（電機(jī)與電器專業(yè)論文）新型永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).pdf

a b s t r a c t i n 位h j s 鼢y0 fs o c j a ld e v e l o p 啦n t ，e n e r g yj sa l v 婚y s 婦s 曲s t a m i a l l 缸池艘n t a l f o rh 呱m nr a c e m o r e o v e r ，婦p r o 薩s so fs c i e ea n dt e c h b g y 瓷石曲t l yr e h t e d 幻 也ea c q u i s i t b n c o n v e r s b na i 】du s a 鏟o f e m r g y b e c a u s eo ft h ec o n v e n l e l 】c emp r o d - l l c t i o n | c o n v e r s b n d i s t r 讓m t i c ma n dc o n 缸o(hù) l ，e k c t r i c i t yp o w e rl l a sb e e nw i d e l yu s e d t h e p r o d u c t 硫o fp o w e r h i 曲l yc o n c e r l l s 恤仃a n s f o r 衄t b nb e 眥e n 咖士o r 璐o te n e r g y ： 艘c l 】a n i c a la n de k c t r 記a la 耐e l e c t r 切l(wèi) 盥c h 硫j s 婦k e ye q u i p l l l e n ti n 啦k 硼o f 觚n s f o r i i 】a t 疏s o 恤t e c h i 】o b g yo fi i d 研p h y sa n 呻o r t a l l tr o bm e x p l o m t l o na n d u s a 窘eo f e r g f t h et e c h b g y0 n 咖t o rc o i 帥l 衄i n l ys 0 1 v e sp r o b l e mo n 婦m n n i l l gs 協(xié)t eo t d t o r s ，硫l u d es p e e d c o n 仃o la n de ) ( c i t a t 硫i n 薩m r a t i d r 舡婦m p 訂d e v e l o p 腿n tm d o w e re 】e c t 姍i c sa n d1 l l i 咖e l e c t r o n i c s ，瑚衙c o n 仃0 l 辱a d u a l l yb e c o 膳sas 咖毗 w h i c hc o m b i n e s 讎c b a n i ci m c h i n ea n de l e c t r o n 瓷t e c h b g y p e m nm n t 衄驢e t 記s y 琳h r o m u s d t | d re 巧o y sg r e a ta d n 協(xié)g e sj nc h 佃a ，w h 讓 毽a b u r l d k l i l ti nm r ee a r t l l s ，a c c o u n t i n gf 0 rn e a r l y8 0p e r c e l l to f t o t a lq 嗽n t 時(shí)m 性 w o r l d c o m i m r c i a ls o r w a r es u c ha sa n s o f ta d dan s _ y s 蘆饑t e 吐】e 黟e a tm l p r o v e i n e n t j ne k c 仃。瓶蒯瓷a n d 讎c 慨位d e s 谫i np e 徹a n e n t 強(qiáng)g n e t s y n c h 舢u s 瑚研 缸ar e s u k 血i sw i 【l e l yu s e dj ni n d u s t r yp r o d u c t 幻n w i n d 薩1 1 e r a t i o na n ds e r v 0 位h a n da b to fe x p e r t sf o c so ni t sd e v e l 叩l i 】e n t m e a n w h i l e ，婦瑚研c o n 們ls y s t e m 士t o r p e m nn e n t 強(qiáng)g n e t i cs y 眥h r o n o 璐n 的t o r 如o b e c o n p sah o ts 1 塒e c tm a n yb 遠(yuǎn) c o m p a n j e s ，s u c ha sa b b ，t o k oa 耐s 婦璐，1 1 a v er e l e a s e dm e i rs 0 1 u t i o n so n 吐l e c o n 仃0 1o fp e 衄n ti i 】a g n e t i cs y n c h r o n o u s 腳t o r i ti s 脅由b e l i e v e d 吐1 a te 虢c t i v e c o n 臼d ls v s t e mw o u hc o n 仃擊u t eab tt 0t b ee n e r g yr e d l | c t 啪o ti t 】o t o 斑 t h j sa r t i c l ef o c u s e so nl 量鹼c o n t r o ls y s t e mo fp e m h n tm ag t s ”虻n r o u s i m t i d r 曲th a s1 a r g et o r q u ea tb ws p e e d t h ed e s i 伊o f l l a r d w a r es y 咖1 1 1 ，也ep r o g r a m o fm ) t o rc o n 缸o(hù) la n ds i m u l a t i o no f c o n t r o ls c l 】e m ea r ei n 仃0 d u c e di nd e t a i l s y 哪r 凼：p e r i m n t 衄g 僦i cs y n c h r o u s 仰帆m i c r 0 一c o n 的l 虹m o t o rc o n 廿0 l s y s t e m 4 第1 章永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展 1 1 永磁同步電機(jī)的特點(diǎn) 電機(jī)內(nèi)賴以進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的氣隙磁場(chǎng)，可以由電流勵(lì)磁產(chǎn)生，也可以由 永磁體產(chǎn)生，世界上第一臺(tái)電機(jī)就是永磁電機(jī)。但是當(dāng)時(shí)所用永磁材料的磁性能 很低，不久被電勵(lì)磁電機(jī)所取代。近幾十年來(lái)，隨著鋁鎳鈷永磁、鐵氧體永磁， 特別是稀土永磁的相繼問(wèn)世，永磁材料的磁性能有了很大程度的提高。許多電勵(lì) 磁電機(jī)又紛紛改用永磁體勵(lì)磁。與電勵(lì)磁電機(jī)相比，永磁電機(jī)，特別是稀土永磁 電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠；體積小，質(zhì)量輕；損耗小，效率高；電機(jī)的形狀 和尺寸可以靈活多樣等顯著優(yōu)點(diǎn)。它不僅僅可以替代傳統(tǒng)的電勵(lì)磁電機(jī)，而且可 以實(shí)現(xiàn)電勵(lì)磁電機(jī)難以達(dá)到的高性能。目前，永磁電機(jī)的功率小至m w 級(jí)，大至 1 0 0 0 k w 級(jí)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、航空航天、國(guó)防和日常生活中得到廣泛應(yīng)用，產(chǎn)量 急劇增加。 與此同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，以及電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算、 優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真技術(shù)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的不斷完善，經(jīng)過(guò)電機(jī)學(xué)術(shù)界和工程界的共 同努力，在永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)理論、計(jì)算方法、結(jié)構(gòu)工藝和控制技術(shù)等方面都取得 了突破性進(jìn)展，形成了以電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算和等效磁路解析求解相結(jié)合的一整套分 析研究方法和計(jì)算機(jī)輔助分析、設(shè)計(jì)軟件。 永磁同步電機(jī)在我國(guó)的發(fā)展有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。我國(guó)是稀土資源的大國(guó)，有 將近全世界8 0 的稀土蘊(yùn)藏量。永磁電機(jī)的電磁，發(fā)熱和機(jī)械振動(dòng)的設(shè)計(jì)方面， 得到了a n s o f t 、a n s y s 等軟件的輔助，設(shè)計(jì)水平日益提高。永磁同步電機(jī)逐漸成 為了電動(dòng)機(jī)發(fā)展的一個(gè)大方向，在工業(yè)動(dòng)力，風(fēng)力發(fā)電和伺服系統(tǒng)中得到了廣泛 的應(yīng)用。永磁同步電機(jī)的控制也成為了一個(gè)研究熱點(diǎn)。世界著名的電機(jī)控制變頻 器廠商如a b b 、安川，西門子等也推出了永磁同步電機(jī)專用控制變頻器?？梢钥?到，可靠、高效的永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)將為電動(dòng)機(jī)節(jié)能工程作出巨大的貢 獻(xiàn)。 永磁電機(jī)制成后不需要外界能量即可維持其磁場(chǎng)，但也造成從外部調(diào)節(jié)、控 制其磁場(chǎng)極為困難。這些使永磁電機(jī)的應(yīng)用范圍受到了限制。但是，隨著m o s f e t ，i g b t 等電力電子器件和控制技術(shù)的快速發(fā)展，大多數(shù)永磁電機(jī)在應(yīng)用中，可 以不必進(jìn)行磁場(chǎng)控制而只進(jìn)行電樞控制。設(shè)計(jì)時(shí)，需要把稀土永磁材料、電力電 子器件和微機(jī)控制三項(xiàng)新技術(shù)結(jié)合起來(lái)，使永磁電機(jī)在嶄新的工況下運(yùn)行。 7 逝江太坐亟堂位論空 1 2 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ) 1 2 1 電力電子技術(shù)基礎(chǔ) 電力電子學(xué)是p o w e re l e c t r o n i c s 的中文譯名，在工程應(yīng)用中稱為電力電 子技術(shù)。電力電子學(xué)是應(yīng)用于電力技術(shù)領(lǐng)域中的電子學(xué)：它以利用大功率電子器 件對(duì)能量進(jìn)行控制和變換為主要內(nèi)容；它是一門與電子，控制和電力密切相關(guān)的 邊緣學(xué)科。用功率放大電路能夠?qū)⒅绷麟娔苻D(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)量高、控制性能好的交流電 能；用調(diào)整管直流穩(wěn)壓電路能夠?qū)⒁环N電壓的直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N電壓的直流 電能，但是，用這些方法實(shí)現(xiàn)的能量的控制和變換，效率都較低，這是因?yàn)榇蠊?率電子器件不是工作在開關(guān)狀態(tài)，而是工作在線性放大狀態(tài)。在電力電子學(xué)中， 大功率電子器件總是工作在開關(guān)狀態(tài)，保證了變換的高效率。 從2 0 世紀(jì)5 0 年代開始，電力電子器件發(fā)展非常迅速，迄今為止，已經(jīng)發(fā)展 了很多不同原理，不同特性的電力電子器件。這些器件可根據(jù)其開關(guān)控制特性分 為以下三類： a 不控型器件指無(wú)控制極的二端器件，如功率二極管。由于無(wú)控制極，器 件不具有可控開關(guān)性能。 b 半控型器件指有控制極的三端器件，這類器件控制極只能控制器件的開 通而不能控制器件的關(guān)斷，所以稱其為半控型器件。晶閘管( s c r ) 及其大部分 派生器件屬這一類。 c 全控型器件指有控制極的三端器件，這類器件控制極既能控制器件開通 又能控制器件關(guān)斷，所以稱為全控型器件。可關(guān)斷晶閘管，功率晶體管( g t r ) ，功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管( m o s f e t ) 和絕緣門極雙極型晶體管( i g b t ) 都屬于這一類 器件。 絕緣門極雙極型晶體管( i g b t ) 凝聚了高電壓大電流晶閘管制造技術(shù)和大規(guī) 模集成電路微細(xì)加工技術(shù)的精華，表現(xiàn)出很好的綜合性能。i g b t 實(shí)際上是一種 典型的雙極m o s 復(fù)合型功率器件，是在功率m o s f e t 工藝技術(shù)基礎(chǔ)上的產(chǎn)物。i g b t 既具有功率m o s f e t 的高速開關(guān)及電壓驅(qū)動(dòng)特性，又具有雙極型晶體管( g t r ) 的 低飽和電壓特性及易實(shí)現(xiàn)較大電流的能力，是近年來(lái)電力電子領(lǐng)域中最令人注目 及發(fā)展最快的一種器件。i g b t 將b j t 的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)引入到v d m o s 的高阻漂移 區(qū)，大大改善了器件的導(dǎo)通性，同時(shí)它還具有功率m o s f e t 的柵極高輸入阻抗， 開通和關(guān)斷時(shí)均具有較寬的安全工作區(qū)。i g b t 所能應(yīng)用的范圍基本上替代了傳 統(tǒng)的晶閘管( s c r ) ，可關(guān)斷晶閘管( g t 0 ) 以及晶體管( b j t ) 等器件。 由于m o s 結(jié)構(gòu)的i g b t 是電壓驅(qū)動(dòng)的，因此驅(qū)動(dòng)功率小，并可用集成電路來(lái) 實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和控制，進(jìn)而發(fā)展到把i g b t 芯片、快速二極管芯片，控制和驅(qū)動(dòng)電路 、過(guò)壓保護(hù)電路，過(guò)流保護(hù)電路、過(guò)熱保護(hù)電路、欠壓保護(hù)電路、鉗位電路以 8 逝i 【太竺砸土堂位論宅 及自診斷電路等封裝在同一絕緣外殼內(nèi)的智能化i g b t 模塊( i p m ) 。i p m 已經(jīng)被 大量運(yùn)用于變頻調(diào)速、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等多種場(chǎng)合。 所有的電力電子電路的基本單元都可以按照電能變換功能分成如下四類( 如 圖1 1 ) ： a 整流電路由交流電能到直流電能的變換稱為整流( a c d c 變換) ，能實(shí)現(xiàn) 這一功能的電路稱整流電路。 b 逆變電路由直流電能到交流電能的變換稱為逆變( d c a c 變換) ，能實(shí)現(xiàn) 這一功能的電路稱逆變電路。 c 直流變換電路能將直流電能( 電壓或電流) 幅值和極性加以改變的電路 稱為直流變換電路( d c d c 變換電路) d 交流變換電路能將交流電能的電壓、電流或頻率加以改變的電路稱為交 流變換電路( a c a c 電路) 。 - _ - _ _ - 交流變換電路 圖1 1 電力電子基本電路的類型 在很多的應(yīng)用場(chǎng)合，一種電力電子的基本電路不能很好地完成某種電能變換 的功能，而需要用幾種基本電路組成組合變換電路來(lái)完成這種功能。 電力電子電路必須在一些輔助電路的支持下才能正常工作。這些輔助電路包 括：控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、緩沖電路和保護(hù)電路。 a 控制電路控制電路的功能是根據(jù)輸入和輸出的要求產(chǎn)生主電路所有大功 率電子器件的通斷信號(hào)。 b 驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路的功能是根據(jù)控制電路給出的通斷信號(hào)，提供大功率 電子器件足夠的驅(qū)動(dòng)功率，以確保大功率電子器件的迅速可靠開通和關(guān)斷。 c 緩沖電路緩沖電路的功能是在大功率電子器件開通和關(guān)斷的過(guò)程中減緩 其電流或電壓的上升速度，以降低其開關(guān)應(yīng)力和開關(guān)損耗。 d 保護(hù)電路保護(hù)電路的功能是在電力電子電路的電源或負(fù)載出現(xiàn)異常時(shí)， 保護(hù)電力電子設(shè)備免于損壞。 1 2 2 微控制器技術(shù) 目前，數(shù)字信號(hào)處理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) 芯片已經(jīng)廣泛 9 瑟江太堂硇士堂位趁之 應(yīng)用于自動(dòng)控制、圖像處理、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、儀器儀表和家電等領(lǐng)域； d s p 為數(shù)字信號(hào)處理提供了高效而可靠的硬件基礎(chǔ)。目前，應(yīng)用最廣泛的d s p 芯 片是t i ( 德州儀器) 公司的產(chǎn)品，占到全球市場(chǎng)的6 0 左右，并廣泛應(yīng)用于各個(gè) 領(lǐng)域。t i 公司d s p 的主流產(chǎn)品包括t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列( 包括t m s 3 2 0 c 2 x c 2 x x ) 、t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列( 包括t m s 3 2 0 c 5 x c 5 4 x c 5 5 x ) ，t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列( 包括 t m s 3 2 0 c 6 2 x c 6 7 x ) 。 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列的d s p 是適用于數(shù)字控制的一種d s p 。t i 公司為我們提供 了完整的數(shù)字控制d s p 解決方案，設(shè)計(jì)了工業(yè)級(jí)性能的d s p 芯片，提供了很多實(shí) 用代碼，這些都極大地推進(jìn)了數(shù)字控制的革命。t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列d s p 具有完美 的性能并綜合最佳的外設(shè)接口。在這個(gè)系列的器件中，它集成了閃存、高速a d 轉(zhuǎn)換器，高性能的c a n 模塊等。t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列d s p 具有較高的性價(jià)比，設(shè)計(jì) 工程師利用它可以降低開發(fā)難度，縮短產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間，有效地降低開發(fā)成本。 其中，最具代表性的產(chǎn)品是l f 2 4 0 7 2 4 0 7 a ，它是當(dāng)前世界上集成度最高、 性能最強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制d s p 芯片。l f 2 4 0 7 2 4 0 7 a 集成了3 2 k 字閃存、1 6 個(gè)脈寬調(diào) 制( p w m ) 通道、一個(gè)c a n 模塊，以及一個(gè)超高速的5 0 0 n s 的1 0 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ( a d c ) 。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x d s p 有以下一些特點(diǎn)： a 采用高性能靜態(tài)c m o s 技術(shù)，使得供電電壓降為3 3 v ，減小了控制器的功 耗；3 0 m i p s 的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到3 3 n s ( 3 0 m h z ) ，從而提高了控制器 的實(shí)時(shí)控制能力。 b 基于t m s 3 2 0 c 2 x xd s p 的c p u 核，保證了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列d s p 代碼和 t m s 3 2 0 系列d s p 代碼兼容。 c 片內(nèi)有高達(dá)3 2 k 字的f l a s h 程序儲(chǔ)存器，高達(dá)1 5 k 字的數(shù)據(jù)程序r a m ，5 4 4 字雙口i 礎(chǔ)( d a i 洲) 和2 k 字的單口r a m ( s a r a m ) 。 d 兩個(gè)事件管理器模塊e v a 和e v b ，每個(gè)包括：兩個(gè)1 6 位通用定時(shí)器；8 個(gè)1 6 位的脈寬調(diào)制( p w m ) 通道。它們能夠?qū)崿F(xiàn)：三相反相器控制；p w m 的對(duì)稱 和非對(duì)稱波形；當(dāng)外部引腳p d p i n t x 出現(xiàn)低電平時(shí)快速關(guān)閉p w m 通道；可編程的 p w m 死區(qū)控制以防止上下橋臂同時(shí)輸出觸發(fā)脈沖；3 個(gè)捕獲單元；片內(nèi)光電編碼 器接口電路；1 6 通道a d 轉(zhuǎn)換器。事件管理器模塊適用于控制交流感應(yīng)電機(jī)、 無(wú)刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、多級(jí)電機(jī)和逆變器。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是1 1 公司專門用于控制的一款高性能、多功能、高性價(jià)比的定 點(diǎn)3 2 位d s p 處理芯片。該芯片與t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 指令系統(tǒng)兼容，最高可以1 5 0 姍z 主頻工作，并帶有1 8 k x l 6 位零等待周期的片內(nèi)s r a m 和1 2 8 k x l 6 位片內(nèi)f 1 a s h ( 存 取時(shí)間為3 6 n s ) 。該器件還有3 個(gè)獨(dú)立的3 2 位c p u 定時(shí)器，以及5 6 個(gè)可獨(dú)立編程的 g p l 0 引腳，還可外擴(kuò)大于1 m x l 6 位程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。該芯片片上外設(shè)主要包 括1 6 路1 2 位精度的a d c ( 最快8 0 n s 轉(zhuǎn)換時(shí)間) 、2 路s c i ( s c i a 和s c i b ) 、1 路s p i 、1 路m c b s p 、1 路e c a n ，以及兩個(gè)事件管理模塊( e v a 和e v b ) 等。每個(gè)事件管理 l o 逝江太堂亟堂位論文 模塊包括6 路p w m c 船、2 路q e p 、3 路c a p 和2 路1 6 位的定時(shí)器。 器件所集成的多種先進(jìn)的外設(shè)，為各類電動(dòng)機(jī)控制及其他運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等領(lǐng) 域的應(yīng)用提供了良好的平臺(tái)。而且指令和代碼同t i 公司f 2 4 x 系列數(shù)字信號(hào)處理 器完全兼容，項(xiàng)目或產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可延續(xù)性得到了保障。和現(xiàn)在許多其他種類數(shù)字 處理器一樣，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 采用經(jīng)典的哈佛總線結(jié)構(gòu)。程序讀總線有3 2 根數(shù)據(jù)線 和2 2 根地址線，數(shù)據(jù)讀寫線都是3 2 位的，這種多總線結(jié)構(gòu)使得它可以在1 個(gè)周 期內(nèi)同時(shí)完成取指令、讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)，而采用了指令流水線技術(shù)，使得信號(hào)的 處理速度得到明顯提高。 為使程序員能夠完全使用高級(jí)語(yǔ)言來(lái)開發(fā)該芯片，t m s 3 2 0 f 2 81 2 和c c + + 編譯程序設(shè)計(jì)在一起，可以大大縮短軟件設(shè)計(jì)的周期，從而確保了實(shí)現(xiàn)代碼編譯 的最高效率。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 在性能上是對(duì)t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 的升級(jí)，特別是在主頻提升和a d c 精度改進(jìn)上可以幫助改善機(jī)電運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)。但是，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 已經(jīng)可以滿足設(shè)計(jì)的電機(jī)控制系統(tǒng)的頻率要求，又考慮到開發(fā)習(xí)慣和對(duì)d s p 系統(tǒng) 熟悉程度的問(wèn)題，最終采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 作為設(shè)計(jì)的電機(jī)控制系統(tǒng) 1 2 3 電機(jī)相關(guān)控制理論的發(fā)展 隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)以及電力電子技術(shù)的發(fā)展，連續(xù)脈寬調(diào)制 策略s p l i m ( 正弦脈寬調(diào)制) 已廣泛應(yīng)用于交流變頻調(diào)速系統(tǒng)中，但是s p w m 法不能充 分利用饋電給逆變器的直流電壓；s p l j i m 逆變器是基于調(diào)節(jié)脈沖寬度和間隔來(lái)實(shí)現(xiàn) 接近于正弦波的輸出電流，但是這種調(diào)節(jié)仍產(chǎn)生某些高次諧波分量，引起電機(jī)發(fā) 熱、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)甚至造成系統(tǒng)振蕩；且s p w m 適合模擬電路，不便于數(shù)字化方案實(shí) 現(xiàn)。為此，8 0 年代中期，國(guó)外學(xué)者在交流電機(jī)調(diào)速中提出了磁通軌跡控制的思想， 進(jìn)而發(fā)展產(chǎn)生了電壓空間矢量( s p a c ev e c t o r ) 的概念。其物理概念清晰，算法簡(jiǎn) 單且適合數(shù)字化方案，故一經(jīng)提出即受到關(guān)注。s v p w m 目前也已經(jīng)得到應(yīng)用?？?以證明s v p w m 實(shí)質(zhì)是一種對(duì)在三相弦波中注入了零序分量的調(diào)制波進(jìn)行規(guī)則采樣 的一種變型s p l j | m ，s v p w m 在輸出電壓或電機(jī)線圈電流中將產(chǎn)生更少的諧波，提高 了對(duì)電源逆變器直流供電電源的利用率。 空間電壓矢量p w m 法以三相對(duì)稱正弦波電壓供電時(shí)交流電機(jī)的理想磁通圓為 基準(zhǔn)，用逆變器不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)圓磁通，并由它們 比較的結(jié)果決定逆變器的開關(guān)狀態(tài)，形成p 1 i r m 波形。由于該控制方法把逆變器和 電機(jī)看成一個(gè)整體來(lái)處理，所得模型簡(jiǎn)單，便于d s p 實(shí)時(shí)控制，并具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) 小、噪聲低、電壓利用率高的優(yōu)點(diǎn)。 征江太譬醪堂位j 幺文 圖1 2 繪出了三相p w m 逆變器供電給交流電機(jī)的原理圖，為使電機(jī)對(duì)稱工作， 必須三相同時(shí)供電。如把上橋臂器件導(dǎo)通用“1 表示，下橋臂器件導(dǎo)通用“0 ” 表示，并依a b c 相序依次排列，則根據(jù)逆變器各橋臂開關(guān)狀態(tài)的不同，可以得到 如圖1 3 所示的8 個(gè)基本空間電壓矢量。其中非零電壓矢量分別記作u ( 0 0 1 ) 、 u ( 0 1 0 ) 、u ( 0 1 1 ) 、u ( 1 0 0 ) 、u ( 1 1 0 ) 和u ( 1 0 1 ) 。而零電壓矢量記作u ( o o o ) 和 u ( 1 1 1 ) 。 u d c 2 u d c 2 u ( 1 1 0 p 0 0 d 一- - 僅 圖1 2 三相p w m 逆變器原理圖圖1 3 基本空間電壓矢量 s v p w m 方法的目的是通過(guò)與6 個(gè)開關(guān)管的8 種開關(guān)狀態(tài)相應(yīng)的基本空間電壓矢 量來(lái)逼近電機(jī)所需的電壓向量，即在一個(gè)p w m 周期內(nèi)使逆變器輸出電壓的平均值 和相等。如果想獲得更多邊形或逼近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，就可利用它們的線性組合， 以獲得更多的與基本空間電壓矢量不同的新的空間電壓矢量，最終構(gòu)成一組等幅 不同相位的空間電壓矢量，從而形成盡可能逼近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。 對(duì)于永磁同步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，現(xiàn)在一般有空間電壓矢量控制( s ，w m ) ， 直接轉(zhuǎn)矩控制( d 陀) 等幾種方式。無(wú)論是s ，w m 控制還是腫c 控制，獲知電機(jī) 的運(yùn)行狀態(tài)，特別是位置和轉(zhuǎn)速的測(cè)量是控制的前提條件。對(duì)于電流，電壓的測(cè) 量可以應(yīng)用電流傳感器和電壓傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于位置和轉(zhuǎn)速這些機(jī)械量的測(cè) 量則需要考慮的問(wèn)題更為復(fù)雜。一般可以采用機(jī)械器來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)子的速度和位置。 但機(jī)械式傳感器的使用，增加了傳動(dòng)系統(tǒng)的成本、尺寸和重量，并且安裝上也存 在同心度問(wèn)題，如果安裝不當(dāng)會(huì)嚴(yán)重影響到電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)這種傳感器對(duì) 使用環(huán)境有著嚴(yán)格要求，電磁干擾、溫度、濕度、振動(dòng)對(duì)它的測(cè)量精度都有影 響。對(duì)于無(wú)機(jī)械傳感器算法的應(yīng)用可以減小了傳動(dòng)系統(tǒng)的體積，降低了它的成本， 有利于其在惡劣環(huán)境下也能穩(wěn)定運(yùn)行。 目前，在無(wú)傳感器永磁同步電機(jī)的控制中已經(jīng)提出了許多的無(wú)傳感器方案。 文獻(xiàn) 1 采用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法估計(jì)電機(jī)的電流和速度，該方法估算精度比較 高，參數(shù)魯棒性好，但是算法比較復(fù)雜，并且難以準(zhǔn)確給出誤差協(xié)方差矩陣。此 外，算法的高精度是基于準(zhǔn)確的電流和機(jī)械方程，但是對(duì)于大功率的盤式永磁同 步電機(jī)來(lái)說(shuō)，測(cè)量精確的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是不太可能的，并且轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是會(huì)隨負(fù)載變化 而變化的。文獻(xiàn) 2 對(duì)擴(kuò)展卡爾曼濾波算法進(jìn)行了改進(jìn)，簡(jiǎn)化了機(jī)械方程，不再 1 2 i 近江太望亟：堂位論巒 要求轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)量，但精度卻下降了。文獻(xiàn) 3 基于高頻注入法，該方法可應(yīng) 用于較寬的速度范圍甚至在低速也可取得較好的效果，但是算法依賴電機(jī)的凸極 效應(yīng)。目前，大功率的盤式永磁同步電機(jī)一般采用簡(jiǎn)單的永磁體面貼式結(jié)構(gòu)，并 且由于大型永磁電機(jī)裝配和加工的問(wèn)題，氣隙一般設(shè)計(jì)得比較大，所以電機(jī)的凸 極效應(yīng)不太明顯，不利于高頻注入法的實(shí)施。文獻(xiàn) 5 1 0 應(yīng)用模型自適應(yīng)算法， 在原理仿真和實(shí)驗(yàn)中，都取得了不錯(cuò)的效果。但是文獻(xiàn) 4 具體闡述了非線性控 制，并且指出作為一種非線性控制方式，模型自適應(yīng)控制的一個(gè)很大缺點(diǎn)是模型 參數(shù)估計(jì)誤差會(huì)影響到系統(tǒng)的性能，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)傳遞函數(shù)的發(fā)散。文獻(xiàn) 1 1 提出了對(duì)永磁電機(jī)繞組電阻和繞組磁鏈的修正，在一定程度上改進(jìn)了參數(shù)誤差影 響的問(wèn)題。 1 3 控制系統(tǒng)的的主體設(shè)計(jì) 根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用要求，以大轉(zhuǎn)矩，低轉(zhuǎn)速的大功率盤式永磁同步電機(jī)作為應(yīng) 用對(duì)象。具體的結(jié)構(gòu)如圖1 4 。盤式永磁同步 電機(jī)作為永磁同步電機(jī)的一種結(jié)構(gòu)形式，它 的氣隙是平面型的，氣隙磁場(chǎng)是軸向的，所 以又稱為軸向磁場(chǎng)電機(jī)。目前，國(guó)內(nèi)外已開 發(fā)了許多不同的結(jié)構(gòu)形式，主要有單個(gè)定子 和轉(zhuǎn)子，中間轉(zhuǎn)子，中間定子等種類。中間 定子結(jié)構(gòu)的大功率盤式永磁同步電機(jī)已經(jīng) 應(yīng)用于許多大力矩，低轉(zhuǎn)速的電氣傳動(dòng)系中， 比如油田上的抽油設(shè)備。 圖1 _ 4 盤式永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu) 對(duì)于大功率盤式永磁同步電機(jī)，永磁體的性能和繞組電阻會(huì)隨溫度的波動(dòng) 而變化。并且電感量依賴于磁路結(jié)構(gòu)，大功率盤式永磁同步電機(jī)的磁路是軸向結(jié) 構(gòu)的，所以磁路比徑向結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，通過(guò)磁路計(jì)算或者有限元計(jì)算得到的電感 量精度不能得到保證。而且，由于大電機(jī)加工和裝配的問(wèn)題，實(shí)際磁路和設(shè)計(jì)參 數(shù)會(huì)有一定的差距。 大功率盤式永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)采用“交直交”結(jié)構(gòu)。三相 3 8 0 v 交流進(jìn)線，三相整流后接直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。直流環(huán)節(jié)后連接三相逆變橋，通 過(guò)i g b t 調(diào)制斬波之后得到需要的電壓脈沖。i g b t 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是由微控制器d s p 提供的。d s p 檢測(cè)實(shí)際運(yùn)行時(shí)電機(jī)的電壓和電流信號(hào)，根據(jù)電機(jī)實(shí)際的運(yùn)行狀況 和制定的控制策略來(lái)決定a ，b ，c 三相上下橋臂i g b t 的通斷，從而達(dá)到調(diào)整 每相繞組電壓的 圖卜5 盤式刁( 磁電機(jī)實(shí)物圖 第2 章永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 2 1 主回路設(shè)計(jì) 一般變頻調(diào)速系統(tǒng)普遍采用a c d c a c 結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)具有輸入電壓范圍適 應(yīng)性好，直流測(cè)電流沖擊較小的優(yōu)點(diǎn)，并且電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。 系統(tǒng)采用3 8 0 v 三相交流進(jìn)線，經(jīng)過(guò)三相整流橋后直流母線電壓超過(guò)5 0 0 v 。 后級(jí)逆變橋采用三菱公司的p m 7 5 r l a l 2 0i p m 模塊，具體的應(yīng)用電路圖如圖2 1 。 模塊具有過(guò)流、過(guò)溫、欠壓等保護(hù)功能。每路橋臂有一路f o 故障信號(hào)，還有一 路泄放電路的故障信號(hào)，總共7 路故障信號(hào)，反饋到d s p 控制板上，經(jīng)過(guò)光耦隔 離和邏輯運(yùn)算，輸入到d s p 的p d p 工n t a 引腳，保證有故障發(fā)生后，d s p 及時(shí)把p w m 輸出引腳拉為高阻，封閉驅(qū)動(dòng)信號(hào)，直到故障信號(hào)消失。 圖2 1i p m 應(yīng)用電路圖 在進(jìn)線倒一般須增加壓敏電阻和高壓電容。壓敏電阻的最大特點(diǎn)是當(dāng)加在 它上面的電壓低于它的閥值“4 時(shí)，流過(guò)它的電流極小，相當(dāng)于一只關(guān)死的閥門， 當(dāng)電臟超過(guò)州時(shí)，流過(guò)它的電流激增，相當(dāng)于閥門打開。利用這功能，可以 抑制電路中經(jīng)常出現(xiàn)的異常過(guò)電壓，保護(hù)電路免受過(guò)電壓的損害。高壓電容可以 抑制八線端的電路浪涌沖擊，保護(hù)后級(jí)整流電路。 逆變橋的輸出端也需要高壓電容抑制高頻電壓和高頻電流的沖擊。一般還會(huì) 在輸出線上套上磁環(huán)，主要是輸出線上的高d u 恤對(duì)外部電路造成電磁干擾。強(qiáng) 電部分的原理圖如圖2 2 。 圖2 2 土叫路原理圖 圈2 - 3 強(qiáng)電部分實(shí)物圖 2 2 系統(tǒng)直流電源設(shè)計(jì) 一般復(fù)雜的電子系統(tǒng)，所有的芯片根據(jù)不同的功能需要，可能需要不同電平 的直流電源，有些作為芯片系統(tǒng)供電，有些作為基準(zhǔn)電壓。有些型號(hào)的單個(gè)芯片 需要2 至3 個(gè)不同電平。所以，一個(gè)電子系統(tǒng)需要多路不同電平，不同功率的直 流電源。系統(tǒng)直流電源的好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)需要多電平、多路隔離的直流電源。其中，低功耗的 微控制器d s p 需要單路3 3 v 電源；功率模塊i p m 需要4 路相互隔離的1 5 v 電源； 電壓、電流傳感器需要5 v 電源；d s p 外圍的運(yùn)放、光耦和其它的一些器件需要5 v 電源；輔助的繼電器和指示燈需要1 5 v 和2 4 v 電源。d s p 外圍r a m 、數(shù)字光耦等 器件一般是數(shù)字量的轉(zhuǎn)換( 除了a d 轉(zhuǎn)換) ，而運(yùn)放、線性光耦一般是模擬梁的 轉(zhuǎn)換，所以需要一路模擬5 v 電源和另一路數(shù)字5 v 電源，以免數(shù)字電路的電平跳 變干擾模擬電路。 2 2 1 線性電源設(shè)計(jì) 2 0 世紀(jì)7 0 年代問(wèn)世的三端固定式集成穩(wěn)壓器是利用半導(dǎo)體集成工藝，將穩(wěn) 壓電路的所有元件集中在一塊硅片上制作而成的，是電源集成電路的一大革命。 它大大地簡(jiǎn)化了線性電源的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，能以類似于三極管的最簡(jiǎn)單方式接入電 路，并具有較完善的過(guò)流、過(guò)壓，過(guò)熱保護(hù)功能。 目前正壓輸出的7 8 0 0 和負(fù)壓輸出的7 9 0 0 系列已成為世界最通用系列，成為 用途最廣、銷量最大的集成穩(wěn)壓器，具有一般線性集成組件的特點(diǎn)；體積小、外 圍元件少、調(diào)整簡(jiǎn)單、使用方便，而且性能好，工作安全可靠，因而適于制作各 類通用型穩(wěn)壓電源。這類穩(wěn)壓器的最大輸出電流為1 5 a 。輸出電壓允許有5 的 偏差。最小的輸入一輸出壓差為2 v ，但一般為工作可靠，壓差應(yīng)大于3 5 v 。它的 最高輸入電壓小于3 5 v 。這些數(shù)據(jù)是設(shè)計(jì)中必須考慮的。 圖2 47 8 0 0 系列管腳封裝圖 1 7 7 8 0 0 系列集成穩(wěn)壓器的原理框圖如圖2 5 。主要包括啟動(dòng)電路、基準(zhǔn)電壓 源、誤差放大器、調(diào)整管、取樣電路，保護(hù)電路等部分。啟動(dòng)電路僅在剛通電時(shí) 起作用，幫助恒流源建立工作點(diǎn)，一旦穩(wěn)壓器工作正常后即失效。7 8 0 0 系列采 用帶隙基準(zhǔn)電壓源，由取樣電路獲得誤差電壓，再經(jīng)過(guò)誤差放大器進(jìn)行電壓放大， 去調(diào)節(jié)調(diào)整管的壓降，最終達(dá)到穩(wěn)壓目的。保護(hù)電路包括過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)、 調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù)、芯片過(guò)熱保護(hù)。7 9 0 0 系列屬于負(fù)壓輸出，輸出端對(duì)公 共端呈負(fù)電壓。7 9 0 0 與 7 8 0 0 的外形相同，電壓 系列與允許電流也相同， 但管腳順序不同。 7 8 0 0 系列的基本應(yīng) 用電路如圖2 6 所示。 2 2 0 v 交流電首先經(jīng)過(guò)電 源變壓器降壓，然后進(jìn)行 整流濾波變成直流電壓， 送至輸入端，由輸出端即 可獲得穩(wěn)定的直流電壓。 c i 是穩(wěn)壓器的輸入電 圖2 57 8 0 0 系列芯片原理圖容，用于進(jìn)一步減小高頻 紋波。c o 為輸出電容，利用其兩端壓降不能突變的特性，可改善負(fù)載的瞬態(tài)響 應(yīng)。盡管三端穩(wěn)壓器內(nèi)部有較完善的保護(hù)電路，但任何保護(hù)電路都不是萬(wàn)無(wú)一 失的，必須防止因浮地、管腳接反和負(fù)載電流過(guò)大引起的故障。 圖2 7 是實(shí)際系統(tǒng)中 應(yīng)用的電路，目的是在 2 2 0 v 交流電輸入的條件 小，得到為模擬電路供電 的1 5 v 電源和5 v 電源，其 中兩級(jí)電路采用串聯(lián)的形 式，分別采用7 8 1 5 和7 8 0 5 圖2 67 8 0 0 系列芯片的典型應(yīng)用電路芯片。輸入端采用工頻變 壓器降壓，減小儲(chǔ)能濾波電容的電壓等級(jí)和體積。實(shí)際變壓器采用的匝比n = 1 5 ， 正常工作時(shí)電容e 3 的電壓為2 0 v ，保持對(duì)7 8 1 5 的1 5 v 輸出有+ 5 v 的壓差，使得 芯片有較好的靜態(tài)工作點(diǎn)。儲(chǔ)能濾波電容e 3 ，e 4 、e 5 的耐壓等級(jí)和容量都留有 較大的裕量。 圖2 7 實(shí)際系統(tǒng)采用的線性電源原理圖 其余的各路不同電平的電源結(jié)構(gòu)類似，由于各路都是從工頻變壓器的不同組 副邊線圈得到( 共有8 組副邊線圈) ，所有每路都是隔離的。實(shí)際設(shè)計(jì)的線性電 源能夠滿足電機(jī)控制系統(tǒng)的要求，并且穩(wěn)定性較好，輸出紋波較小，設(shè)計(jì)原理也 較簡(jiǎn)單。最大的缺點(diǎn)是多副邊的工頻變壓器體積較大，并且實(shí)際需要的電源功率 比較小( 約為1 w ) ，所以變壓器的實(shí)際功率密度很小。變壓器的重量和體積給電 路板的布局和機(jī)械強(qiáng)度方面帶來(lái)了很大的限制。另一個(gè)缺點(diǎn)是，實(shí)際控制的對(duì)象 為低轉(zhuǎn)速，大力矩的電機(jī)，工作在1 0 0 h z 以下。實(shí)際采到的電流、電壓信號(hào)的頻 率和變壓器工作頻率很接近，所以容易受到電壓器的電磁干擾，并且這些干擾信 號(hào)由于是工頻的，和實(shí)際信號(hào)交疊在一起，很難通過(guò)濾波除去。 2 2 2 開關(guān)電源設(shè)計(jì) 前面介紹的穩(wěn)壓電源，調(diào)整管是工作在線性放大區(qū)，通過(guò)管子的電流和管子 兩端的壓降較大，因而集電極功耗大、效率低，電源效率一般不超過(guò)6 0 ，只是 由于實(shí)際功率很小，所以效率和發(fā)熱并不是設(shè)計(jì)最關(guān)注的問(wèn)題。開關(guān)型電源的調(diào) 整管工作在開關(guān)狀態(tài)，調(diào)整管一般工作在1 0 k h z 一1 5 刪z ，快速地切換在飽和 區(qū)和截止區(qū)。當(dāng)管子截止時(shí)，盡管電壓較高，而電流為零；當(dāng)管子飽和時(shí)，盡管 電流較大，而管壓降很小。此時(shí)主要考慮管子的高頻開關(guān)損耗，其效率可以提高 到9 0 以上。通過(guò)選擇合理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以得到低于輸入電壓的輸出電壓( b u c k 等拓?fù)? ，也能得到高于輸入的電壓( b o o s t 等拓?fù)? ，還能得到與輸入電壓相反 極性的輸出電壓( b u c k b 0 0 s t 拓?fù)? ，還可以將開關(guān)脈沖信號(hào)通過(guò)高頻變壓器的 多個(gè)次級(jí)繞組輸出，經(jīng)整流濾波后得到不同的電壓值、不同極性的多個(gè)直流輸出 電壓( f l y b a c k 、推挽，正激、半橋等拓?fù)渚茏龅? 。 控制系統(tǒng)的直流電源的功率輸入端一般為2 2 0 v 的工頻市電，所以實(shí)際電源 是一個(gè)a c d c 系統(tǒng)。交流市電通過(guò)整流在電容儲(chǔ)能環(huán)節(jié)得到3 0 0 v 左右的直流電 壓，如果電源負(fù)載比較小，則電容電壓波動(dòng)也較小。如前所述，系統(tǒng)需要一個(gè)多 電平，多路隔離的直流電壓源，需要的電平主要有5 v 、1 5 v 和2 4 v ，所以升壓的 b 0 0 s t 電路不適合。而有降壓作用的b u c k 和b u c k b o o s t 電路因?yàn)闆](méi)有隔離作用。 通過(guò)高頻變壓器傳遞電能的半橋、反激和推挽電路都是可以選擇的拓?fù)洹Ｔ谶@些 拓?fù)渲校醇? f l y b a c k ) 拓?fù)潆娐份^為簡(jiǎn)單，電路元件也比較少，對(duì)高頻變壓 1 9 逝江太堂亟土堂j 立論文 器進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)可以達(dá)到多電平、多路隔離的要求。 反激變換器的拓?fù)淙鐖D2 8 。這種拓?fù)湓谳敵龉β? 1 5 0 w 電源中應(yīng)用非常 廣泛。它最大的優(yōu)點(diǎn)是不接其它拓?fù)涠家拥拇渭?jí)輸出電感，使反激變換器成本 降低，體積減小。 工作在不連續(xù)模式下的反激變換器，當(dāng)q 1 導(dǎo)通時(shí)，所有的整流二極管都截止， 輸出電容給負(fù)載供電。n p 相當(dāng)于一個(gè)全電感，流過(guò)n p 的電流線性上升，達(dá)到幅 圖2 8f l y b a c k 電路拓?fù)?輸出路數(shù)。 值i p 。當(dāng)q 1 關(guān)斷時(shí)，初級(jí)存儲(chǔ)的能 量1 2 l i p 2 傳送到次級(jí)，提供負(fù)載電 流，同時(shí)給輸出電容充電。若次級(jí)電 流在下一個(gè)周期開始前下降到零，則 電路工作于不連續(xù)模式。 這種拓?fù)鋸V泛應(yīng)用于高電壓，小 功率場(chǎng)合( 電壓不大于5 0 0 0 v ，功率 小于1 5 0 w ) 。由于輸出端可不接濾波 電感，所以在n 路輸出時(shí)可以省下n 個(gè)電感，在體積和成本上很有優(yōu)勢(shì)。 根據(jù)變壓器匝比，可以在副邊得 到大于v d c 的電壓，也可以得到小于 v d c 的電壓。通過(guò)增加副邊線圈，在 功率允許的情況下，可以選擇電源的 圖2 9 為2 2 0 v 輸入全波整流電容穩(wěn)壓電路。2 2 0 v 的交流輸入可以在電容上 得到3 1 0 v 左右的直流電壓。圖2 一1 0 是基本的電壓電容波形。輸入電流波形上升 和下降的時(shí)間都非常短，其實(shí)質(zhì)是窄矩形脈沖。這種波形的諧波含量非常大，可 達(dá)5 刪z ，甚至更高。同時(shí)直流一直流變換器中的瞬變開關(guān)電流產(chǎn)生的噪聲會(huì)引入 到整流器的輸入中，這些瞬變產(chǎn)生開關(guān)頻率的噪聲及諧波，即使小功率的電源也 能產(chǎn)生干擾射頻和視頻傳輸?shù)拿黠@噪聲。 2 0 l 1 ，。、，、v 、n 1 0 洲 0 l 3 洲 d 1 太zi d 2 ： 1 0 a 耵4 5 a v - 、廣壙n 一 i 品= 電網(wǎng)輸入c 1 = 一c 一一 c 5 一 一 一一一。 1 d j n u - ，_ 、廠v 一l1 。_ f v l 、 1 0 n4 c d v 1u f4 v 0 3 竹- l 2 ，一_ 。、， 1 m 1 0 u h下級(jí)d c 咖變換 一眇 ： j ：安全地 圖2 9 帶輸入濾波的全波整流電路 i ，、_ - ? a! ，： j 0 j i “ 0 0 ：， ： 置 2 0 0 1。， ： 一 ，。 o e20瓤s喀o趣# 0 女庠e 0 #1 0 0 s 圖2 1 0 儲(chǔ)能電容電壓和輸入電流波形 實(shí)際電源采用典型的帶電磁干擾抑制濾波器的輸入級(jí)，如圖2 9 所示。共模 和差模干擾均能被所示的濾波器抑制。其中，差模信號(hào)來(lái)源于電網(wǎng)與開關(guān)電路的 直接連接端，而共模信號(hào)是由隔離變壓器的匝間電容或雜散磁耦合等寄生引起 的。c 4 ，l 1 、l 2 、c 2 和c 5 用來(lái)抑制差模干擾，c 4 ，c 5 、l 1 和l 2 組成了一個(gè)兀 型濾波電路，實(shí)際選取的電容和電感參數(shù)如圖所標(biāo)示。l 3 、c l 和c 3 用來(lái)抑制共 模干擾。為了抑制共模干擾，在火線，中線與安全地線之間接入電容是通常的做 法。但是，接入的電容應(yīng)該盡可能小，以控制漏電流值。對(duì)于一般的系統(tǒng)，4 7 0 0 p f 以內(nèi)都是可以接受的。l 3 為共模電感，共模電感的濾波電路，h 和l b 就是共 模電感線圈。這兩個(gè)線圈繞在同一鐵芯上，匝數(shù)和相位都相同( 繞制反向) 。這樣， 當(dāng)電路中的正常電流流經(jīng)共模電感時(shí)，電流在同相位繞制的電感線圈中產(chǎn)生反向 的磁場(chǎng)而相互抵消，此時(shí)正常信號(hào)電流主要受線圈電阻的影響( 和少量因漏感造 成的阻尼) ；當(dāng)有共模電流流經(jīng)線圈時(shí)，由于共模電流的同向性，會(huì)在線圈內(nèi)產(chǎn) 生同向的磁場(chǎng)而增大線圈的感抗，使線圈表現(xiàn)為高阻抗，產(chǎn)生較強(qiáng)的阻尼效果， 以此衰減共模電流，達(dá)到濾波的目的。 開關(guān)電源與線性電源最主要的區(qū)別就是m o s 管或者i g b t 管的狀態(tài)。開關(guān) 電源的m o s 管始終處于開通或關(guān)斷的狀態(tài)，也就是位于管子的飽和區(qū)和截止區(qū)， 而不是放大區(qū)。所以，m o s 管是開關(guān)電源的一個(gè)關(guān)鍵元件。反激變換器只需要 2 l 逝江太堂殛士堂位論室 一個(gè)m o s 管，元件的數(shù)量上很經(jīng)濟(jì)。理想情況下，如圖2 1l 所示，開關(guān)管關(guān)斷 后兩端壓降在次級(jí)電流下降到零之前處于一個(gè)比較大的數(shù)值，理論計(jì)算值是 v d c 斗o l s m 烈p ) 、q c 。所以，理論上需要選取大約3 5 0 v 左右，實(shí)際上會(huì)保留一些 裕量，選取5 0 0 v 的m o s f e t 作為開關(guān)管。在使用變壓器與開關(guān)管串聯(lián)的拓?fù)?中，開關(guān)管關(guān)斷時(shí)電壓和電流的重疊引起的損耗是開關(guān)電源損耗的主要組成部 分。實(shí)際應(yīng)用中，關(guān)斷時(shí)間大約持續(xù)為2 1 1 s ，峰值損耗比較大。開關(guān)管高頻工作 時(shí)，每周期內(nèi)的關(guān)斷重疊損耗是損耗的主要部分。帶變壓器的拓?fù)渲?，由于變?器漏感的影響，開關(guān)管的導(dǎo)通損耗通常比較小。這主要因?yàn)樵趯?dǎo)通瞬間，變壓器 漏感很大的瞬時(shí)阻抗使開關(guān)管兩端電壓迅速下降到零，并減緩了電流的上升速 率。因此，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)在電流上升的大部分時(shí)間里開關(guān)管兩端的電壓基本為零。 由電流，電壓重疊引起的導(dǎo)通損耗可以忽略。 圖2 1 1 反激變換器理想波形 可以采用關(guān)斷緩沖電路來(lái)減小開關(guān)管關(guān)斷重疊損耗。在減小損耗的同時(shí)，還 可以降低變壓器漏感尖峰電壓。比較典型的是r c d 關(guān)斷緩沖器，如圖2 一1 2 。當(dāng)q 1 開始關(guān)斷時(shí)，q 1 的電流開始下降，而變壓器漏感會(huì)阻止這個(gè)電流的減小。一部 分電流繼續(xù)通過(guò)將要關(guān)斷的開關(guān)管，一部分電流通過(guò)d 1 對(duì)電容c 1 充電。i c l 的 一部分流進(jìn)了電容c 1 ，減緩了集電極電壓的上升。通過(guò)選取足夠大的c 1 ，減小 了上升的集電極電壓與下降的集電極電流的重疊部分，從而顯著地降低了開關(guān)管 的損耗。關(guān)于r 1 、c 1 的選擇，其中一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是r 1 ，c 1 串聯(lián)電路的時(shí)間常數(shù)約為 m o s 管導(dǎo)通時(shí)間的l 3 。第二個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是在關(guān)斷時(shí)間內(nèi)，c 1 儲(chǔ)存的能量一般不超過(guò) 總電源容量的0 5 ?；谶@兩個(gè)準(zhǔn)則，選取r 1 為2 0 0q ，c 1 為o 2 2 u f 。 圖2 1 2 帶緩沖電路的f l y b a c k 變換器 整個(gè)電路通過(guò)主副邊的輸出電壓反饋。反饋回路采用了f a i r c h i l d 公司已經(jīng) 很成熟的模擬控制芯片k a 3 8 4 5 b 。其原理圖如2 1 3 。 圖2 1 3k a 3 8 4 5 b 系統(tǒng)框圖 幾陀1 町附l c l d c _ s l l 鼾 圖2 1 4k a 3 8 4 5 b 芯片時(shí)鐘信號(hào)電路 芯片7 腳和5 腳為芯片電源腳。1 0 腳為驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出腳，一般會(huì)串接一個(gè) 幾十歐姆的電阻再接到m o s 管的驅(qū)動(dòng)腳，可以抑制過(guò)大電流變化率。5 腳為電 流反饋腳，由于k a 3 8 4 5 b 為電流模式控制的芯片，從圖2 1 3 可以看到，一般會(huì) 測(cè)量原邊電流，構(gòu)成電流內(nèi)環(huán)。副邊電壓反饋構(gòu)成外環(huán)。電壓反饋值和參考值的 差值經(jīng)過(guò)放大器以后與電流信號(hào)進(jìn)行p w m 調(diào)制，輸出可調(diào)占空比的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 這種調(diào)制方式與一般只有電壓反饋，由芯片生成三角載波的方式不同，具有它獨(dú) 特的優(yōu)點(diǎn)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，主要是對(duì)輸入電網(wǎng)電壓變化的響應(yīng)更好，因?yàn)樵陔娏髂Ｊ?下，電壓變化在原邊通過(guò)電流就可以檢測(cè)到，比只有副邊電壓輸出反饋的電壓模 式響應(yīng)更快，調(diào)整更及時(shí)。l 腳c o 腳用于相位補(bǔ)償，保證反饋回路的穩(wěn)定。 4 腳為振蕩時(shí)鐘引腳，通過(guò)外接電容和電阻，利用電容和電阻的充放電，得到時(shí) 鐘信號(hào)，如圖2 1 4 。 根據(jù)具體的計(jì)算公式，實(shí)際選取f = 5 0 k h z ，則r t = 1 0 kq ，c t = 4 7 0 p f 。 由于m o s 管開關(guān)速度比較快，所以副邊的二極管選用快恢復(fù)二極管，并一般 在其兩端并聯(lián)阻容吸收電路，減小二極管快速關(guān)斷引起的電壓振蕩。 電路拓?fù)溥x定后，就要