高速橫機(jī)控制系統(tǒng)用共直流母線式多路輸出開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

魯文其，胡旭東，史偉民，鄒 賢

(1.浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，浙江杭州 310018;2.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江杭州 310027)

橫機(jī)控制系統(tǒng)［1］目前正朝著高速、高精度方向發(fā)展［2－3］。文獻(xiàn)［4－5］分別對(duì)橫機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了自主設(shè)計(jì)，但作為機(jī)電系統(tǒng)必不可少的動(dòng)力系統(tǒng)電源部分都是直接采購(gòu)市場(chǎng)上的電源產(chǎn)品進(jìn)行配置的。而傳統(tǒng)線性電源因存在體積大、效率低等問(wèn)題，在很大程度上限制了該類電源在橫機(jī)系統(tǒng)上的應(yīng)用。高頻開(kāi)關(guān)電源則與線性電源剛好相反，具有體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了推廣。但對(duì)于橫機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)力系統(tǒng)，目前大部分設(shè)計(jì)采用了需要幾路電源供電就采購(gòu)幾個(gè)獨(dú)立工作電源的配置方式，這會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)的成本變高［6－7］。如文獻(xiàn)［4］研發(fā)了一臺(tái)高速多功能的電腦橫機(jī)控制系統(tǒng)，將橫機(jī)編織速度從目前國(guó)內(nèi)普遍能設(shè)計(jì)的1.2 m/s提高到了1.5 m/s，具有很好的性能優(yōu)勢(shì)，但該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)采購(gòu)了多個(gè)獨(dú)立的開(kāi)關(guān)電源，成本較高，以至于性價(jià)比不高，為此，文獻(xiàn)［7］為橫機(jī)控制系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)了采用反激和正激2種不同拓?fù)浞绞浇M合的工作電源，來(lái)滿足供電需求，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，具有較好的性價(jià)比，但該電源指標(biāo)不能滿足高速橫機(jī)控制系統(tǒng)的供電要求。本文基于前期設(shè)計(jì)完成的一種高速橫機(jī)控制系統(tǒng)［4－5］，分析能夠滿足該控制系統(tǒng)供電的技術(shù)指標(biāo)，為高速橫機(jī)控制系統(tǒng)提供一個(gè)性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的開(kāi)關(guān)電源。

1 電源指標(biāo)分析

圖1為電腦橫機(jī)控制系統(tǒng)的原理框圖，主要由人機(jī)交互層、主控制層和機(jī)頭控制層3個(gè)部分組成［4，8］，其中人機(jī)交互層主要包括人機(jī)交互界面顯示、USB花形輸入、觸摸屏和以太網(wǎng)接口，其處理器采用三星公司的 ARM9芯片 S3C2440。主控制層主要對(duì)主電動(dòng)機(jī)、移床電動(dòng)機(jī)、傳感器、羅拉電動(dòng)機(jī)及機(jī)身部分外圍傳感器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)或信息檢測(cè)，其處理器采用TI公司的 C2000系列 DSP芯片TMS320F2812;機(jī)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(jī)模塊、度目電機(jī)模塊、紗嘴電磁鐵空盒子以及機(jī)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(jī)交互層與主控制層之間的通信通過(guò)設(shè)計(jì)的FPGA實(shí)現(xiàn)。從以上分析可知:橫機(jī)控制系統(tǒng)的控制核心包括DSP、FPGA和ARM;控制或處理的對(duì)象主要是電磁鐵、電機(jī)及外圍傳感器的檢測(cè)信息。考慮電磁兼容性，該控制系統(tǒng)的供電電源在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)分成3大類:給3個(gè)層的控制核心提供能量的+5 V電源;給主控制層和機(jī)頭控制層外圍傳感信號(hào)供電的+12 V電源;驅(qū)動(dòng)電磁鐵和電機(jī)運(yùn)動(dòng)的+24 V、－24 V電源。在設(shè)計(jì)這4路電源時(shí)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?yàn)轵?qū)動(dòng)電磁鐵的電流很大，瞬間電流一般能達(dá)到5 A，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)同時(shí)觸發(fā)所有電磁鐵時(shí)，如果開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)不理想、功率不匹配或帶寬不匹配，會(huì)導(dǎo)致電磁鐵觸發(fā)紊亂，甚至損壞系統(tǒng)。經(jīng)系統(tǒng)分析得到能夠滿足高速電腦橫機(jī)控制系統(tǒng)的4路電源的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

圖1 橫機(jī)控制系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Functional block diagram of flat knitting machine

表1 電源指標(biāo)Tab.1 Index of power

2 開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

2.1 共直流母線式方案設(shè)計(jì)

為提高性價(jià)比，采用共用直流母線的方式設(shè)計(jì)了4路開(kāi)關(guān)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(gè)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(zhuǎn)換電路、濾波電路、取樣反饋電路、保護(hù)電路和PWM控制器。其中，DC/DC轉(zhuǎn)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(jìn)行設(shè)計(jì)，且隔離型電路主要有正激式、反激式、半橋和全橋4種拓?fù)洌糠N拓?fù)涠加衅鋺?yīng)用特點(diǎn)。其中，反激式元器件少，多用于100 W以下;正激式開(kāi)關(guān)電路的脈動(dòng)系數(shù)只有反激式開(kāi)關(guān)電路的1/2，輸出特性較好，負(fù)載能力強(qiáng)，多用于500 W以下低壓大電流的場(chǎng)合;半橋多用于500 W以上場(chǎng)合，全橋多用于1 000 W以上場(chǎng)合。綜合考慮橫機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和成本因素，本文根據(jù)電源輸出功率大小提出了圖2所示由不同拓?fù)浣M合而成的設(shè)計(jì)方案:采用反激式拓?fù)湓O(shè)計(jì)+5 V/+12 V電源，采用正激式拓?fù)湓O(shè)計(jì)+/－24 V電源。需要說(shuō)明的是－24 V電源拓?fù)淦鋵?shí)和+24 V電源拓?fù)湟粯拥模皇窍蛲夤╇姇r(shí)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(diào)節(jié)控制器，它是高頻開(kāi)關(guān)電源的核心器件，本文選用UC3845進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)該器件，可穩(wěn)定輸出電壓。由于篇幅限制，本文主要針對(duì)24 V電源的設(shè)計(jì)思路作介紹。

圖2 共直流母線式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的+/－24V電源采用的都是正激式拓?fù)洌撾娫凑麟娐泛竺娌糠值脑韴D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?fù)涞腄C/DC變換

圖4為正激式DC/DC開(kāi)關(guān)電源的原理框圖。由初級(jí)線圈N1、次級(jí)線圈N2和磁復(fù)位線圈N3這3個(gè)部分組成。其中，D3和N3—起組成了磁復(fù)位電路，D1和D2是快恢復(fù)二極管，分別用來(lái)整流和續(xù)流，L和C儲(chǔ)存和釋放能量，也能起到濾波的作用，當(dāng)開(kāi)關(guān)管K導(dǎo)通時(shí)，能量經(jīng)變壓器T和D1儲(chǔ)存于電感和電容中并傳遞到負(fù)載，開(kāi)關(guān)K關(guān)斷時(shí)儲(chǔ)存在電容中的能量傳送到負(fù)載。

圖4 正激式DC/DC開(kāi)關(guān)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(shè)計(jì)和制作，具體的設(shè)計(jì)方法由于篇幅限制不具體展開(kāi)，這里給出了高頻變壓器設(shè)計(jì)和繞制的示意圖和數(shù)據(jù)，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(jí)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(fù)位繞組45匝(N3)，繞制時(shí)需注意同名端。為屏蔽電磁干擾，將一個(gè)簿銅片環(huán)繞在變壓器外部，初級(jí)繞組引腳需加鐵氟龍?zhí)坠埽恳粋€(gè)繞組需采用瑪拉膠帶，每一層使用擋墻加強(qiáng)絕緣。

圖5 高頻變壓器設(shè)計(jì)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(diào)制器UC3845，開(kāi)關(guān)管K的導(dǎo)通和關(guān)斷通過(guò)輸出脈沖信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)，達(dá)到控制占空比大小、穩(wěn)定輸出電壓的目的。其控制外圍電路包括軟啟動(dòng)電路、電壓/電流反饋電路、PWM驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、振蕩電路等。

2.2.3 電壓反饋穩(wěn)壓原理

參照?qǐng)D3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(jīng)R111、R110和RC1分壓后得到取樣電壓與U103(TL431)中的帶隙基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，使TL431陰極電位下降，這樣導(dǎo)致流過(guò)光耦PC101(PC817)輸入側(cè)光電二極管的導(dǎo)通電流If增大，相應(yīng)的光耦PC101輸出側(cè)的感應(yīng)三極管輸出電流IC也增大，而IC輸入到UC3845的控制引腳中，會(huì)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(dá)到穩(wěn)壓的目的。

3 樣機(jī)測(cè)試與結(jié)果分析

3.1 樣機(jī)實(shí)物

為驗(yàn)證共直流母線式電源方案設(shè)計(jì)的正確性，設(shè)計(jì)并制作了電源產(chǎn)品樣機(jī)若干臺(tái)，圖6為其中1臺(tái)樣機(jī)的照片。

圖6 開(kāi)關(guān)電源實(shí)物照片F(xiàn)ig.6 Photo of switching power supply

3.2 性能指標(biāo)測(cè)試

3.2.1 電壓精度

在空載情況下對(duì)設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源分別進(jìn)行測(cè)試，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。由測(cè)試結(jié)果分析可知，設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源的電壓輸出精度均在3%的范圍內(nèi)，電壓輸出穩(wěn)定，紋波在要求范圍內(nèi)。

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

3.2.2 負(fù)載調(diào)整率及效率

對(duì)4路電源分別施加不同電阻的負(fù)載，測(cè)量輸出電壓值的變化情況，得到的數(shù)據(jù)如表4所示。經(jīng)計(jì)算得到4路電源的負(fù)載調(diào)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(jī)控制系統(tǒng)要求。需要說(shuō)明的是由于設(shè)計(jì)的電源采用共直流母線式進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)只有整個(gè)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(gè)電源系統(tǒng)的成本和體積都小很多，具有性價(jià)比高的優(yōu)勢(shì)。

表4 不同負(fù)載下4路電源輸出電壓的測(cè)量值Tab.4 Value of voltage output at different load

從以上測(cè)試數(shù)據(jù)和分析結(jié)果可知，設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源各項(xiàng)指標(biāo)均符合橫機(jī)控制系統(tǒng)要求，基于此在高速橫機(jī)系統(tǒng)上采用了直接替換原來(lái)4個(gè)獨(dú)立開(kāi)關(guān)電源的方式進(jìn)行了測(cè)試，運(yùn)行結(jié)果顯示橫機(jī)的編織速度同樣達(dá)到了1.5 m/s，這樣采用該電源方案設(shè)計(jì)的橫機(jī)系統(tǒng)，相比之前的設(shè)備，不僅編織速度較快，而且性價(jià)比也較高。

4 結(jié)論

針對(duì)橫機(jī)控制系統(tǒng)高速高精度控制的發(fā)展需求，設(shè)計(jì)了一種滿足系統(tǒng)供電指標(biāo)的高頻開(kāi)關(guān)電源方案。該電源方案采用共直流母線和多種拓?fù)漭敵龅姆绞竭M(jìn)行設(shè)計(jì)，文中給出了分析與設(shè)計(jì)的方法，由實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知，該電源符合橫機(jī)控制系統(tǒng)高速運(yùn)行的供電指標(biāo)要求，這給高端橫機(jī)控制系統(tǒng)的研發(fā)提供了一套高性價(jià)比的電源方案。

［1］ 呂建飛，傅建中.基于嵌入式ARM全自動(dòng)橫機(jī)的控制系統(tǒng)［J］. 紡織學(xué)報(bào)，2005，26(6):101－103.Lü Jianfei，F(xiàn)U Jianzhong.Study on the control system of the automatic flat knitting machine based on embedded ARM［J］.Journal of Textile Research，2005，26(6):101－103.

［2］ 王琛鑾.電腦橫機(jī)控制器的軟件設(shè)計(jì)［D］.杭州:浙江大學(xué)，2006:1－56.WANG Chenluan. The softwear design for the controllerof computerized flat knitting machine［D］.Hangzhou:Zhejiang University，2006:1 －56.

［3］ 陳景波，盧達(dá)，王玲玲.全自動(dòng)電腦橫機(jī)上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)［J］.紡織學(xué)報(bào)，2011，32(2):131－135.CHEN Jingbo，LU Da，WANG Lingling.Design of host computersoftware for automatic computerized flat knitting machine［J］.Journal of Textile Research，2011，32(2):131－135.

［4］ 張丹.高速多功能橫機(jī)控制系統(tǒng)研制［D］.杭州:浙江理工大學(xué)，2009:1－26.ZHANG Dan.The design of high－speed multi－function flat knitting machine control system［D］.Hangzhou:Zhejiang Sci－tech University，2009:1－26.

［5］ 史偉民，陳春松，沈加海.電腦橫機(jī)自動(dòng)起底控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.紡織學(xué)報(bào)，2013，34(3):127－131.SHI Weimin，CHEN Chunsong，SHEN Jiahai.Design of automatic fundamental flat knit knitting control system offlatknitting machine［J］. JournalofTextile Research，2013，34(3):127 －131.

［6］ 史偉民，肖亮，彭來(lái)湖，等.基于CAN總線的模塊化橫機(jī)機(jī)頭控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.紡織學(xué)報(bào)，2012，33(4):119－123.SHI Weimin，XIAO Liang，PENG Laihu，et al.CAN bus－based modular control system for carriage of flat knitting machine［J］.Journal of Textile Research，2013，34(3):127 －131.

［7］ 蔣路飛.橫機(jī)控制系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)［D］.杭州:杭州電子科技大學(xué)，2012:1－46.JIANG Lufei.The design of power supply for the flat knitting machinecontrolsystem［D］. Hangzhou:Hangzhou Dianzi University，2012:1 －46.

［8］ 王紅凱，張森林.基于Linux嵌入式全自動(dòng)橫機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 紡織學(xué)報(bào)，2008，29(2):101－105.WANG Hongkai，ZHANG Senlin.Design of the softwaresystem of automatic flat knitting machine based on Linuxembedded technology［J］.Journal of Textile Research，2008，29(2):101 －105.

［9］ 鄒懷安.寬輸入電壓高頻開(kāi)關(guān)電源的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2005:5－15.ZOU Huai'an.Researeh and realization of a novel high frequenyc switching powersupply forwide iuput voltage［D］.Wuhan:Wuhan University of Technology，2005:5－15.

［10］ 黃雍俊.新型多路輸出開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)與研究［D］.廣州:華南理工大學(xué)，2012:10－76.HUANG Yongjun.Design and study on new multiple output switch power supply［D］.Guangzhou:South China University of Technology，2012:10 －76.