一種大慣量負(fù)載力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

韋景葵

(西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，西安 710129)

1 引言

大慣性負(fù)載是指電機(jī)負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大。在工程實(shí)踐中遇到大慣量負(fù)載(飛輪)，在直流力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，制動(dòng)力矩難以使負(fù)載制動(dòng)停止或換向，制動(dòng)過(guò)程中的回饋電能在供電母線上產(chǎn)生較大泵升電壓，容易出現(xiàn)燒毀功率管的問(wèn)題。大慣量負(fù)載在制動(dòng)或轉(zhuǎn)向控制時(shí)，由于慣性較大，電機(jī)容易進(jìn)入發(fā)電機(jī)狀態(tài)，向驅(qū)動(dòng)器回饋電能。大慣性負(fù)載較一般負(fù)載對(duì)驅(qū)動(dòng)器處理回饋電能的能力要求更高，對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制和制動(dòng)控制更為困難。一般的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路前端采用二極管進(jìn)行整流，驅(qū)動(dòng)器采用PWM波對(duì)電機(jī)的輸入電壓大小進(jìn)行控制，來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，沒有電能的回饋電路，后端電流無(wú)法向電網(wǎng)回饋。在工程實(shí)踐中，當(dāng)電機(jī)由制動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)時(shí)，在整流橋電容兩端，電壓會(huì)出現(xiàn)泵升，泵升電壓過(guò)高會(huì)導(dǎo)致電路的電容擊穿，甚至燃?xì)?qū)動(dòng)器［1］。飛輪負(fù)載就是大慣量負(fù)載，大慣量飛輪可以作為儲(chǔ)能設(shè)備，在航空航天領(lǐng)域有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用價(jià)值。解決大慣量負(fù)載電機(jī)制動(dòng)或換向時(shí)電能回饋電壓泵升過(guò)高問(wèn)題有很大的工程研究意義。

處理泵升電壓能量過(guò)高的方法通常有兩種:①采用電阻能耗放電電路;②由晶閘管構(gòu)成半可控有源逆變電路，通過(guò)能量回饋電路使之回饋到交流電網(wǎng)中［2］。第一種方法電阻功耗大，電阻容易發(fā)熱，但是電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。第二種方法能夠?qū)崿F(xiàn)能量回饋，起到節(jié)能的效果。但由于晶閘管只能控制其開通，不能控制其關(guān)斷，為防止有源逆變顛覆，晶閘管必須留有充分的換流角裕度，故該電路的最小逆變角一般不小于30度，由此帶來(lái)了如電壓利用率下降、形成脈動(dòng)環(huán)流、諧波含量大、功率因數(shù)低及工作可靠性不高等問(wèn)題。針對(duì)一般電機(jī)驅(qū)動(dòng)器不能有效處理大慣量負(fù)載電機(jī)回饋電能大的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)的泵升電壓抑制電路對(duì)回饋到驅(qū)動(dòng)器的電能采用模擬控制的方式進(jìn)行能耗抑制。本文研究的重點(diǎn)就是設(shè)計(jì)一種新型的大慣量直流力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，使之可以通過(guò)改變控制電壓的大小來(lái)線性控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，并通過(guò)給定值控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向;同時(shí)當(dāng)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，H橋整流電路橋臂兩端有過(guò)高的泵升電壓時(shí)可以有效的抑制，使電機(jī)能快速的響應(yīng)完成制動(dòng)或換向。

2 驅(qū)動(dòng)器總體結(jié)構(gòu)

本直流力矩驅(qū)動(dòng)器采用H橋式整流電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)能并實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制。設(shè)計(jì)由SG3525構(gòu)成的PWM斬波電路和由IR2110構(gòu)成的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)器保護(hù)電路，回饋能耗控制電路組成。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的上位機(jī)主控機(jī)是PC104嵌入式單片機(jī)，通過(guò)D/A提供的控制信號(hào)，控制PWM波形的占空比。在電機(jī)軸上安裝光電編碼器，向PC104反饋電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小和電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向信息。同時(shí)在給電機(jī)供電的電路上設(shè)置LEM電流霍爾傳感器，檢測(cè)電樞電流的大小，通過(guò)PC104的A/D口回饋給主控機(jī)。這樣驅(qū)動(dòng)器的電流內(nèi)環(huán)和轉(zhuǎn)速外環(huán)共同構(gòu)成雙閉環(huán)對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，保證系統(tǒng)有良好的控制響應(yīng)，使電機(jī)轉(zhuǎn)速的線性控制良好，控制可靠。總體結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

驅(qū)動(dòng)器采用MOSFET構(gòu)成H橋進(jìn)行整流，通過(guò)控制信號(hào)控制PWM波的占空比大小對(duì)MOSFET的通斷進(jìn)行控制，從而通過(guò)控制輸出到直流力矩電機(jī)的電壓大小來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。為抑制力矩電機(jī)制動(dòng)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的泵升電壓，在H橋上并接泵升電壓抑制電路，對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行有效的保護(hù)。

圖1 驅(qū)動(dòng)器總體結(jié)構(gòu)圖

3 PWM斬波電路

驅(qū)動(dòng)器的PWM控制電路主要由SG3525構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制和電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。SG3525是電流控制型PWM控制器，脈寬調(diào)制器是通過(guò)接反饋電流來(lái)調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過(guò)輸出電感線圈的信號(hào)與誤差放大器輸出信號(hào)進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此無(wú)論開關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高，是目前比較理想的新型控制器［3］。

PWM波產(chǎn)生電路如圖2所示。

圖2 PWM斬波電路

圖中采用SG3525為主要芯片，通過(guò)輸入電壓的大小控制PWM的占空比。再用此PWM波驅(qū)動(dòng)H橋MOSFET管的導(dǎo)通，控制輸入到電機(jī)電壓的大小來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于H橋上的MOSFET管在直通時(shí)，容易燒毀，本PWM驅(qū)動(dòng)波形產(chǎn)生電路還增加了防止H橋同橋臂上下MOSFET管同時(shí)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通的電路。

電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向由信號(hào)dir控制，當(dāng)dir為高電平時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，dir為低電平時(shí)，控制電機(jī)反轉(zhuǎn)?？刂齐娐返膶?shí)現(xiàn)如圖2所示，采用緩沖門來(lái)控制正向的MOSFET打開或反向轉(zhuǎn)動(dòng)的門電路打開來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)輸入電壓的極性控制，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

飛輪控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器的PWM波輸入信號(hào)由PC104計(jì)算機(jī)設(shè)定的電壓值和電流反饋經(jīng)A/D采樣通過(guò)控制算法得到的電壓值計(jì)算給定。SG2525頻率由電阻、電容給定，通過(guò)計(jì)算選擇適合的電阻、電容大小。PC104計(jì)算機(jī)處理控制信號(hào)和反饋信號(hào)，給硬開關(guān) PWM輸入相應(yīng)大小的電壓值，由SG2525輸出相應(yīng)占空比的PWM開關(guān)波形，使系統(tǒng)具有很大靈活性。

4 H橋及泵升電壓抑制電路

當(dāng)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)由高速制動(dòng)至低速或停車時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能的一部分轉(zhuǎn)化為回路內(nèi)阻的熱能消耗掉，另一部分則通過(guò)續(xù)流二極管向電容器充電轉(zhuǎn)化為電能，從而導(dǎo)致電容器兩端電壓迅速升高形成泵升電壓。若此電壓升高過(guò)多，會(huì)造成回路大功率器件的損壞，因此需要及時(shí)泄放或進(jìn)行回收［4－6］。如圖3所示，驅(qū)動(dòng)器經(jīng)二極管給母線供電，驅(qū)動(dòng)器不能向電源回饋電能。當(dāng)電機(jī)由制動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)時(shí)，電機(jī)發(fā)出的電能通過(guò)MOSFET本身結(jié)構(gòu)上存在并聯(lián)的反向二極管向線路中的電容C204和C205充電。當(dāng)電能過(guò)大形成的泵升電壓超過(guò)設(shè)定值時(shí)，三極管Q103導(dǎo)通，電容上的電能通過(guò)電阻R204放電，從而達(dá)到抑制泵升電壓的目的。

由能量守恒，可得電容容量的計(jì)算式為:

其中:

Um為線路設(shè)計(jì)承載最大電壓;

Uo為線路額定電壓;

J為電機(jī)和飛輪的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;

ωo為飛輪的轉(zhuǎn)速。

圖3 泵升電壓抑制電路

慣性飛輪材料選用鑄鐵，直徑為1m，質(zhì)量約50kg。慣性飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度n為100～300r/min。電容器的Um一般取超過(guò)Uo的30%。本電機(jī)驅(qū)動(dòng)Uo為40V，則Um取為52V。若飛輪從轉(zhuǎn)動(dòng)速度300r/min制動(dòng)到停止，則可代數(shù)字進(jìn)入(1)式進(jìn)行計(jì)算可得出所需電路儲(chǔ)能電容C的大小為558.74F。一般電路濾波電容為了達(dá)到濾波效果，不會(huì)取這么大的電容，則飛輪電機(jī)制動(dòng)過(guò)程中飛輪動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能向電路電容充電，就會(huì)產(chǎn)生較大的泵升電壓，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的安全性構(gòu)成威脅。所以本驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)了泵升抑制電路抑制電壓過(guò)高，當(dāng)H橋臂兩端電壓高于52V的設(shè)定值時(shí)，比較器輸入端3腳電壓將超13V，超過(guò)比較器輸入端2腳的13V穩(wěn)壓管電壓，比較器輸出端有電流輸出，控制三極管導(dǎo)通，儲(chǔ)能電容C205通過(guò)三極管和電阻R203放電，消耗電能，有效的保護(hù)電路工作在安全區(qū)內(nèi)。

5 瞬時(shí)值電流采集電路

電流量的采樣方法有串聯(lián)取樣電阻法、電流互感器法、霍爾傳感器法。串聯(lián)取樣電阻法通過(guò)檢測(cè)取樣電阻上的電壓值來(lái)檢測(cè)通過(guò)電阻的電流，主要缺點(diǎn)是功率損耗大，電阻串接在主回路，電氣隔離困難，需要外加光隔離器或磁隔離器。電流傳感器具有精度高、線性好、頻帶寬、響應(yīng)快、過(guò)載能力強(qiáng)和測(cè)量電路無(wú)損耗等優(yōu)點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)器選用LEM公司生產(chǎn)的LA100P型電流傳感器，如圖 4所示。根據(jù)LA100P的數(shù)據(jù)手冊(cè)，電路將交流額定電流衰減100倍后，變?yōu)榉翟冢?.5V～+1.5V范圍內(nèi)變化的交流信號(hào)，再經(jīng)過(guò)由AD712構(gòu)成的加法電路提升1.5V，最終調(diào)理為0～3V的電壓信號(hào)，送入PC104進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)處理。

圖4 交流電流采樣調(diào)理電路

6 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路

由于電力MOSFET本身所致，在其漏極和源極之間形成了一個(gè)與之反向并聯(lián)的寄生二極管，它與MOSFET構(gòu)成了一個(gè)不可分割的整體。使得在漏源間加反向電壓時(shí)器件導(dǎo)通，在使用MOSFET電路中要充分考慮到反向二極管的影響。

使MOSFET導(dǎo)通的驅(qū)動(dòng)電壓一般取10V～15V。對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求有:①柵極電壓必須高于母線電壓10V～15V，而且柵極電壓可能是系統(tǒng)中的最高電壓;②柵極的驅(qū)動(dòng)電壓應(yīng)隨源極電位的變化而相對(duì)浮動(dòng);③驅(qū)動(dòng)電路吸收的功率很小，對(duì)系統(tǒng)總效率的影響幾乎可以忽略不計(jì)［8］。

本驅(qū)動(dòng)器MOSFET驅(qū)動(dòng)，運(yùn)用有自舉功能的IR2110為驅(qū)動(dòng)芯片。電路圖如圖5所示。VCC通過(guò)二極管和VB相連，VS管腳和VB管腳間連接一個(gè)電容充電，達(dá)到自舉供電目的。驅(qū)動(dòng)半邊橋臂上下兩個(gè)MOS管可以只需要用一個(gè)電源即可，使得電路變得簡(jiǎn)便易用，電源的布線簡(jiǎn)化，節(jié)省了驅(qū)動(dòng)器的空間［9－11］。

圖5 整流橋MOSFET驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路IR2110輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)電阻電容低通濾波和一個(gè)并聯(lián)二極管給到輸入管腳HIN和LIN上。電路輸入的電阻電容低通濾波，可減少逆變器功率開關(guān)器件上的尖峰電壓和尖峰電流，保證功率開關(guān)器件始終工作在安全區(qū)。同時(shí)，反向二極管可以在輸入為低時(shí)將電容上存儲(chǔ)的電量經(jīng)二極管快速泄放，防止驅(qū)動(dòng)的 MOSFET出現(xiàn)直通燒毀管子。PNP型三極管Q102和Q103的基極、集電極間并聯(lián)電容器，基極和發(fā)射極間并一個(gè)電阻組成電路，使當(dāng)輸出為高時(shí)，電路可以通過(guò)電阻給MOSFET加?xùn)艠O導(dǎo)通的電壓。當(dāng)輸出為低，關(guān)斷MOSFET導(dǎo)通時(shí)，MOSFET管柵極耦合電容中的電荷可迅速通過(guò)PNP三極管發(fā)射極向電容C108、C106充電，使MOSFET管可以快速關(guān)斷，提高了管子開通關(guān)斷的響應(yīng)速度，可以在有回饋電能情況下，有效的保護(hù)驅(qū)動(dòng)器。

7 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

試驗(yàn)用無(wú)刷直流力矩電動(dòng)機(jī)，參數(shù)為:力矩電機(jī)負(fù)載飛輪直徑1m，重量56kg。電機(jī)功率150W，額定電壓48V，額定電流3.0/2.0A，相數(shù)為三相，最高轉(zhuǎn)速1500r/min。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得知，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，調(diào)速快速性較好。可以通過(guò)控制輸入電壓的大小控制電機(jī)和飛輪的轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)在制動(dòng)飛輪時(shí)，對(duì)泵升電壓有良好的抑制作用，但還存在較小的擾動(dòng)。抑制泵升電壓電路，在額定電壓附近雖有小小的擾動(dòng)，但不影響驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)驅(qū)動(dòng)力矩電機(jī)，飛輪制動(dòng)產(chǎn)生泵升電壓，泵升電壓抑制電路工作產(chǎn)生的波形如圖6所示。

圖6 泵升電壓抑制波形圖

由圖可知，本文設(shè)計(jì)的力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)器當(dāng)回饋電能使電容兩端電壓超過(guò)52V時(shí)，泵升電壓抑制電路開始接通工作，可以有效的迅速消耗電能使電壓下降到額定電壓。電容兩端母線電壓在電源額定電壓的附近有小幅波動(dòng)，但不影響驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的可靠性。泵升電壓抑制電路能較迅速的消耗回饋電能，保護(hù)驅(qū)動(dòng)器電路的安全。

8 結(jié)束語(yǔ)

文章設(shè)計(jì)的直流力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)器能通過(guò)輸入電壓大小線性的控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)飛輪制動(dòng)大慣量負(fù)載時(shí)，電機(jī)由制動(dòng)轉(zhuǎn)入發(fā)電狀態(tài)向H橋整流電路的濾波電容充電，電能在電容中聚集容易產(chǎn)生泵升電壓。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的泵升電壓抑制電路能很好的保護(hù)驅(qū)動(dòng)器電路，有很好的可靠性。

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