双极模式直流PWM电动机驱动电源的设计

天 津 理 工 大 学

自动化学院课程设计报告

题目：双极模式直流PWM电动机驱动电源的设计

学生姓名 许彪 学号 20120775 年 级 2012 班级 电气2班 指导教师 陈鹏 专业电气工程及其自动化

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说 明

1. 课程设计文本材料包括设计报告、任务书、指导书三部分，其中任务书、指导书由教师完成。按设计报告、任务书、指导书顺序装订成册。

2. 学生根据指导教师下达的任务书、指导书完成课程设计工作。 3. 设计报告内容建议主要包括：设计概述、设计原理、设计方案分析、软硬件具体设计、调试分析、总结以及参考资料等内容。 4. 设计报告字数应在3000-4000字，图纸设计应采用电子绘图。文字规范，正文采用宋体、小四号，1.25倍行距。

5.课程设计成绩由平时表现（30%）、设计报告（40%）和答辩成绩（30%）组成。

课程设计评语及成绩汇总表

成绩 总评成绩 平时成绩 报告成绩 答辩成绩 课程设计 评语 2

设计概述

1 主电路设计说明

1.0 主电路设计说明

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正或负的直流电压。

主电路作为电能变换的功率平台已事先已经由学校做好做好，因此主电路部分只需要进行理论设计，而不用实际制作。

主电路设计原理图如图1所示。该电路由两部分构成：单相不控桥式整流电路和全桥全控可逆斩波电路。交流市电220V经变压器降压后通过四只二极管构成的整流桥整流为直流电，经电容滤波后可作为直流电压源，作为主电路的工作电源及控制电路的稳压电源输入电压。闭合开关S1、S2，四只功率器件（如IGBT）构成的H桥斩波电路在PWM脉冲驱动信号控制下，根据占空比的不同，在电机两端产生或正或负、电压值不等的驱动电压，从而控制电机的正反转及调速。

图1 直流PWM驱动电源的主电路设计原理图

双极式H型可逆PWM变换器的电路原理图中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。它们的波形见图2。

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图2双极式PWM变换器电压和电流波形

在一个开关周期内，当0≤t＜ton时，Ub1和Ub4为正，功率场效应管VT1和VT4导通；而Ub2和Ub3为负，VT2和VT3截止。这时，＋Us加在电枢AB两端，UAB＝Us，电枢电流id沿回路1流通。 ton≤t＜T时，Ub1和Ub4变负，VT1和VT4截止；Ub2、Ub3变正，但VT2、VT3并不能立即导通，因为在电枢电感释放储能的作用下，id沿回路2经VD2、VD3续流，在VD2、VD3上的压降使VT2和VT3c~e极承受着反压，这时，UAB＝－Ub。UAB在一个周期内正负相间，这是双极式PWM变换器的特征，其电压、电流波形示于图3。

由于电压UAB 的正、负变化，使电流波形存在两种情况，如图3中的id1和id2。id1相当于电动机负载较重的情况，这时平均负载电流大，在续流阶段电流仍维持正方向，电机始终工作在第一个象限的电动状态。id2相当于负载很轻的情况，平均电流小，在续流阶段电流很快衰减到零，于是VT2和VT3两端失去反压，在负的电源电压（－Us）和电枢反电动势的合成作用下导通，电枢电流反向，沿回路3流通，电机处于制动状态。与此相仿，在0≤t＜ton期间，当负载轻时，电流也有一次倒向。

这样看来，双极式可逆PWM变换器的电流波形和不可逆但有制动电流通路的PWM变换器也差不多，怎样才能反映出“可逆”的作用呢？这要视正、负脉冲电压的宽窄而定。当正脉冲较宽时，ton＞T／2，则电枢两端的平均电压为正，在电动运行时电动机正转。当正脉冲较窄时，ton＜T／2，平均电压为负，电动机反转。如果正、负脉冲宽度相等，ton＝T／2，平均电压为零，则电动机停止。图3所示的电压、电流波形都是在电动机正转时的情况。

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双极式可逆PWM变换器电枢平均端电压用公式表示为：

tT?ton2tUd?onUs?Us?(on?1)UsTTT

以ρ＝Ud／Us来定义PWM电压的占空比，则ρ与ton的关系为：

2t??on?1T

调速时，ρ的变化范围变成－1≤ρ≤1。当ρ为正值时，电动机正转；ρ为负值时，电动机反转；ρ＝0时，电动机停止。在ρ＝0时，虽然电机不动，电枢两端的瞬时电压和瞬时电流却都不是零，而是交变的。这个交变电流平无值为零，不产生增均转矩，徒然增大电机的损耗。但它的好处是使电机带有高频的微振，起着所谓“动力润滑”的作用，消除正、反向时的静摩擦死区。

双极式PWM变换器的优点如下：（1）电流一定连续；（2）可使电动机在四象限运行；（3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；（4）低速时，每个功率场效应管的驱动脉冲仍较宽，有利于保证功率场效应管可靠导通；（5）低速平稳性好，调速范围可达20000左右。

双极式PWM变换器的缺点是：在工作过程中，四个功率场效应管都处于开关状态，开关损耗大，而且容易发生上、下两管直通（即同时导通）的事故，降低了装置的可靠性。为了防止上、下两管直通，在一管关断和另一管导通的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时，本设计逻辑延时时间为5us。

1.1 整流电路设计

电动机的额定电压为20V，额定电流为1A，查阅ps21564-p的数据手册可知当驱动电路电源为15V，PWM波幅值为5V时，开关器件的通态导通压降约为1.6V，所以有：

同时由全桥整流电路（由二极管构成，触发角α=0），有电容滤波且滤波电容选择合适时, 输出电压平均值近似取值为变压器负边电压平均值的1.2倍，即

可知

由变压器能量传递可知

代入数据得

220V?I1?20V?I2?24V?1A

即

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/5he5.html