系统的水平。直流PWM 控制技术作为一门新型的控制技术,其发展潜力还是相当大的。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。
1.2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:大于1:100。
1.3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(要求采用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)。
2. 脉宽调制技术
脉宽调制技术简称PWM, PWM控制技术就是半导体开关元件的导通和关断时间比,即调节脉冲宽度或周期来控制输出电压的一种控制技术。近年来,随着全控型器件的不断发展和PWM 技术的日益完善,已广泛应用于变频调速和开关电源等领域。
PWM 常用于电压型逆变器,它可消除或减小低次谐波,滤波器体积可减小,有利于小型化和降低成本。
直流电动机的PWM 调速原理,为了获得可调的直流电压,利用电力电子器件的完全可控性,采用脉宽调制技术,直接将恒定的直流电压调制成可变大小和极性的直流电压
作为电动机的电枢端电压,实现系统的平滑调速,这种调速系统就称为直流脉宽调速系统。
脉宽调制的基本原理,脉宽调制(Pulse Width Modulation),是利用电力电子开关器件的导通与关断,将直流电压变成连续的直流脉冲序列,并通过控制脉冲的宽度或周期达到变压的目的。所采用的电力电子器件都为全控型器件,如电力晶体管(GTR )、功率MOSFET 、IGBT 等。 通常PWM 变换器是用定频调宽来达到调压的目的 PWM 变换器调压与晶闸管相控调压相比有许多优点,如需要的滤波装置很小甚至只利用电枢电感已经足够,不需要外加滤波装置;电动机的损耗和发热较小、动态响应快、开关频率高、控制线路简单等。
PWM 的占空比决定输出到直流电机的平均电压. PWM不是调节电流的.PWM 的意思是脉宽调节, 也就是调节方波高电平和低电平的时间比, 一个20%占空比波形, 会有20%的高电平时间和80%的低电平时间,而一个60%占空比的波形则具有60%的高电平时间和40%的低电平时间, 占空比越大, 高电平时间越长, 则输出的脉冲幅度越高, 即电压越高. 如果占空比为0%,那么高电平时间为0, 则没有电压输出. 如果占空比为100%,那么输出全部电压. 所以通过调节占空比, 可以实现调节输出电压的目的, 而且输出电压可以无级连续调节. PWM信号是一个矩形的方波,他的脉冲宽度可以任意改变,改变其脉冲宽度控制控制回路输出电压高低或者做功时间的长短,实现无级调速。
2.1脉宽调速系统的控制电路:
由全控型电力电子器件构成的PWM 变换器是一种理想的直流功率变换装置,它省去了晶闸管变流器所需的换流电路,具有比晶闸管变流器更为优越的性能,PWM 直流调速系统在中小容量的高精度的高精度控制系统中得到了广泛的应用。PWM 变换器是调速系统的主是电路,是对已有的PWM 波形的电压信号的产生、分配则是PWM 变换器控制电路的功能,控制电路主要包括脉冲宽度调制控制器UPW 、调制波发生器GM 、逻辑延时环节DLD 和电力电子器件的驱动保护电路GD 。
2.2脉冲宽度调制器:
脉冲宽度调制器是控制电路中最关键的部分,是一个电压-脉冲变换装置,用于产生PWM 变换器所需的脉冲信号——PWM 波形电压信号。脉冲宽度调制器的输出脉冲宽度与控制电压成正比,常用的脉冲宽度调制器有以下几种;
1. 锯齿波作调制信号的脉冲宽度调制器——锯齿波脉宽调制器;
2. 三角波作调制信号的三角波脉宽调制器;
3. 多谐振荡器和单稳态角触发器组成的脉宽调制器;
4.成可调脉宽调制器和数字脉宽调制器。
下面介绍其中一种锯齿波脉冲宽度调制器:
锯齿波脉冲宽度调制器本身是一个由集成运算放大器和几个输入信号组成的电压
比较器。运算放大器工作在开环状态,稍微有一点输入信号就可使其输出电压达到饱和限幅值,当输入信号电压极性改变时,输出电压就在正、负限幅值之间变化,从而完成把连续电压变成脉冲电压的转换。加在运算放大器输入端的信号有三个:一个是由锯齿波发生器提供的锯齿波调制信号,其频率是主电路所需要的开关频率,通常视所采用的电力电子器件和系统性能而定。另一个输入信号是控制器输出的直流控制电压,其极性和大小随时可变。与在运算放大器的输入端相加,使放大器的输出端得到周期固定、脉冲宽度可变的调制输出电压。为了在时的正负脉冲相等,以使PWM 变换器的输出电压,在运算放大器的输入端还有第三个输入信号——负偏压。
2.3直流脉宽调制放大器工作原理
脉宽调制(PWM )放大器根据不同的工作方式可分为单极性和双极性两种。单极性是指放大器输出电压的极性是单方向的,即不可逆的;双极性放大器则可以输出正、负极性的电压,这种放大器又可分为双极式、单极式和受限单极式三种。常用的电路有双极式PWM 放大器、单极式PWM 放大器、单极倍频式PWM 放大器,下面介绍双极式PWM 放大器。
双极式PWM 放大器
双极式PWM 放大器主电路。四个电力晶体管组成H型电路,VT1和VT4为一组,驱动电压=;VT2和VT3为另一组,驱动电压==-。同一组的两个晶体管同时导通或同时关断,两组之间是相互交替导通或关断的。
设在0≤t ≤期间,和为正,和为负,这时VT1和VT4导通,VT2和VT3关断。当电源电压大于电动机反电势E 时,电动机M 经VT1和VT4工作在正向电动状态。在<t ≤T 期间,和为负,VT1和VT4关断,电枢电流在电感作用下,经VD3→电源→VD2续流,电动机仍工作在电动状态,这时VT2和VT3得到正向基极偏压,但由于受VD2和VD3正向压降的箝制作用仍不能导通。如果在t=时刻正向电流衰减到零,在<t ≤T 期间,VT3和VT2在电源电压和电动机反电势E 的作用下导通,电枢电流反向,电动机工作在反接制动状态。在T <t ≤期间,VT2和VT3因基极电压改变极性而关断,电枢电流经VD1和VD4续流,电动机仍工作在制动状态,如果在t=时刻反向的电枢电流衰减到零,那么,在<t ≤(T+)期间,VT1和VT4导通,重复上述过程。
从上述可知,不管电动机工作在什么状态,放大器输出电压(即电动机电枢端电压),在0≤t ≤期间总是等于+,而在<t ≤T 期间总是等于-。放大器输出电压的平均值等于正脉冲方波电压的平均值和负脉冲方波电压的平均值之差。
2.4脉宽调制优点
PWM 的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的,无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时,也才能对数字信号产生影响。
对噪声抵抗能力的增强是PWM 相对于模拟控制的另外一个优点,而且这也是在某些时候将PWM 用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM 可以极大地延长通信距离。在接收端,通过适当的RC 或LC 网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。
总之,PWM 既经济、节约空间、抗噪性能强,是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。
2.5电路参数及选型
Ud=110V
考虑占空比为90%,则 Us=Ud/0.9=123V
取 Us=1.2U2
U2=Us/1.2= 102V
考虑到10%的裕量 U2=1.1³102V=113V
一、二次电流计算 I2=Id=13A
变比 K=U1/U2=220/113=1.95
I1=I2/K=13/1.08=12A
考虑空载电流,取 I1=1.05³12=12.6A
变压器容量计算 S1=U1³I1=220³12.6=2772VA
S2=U2³I2=113³13=1469VA
S=(S1+S2)/2=2120.5VA
整流元件选择
二极管承受反向最大电压 UDM=1.414U2=1.414³113=160V 考虑3倍裕量,则 UTN=3³160=480V 取500V
该电路整流输出接有大电容,而且负载也不是纯电感负载,但为了简化计算,仍可按电感计算,只是电流裕量要可适当取大些即可。
IdD=0.5Id=0.5³13=6.5A
ID=Id/1.414=13/1.414=9.2A
ID(AV)=2ID/1.57=2³9.2/1.57=11.7A
滤波电容选择
C1一般根据放电的时间常数计算,负载越大,要求纹波系数越小,一般不做严格计算,多取2000 uF以上。因该系统负载不大,故取 C1=2200 uF耐压 1.5UDM=1.5³160=240V取250V 即选用2200uF 、250V 电容器。 IGBT 的选择
因为Us=123V,取3倍裕量,选耐压为400V 以上的IGBT 。由于IGBT 是以最大标注且稳定电流与峰值电流间大致为4倍关系,故应选用大于4倍额定负载电流的IGBT 为宜,因此选用50A, 额定电压1600V 左右的IGBT
续流二极管的选择
根据
U rm =(2~3) U s I cm =(1. 5~2) I d
得知 续流二极管应选IcmA 、额定电压为的Urm 二极管
3. 直流脉宽调速实验原理
3.1 SG3525A脉宽调制器控制电路简介
SG3525A 宽调制器控制电路可以改进为各种类型的开关电源的控制性能和使用较少的外部零件。在芯片上的5.1V 基准电压调定在±1%,误差放大器有一个输入共模电压范围。它包括基准电压,这样就不需要外接的分压电阻器了。一个到振荡器的同步输入可以使多个单元成为从电路或一个单元和外部系统时钟同步。在C T 和放电脚之间用单个电阻器连接即可对死区时间进行大范围的编程。在这些器件内部还有软起动电路,它只需要一个外部的定时电容器。一只断路脚同时控制软起动电路和输出级。只要用脉冲关断,通过PWM (脉宽调制)锁存器瞬时切断和具有较长关断命令的软起动再循环。当V CC 低于标称值时欠电压锁定禁止输出和改变软起动电容器。输出级是推挽式的可以提供超过200mA 的源和漏电流。SG3525A 系列的NOR (或非)逻辑在断开状态时输出为低。
²工作范围为8.0V 到35V
²5.1V ±1.0%调定的基准电压
²100Hz 到400KHz 振荡器频率
²分立的振荡器同步脚
3.2 SG3525A内部结构和工作特性
(1)基准电压调整器
基准电压调整器是输出为5.1V ,50mA ,有短路电流保护的电压调整器。它供电给所有内部电路,同时又可作为外部基准参考电压。若输入电压低于6V 时,可把15、16脚短接,这时5V 电压调整器不起作用。
(2)振荡器
3525A 的振荡器,除C T 、R T 端外,增加了放电7、同步端3。R T 阻值决定了内部恒流值对C T 充电,C T 的放电则由5、7端之间外接的电阻值R D 决定。把充电和放电回路分开,有利于通过R D 来调节死区的时间,因此是重大改进。这时3525A 的振荡频率可表为: f S =1C T (0. 7R T +3R D ) (3.1)
在3525A 中增加了同步端3专为外同步用,为多个3525A 的联用提供了方便。同步脉冲的频率应比振荡频率f S 要低一些。
(3)误差放大器
误差放大器是差动输入的放大器。它的增益标称值为80dB ,其大小由反馈或输出负载决定,输出负载可以是纯电阻,也可以是电阻性元件和电容的元件组合。该放大器共模输入电压范围在1.8~3.4V,需要将基准电压分压送至误差放大器1脚(正电压输出)或2脚(负电阻输出)。
3524的误差放大器、电流控制器和关闭控制三个信号共用一个反相输入端,3525A 改为增加一个反相输入端,误差放大器与关闭电路各自送至比较器的反相端。这样避免了彼此相互影响。有利于误差放大器和补偿网络工作精度的提高。
(4)闭锁控制端10
利用外部电路控制10脚电位,当10脚有高电平时,可关闭误差放大器的输出,因此,可作为软起动和过电压保护等。
(5)有软起动电路
比较器的反相端即软起动控制端8,端8可外接软起动电容。该电容由内部V ref 的
t =2. 5V
50μA ⋅C 850μA 恒流源充电。达到2.5V 所经的时间为
化。
(6)增加PWM 锁存器使关闭作用更可靠 。点空比由小到大(50%)变
比较器(脉冲宽度调制)输出送到PWM 锁存器。锁存器由关闭电路置位,由振荡器输出时间脉冲复位。这样,当关闭电路动作,即使过流信号立即消失,锁存器也可维持一个周期的关闭控制,直到下一周期时钟信号使倘存器复位为止。
另外,由于PWM 锁存器对比较器来的置位信号锁存,将误差放大器上的噪音、振铃及系统所有的跳动和振荡信号消除了。只有在下一个时钟周期才能重新置位,有利于可靠性提高。
(7)增设欠压锁定电路
电路主要作用是当IC 块输入电压小于8V 时,集成块内部电路锁定,停止工作(其准源及必要电路除外),使之消耗电流降到很小(约2mA )。
(8)输出级
由两个中功率NPN 管构成,每管有抗饱和电路和过流保护电路,每组可输出100mA 。组间是相互隔离的。电路结构改为确保其输出电平或者是高电平或者是低电平的一个电平状态中。为了能适应驱动快速的场效应功率管的需要,末级采用推拉式电路,使关断速度更快。
11端(或14端)的拉电流和灌电流,达100mA 。在状态转换中,由于存在开闭滞后,使流出和吸收间出现重迭导通。在重迭处有一个电流尖脉冲,其持续时间约100ns 。使用时V C 接一个0.1μf 电容可以滤去尖峰。
另一个不足处是吸电流时,如负载电流达到50mA 以上时,管饱和压降较高(约1V )。
图3.2 SG3523引脚图
3.3 IC芯片的工作
直流电源V S 从15号脚引入分两路:一路加到或非门;另一路送到基准电压稳压器的输入端,产生稳定的+5.1V 基准电压,+5.1V 再送到内部(或外部)电路的其它元件作为电源。振荡器5号脚需外接电容C r ,6号脚需外接电阻R r 。选用不同的C r 、R r ,即可调节振荡器的频率。振荡器的输出分为两路:一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及二个或非门;另一路以锯齿波形式送至比较器的同相端。比较器的反相端连向误差放大器。误差放大器实际上是个差分放大器,它有两个输入端:1号脚为反相输入端;2号脚为同相输入端,这两个输入端可根据应用需要连接。例如,一端可连到开关电源输出电压V 0的取样电路上(取样信号电压约2.5V ),另一端连到16号脚的分压电路上(应取得2.5V 的电压),误差放大器输出9号脚与地之间可接上电阻与电容,以进行频率补偿。误差放大器的输出与锯齿波电压在比较器中进行比较,从而在比较器的输出端出现一个随误差放大器输出电压的高低而改变宽度的方波脉冲,再将此方波脉冲送到或非门的一个输入端。或非门另二输入端分别为触发器、振荡锯齿波。最后,在晶体管A 和B 上分别出现脉冲宽度随V 0变化而变化的脉冲波,但两者相位相差180°。
3.4脉宽调速系统的开环机械特性
在稳态情况下,脉宽调速系统中电动机所承受的电压仍为脉冲电压,因此尽管有高频电感的平波作用,电枢电流和转速还是脉动的。所谓稳态,只是指电机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡的状态,电枢电流实际上是周期性变化的,只能算作是“准稳态”。脉宽调速系统在准稳态下的机械特性是其平均转速与平均转矩(电流)的关系。
不论是带制动电流通路的不可逆PWM 电路,还是双极式和单极式的可逆PWM 电路,其准稳态的电压、电流波形都是相似的。由于电路中具有反向电流通路,在同一转向下电流可正可负,无论是重载还是轻载,电流波形都是连续的,这就使机械特性的关系式简单得多。
4. 主电路设计说明
4.1主电路的选择
直流电动机的PWM 控制原理:
直流电动机转速n 的控制方法可分为两类,即励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法控制励磁通Φ,其控制功率虽然小,但低速时受到磁极饱和的限制,高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制。而且由于励磁线圈电感较大,动态响应较差。所以常用的是电枢电压控制法。Ua=Ud-IaR,虽然调节电阻R 即可改变端电压达到调速目的,但这种方法效率很低。因此,随着电力电子技术的进步,发展了许多新的电枢电压控制方法。如:由交流电源供电,使用晶闸管整流器进行相控调压;使用硅整流器交流电整流成直流电或由蓄电池等直流电源供电,再由PWM 斩波器进行斩波调压等。晶闸管相控调压或PWM 斩波器调压比串电阻调压损耗小,效率高。而PWM 斩波调压相对于相控调压又有如下优点:
A 、主电路线路简单,需用的功率器件少。
B 、开关频率好,电流容易连续,谐波少,电机损耗及发热都较小。
C 、低速性能好,稳速精度高,调速范围宽,可达1:10000左右。
D 、若与快速响应的电机相配合,则系统频带宽,动态响应快,动态抗扰能力强。 E 、功率开关器件工作在开关状态,导通损耗小,当开关频率适当时,开关损耗也不大,因而装置效率较高。
F 、直流电源采用不控整流时,电网功率因数比相控整流器高。
基于以上优点,所以采用PWM 直流斩波调压。
4.1.1简要概述
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。
A C 220V
T1图4.2用PROTELL 绘制的主电路原理图
图4.3用PROTELL 绘制的主电路原理图
4.2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。
图4.4整流电路
直流电动机往往需要正、反向运行,而且有电动和制动工作状态,这就需要四象限斩波变换电路为电动机供电。图2-3给出了四象限斩波调速主电路原理图。T1~T4组成了全桥电路,又称H 桥型电路;TA1检测母线的电流大小和方向,TA2检测电动机的电流大小和方向;电容C 用来减小开关过程引起的电压波纹压敏电阻Rv 用来抑制电压尖峰。电机的工作状态同供电方式和负载有关。
电机正向电动状态运行时,变换器工作在第一象限,使T4导通,T2、T3关断,根
据转速要求对T1进行PWM 调制,此时变换器等效一个降压斩波电路,能量由直流电源供向负载。
如果希望电机运行于正想制动状态,可使T4导通,T1、T3关断,变换器等效一个升压斩波电路;调控T2电动机的反电动势升压变换得到一个略大于Ud 的电压,使得电动机输出电流反向,电磁转矩反向,直流电动机运行在发电制动状态,电动机的能量就回馈到电网,转速下降。
同理,T2导通,T1、T4关断,调控T3,电动机可以运行在反向电动状态;T2导通,T1、T3关断,调控T4,电动机可以运行在反向制动状态。如下图:
5. 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。
5.1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。
图5.1 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)应设计一个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作为输入,通过电位器的调节,经稳压后获得15V 的直流电源。
图5.2控制电路示意图
PWM 变换器有不可逆和可逆两种,可逆变换器又有双极式、单极式和受限单极式等多种电路。由于本题目的要求(即双环可逆直流调速系统),所以只能考虑可逆PWM 变换器。选用了双极式、单极式、受限单极式三种通用的PWM 变换器来做了比较。
而相较与单极式和受限单极式PWM 变换器,双极式PWM 变换器的优点如下:
① 电流一定连续;
② 可使电机在四象限中运行;
③ 电机停止时有微振电流,能够消除静摩擦死区;
④ 低速时,每个晶体管的驱动脉冲仍较宽,有利于保证晶体管可靠导通;
⑤ 低速平稳性好,调速范围可达1:20000左右。
基于以上优点,本设计主电路采用双极式控制的桥式可逆PWM 变换器。
5.2.1控制电路的选择
直流电机的PWM 控制可用多种控制方法来实现:
① 使用专用集成PWM 控制器
② 使用微机进行控制
③ 使用PWM 控制器和微机相配合的方法。
考虑到简单、可靠灵活等特点,本设计采用单片机控制。, MCS-51系列是目前 普遍采用的单片机,加上其价格低、普遍性等优点,本设计控制电路采用8031。8031是单片机中最基本型的,它的内部包括一个8位CPU 、128个字节RAM 、21个特殊功能寄存器(SFR )、4个8位并行I/O口、1个全双工串行口,2个16位定时器/计数器,但片内无程序存储器,需外扩EPROM 芯片。
8031具有以下特点:
Ⅰ、采集程度限制,片内存储器容量小,无程序存储器,所以片外扩展一片2764程序存储器。片内数据存储器只有128个字节,所以又扩展一片6264数据存储器。
可靠性好。芯片本身是按工业测控环境要求设计的,其抗工业噪音干扰优于一般普通CPU ;程序指令及常数、表格化在ROM 中不易破坏;许多信号通道均在一个芯片内,故可靠性高。
Ⅱ、控制功能强。
Ⅲ、易扩展,片内具有计算机正常运行所需的部件。
所以控制电路采用8031外扩一片6264和一片2764。本设计采用双CPU 进行主从电路的控制,其运行速度快。
图5.3
5.2.2驱动电路的选择
由于晶体管必须有基极驱动器才能起动,要使工作在高电压、大电流的大功率晶体管在驱动电路具有快速开关,最小损耗和完全可靠的运行是很困难的。HL201A 驱动模块能很出色的完成上述任务。HL201A 是西安电力电子技术研究所研制的GTR (大功率三极管)专用厚膜驱动电路。它技术成熟,内置微分变压器,可实现输入、输出信号的隔离且响应速度快;外接器件简单,并具有贝克钳位端,可靠性高,受环境因素影响小,特别是电源适用范围很广;其较大的输出功率可直接驱动75A 以内的GTR 模块。相比于UAA4002、M57125等驱动器,具有性能优良及价格便宜等优点。但在组成的具体系统中,由于其内部不带保护电路,易出现GTR 意外损坏现象。因此,为该驱动电路附加改进的
保护措施,是GTR 安全可靠运行的重要保障。由于HL201A 还存在一些不足,本设计中采用改进过的HL201A 驱动模块,实现了在驱动电路中的功率管的过载自保护,并且具有以下特点:
①基极驱动电流接近理想驱动器的特性,且电路简单;
②传输延时小, 约为1.5?s, 完全适用于高频变换器;
③保护快速可靠,主回路上可省略霍尔电流传感器。这充分说明HL201A 驱动电路只要在实践中灵活使用,确实是一种性能优良、经济实惠的GTR 驱动电路。引脚功能说明:HL201A 采用单列直插式标准16引脚厚膜集成电路封装,可直接焊装在印刷电路板上,它向外共引出9个脚,各引脚名称、功能及用法如下表:
内部结构及工作原理:
HL201A 的内部结构。输入的驱动脉冲经VT1放大后推动隔离微分变压器T1,再由F1脉冲放大和整形电路输出。当输出脉冲为高电平时,该脉冲经电阻R2限流后使VT2管导通,以驱动GTR 饱和导通。这时,如有过饱和驱动电流,将通过接于引脚15的贝克钳位二极管分流。当输出脉冲为低电平时,VT2截止,VT3导通,以迅速抽出GTR 基—射结的剩余载流子,从而使被驱动的GTR 可靠关断。一般地,HL201 A在工作时的典型输出电流波形。其最大输出电流在前沿时大于25 A ,平顶时为1.5 A ,输入、输出响应时间小于1.5 μs ,比较符合GTR 最优基极驱动电流波形的要求。
应用电路及其不足:
虚线左半部分给出了在直流脉宽调速系统中应用HL201A 模块驱动GTR 的原理电路图,而虚线右半部分是下文3.2要介绍的GTR 附加保护电路。图中所用的GTR 为功率管SQD50AB100,R4C3为过压保护支路。
该电路驱动模块HL201A 外围元件少,简单可靠。但在实际使用中,由于模块本身不具有GTR 保护功能,如果不附加另外的保护措施(例如图2中虚线右半部分) ,GTR 有可能意外损坏。主要原因是:
(1)当驱动电路突然掉电或误操作导致主电路上下桥臂GTR 直通短路,或负载阻抗急剧减小出现过流,这时流过GTR 的电流超过最大允许电流ICM ,使电极引线过热而烧断,或使结温过高而损坏。检测短路和过流信号是技术难点,检测到故障信号后,通常是关闭GTR 的基极电流,利用 GTR的自关断能力切断电路。
(2)因外部电路条件和元器件参数的变化,GTR 退出了饱和状态,进入放大区,使得集电极耗散功率增大而发生击穿。退饱和与过流是两种不同现象。我们知道,GTR 饱和的条件是IB ≥IC/β。因此,即使IC 没达到过流整定值,若IB 减小或β减小,也会产生退饱和现象。退饱和保护与过流保护相似,即在故障发生时,利用GTR 的自关断能力切断电路。
自保护原理:在驱动电路中实现短路过流及退饱和的可靠保护,应包括GTR 故障状态的快速检测和随后立即封锁基极驱动信号。显然,基极驱动与故障保护结合在一起的自保护驱动电路将具有响应快速、保护可靠、电路简单的优点。一般认为,GTR 因负
载短路过流或基极驱动不足而进入线性工作区造成功率损耗过大,是引起GTR 在导通期间过载损坏的主要原因。通过分析GTR 的过载特性,我们可以利用GTR 的通态压降随负载电流的变化规律来检测GTR 的过载状态并启动过载保护电路,从而为在驱动电路中实现GTR 的即时过载保护提供可能。图3是常温25 ℃和不同基极驱动电流IB 下,实验测量SQD50AB100得到Vce 与 IC之间关系曲线, 由图可知,Vce 随IC 增大而增大,而且当IC 增大到一定值时,Vce 陡然增大,表明GTR 开始退出饱和区,使Vce 急剧上升。 IC阈值比器件额定工作电流稍大,因此Vce 的明显增大可作为器件过载的指示,它由保护电路检测,并与予先设定的基准电压Vref 相比较,一旦Vce 超过Vref ,就封锁功率管的基极驱动信号。基准电压Vref 大小取决于需要保护电路动作时的负载电流。由于功率管在退出饱和状态时Vce 增长变化较大,因此过载保护效果良好。实现电路图2是完整的HL201A 驱动保护电路,虚线右半部分所示即为附加保护电路。IC1为HL201 A ,给GTR 提供基极驱动,IC2为555时基电路,用于GTR 过载保护。D1、D2、D3均为快恢复二极管FR107。D1用于贝克钳位,D2、D3用于GTR 故障状态检测,R6设定比较电压Vref ,整定过载保护动作点电流值。
图5.4
我们设计的电路实际输出与理论结果才在区别,究其原因是因为受到环境,管器件的应用条件等因素的干扰,我们经过重新的调整得到新的波形。 低次谐波消去法
低次谐波消去法是以消去PWM 波形中某些主要的低次谐波为目的的方法. 其原理是对输出电压波形按傅氏级数展开, 表示为u(ωt)=ansinnωt, 首先确定基波分量a1的值, 再令两个不同的an=0,就可以建立三个方程, 联立求解得a1,a2及a3, 这样就可以消去两个频率的谐波.
该方法虽然可以很好地消除所指定的低次谐波, 但是, 剩余未消去的较低次谐波的幅值可能会相当大, 而且同样存在计算复杂的缺点. 该方法同样只适用于同步调制方式中.
6.调速系统各部分功能
6.1 欠压锁定功能
基准电压调整器受15端的外加直流电压Vc 的影响,当Vc 低于7V 或严重欠压时,基准电压调整器的精度值就得不到保证,由于设置了欠压锁定电路,当出现欠电压时,欠电压锁定功能使A 端线由低电压上升为逻辑高电平经过或非门输出转化为P1=P2=0 ,SG3525的13脚输出电平,功率驱动电路输出至功率场效应管的控制脉冲消失,逆变器无电压输出。
6.2系统的故障关闭功能
为便于从主回路受检测到的故障信号,集成控制器内部T3晶体管基极经一电阻连接10引脚。过流保护环节检测到的故障信号使10脚为高电平,由于T3基极与A 端线相连,故障信号产生的关闭过程与欠电压锁定过程类似。在电路中,过流保护环节还输出一个信号到与门的输入端,当出现过流信号时,检测环节输出一低电平信号到与门的输入端,使脉冲消失,与SG3525的故障关闭功能一起构成双重保护。
6.3软起动功能
软起动功能的实现主要由晶体管T3和外接电容C3及锁存器来实现的。当出现欠压或者有过流故障时,A 端线高电平传到T3晶体管基极,T3导通为8引脚外接电容C3提供放电的途径,C3经T3放电到零电压后,限制了比较器的PWM ′脉冲电压输出,该电压上升为恒定的逻辑高电平,PWM ′高电平经PWM 锁存器输出至D 端线仍为恒定的逻辑高电平,C3电容重新充电之前,D 端线的高电平不会发生变化,封锁输出。当故障消除后, A端线恢复为低电压正常值,T3截止,C3电容由50μA 电流源缓慢充电,C3充电对PWM ′和D 端线脉冲宽度产生影响,同时对P1和P2输出脉冲产生影响,其结果是使P1和P2脉冲由窄缓慢变宽,只有C3充电结束后,P1和P2的脉冲宽度才不受C3充电的影响。这种软启动方式,可使系统主回路电机及功率场效应管避免承受过大的冲击浪涌电流。
7. 仿真电路模块
系统仿真和调试在设计电路时,要对设计的电路的性能进行预计和校验。目前应用的比较多的是PROTEAL ,它包含了强大的仿真器和仿真库。从元件库中选取所需元件,连接好原理图,然后单击仿真按钮即可自动开始,得到电路性能的全部波形。
仿真结果如下图
图7.1仿真结果‘
观察仿真输出,如下图
图7.2仿真图
总结
电力电子技术是以电力为对象的电力技术,它是一门利用各种电力电子器件,对电能进行电压,电流,频率和波形等方面的控制和变换的学科。其中驱动是电力电子技术的主要应用领域。课程设计的主要任务是设计和实现一个直流电动机的脉宽调速(直流PWM )驱动电源。
首先我们对所要制作的驱动电源的关键技术实现方法进行讨论,进而提出具体的设计方案,并且通过仿真完善一些参数,然后开始对实际电力电子装置进行焊接和制作,最后进行调试,使其达到所要求的性能指标。
本次课程设计使我们将基本技能训练,基本工艺知识和创新启蒙有机结合,培养我们的实践能力和创新精神,深化和拓展课程所学知识,增强了我们的工程实践能力。不单单是纸上谈兵,而是做出实际可用的装置,将所学的理论知识应用于实践,理论和实践的结合是我们对问题有了全方位的理解。
通过遇到问题,解决问题,完善结果这一过程,对我们以后的学习和工作有了一定的指导意义,增强了自己动手能力和分析能力,对电子工艺技术有了更深入的理解,这是课堂给予不了的。同时,在解决问题的过程中,我们也深深体会到团队的作用,良好的沟通,和谐的气氛使我们的工作事半功倍。
直流脉宽调速系统驱动电源的设计
附录:主电路和控制电路
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直流脉宽调速系统驱动电源的设计
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