高速橫機控制系統用共直流母線式多路輸出開關電源設計

魯文其，胡旭東，史偉民，鄒 賢

(1.浙江理工大學機械與自動控制學院，浙江杭州 310018;2.浙江大學電氣工程學院，浙江杭州 310027)

橫機控制系統［1］目前正朝著高速、高精度方向發展［2－3］。文獻［4－5］分別對橫機控制系統進行了自主設計，但作為機電系統必不可少的動力系統電源部分都是直接采購市場上的電源產品進行配置的。而傳統線性電源因存在體積大、效率低等問題，在很大程度上限制了該類電源在橫機系統上的應用。高頻開關電源則與線性電源剛好相反，具有體積小、效率高等優點，因此得到了推廣。但對于橫機系統的動力系統，目前大部分設計采用了需要幾路電源供電就采購幾個獨立工作電源的配置方式，這會使整個系統的成本變高［6－7］。如文獻［4］研發了一臺高速多功能的電腦橫機控制系統，將橫機編織速度從目前國內普遍能設計的1.2 m/s提高到了1.5 m/s，具有很好的性能優勢，但該系統在設計時采購了多個獨立的開關電源，成本較高，以至于性價比不高，為此，文獻［7］為橫機控制系統專門設計了采用反激和正激2種不同拓撲方式組合的工作電源，來滿足供電需求，達到了預期目標，具有較好的性價比，但該電源指標不能滿足高速橫機控制系統的供電要求。本文基于前期設計完成的一種高速橫機控制系統［4－5］，分析能夠滿足該控制系統供電的技術指標，為高速橫機控制系統提供一個性能穩定、結構簡單、價格低廉的開關電源。

1 電源指標分析

圖1為電腦橫機控制系統的原理框圖，主要由人機交互層、主控制層和機頭控制層3個部分組成［4，8］，其中人機交互層主要包括人機交互界面顯示、USB花形輸入、觸摸屏和以太網接口，其處理器采用三星公司的 ARM9芯片 S3C2440。主控制層主要對主電動機、移床電動機、傳感器、羅拉電動機及機身部分外圍傳感器進行驅動或信息檢測，其處理器采用TI公司的 C2000系列 DSP芯片TMS320F2812;機頭控制層主要由選針器控制模塊、三角電磁鐵模塊、壓腳電機模塊、度目電機模塊、紗嘴電磁鐵空盒子以及機頭部分外圍傳感器組成，其處理器采用 TI公司的 C2000系列 DSP芯片TMS320LF2407。人機交互層與主控制層之間的通信通過設計的FPGA實現。從以上分析可知:橫機控制系統的控制核心包括DSP、FPGA和ARM;控制或處理的對象主要是電磁鐵、電機及外圍傳感器的檢測信息。考慮電磁兼容性，該控制系統的供電電源在設計時應分成3大類:給3個層的控制核心提供能量的+5 V電源;給主控制層和機頭控制層外圍傳感信號供電的+12 V電源;驅動電磁鐵和電機運動的+24 V、－24 V電源。在設計這4路電源時需要注意彼此之間的隔離性，且其中+24 V、－24 V電源需要特別考慮，因為驅動電磁鐵的電流很大，瞬間電流一般能達到5 A，在現場調試中發現，當同時觸發所有電磁鐵時，如果開關電源設計不理想、功率不匹配或帶寬不匹配，會導致電磁鐵觸發紊亂，甚至損壞系統。經系統分析得到能夠滿足高速電腦橫機控制系統的4路電源的技術指標如表1所示。

圖1 橫機控制系統原理框圖Fig.1 Functional block diagram of flat knitting machine

表1 電源指標Tab.1 Index of power

2 開關電源設計

2.1 共直流母線式方案設計

為提高性價比，采用共用直流母線的方式設計了4路開關電源，其原理框圖如圖2所示。主要包括交流/直流變換(AC/DC)和直流/直流(DC/DC)變換2個部分［9－10］。其中交流/直流變換部分包括EMI濾波器、突入電流抑制和整流濾波電路;直流/直流變換部分主要包括DC/DC轉換電路、濾波電路、取樣反饋電路、保護電路和PWM控制器。其中，DC/DC轉換電路分隔離型和非隔離型2大類，本文采用隔離型電路進行設計，且隔離型電路主要有正激式、反激式、半橋和全橋4種拓撲，每種拓撲都有其應用特點。其中，反激式元器件少，多用于100 W以下;正激式開關電路的脈動系數只有反激式開關電路的1/2，輸出特性較好，負載能力強，多用于500 W以下低壓大電流的場合;半橋多用于500 W以上場合，全橋多用于1 000 W以上場合。綜合考慮橫機控制系統的特點和成本因素，本文根據電源輸出功率大小提出了圖2所示由不同拓撲組合而成的設計方案:采用反激式拓撲設計+5 V/+12 V電源，采用正激式拓撲設計+/－24 V電源。需要說明的是－24 V電源拓撲其實和+24 V電源拓撲一樣的，只是向外供電時輸出連接方法不同，為此，下面用24 V1表示 +24 V，24 V2表示 －24 V。PWM控制器是指脈沖寬度調節控制器，它是高頻開關電源的核心器件，本文選用UC3845進行設計，通過該器件，可穩定輸出電壓。由于篇幅限制，本文主要針對24 V電源的設計思路作介紹。

圖2 共直流母線式開關電源設計方案Fig.2 Design scheme of switching power supply based on common DC bus type

2.2 24 V電源輸出電路設計

設計的+/－24V電源采用的都是正激式拓撲，該電源整流電路后面部分的原理圖如圖3所示。主要包括RCD緩沖電路、高頻變壓器、輸出整流濾波電路、PWM控制電路、電壓反饋電路。

圖3 24 V直流－直流變換電路Fig.3 Conversion circuit of 24 V DC－DC

2.2.1 基于正激式拓撲的DC/DC變換

圖4為正激式DC/DC開關電源的原理框圖。由初級線圈N1、次級線圈N2和磁復位線圈N3這3個部分組成。其中，D3和N3—起組成了磁復位電路，D1和D2是快恢復二極管，分別用來整流和續流，L和C儲存和釋放能量，也能起到濾波的作用，當開關管K導通時，能量經變壓器T和D1儲存于電感和電容中并傳遞到負載，開關K關斷時儲存在電容中的能量傳送到負載。

圖4 正激式DC/DC開關電源原理框圖Fig.4 Functional block diagram of forward DC/DC switching power supply

圖4所示這部分電路最核心的高頻變壓器的設計和制作，具體的設計方法由于篇幅限制不具體展開，這里給出了高頻變壓器設計和繞制的示意圖和數據，分別如圖5和表2所示。變壓器繞制采用三明治方法，將一次繞組分成2部分，先將一次繞組第1部分23匝(N1A)繞最里層，然后繞制次級繞組13匝(N2)，再繞一次繞組的第2部分22匝(N1B)，最后在外面繞磁復位繞組45匝(N3)，繞制時需注意同名端。為屏蔽電磁干擾，將一個簿銅片環繞在變壓器外部，初級繞組引腳需加鐵氟龍套管，每一個繞組需采用瑪拉膠帶，每一層使用擋墻加強絕緣。

圖5 高頻變壓器設計示意圖Fig.5 Design Schematic of high frequency transformer

表2 高頻變壓器繞制方法Tab.2 Winding method of high frequency transformer

2.2.2 PWM控制電路

電源控制芯片采用的是電流型控制脈寬調制器UC3845，開關管K的導通和關斷通過輸出脈沖信號來實現，達到控制占空比大小、穩定輸出電壓的目的。其控制外圍電路包括軟啟動電路、電壓/電流反饋電路、PWM驅動電路、保護電路、振蕩電路等。

2.2.3 電壓反饋穩壓原理

參照圖3所示原理，由于某種原因致使24 V電源的輸出電壓值增大，該電壓經R111、R110和RC1分壓后得到取樣電壓與U103(TL431)中的帶隙基準電壓進行比較，使TL431陰極電位下降，這樣導致流過光耦PC101(PC817)輸入側光電二極管的導通電流If增大，相應的光耦PC101輸出側的感應三極管輸出電流IC也增大，而IC輸入到UC3845的控制引腳中，會使UC3845的輸出占空比減小，這樣最終使24 V電源的輸出電壓下降，達到穩壓的目的。

3 樣機測試與結果分析

3.1 樣機實物

為驗證共直流母線式電源方案設計的正確性，設計并制作了電源產品樣機若干臺，圖6為其中1臺樣機的照片。

圖6 開關電源實物照片Fig.6 Photo of switching power supply

3.2 性能指標測試

3.2.1 電壓精度

在空載情況下對設計的開關電源分別進行測試，得到的實驗數據如表3所示。由測試結果分析可知，設計的開關電源的電壓輸出精度均在3%的范圍內，電壓輸出穩定，紋波在要求范圍內。

表3 空載時4路電源輸出電壓的測量值Tab.3 Value of voltage output without load

3.2.2 負載調整率及效率

對4路電源分別施加不同電阻的負載，測量輸出電壓值的變化情況，得到的數據如表4所示。經計算得到4路電源的負載調整率(5 V電源輸出為1.2%，其他幾路電源輸出均小于1%)和效率(均大于84%)都能滿足橫機控制系統要求。需要說明的是由于設計的電源采用共直流母線式進行設計，得到的實驗數據只有整個電源的效率，相比單路輸出形式的電源在效率上略低，但整個電源系統的成本和體積都小很多，具有性價比高的優勢。

表4 不同負載下4路電源輸出電壓的測量值Tab.4 Value of voltage output at different load

從以上測試數據和分析結果可知，設計的開關電源各項指標均符合橫機控制系統要求，基于此在高速橫機系統上采用了直接替換原來4個獨立開關電源的方式進行了測試，運行結果顯示橫機的編織速度同樣達到了1.5 m/s，這樣采用該電源方案設計的橫機系統，相比之前的設備，不僅編織速度較快，而且性價比也較高。

4 結論

針對橫機控制系統高速高精度控制的發展需求，設計了一種滿足系統供電指標的高頻開關電源方案。該電源方案采用共直流母線和多種拓撲輸出的方式進行設計，文中給出了分析與設計的方法，由實驗測試結果可知，該電源符合橫機控制系統高速運行的供電指標要求，這給高端橫機控制系統的研發提供了一套高性價比的電源方案。

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