直流微電機(jī)正反轉(zhuǎn)調(diào)速功率放大電路的設(shè)計(jì)

直流微電機(jī)正反轉(zhuǎn)調(diào)速功率放大電路的設(shè)計(jì)

傳輸管理系統(tǒng)是通過控制對(duì)電機(jī)的控制，將能量消耗轉(zhuǎn)換為機(jī)器能，并通過指定的運(yùn)動(dòng)規(guī)則控制運(yùn)動(dòng)機(jī)械。而用直流電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)稱為直流傳動(dòng)。由于直流傳動(dòng)系統(tǒng)具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)及調(diào)速等性能,目前在傳動(dòng)領(lǐng)域仍占主要地位。在機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域,直流電機(jī)作為機(jī)器人各關(guān)節(jié)或執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源得到了廣泛的應(yīng)用。因此,機(jī)器人控制器作為機(jī)器人信息處理和控制的主體,其設(shè)計(jì)好壞將決定機(jī)器人系統(tǒng)的整體行為和整體性能。早期的機(jī)器人,特別是工業(yè)機(jī)器人所采用的控制系統(tǒng)基本上是設(shè)計(jì)者基于自己的獨(dú)立結(jié)構(gòu)而開發(fā)的,它采用了專用計(jì)算機(jī)、專用機(jī)器人語言、專用操作系統(tǒng)、專用微處理器。本設(shè)計(jì)基于通用DSP控制芯片開發(fā)了直流電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)卡,取得了滿意的控制效果。1gm控制裝置脈沖寬度調(diào)制(PWM,pulsewidthmodulation)裝置是一種利用大功率晶體管的開關(guān)特性來調(diào)制固定電壓的直流電源,按固定的頻率來接通和斷開,并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”與“斷開”時(shí)間的長(zhǎng)短,通過改變直流伺服電動(dòng)機(jī)電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小,從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此,這種裝置又稱為開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置。PWM控制原理如圖1所示?？煽亻_關(guān)S(可以是三極管,MOSFET,IGBT等)以一定的時(shí)間間隔重復(fù)地導(dǎo)通和斷開。當(dāng)S導(dǎo)通時(shí),供電電源通過開關(guān)S施加到電動(dòng)機(jī)兩端,電源向電機(jī)提供能量,電動(dòng)機(jī)儲(chǔ)能;當(dāng)S斷開時(shí),切斷了供電電源向電動(dòng)機(jī)提供能量;但是,在S導(dǎo)通期間電樞電感所儲(chǔ)存的能量此時(shí)通過續(xù)流二極管VD使電動(dòng)機(jī)電流繼續(xù)流通。2基極驅(qū)動(dòng)電機(jī)ub1和ub3雙極模式PWM控制的特點(diǎn)是在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi),作用在導(dǎo)電樞上的電壓極性是正負(fù)交替的,雙極性工作模式由此得名。H型雙極模式PWM的功率轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。它由4個(gè)大功率晶體管和4個(gè)續(xù)流二極管組成。4個(gè)大功率管分為兩組,V1和V4一組,V2和V3為另一組,同一組中的兩個(gè)晶體管同時(shí)導(dǎo)通、同時(shí)關(guān)斷,兩組晶體管之間是交替的輪流導(dǎo)通和截止的。亦即基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)ub1=ub4,ub2=ub3=-ub1。雙極模式工作時(shí)允許電流反向流通,從而保證電樞電流始終是連續(xù)的。即使電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng),電機(jī)電樞兩端的瞬時(shí)電壓也不為零,而是寬度相等的正、負(fù)脈沖電壓。在電樞回路中流過一個(gè)交變的電流,使電動(dòng)機(jī)發(fā)生高頻顫動(dòng),有利于減小靜摩擦。3簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)隨著GTO晶閘管、GTR、P-MOSFET、IGBT和MCT等全控型功率器件的出現(xiàn)和應(yīng)用,直流傳動(dòng)方式得到很大的改善。利用這些有自關(guān)斷能力的器件,取消了原來普通晶閘管系統(tǒng)的必需的換相電路,簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu),提高了效率,降低了噪聲,也縮小了電力電子裝置的體積和重量,使諧波成分大、功率因數(shù)差的相控變流器將逐步由斬波器或脈沖寬度調(diào)制器(PWM)變流器所代替。本設(shè)計(jì)采用型號(hào)為IRF540N功率場(chǎng)效應(yīng)管,其柵極驅(qū)動(dòng)芯片采用IR2110,設(shè)計(jì)了如圖3所示的驅(qū)動(dòng)電路,其中,器件的選擇是關(guān)鍵。3.1絕緣材料場(chǎng)效應(yīng)管的選擇3.1.1vm驅(qū)動(dòng)電路由MOSFET(場(chǎng)效應(yīng)管)構(gòu)成的共源電路中,當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)電壓使漏極電流為零時(shí),則認(rèn)為場(chǎng)效應(yīng)管的工作點(diǎn)位于夾斷區(qū)的邊界上,當(dāng)柵-源的反偏電壓再增大,MOSFET的工作點(diǎn)完全進(jìn)入夾斷區(qū)。而當(dāng)柵極控制電壓使漏(D)-源(S)電壓變?yōu)榱銜r(shí),則認(rèn)為MOSFET工作點(diǎn)位于飽和區(qū)的邊界上。當(dāng)提高柵(G)極驅(qū)動(dòng)電壓時(shí),MOSFET的工作點(diǎn)就完全進(jìn)入可變電阻區(qū)。PWM驅(qū)動(dòng)電路就是利用MOSFET的開關(guān)特性,使之交替工作在截止區(qū)和飽和區(qū),從而越過MOSFET的恒流區(qū),通過調(diào)整占空比的辦法來調(diào)整分配在電動(dòng)機(jī)電樞兩端的電壓,達(dá)到對(duì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。而這種開關(guān)特性對(duì)整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路尤其是功率放大管提出了較高要求。工作在開關(guān)狀態(tài)的MOSFET,由夾斷區(qū)到可變電阻區(qū),或者相反的過程,也就是其內(nèi)部電荷建立和消失的過程,因而,需要一定的時(shí)間。共源電路的開關(guān)時(shí)間波形如圖4所示,MOSFET的開關(guān)時(shí)間由開啟時(shí)間(turn-ondelaytime)td(on)、上升時(shí)間(risetime)tr、關(guān)斷時(shí)間(turn-offdelaytime)td(off)和下降時(shí)間(falltime)tf組成。本驅(qū)動(dòng)電路采用型號(hào)IRF540N的絕緣柵型功率場(chǎng)效應(yīng)管,該管的開關(guān)時(shí)間值如下:td(on)=30ns;tr=60ns;td(off)=80ns;tf=30ns。該器件的開關(guān)頻率可達(dá)到1～2MHz,能夠滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。3.1.2降低功耗對(duì)設(shè)計(jì)方案的要求在PWM系統(tǒng)中,MOSFET的功率損耗是決定其使用壽命的重要因素,也是衡量PWM驅(qū)動(dòng)效率的一個(gè)指標(biāo)。為了保證PWM系統(tǒng)工作安全可靠,通常需要使MOSFET工作在額定功率范圍之內(nèi)。降低功耗對(duì)MOSFET的特性參數(shù)有以下要求:①M(fèi)OSFET可變電阻區(qū)電壓要小;②上升時(shí)間tr和下降時(shí)間tf要短。而所謂的“共態(tài)直通”是指H型功率轉(zhuǎn)換電路中的功率元件(MOSFET、GTR)在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的切換瞬間把主電源短路的現(xiàn)象。共態(tài)直通發(fā)生的原因是由于功率元件(MOSFET、GTR)開啟時(shí)間td(on)的存在和基極驅(qū)動(dòng)的PWM信號(hào)過零點(diǎn)無延遲而引起的。因此,要求功率元件(MOSFET、GTR)的開啟時(shí)間盡可能短,同時(shí)設(shè)計(jì)基極驅(qū)動(dòng)電路時(shí),應(yīng)使同側(cè)對(duì)管在開關(guān)切換期間有一個(gè)共同休止的延時(shí)死區(qū)。圖5為死區(qū)驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形。3.2集成驅(qū)動(dòng)電路隨著功率VMOS器件以及絕緣柵雙極晶體管器件(IGBT)的廣泛運(yùn)用,更多場(chǎng)合使用VMOS器件或IGBT器件組成橋式電路,例如開關(guān)電源半橋變換器或全橋變換器、直流無刷電機(jī)的橋式驅(qū)動(dòng)電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及逆變器的逆變電路。而美國(guó)IR公司推出的一系列集成驅(qū)動(dòng)電路在其中起了非常大的推動(dòng)作用。本設(shè)計(jì)選擇IR公司推出的IR2110集成驅(qū)動(dòng)芯片作為場(chǎng)效應(yīng)管的柵極驅(qū)動(dòng)器件。它體積小、集成度高、響應(yīng)快、偏值電壓高、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、內(nèi)設(shè)欠壓封鎖,而且成本低、易于調(diào)試,并設(shè)有外部保護(hù)封鎖端口。尤其是上管驅(qū)動(dòng)采用外部自舉電容上電,使得驅(qū)動(dòng)電源數(shù)目較其他IC大大減小。但如果IR2110使用不當(dāng),尤其是自舉電容選擇不合適,易于造成芯片損壞或不能正常工作。(1)c2容量選擇圖6所示為IR2110典型接線圖。圖中C2為自舉電容,VCC經(jīng)VD1、C2、負(fù)載、VT2給C2充電,以確保VT2關(guān)閉、VT1開通時(shí),VT1管的柵極靠C2上足夠的儲(chǔ)能來驅(qū)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)自舉式驅(qū)動(dòng)。C2的容量選擇應(yīng)考慮如下幾點(diǎn):①PWM開關(guān)頻率高,C2應(yīng)選小;②盡量使自舉上電回路不經(jīng)大阻抗負(fù)載,否則應(yīng)為C2充電提供快速充電通路;③對(duì)于占空比調(diào)節(jié)較大的場(chǎng)合,特別是在高占空比時(shí),VT2開通時(shí)間較短,C2應(yīng)選小,否則,在有限時(shí)間內(nèi)無法達(dá)到自舉電壓;④C2的選擇應(yīng)綜合考慮PWM變化的各種情況,監(jiān)測(cè)HO、VS腳波形進(jìn)行調(diào)試是最好的方法。(2)獨(dú)立顯示自舉二極管的耐壓,應(yīng)保證其可以安全地工作在高壓側(cè)功率供電電壓下。二極管的反向漏電應(yīng)盡量小,并且是快速恢復(fù)二極管。(3)邏輯輸入的反偏壓IR2110的最大不足是不能產(chǎn)生負(fù)偏壓,如果用于驅(qū)動(dòng)橋式電路,由于彌勒效應(yīng)的作用,在開通與關(guān)斷時(shí)刻,集電極與柵極間的電容有充放電電流,容易在柵極上產(chǎn)生干擾。圖7給出了IR2110產(chǎn)生負(fù)偏壓的原理圖。電源Uc上電后,首先通過電阻Rc對(duì)電容C5充電,并在VW1鉗位下形成+5V電壓uc5。當(dāng)邏輯輸入LIN為高電平時(shí),VS3導(dǎo)通,腳1對(duì)COM點(diǎn)輸出20V的高電平,而相對(duì)VM2源極為15V高電平,VM2、VM3同時(shí)導(dǎo)通;當(dāng)LIN為低電平時(shí),VS4導(dǎo)通,在VM2柵源之間加上-uc5電壓,即形成反偏壓。當(dāng)高端輸入邏輯HIN為高電平時(shí),VS1導(dǎo)通、VS2關(guān)斷,使VM1導(dǎo)通;當(dāng)HIN為低電平時(shí),VS1關(guān)斷、VS2導(dǎo)通,VM1柵源電壓為負(fù),從而形成反偏壓。在參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn):①快速恢復(fù)二極管VDR和VM3的電壓與VM1、VM2的電壓定額相同;②VM3先于VM2關(guān)斷,后于VM2開通,這可由Rg3和Rg2配合調(diào)節(jié);③由于MOSFET和IGBT在柵源極之間存在寄生電容Ciss,因此,要求C4?Ciss。(4)減少vs沖電壓由于在橋式電路中存在寄生電感,而橋式電路一般負(fù)載為感性負(fù)載,在功率管開關(guān)瞬間、電源短路以及過電流關(guān)斷時(shí),di/dt(電流的瞬時(shí)變化量)比較大,功率管會(huì)產(chǎn)生過沖電壓,會(huì)使VS端電壓低于COM端,而IR2110中該電壓不能低于-4V,如果超出該極限電壓就會(huì)引起高端通道工作不穩(wěn)定。根據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn),在設(shè)計(jì)印制電路板(PCB)時(shí),采取下列推薦方法可以減小VS負(fù)過沖電壓:①將功率管緊密放置,并且在焊接功率器件時(shí)盡量使引腳最短,以減少PCB布線長(zhǎng)度和引腳間寄生電感的影響。②功率驅(qū)動(dòng)集成芯片盡可能靠近功率管放置。③連接兩功率管的走線采用寬線直接連接,不要有環(huán)路。④在電源線與功率管之間增加去耦電容(一般為0.1μF或1.0μF)。(5)ir210sd端過電流保護(hù)在許多場(chǎng)合,為了防止功率管和負(fù)載因過電流損壞,需對(duì)電流值進(jìn)行嚴(yán)格控制。例如,控制直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)時(shí),如果電流過大會(huì)燒毀。利用IR2110的SD端可實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù)控制功能,其過電流保護(hù)的工作原理如圖8所示。穩(wěn)壓二極管D1提供一標(biāo)準(zhǔn)電壓,電阻R2對(duì)電流進(jìn)行采集,將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),再與標(biāo)準(zhǔn)電壓相比較,當(dāng)電流達(dá)到規(guī)定值時(shí),比較器輸出高電平,提供給IR2110的SD端,IR2110控制切斷功率管,從而防止過電流的產(chǎn)生。電流值的大小可以根據(jù)穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓值及電流檢測(cè)電阻計(jì)算出來。3.3電流的脈動(dòng)量在PWM-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中,電力晶體管的開關(guān)頻率與系統(tǒng)的性能有密切關(guān)系,開關(guān)頻率愈高,電樞電流的脈動(dòng)量和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速脈動(dòng)量愈小,電流容易連續(xù),電動(dòng)機(jī)附加損耗減少,系統(tǒng)低速平穩(wěn)性好。從動(dòng)態(tài)性能看,提高開關(guān)頻率可擴(kuò)大系統(tǒng)頻帶寬度,提高系統(tǒng)的快速性,但是開關(guān)頻率的提高使晶體管的動(dòng)態(tài)損耗也隨之增大,會(huì)降低放大器的傳輸效率。通常開關(guān)頻率的選擇要考慮以下原則。(1)發(fā)電機(jī)最小負(fù)載電流Id=12Δid≤ILmin(1)Ιd=12Δid≤ΙLmin(1)式中,ILmin為電動(dòng)機(jī)最小負(fù)載電流。對(duì)于雙極式PWM放大器,最大脈動(dòng)電流Δidmax為Δidmax=Us2Lf(2)Δidmax=Us2Lf(2)使電動(dòng)機(jī)最小負(fù)載電流連續(xù)的開關(guān)頻率為f≥Us4LILmin(Hz)(3)f≥Us4LΙLmin(Ηz)(3)(2)驅(qū)動(dòng)模塊tr和tf的設(shè)計(jì)對(duì)于雙極式PWM放大器fop=0.332asT21(tr+tf)??????√3(Hz)(4)fop=0.332asΤ12(tr+tf)3(Ηz)(4)式中,as=Is/Inom為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流與額定電流之比;T1=L/R為電樞回路電磁時(shí)間常數(shù);tr為晶體管關(guān)斷時(shí)的下降時(shí)間;tf為晶體管開通時(shí)的上升時(shí)間。本驅(qū)動(dòng)模塊的開關(guān)頻率考慮到以上原則,利用式(3)、(4)計(jì)算所需頻率,同時(shí)考慮了隔離元件(光耦)的快速性,開關(guān)頻率定為234kHz左右。同時(shí),根據(jù)電路模塊試驗(yàn)要求,可適當(dāng)調(diào)整開關(guān)頻率。4控制電路總體框圖美國(guó)TI(德州儀器)公司于1997年推出數(shù)字式電動(dòng)機(jī)微控制器TMS320X24X是面向新一代電機(jī)控制,將DSP的高速運(yùn)算能力和面向電動(dòng)機(jī)的高效控制能力集于一體,使得實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的全數(shù)字化成為可能。本設(shè)計(jì)的控制電路總體框圖如圖9所示。以TMS320LF2407ADSP為核心,外擴(kuò)JTAG仿真接口,SCI串口通信接口,這兩個(gè)接口實(shí)現(xiàn)了DSP與PC機(jī)的通信;另外,A/D轉(zhuǎn)換接口,用以采集電機(jī)電樞電流信號(hào);DSP的正交編碼脈沖輸入單元(QEP)用以采集電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)。5電機(jī)轉(zhuǎn)速及電路工作特性用以實(shí)驗(yàn)的電機(jī)對(duì)象為瑞士麥克遜直流微電機(jī)。部分電機(jī)參數(shù)如下:額定功率為70W;最大轉(zhuǎn)速為7020r/min;額定工作電壓為42V;