一種大慣量負載力矩電機驅動器設計

韋景葵

(西北工業大學自動化學院，西安 710129)

1 引言

大慣性負載是指電機負載的轉動慣量較大。在工程實踐中遇到大慣量負載(飛輪)，在直流力矩電機驅動下，制動力矩難以使負載制動停止或換向，制動過程中的回饋電能在供電母線上產生較大泵升電壓，容易出現燒毀功率管的問題。大慣量負載在制動或轉向控制時，由于慣性較大，電機容易進入發電機狀態，向驅動器回饋電能。大慣性負載較一般負載對驅動器處理回饋電能的能力要求更高，對電機的轉速控制和制動控制更為困難。一般的電機驅動電路前端采用二極管進行整流，驅動器采用PWM波對電機的輸入電壓大小進行控制，來控制電機的轉速，沒有電能的回饋電路，后端電流無法向電網回饋。在工程實踐中，當電機由制動狀態進入發電狀態時，在整流橋電容兩端，電壓會出現泵升，泵升電壓過高會導致電路的電容擊穿，甚至燃毀驅動器［1］。飛輪負載就是大慣量負載，大慣量飛輪可以作為儲能設備，在航空航天領域有相當的應用價值。解決大慣量負載電機制動或換向時電能回饋電壓泵升過高問題有很大的工程研究意義。

處理泵升電壓能量過高的方法通常有兩種:①采用電阻能耗放電電路;②由晶閘管構成半可控有源逆變電路，通過能量回饋電路使之回饋到交流電網中［2］。第一種方法電阻功耗大，電阻容易發熱，但是電路簡單，易于實現。第二種方法能夠實現能量回饋，起到節能的效果。但由于晶閘管只能控制其開通，不能控制其關斷，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，由此帶來了如電壓利用率下降、形成脈動環流、諧波含量大、功率因數低及工作可靠性不高等問題。針對一般電機驅動器不能有效處理大慣量負載電機回饋電能大的問題，本文設計的泵升電壓抑制電路對回饋到驅動器的電能采用模擬控制的方式進行能耗抑制。本文研究的重點就是設計一種新型的大慣量直流力矩電機驅動器，使之可以通過改變控制電壓的大小來線性控制電機轉速，并通過給定值控制電機的轉向;同時當電機處于發電狀態時，H橋整流電路橋臂兩端有過高的泵升電壓時可以有效的抑制，使電機能快速的響應完成制動或換向。

2 驅動器總體結構

本直流力矩驅動器采用H橋式整流電路驅動電機能并實現對電機正反轉的控制。設計由SG3525構成的PWM斬波電路和由IR2110構成的MOSFET驅動電路，驅動器保護電路，回饋能耗控制電路組成。驅動系統的上位機主控機是PC104嵌入式單片機，通過D/A提供的控制信號，控制PWM波形的占空比。在電機軸上安裝光電編碼器，向PC104反饋電機的轉速大小和電機的旋轉方向信息。同時在給電機供電的電路上設置LEM電流霍爾傳感器，檢測電樞電流的大小，通過PC104的A/D口回饋給主控機。這樣驅動器的電流內環和轉速外環共同構成雙閉環對電機進行驅動控制，保證系統有良好的控制響應，使電機轉速的線性控制良好，控制可靠。總體結構原理圖如圖1所示。

驅動器采用MOSFET構成H橋進行整流，通過控制信號控制PWM波的占空比大小對MOSFET的通斷進行控制，從而通過控制輸出到直流力矩電機的電壓大小來控制電機的轉速。為抑制力矩電機制動進入發電狀態產生的泵升電壓，在H橋上并接泵升電壓抑制電路，對驅動器進行有效的保護。

圖1 驅動器總體結構圖

3 PWM斬波電路

驅動器的PWM控制電路主要由SG3525構成，實現對電機正反轉的控制和電機轉速控制。SG3525是電流控制型PWM控制器，脈寬調制器是通過接反饋電流來調節脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號與誤差放大器輸出信號進行比較，從而調節占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結構上有電壓環和電流環雙環系統，因此無論開關電源的電壓調整率、負載調整率和瞬態響應特性都有提高，是目前比較理想的新型控制器［3］。

PWM波產生電路如圖2所示。

圖2 PWM斬波電路

圖中采用SG3525為主要芯片，通過輸入電壓的大小控制PWM的占空比。再用此PWM波驅動H橋MOSFET管的導通，控制輸入到電機電壓的大小來控制電機的轉速。由于H橋上的MOSFET管在直通時，容易燒毀，本PWM驅動波形產生電路還增加了防止H橋同橋臂上下MOSFET管同時驅動導通的電路。

電機的轉動方向由信號dir控制，當dir為高電平時，電機正轉，dir為低電平時，控制電機反轉。控制電路的實現如圖2所示，采用緩沖門來控制正向的MOSFET打開或反向轉動的門電路打開來實現對電機輸入電壓的極性控制，控制電機的轉動方向。

飛輪控制系統驅動器的PWM波輸入信號由PC104計算機設定的電壓值和電流反饋經A/D采樣通過控制算法得到的電壓值計算給定。SG2525頻率由電阻、電容給定，通過計算選擇適合的電阻、電容大小。PC104計算機處理控制信號和反饋信號，給硬開關 PWM輸入相應大小的電壓值，由SG2525輸出相應占空比的PWM開關波形，使系統具有很大靈活性。

4 H橋及泵升電壓抑制電路

當電機的運行狀態由高速制動至低速或停車時，電機轉子動能的一部分轉化為回路內阻的熱能消耗掉，另一部分則通過續流二極管向電容器充電轉化為電能，從而導致電容器兩端電壓迅速升高形成泵升電壓。若此電壓升高過多，會造成回路大功率器件的損壞，因此需要及時泄放或進行回收［4－6］。如圖3所示，驅動器經二極管給母線供電，驅動器不能向電源回饋電能。當電機由制動轉變為發電狀態時，電機發出的電能通過MOSFET本身結構上存在并聯的反向二極管向線路中的電容C204和C205充電。當電能過大形成的泵升電壓超過設定值時，三極管Q103導通，電容上的電能通過電阻R204放電，從而達到抑制泵升電壓的目的。

由能量守恒，可得電容容量的計算式為:

其中:

Um為線路設計承載最大電壓;

Uo為線路額定電壓;

J為電機和飛輪的總轉動慣量;

ωo為飛輪的轉速。

圖3 泵升電壓抑制電路

慣性飛輪材料選用鑄鐵，直徑為1m，質量約50kg。慣性飛輪轉動速度n為100～300r/min。電容器的Um一般取超過Uo的30%。本電機驅動Uo為40V，則Um取為52V。若飛輪從轉動速度300r/min制動到停止，則可代數字進入(1)式進行計算可得出所需電路儲能電容C的大小為558.74F。一般電路濾波電容為了達到濾波效果，不會取這么大的電容，則飛輪電機制動過程中飛輪動能轉化為電能向電路電容充電，就會產生較大的泵升電壓，對驅動電路的安全性構成威脅。所以本驅動器設計了泵升抑制電路抑制電壓過高，當H橋臂兩端電壓高于52V的設定值時，比較器輸入端3腳電壓將超13V，超過比較器輸入端2腳的13V穩壓管電壓，比較器輸出端有電流輸出，控制三極管導通，儲能電容C205通過三極管和電阻R203放電，消耗電能，有效的保護電路工作在安全區內。

5 瞬時值電流采集電路

電流量的采樣方法有串聯取樣電阻法、電流互感器法、霍爾傳感器法。串聯取樣電阻法通過檢測取樣電阻上的電壓值來檢測通過電阻的電流，主要缺點是功率損耗大，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、響應快、過載能力強和測量電路無損耗等優點。驅動器選用LEM公司生產的LA100P型電流傳感器，如圖 4所示。根據LA100P的數據手冊，電路將交流額定電流衰減100倍后，變為幅值在－1.5V～+1.5V范圍內變化的交流信號，再經過由AD712構成的加法電路提升1.5V，最終調理為0～3V的電壓信號，送入PC104進行采樣數據處理。

圖4 交流電流采樣調理電路

6 MOSFET驅動電路

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

使MOSFET導通的驅動電壓一般取10V～15V。對驅動電路的要求有: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中的最高電壓;②柵極的驅動電壓應隨源極電位的變化而相對浮動;③驅動電路吸收的功率很小，對系統總效率的影響幾乎可以忽略不計［8］。

本驅動器MOSFET驅動，運用有自舉功能的IR2110為驅動芯片。電路圖如圖5所示。VCC通過二極管和VB相連，VS管腳和VB管腳間連接一個電容充電，達到自舉供電目的。驅動半邊橋臂上下兩個MOS管可以只需要用一個電源即可，使得電路變得簡便易用，電源的布線簡化，節省了驅動器的空間［9－11］。

圖5 整流橋MOSFET驅動電路

驅動電路IR2110輸入信號經過電阻電容低通濾波和一個并聯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器件上的尖峰電壓和尖峰電流，保證功率開關器件始終工作在安全區。同時，反向二極管可以在輸入為低時將電容上存儲的電量經二極管快速泄放，防止驅動的 MOSFET出現直通燒毀管子。PNP型三極管Q102和Q103的基極、集電極間并聯電容器，基極和發射極間并一個電阻組成電路，使當輸出為高時，電路可以通過電阻給MOSFET加柵極導通的電壓。當輸出為低，關斷MOSFET導通時，MOSFET管柵極耦合電容中的電荷可迅速通過PNP三極管發射極向電容C108、C106充電，使MOSFET管可以快速關斷，提高了管子開通關斷的響應速度，可以在有回饋電能情況下，有效的保護驅動器。

7 實驗與結果

試驗用無刷直流力矩電動機，參數為:力矩電機負載飛輪直徑1m，重量56kg。電機功率150W，額定電壓48V，額定電流3.0/2.0A，相數為三相，最高轉速1500r/min。經過試驗得知，驅動器驅動電機實現平穩啟動，轉速平穩，調速快速性較好。可以通過控制輸入電壓的大小控制電機和飛輪的轉速，系統在制動飛輪時，對泵升電壓有良好的抑制作用，但還存在較小的擾動。抑制泵升電壓電路，在額定電壓附近雖有小小的擾動，但不影響驅動系統的可靠性。當驅動力矩電機，飛輪制動產生泵升電壓，泵升電壓抑制電路工作產生的波形如圖6所示。

圖6 泵升電壓抑制波形圖

由圖可知，本文設計的力矩電機驅動器當回饋電能使電容兩端電壓超過52V時，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，但不影響驅動器系統的可靠性。泵升電壓抑制電路能較迅速的消耗回饋電能，保護驅動器電路的安全。

8 結束語

文章設計的直流力矩電機驅動器能通過輸入電壓大小線性的控制電機轉速。當飛輪制動大慣量負載時，電機由制動轉入發電狀態向H橋整流電路的濾波電容充電，電能在電容中聚集容易產生泵升電壓。本文通過實驗驗證本驅動器設計的泵升電壓抑制電路能很好的保護驅動器電路，有很好的可靠性。

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