课程实训1203110105

1、电力电子技术课程实训目录1、 引言12、 课程实训的目的与作用23、 实训任务及所用MATLAB软件环境介绍23.1 实训任务23.2 MATLAB软件环境介绍34、 PWM波形产生电路及工作原理54.1 SG352554.1.1 SG3525的工作原理54.1.2 SG3525的工作过程54.2 技术指标和要求64.3 PWM波仿真结果分析74.3.1 方案选择及电路工作原理图74.3.2 主电路设计工作原理74.3.3 控制电路设计说明84.3.4 Simulink仿真104.4 PWM产生的波形114.5 参数计算155、附录155.1 PWM控制芯片SG3525功能简介155.2 SG

2、3525引脚功能及特点简介165.3 SG3525特点：175.4 主要单元电路186、结语20211、 引言脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。当然，脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶 体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一

3、种非常有效的技术。随着电子技术的发展，出现了多种PWM技术，其中包括：相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等，而在镍氢电池智能充电器中采用的脉宽PWM法，它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的。其有两大优点，优点一: 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

4、1时，也才能对数字信号产生影响；优点二：是对噪声抵抗能力的增强，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。最重要的是PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一,由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点，在交流传动及至其它能量变换系统中得到广泛应用。本文就简单介绍了PWM信号发生器的概念、作用及定义，分析了PWM产生电路的工作原理和设计过程。2、 课程实训的目的与作用1、

5、培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。2、培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。3、培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。4、提高学生课程设计报告撰写水平。3、 实训任务及所用MATLAB软件环境介绍3.1 实训任务 通过掌握SG3525芯片，将扭子开关S1打向“直流斩波”一侧，S2电源开关打向“ON”,将3端和“4”端用导线短接，用示波器观察“1”端输出电压波形应为锯齿波，并记录波形的频率和幅值。再将扭子开关S2扳向“6”、“9”，用示波器观察其波形、频率、幅值。3.2 MATLAB软件环境介绍作为和Mathematica、Maple并列的三大

6、数学软件。其强项就是其强大的矩阵计算以及仿真能力。要知道Matlab的由来就是Matrix + Laboratory = Matlab，所以这个软件在国内也被称作矩阵实验室。每次MathWorks发布Matlab的同时也会发布仿真工具Simulink。在欧美很多大公司在将产品投入实际使用之前都会进行仿真试验，他们所主要使用的仿真软件就是Simulink。Matlab提供了自己的编译器：全面兼容C+以及Fortran两大语言。所以Matlab是工程师，科研工作者手上最好的语言，最好的工具和环境。Matlab 已经成为广大科研人员的最值得信赖的助手

7、和朋友！ 目前 MATLAB 产品族可以用来进行： 数值分析  数值和符号计算  工程与科学绘图  控制系统的设计与方针  数字图像处理  数字信号处理  通讯系统设计与仿真  财务与金融工程.  Simulink 是基于 MATLAB 的框图设计环境，可以用来对各种动态系统进行建模、分析和仿真，它的建模范围广泛，可以针对任何能够用数学来描述的系统进行建模，例如航空航天动力学系

8、统、卫星控制制导系统、通讯系统、船舶及汽车等等，其中了包括连续、离散，条件执行，事件驱动，单速率、多速率和混杂系统等等。 Simulink 提供了利用鼠标拖放的方法建立系统框图模型的图形界面，而且 Simulink 还提供了丰富的功能块以及不同的专业模块集合，利用 Simulink 几乎可以做到不书写一行代码完成整个动态系统的建模工作 。图3.2 结构框图4、 PWM波形产生电路及工作原理4.1 SG35254.1.1 SG3525的工作原理脉宽调制器SG3525的振荡器产生的锯齿波信号如图表2所示，锯齿波的顶点约为3.3V，谷点约为

9、0.9V，锯齿波的频率可通过改变外接电容来改变。锯齿波信号加在比较器的同相输入端，来自误差放大器的信号加在比较器的反相输入端，通过比较器进行比较，获得PWM波。触发器在CP脉冲控制下输出和，分别控制2个与非门，CP脉冲出现的时刻与锯齿波峰点对齐，CP脉冲下跳时刻与谷点对齐，这样可保证CP脉冲与锯齿波同步同频率变化。经过与非门电路后输出生的波形，其频率是CP脉冲频率的1/2。2个功率场效管的驱动信号是互补的，这样能够保证在任何时刻一个导通，另一个截止。图4.1.1 锯齿波信号图4.1.2 SG3525的工作过程SG3525的软启动接入端（引脚8）上通常接一个5F的软启动电容。上电过程中，由于电容

10、两端的电压不能突变，因此与软启动电容接入端相连的PWM比较器反向输入端处于低电平，PWM比较器输出高电平。此时，PWM琐存器的输出也为高电平，该高电平通过两个或非门加到输出晶体管上，使之无法导通。当软启动电容充电至使引脚8处于高电平时，SG3525才开始工作。实际工作中，基准电压接误差放大器的同相输入端，输出电压的采样电压加在误差放大器的反相输入端上，当输出电压因输入电压的升高或负载的变化而升高时，误差放大器的输出将减小，这将导致PWM比较器输出高电平的时间变长，PWM琐存器输出高电平的时间也变长，因此输出晶体管的导通时间将最终变短，从而使输出电压回调到额定值，实现了稳定输出。反之亦然。外接关

11、断信号对输出级和软启动电路都起作用。当 Shutdown（引脚10）上的信号为高电平时，PWM琐存器将立即动作，禁止SG3525的输出，同时，软启动电容将开始放电。如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程。注意，Shutdown引脚不能悬空，应通过接地电阻可靠接地，以防止外部干扰信号耦合而影响SG3525的正常工作。欠电压锁定功能同样作用于输出级和软启动电路。如果输入电压过低，在SG3525的输出被关断同时，软启动电容将开始放电。此外，SG3525还具有以下功能，即无论因为什么原因造成PWM脉冲中止，输出都将被中止，直到下一个时钟信号到来，PWM琐存器才被

12、复位。4.2 技术指标和要求1.技术指标：（1）、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。 （2）、驱动系统的调速范围：大于1：100。 （3）、驱动系统应具有软启动功能，软启动时间约为2s。2.技术要求：（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为核心的脉宽调制电路和用门电路实现的脉冲分配电路）。（3）IPM接口电路设计（包括上下桥臂元件的开通延迟电路，及上桥臂驱动电源的自举电路）。（4）DC15

13、V 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）。4.3 PWM波仿真结果分析4.3.1 方案选择及电路工作原理图本课程实训的单极性同频可逆直流PWM驱动电源由四部分组成：主电路，H型单极模式同频可逆PWM控制电路，IPM接口电路及稳压电源。同时具有软启动功能，软启动时间为2s左右。控制原理如图所示：图4.3.1 PWM波形发生器脉宽调制电路以SG3525为核心，产生频率为5KHz的方波控制信号，占空比可调。经用门电路实现的脉冲分配电路，转换成两列对称互补的驱动信号，同时具有5us的死区时间，该信号驱动型功率转换电路中的开关器件，控制直流永磁电动

14、机。稳压电源采用LM2575-ADJ系列开关稳压集成电路，通过调整电位器，使其稳定输出15V直流电源。 4.3.2 主电路设计工作原理 1、主电路结构图4.3.2 主电路原理图电路由交流电源、隔离变压器、整流桥、滤波电容、负载组成，工频电源经降压变压器降压后，由二极管整流桥整流输出，再经电容滤波后供给负载。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。本次设计中斩波部分H桥不采用分立元件，而是选用IPM（智能功率模块）PS21564来实现。4.3.3 控制电路设计说明1、PWM波形发生器PWM波形发生器采用芯片SG3525，内部结构如图表5所示。图4.3.3 PW

15、M波形原理图SG3525的5管脚CT端外接振荡0.02uF电容，产生5kHz的脉冲信号；电位器中间抽头接芯片2管脚，用以调节输出PWM信号的占空比；由于SG3525输出的两路脉冲是互补形式，将11、14管脚短接实现输出并联使用，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01.0的占空比调整范围；8管脚与地之间接的电容（此处用实验室现有的22uF电容代替），实现上电之后2s的软起动；16管脚输出5V参考电压给门电路芯片供电。2、开通延迟电路为防止同一桥臂，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，即利用RC移相

16、电路后，为每路驱动信号产生5us左右的开通延时。这部分电路中的门电路采用反向器74LS04。移相环节中的R和C的取值，应根据5us的延迟时间来计算，电容指定C指定为0.01uF，R可采用电位器，以便于调试。4.3.4 Simulink仿真 1、仿真接线图图4.3.4 仿真图2、调试过程（1）先调试控制板上的15V 稳压电源电路。将控制板的接口1、2与主电路板相连。再将LM2575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，控制板将获得直流母线电压。然后调节稳压电路中的电位器，能得到输出为15V 的直流电压。（2）接下来调试脉宽调制信号发生电路。首先将SG3525插在电路板的对

17、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，通过示波器的观察，可以获得频率为5KHz，占空比可在01之间调节的脉宽调制信号。（3）调试两路驱动信号的开通延时电路。首先将74LS04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。然后调节两路开通延时电路的电位器，使两路驱动信号之间有5S的开通延时。观察最终的输出驱动信号，可见其逻辑满足设计要求。（4）测试IPM 中上桥臂驱动电源的自举电路。将控制板的接口1、2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。测量得到通过自举电路提供的上桥臂驱动电源电压在

18、14V左右，满足条件。（5）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70附近。闭合S2 开关，接通H桥的直流电源，可以看到电机运转起来了。调节占空比，电机能够调速；将驱动信号的占空比调整到30附近，电机能实现正反转，且具有软启动性能。4.4 PWM产生的波形1、接“1”端输出的电压波形图和实验波形图图4.4.1波形图图4.4.2 实验波形图2、接“2”端时电压输出的波形图和实验波形图图4.4.3 波形图图4.4.4 实验波形图3、接“6”、“9”两端时电压输出的波形图和实验波形图图4.4.5 波形图图4.4.6实验波形图4.5 参数计算 1、根据图表一，

19、可知：频率为：26Hz幅值为：2.8V5、附录5.1 PWM控制芯片SG3525功能简介随着电能变换技术的发展，功率MOSFET在开关变换器中开始广泛使用，为此美国硅通用半导体公司（Silicon General）推出SG3525。SG3525是用于驱动N沟道功率MOSFET。 下面我们对SG3525特点、引脚功能、电气参数、工作原理以及典型应用进行介绍。 SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照反馈电流调节脉宽。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环

20、和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器5.2 SG3525引脚功能及特点简介SG3525功能框图如图1所示：图5.2 典型功能框图Inv.input(脚1)：误差放大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反馈信号。在开环系统中，该端与补偿信号输入端（脚9）相连，可构成跟随器。Noninv.input(脚2)：误差放大器同向输入端。在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。根据需要，在该端与补偿信号输入端（脚9）之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。Sync(脚3)：振荡器外接同步信号输入端。该

21、端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。OSC.Output(脚4)：振荡器输出端。CT(脚5)：振荡器定时电容接入端。RT（脚6）：振荡器定时电阻接入端。Discharge(脚7)：振荡器放电端。该端与引脚5之间外接一只放电电阻，构成放电回路。Soft-Start(脚8)：软启动电容接入端。该端通常接一只5 的软启动电容。Compensation(脚9)：PWM比较器补偿信号输入端。在该端与引脚2之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。Shutdown(脚10)：外部关断信号输入端。该端接高电平时控制器输出被禁止。该端可与保护电路相连，以实现故障保护。Outpu

22、t A（脚11）：输出端A。引脚11和引脚14是两路互补输出端。Ground(脚12)：信号地。Vc(脚13)：输出级偏置电压接入端。Output B（脚14）：输出端B。引脚14和引脚11是两路互补输出端。Vcc（脚15）：偏置电源接入端。Vref(脚16)：基准电源输出端。该端输出一温度稳定性极好的基准电压。5.3 SG3525特点：工作电压范围宽：835V。5.1（1.0%）V微调基准电源。振荡器工作频率范围宽：100Hz400KHz。具有振荡器外部同步功能。死区时间可调。内置软启动电路。具有输入欠电压锁定功能。具有PWM琐存功能，禁止多脉冲，逐个脉冲关断。双路输出（灌电流/拉电流）：

23、mA(峰值)。5.4 主要单元电路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。2振荡器：振荡器电路结构如图2所示，振荡器脚5外接电容CT，脚6外接电阻RT。振荡器频率由外接电阻RT和电容CT决定，f=1/CT(0.7RT+3RD)此电路中，Rd放电电阻较小， 所以形成的锯齿波波形后沿较陡。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两个或非门；另一路以锯齿波形式送至比较器的同相输入端，比较器的反向输入端接误差放大器的输出。图5.4.1.振荡器电路原理图3误差放大器及补偿输入：误差放大器是差

24、动输入的放大器，其电原理结构图如图3所示。误差放大器的输出与锯齿波电压在比较器中进行比较，输出一个随误差放大器输出电压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。或非门的另两个输入端分别为双稳态触发器和振荡器锯齿波。图5.4.2 误差放大器电路原理图4锁存器：比较器的输出送到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锁存器复位为止。另外，由于PW M 锁存器对比较器来的置位信号进行锁存，将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，有利于提高可靠性。5输出：电原理图如图4所示。11、12、14端连结在一起， 由13端输出信号。这样，能保证13端的输出与锁存器的输出一致。此外，SG3525还有欠压锁定电路， 闭锁控制电路， 软起动电路。图5.4.3 输出电路原理图1/2部分6、结语通过这次课程设计明白了许多，例如明白了许多自身的不足与缺点，如实践经验上的缺乏，对设计的原理理解缺乏等