1、四川师范大学本科毕业设计直流脉宽 H 桥控制电路设计学生姓名院系名称工学院机电工程系专业名称电气工程及其自动化班级2008 级 2 班学号指导教师完成时间2012 年 5 月 14 日直流脉宽 H 桥控制电路设计学生姓名：李波指导教师：汤勉刚内容摘要：本文基于 PWM 的直流脉宽控制系统进行了研究，并设计出应用于直流电动机的直流脉宽 H 桥控制系统。旨在设计一个用于直流脉宽 H 桥的控制电路，能够使直流电动机可以工作在四象限，即正转电动运行、正转回馈制动、反转电动运行，反转回馈制动四种工作模式，控制电路应能根据四象限工作的具体要求，产生符合要求的控制波形。首先，本文确定整个系统框图和方案，即采
2、用 SG3525 控制 H 型 PWM 调速系统的 IGBT。其次设计主电路的结构形式和各部件参数。主电路的四个 IGBT 给与不同的脉冲宽度后，能使 H 桥电路构成降压斩波电流或升压斩波电路，最终能够得到使直流电机能工作在四象限的波形。然后，对控制电路进行设计，使 SG3525 产生符合主电路需求的脉冲宽度。最后，用 orCAD 软件绘制出总的电路图，并进行仿真， 得到能够使直流电机工作在四象限的波形。关键词：直流调速直流电机PWMH 桥The Design of DC PWM H_bridge Control CircuitAbstract:This paper based on the
3、PWM DC control system is studied and design DC pulse width H bridge control system for a DC motor. It aims at the design of a DC PWM control circuit of H bridge which can make the DC motor work in the four quadrants, namely forward power, positive feedback brake, reverse power and inversion feedback
4、 brake .According to the four quadrants work specific requirements, it will produce an ideal waveform.First of all, this paper determines the system block diagram and program, which uses the SG3525 control H PWM speed control system of IGBT. Secondly ,design the main circuit structure and every comp
5、onents parameters. The main circuit of the four IGBT gives different pulse width that can make H bridge circuit of Buck chopper and booster chopper, eventually make the waveform of DC motor which can work in four quadrants. Then, design the control circuit to get a demanded pulse width of the main c
6、ircuit which produced by SG3525. Finally, use orCAD PSpice to draw out the circuit diagram, and carry on the simulation which can make motor work in the four quadrants of the waveform.Key words：DC speed regulationDC motorPWMH bridgeII目 录1 前言12 绪论22.1 直流调速系统概述22.2 设计要求和内容22.3 选择 PWM 控制 H 桥型电路理由32.4 选
7、择 IGBT 的 H 桥型主电路理由32.5 设计框图33 主电路设计53.1 H 桥主电路53.2 参数设计54 驱动控制电路及 PCB 设计74.1 SG3525 芯片特点74.2 SG3525 引脚84.3 SG3525 控制电路94.4 EXB841 驱动芯片104.5 驱动控制电路原理及 PCB 设计115 系统仿真及结果分析125.1 电机正转运行125.2 电机正转回馈制动155.3 电机反转运行185.4 电机反转回馈制动216 总结25附录26参考文献27致谢直流脉宽 H 桥控制电路设计1 前言当今社会，电动机在人们日常生活和工农业生产中起着十分重要的作用。直流电机是最常见的
8、一种电机，它具有良好的起、制动性能和调速性能，易于在大范围内平滑调速，且调速后的效率很高，在各领域中得到广泛应用。如在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。直流电动机有三种调速方法，分别是改变电枢供电电压、励磁磁通和电枢回路电阻来调速。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢电压方式为最好，调压调速是调速系统的主要调速
9、方式。直流调压调速需要有专门的可控直流电源给直流电动机，随着电力电子的迅速发展，直流调速系统中的可控变流装置广泛采用晶闸管，将晶闸管的单向导电性与相位控制原理相结合,构成可控直流电源,以实现电枢端电压的平滑调节。直流电机调速运用广泛，但不同的领域对电机的调速性能有不同的要求，因此， 不同的调速方法应用于不同的行业。本次设计的题目是直流脉宽 H 桥控制电路设计， 采用 G3525 组成的控制电路，发出触发脉宽控制 H 型 PWM 调速系统的 IGBT，使 H桥电路构成降压斩波电流或升压斩波电路，最终能够使直流电机工作于正转电动运行、正转回馈制动、反转电动运行，反转回馈制动四种工作模式。02 绪论
10、2.1 直流调速系统概述调速系统是当今电力拖动自动控制系统中应用最广泛的一中系统。目前对调速性能要求较高的各类生产机械大多采用直流传动,简称为直流调速。早在 20 世纪 40 年代采用的是发电机电动机系统,又称放大机控制的发电机电动机组系统。这种系统在 40 年代广泛应用，但是它的缺点是占地大,效率低,运行费用昂贵,维护不方便等,特别是至少要包含两台与被调速电机容量相同的电机。为了克服这些缺点,50 年代开始使用水银整流器作为可控变流装置。这种系统缺点也很明显,只要是污染环境,危害人体健康。50 年代末晶闸管出现,晶闸管变流技术日益成熟,使直流调速系统更加完善。晶闸管电动机调速系统已经成为当今
11、主要的支流调速系统,广泛应用于世界各国。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能 可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。近年来，交流调速系统发展很快，然而 直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看， 它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的 作用。2.2 设计要求和内容设计要求：已知直流脉宽 H 桥，是用于控制直流电机四象限运行的电力电子 DC/DC 复合变换器，其工作模式受控制电路控制，现要求设计一个用于直流脉宽 H 桥控制的控
12、制电路。要求如下：1） 直流 H 桥可以工作在四象限，即正转电动运行、正转回馈制动、反转电动运行，反转回馈制动四种工作模式，控制电路应能根据四象限工作的具体要求，产生符合要求的控制波形；2） 仿真分析直流 H 桥工作在四象限时的具体控制波形，以弄清 H 桥控制的具体要求。3） 完成整个控制器的原理图设计和 PCB 设计设计内容：1） 根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构形式和控制电路SG3525 的组成，画出系统组成的原理框图。2） 调速系统主电路电路元器件的确定及其参数计算（其中包括电力电子器件， 保护电路等）。3） 控制电路型号选择以及参数的计算。4） 绘制直流脉宽 H 桥控制电
13、路原理图，并进行软件仿真。272.3 选择 PWM 控制 H 桥型电路理由脉宽调制器 UPW 采用美国硅通用公司（SiliconGeneral）的第二代产品SG3525,这是一种性能优良，功能全、通用性强的单片集成 PWM 控制器。由于它简单、可靠及使用方便灵活，大大简化了脉宽调制器的设计及调试，故获得广泛使用。PWM 系统在很多方面具有较大的优越性：1） PWM 调速系统主电路线路简单，需用的功率器件少。2） 开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。3） 低速性能好，稳速精度高，调速范围广，可达到 1：10000 左右。4） 如果可以与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响
14、应快，动态抗扰能力强。5） 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。6） 直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高。变频调速很快为广大电动机用户所接受，成为了一种最受欢迎的调速方法，在一些中小容量的动态高性能系统中更是已经完全取代了其他调速方式。由此可见变频调速是非常值得自动化工作者去研究的。在变频调速方式中，PWM 调速方式尤大家所重视，这是我们选取它作为研究对象的重要原因。2.4 选择 IGBT 的 H 桥型主电路理由IGBT 的优点：1） IGBT 的开关速度高，开关损耗小。2） 在相同电压和电流定额的情况下，IGBT 的安
15、全工作区比 GTR 大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。3） IGBT 的通态压降比 VDMOSFET 低，特别是在电流较大的区域。4） IGBT 的输入阻抗高，其输入特性与电力 MOSFET 类似。5） 与电力 MOSFET 和 GTR 相比，IGBT 的耐压和通流能力还可以进一步提高， 同时可保持开关频率高的特点。在众多 PWM 变换器实现方法中，又以 H 型 PWM 变换器更为多见。这种电路具备电流连续、电动机四象限运行、无摩擦死区、低速平稳性好等优点。本次设计以 H 型 PWM 直流控制器为主要研究对象。2.5 设计框图电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路，驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。有信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断，来完成整个系统的功能。因此，一个完整的直流脉宽 H 桥电路也应该包括主电路，控制电路和驱动电路这些环节。直流脉宽 H 桥电路由电源，主电路，控制和驱动电路组成。如图 1 所示：直流电源直
