電機控制器中的CMOS電路節能設計與實現

李翠翠

摘 要： 為了提高電機控制器的輸出功率增益，增強電機的節能性和控制穩定性，提出基于CMOS數字集成電路進行電機控制器的節能電路優化設計方案。電機控制器的電路設計主要由交流放大電路、濾波電路、電壓溫漂抑制電路和微調電路等模塊組成，采用CMOS電壓控制放大器作為核心器件，提高電機控制器輸出基準的穩定性。通過電路模塊化分析和集成化設計，實現電機控制器優化設計。電路測試結果表明，設計的電機控制器具有較高的輸出增益，電機輸出效率得到提高。

關鍵詞： 電機控制器； CMOS； 放大器； 節能設計； 輸出功率增益

中圖分類號： TN433?34； TN710 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）18?0177?04

Energy saving design and implementation of CMOS circuit in motor controller

LI Cuicui1，2

（1. School of Electronic Information， Wuhan University， Wuhan 430072， China；

2. Department of Electronic Engineering， Liuzhou Railway Vocational Technical College， Liuzhou 545616， China）

Abstract： In order to improve the output power gain of motor controller， and enhance the energy saving ability and control stability of motor， a design scheme of optimizing the energy saving circuit of motor controller based on CMOS digital integrated circuit is proposed. The circuit design of the motor controller includes the modules such as AC amplifying circuit， filtering circuit， voltage drift suppression circuit and tuning circuit. The CMOS voltage controlled amplifier is used as the core device to improve the stability of the output reference of motor controller. The optimization design of motor controller was realized by means of circuit modular analysis and integrated design. The circuit test results show that the motor controller has high output gain， and can improve the output efficiency of motor.

Keywords： motor controller； CMOS； amplifier； energy saving design； gain of output power

0 引 言

電機是機電一體化系統的重要組成單元，也是大型電氣機組設備的重要子系統。電機是依靠電機控制器來調節電機的輸入/輸出電壓和功率。結合電機的轉速控制逆變器，優化電機的轉速調節和輸出功率調節[1]。電機的種類很多，按工作方式主要分為軸流式立軸電機、離心式壓力軸電機、永磁無刷電機等[2]，電機的傳動系統依靠電機控制器來實現直流傳動和變頻傳動。可見，電機控制器是電機的核心單元，通過電機控制器的優化節能電路設計，能提高電機的輸出穩定性，改善電機的工作效能，研究電機控制器的節能設計方法受到人們重視。本文設計的電機控制器電路建立在CMOS放大器件為基本單元的數字集成電路基礎上，通過電路模塊化子系統設計和集成化綜合設計，實現電機控制器的電路設計改進，最后進行電路測試，得出有效性結論。

1 總體設計方案

基于CMOS的電機控制系統是建立在電磁感應式電能傳輸模型基礎上，為了實現對電機控制器的優化節能設計，需要首先分析電機控制器的工作原理，電機控制器的輸出電壓通過能量變換和能量分流，以電磁場為媒介進行電能傳輸，通過電磁感應線圈控制供電頻率，實現對不同用電器的節能控制和能量調理，提高電機輸出功率和電能的傳輸效率。為了提高電機控制的傳輸功率和傳輸效率，還需要進行電磁共振的能量模型構建，設計交流放大電路和濾波電路，形成高頻共振的線圈序列[3]，通過控制器控制電能驅動電動機旋轉，實現電機控制，電機控制器的工作原理結構框圖如圖1所示。

根據上述工作原理，進行電機控制器的電路設計總體設計構架分析，電機控制器的電路設計主要由交流放大電路、濾波電路、電壓溫漂抑制電路和微調電路等模塊組成，設計的控制器的技術指標需要滿足：輸入電壓為220～360 V，電機放大模塊的溫漂小于3 ppm/℃，模擬電源供電的輸出誤差小于1 mV，系統微調輸出電壓可調范圍在[±5%]，CMOS交流放大器產生輸出范圍為0～5 V的雙路電壓信號，采用CMOS電壓控制放大器作為核心器件，AD8674為4通道高性能運放，OUTD管腳輸出電壓為0～5 V。根據上述設計指標分析和器件選擇，由此得到電機控制器中的CMOS電路節能設計的總體結構框圖構架如圖2所示。endprint

2 控制器的輸出參量優化計算

為了實現對電機控制器的優化設計，需要進行輸入/輸出參量優化設計，電機控制器的輸出線圈序列采用的是磁共振電能傳輸模式。在電路設計中，采用電壓控制CMOS器件作為放大器件，采用一塊 C8051 單片機作為核心控制單元。在控制器的電路模型中，當電機控制器的三維正交低頻線圈處于諧振狀態時，控制器可以接收多個諧振信號，電壓控制放大器的諧振角頻率為[ω0]。假設發射線圈直流等效電流為[Ip]，諧振電路的諧振頻率一定時，則電機控制器的交流放大線圈1電流有效值為[Is]，根據湯姆遜公式[4]，得到CMOS電路的直流等效電流[Ir]、負載[Ro]控制內部諧振的電流有效值[Io]分別為：

[Is=ω0MpsIpRs+Zsr] （1）

[Ir=ω20MpsIpRs+Zrl] （2）

[Io=MrlIrLo] （3）

內部諧振電容采用雙頻段工作模式[5]，電機控制的級聯放大模塊采用運放AD8674將其控制高壓轉為低電壓輸出，得到共振線圈的反射阻抗為[Zrl]：

[Zrl=MrlRoL2l-jω0M2rlLl] （4）

為了增加系統的穩定性，在并聯情況下，引入反射阻抗[Zrl]，[Zsr]，[Zps]，進行高通濾波和低通濾波，反射阻抗分別為：

[Zrl=MrlRoL2l] （5）

[Zsr=ω20M2srMrlRoL2l+Rr] （6）

[Zps=ω20M2psZsr] （7）

在電機控制的主控芯片上采用iCouple變壓器作為隔直流放大器[6]，進行功率放大，此時電機的輸出功率為：

[Po=ω40M2psM2srM2rlL2lI2pRo（ω20M2srL2l+RsRrL2l+RsRoM2rl）2] （8）

電機的電能傳輸效率為：

[η=PoI2p（Zps+Rp）?ω40M2psM2srM2rlL2lI2pRoh1（ω20M2srL2lRr+ω20M2psM2rlRo+h1Rp）] （9）

式中：[h1=ω20M2srL2l+RsRrL2l+RsRoM2rl]。采用高通濾波器和低通濾波器，提高電機控制器的瞬態共模抑制力，采用多通道Coupler數字隔離器判斷電機傳輸電能的進出門過程，得到電機控制器的高通濾波和低通濾波性能曲線如圖3和圖4所示。

根據圖3和圖4 的濾波特性曲線分析得知，電機控制器的內部諧振電容設計成串聯模式，采用低頻喚醒功能控制內部諧振電容組的值，此時系統輸出功率為：

[Po=I2oRo=ω20M2psM2srM2rlI2pRoM2srRs+M2srRo+RsRrRoω202] （10）

通過上述參量模型優化，提高了電機控制器的輸入電流、負載、諧振頻率的均衡控制能力，使用電源分流裝置進行電機的輸出電能均衡配置[7]，得到輸出功率的互感優化值為：

[M=ω20M2rlRs+RsRrRoω20Ro] （11）

采用雙頻段諧振并聯控制，提高電機輸出的傳輸效率，傳輸效率的優化互感值為：

[M=h2（ω40M2psM2rl+ω20M2psRoRr+Rph2）ω40RpR2o14] （12）

式中，[h2=ω20M2rlRs+RsRrRo]。

3 控制器的電路設計

在電機控制器電路的設計中，采用CMOS集成電路設計方法，對系統的交流放大電路、濾波電路、電壓溫漂抑制電路和微調電路的模塊進行詳細的電路設計分析，首先給出電機控制器的電能傳輸原理圖如圖5所示。

圖5 電機控制器的電能傳輸原理圖

結合圖5分析得知，控制器的交流放大電路采用耦合電容C進行交流耦合，給出交流放大電路輸出信號直流分量為：

[VDC=νARV] （13）

由于[VDC]是隨參數不斷變化的，在電容充電完畢后，耦合電容C前輸入隔直流信號，使用交流耦合DC基線恢復器避免基線漂移。在CMOS放大器中通過電阻R流向電容[CC]，在三極管[Q1]斷開后，應用有限元方法計算得到電機控制器的電磁耦合裝置的漏感和勵磁電感[8]，為了減少線圈窗口的渦流損失，增進系統的傳輸效率，設計初級保護電路和次級電路，對電容[CC]進行自緩沖基線恢復設計，當電機控制器處于閉環狀態，采用ASK 信號接收器產生喚醒信號。采用Blackfin系列的3DC1515S?0477J耦合控制進行三維正交低頻控制，提高電機的整流性能，整流電路采用4個二極管組成16位數據的輸入/輸出電路，輸出電機控制信號到電機組，在通用PPI模式下進行電磁耦合控制， PPI與A/D芯片接口根據A/D進行控制信號的微調，得到電機控制器的CMOS等效電路如圖6所示。在根據圖6建立等效電路后，進行電機控制器的CMOS集成電路設計優化，由于電機控制器的電壓增益主要由負載、頻率決定，采用初、次級磁芯電磁耦合分布式設計提高電機的發電效率和系統穩定性，得到電機控制器的電壓增益為：

[GV=ReqZ3?Z2Z1=（ac-bd）2+（bc+ad）2-12] （14）

等效電路的各部分阻抗比為：

[ReqZ3=ReqReq+Zs] （15）

[Z2Z1=Zm（Req+Zs）Zp（Req+Zm+Zs）+Zm（Req+Zs）] （16）

據此，在通用PPI模式下進行電機控制器的CMOS接口設計，在初級側和次級側設置完DMA參數，在控制器的A/D時鐘輸入中進行低電平轉換，得到電機控制器的PPI接口設計如圖7所示。

為了減少交流放大電路和濾波電路之間的干擾和電壓溫度漂移，需要進行溫度漂抑制電路設計。溫度漂抑制電路采用模擬12 V供電，輸出電平為3.3 V，采用10 [μF]，0.1 [μF]和0.001 [μF]三種電容進行隔直流濾波，實現溫度漂抑制。得到溫度漂抑制電路設計如圖8所示。最后在PCB環境下進行電機控制器的CMOS集成電路設計，通過電路模塊化分析和集成化設計，實現電機控制器優化設計。

4 實驗測試分析

為了測試本文設計的電機控制器電路性能，進行實驗測試分析，采用UCC389型CMOS集成器件組成全橋電機控制電路，給出測試參數見表1。

其中偏芯控制在10 mm以內，共振線圈之間的互感值分別為1.25 [μH]，0.92 [μH]，0.43 [μH]。

根據上述測試參量設定，分析本文設計的電機控制電路的輸出功率和效率，得到結果如圖9所示。

分析圖9結果得知，采用本文方法進行電機控制器設計，具有較高的輸出功率增益，輸出效率在較大的負載下仍能穩定到95.75%，說明設計的電機控制器具有較大的帶載能力，輸出功率增益較高，電機性能較好。

5 結 語

為了增強電機的節能性和控制穩定性，本文提出基于CMOS數字集成電路進行電機控制器的節能電路優化設計方案。電機控制器的電路設計主要由交流放大電路、濾波電路、電壓溫漂抑制電路和微調電路等模塊組成，采用CMOS電壓控制放大器作為核心器件，提高電機控制器輸出基準的穩定性。電路測試結果表明，本文設計的電機控制器具有較高的輸出功率增益和效率，實現電機節能設計。

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