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直流電機驅(qū)動電路的設計

時間:2008-01-14 14:39:00來源:dujing

導語:?驅(qū)動電路的性能很大程度上影響整個系統(tǒng)的工作性能。有許多問題需要慎重設計,例如,導通延時、泵升保護、過壓過流保護、開關(guān)頻率、附加電感的選擇等
驅(qū)動電路的性能很大程度上影響整個系統(tǒng)的工作性能。有許多問題需要慎重設計,例如,導通延時、泵升保護、過壓過流保護、開關(guān)頻率、附加電感的選擇等。 1.開關(guān)頻率和主回路附加電感的選擇 力矩波動也即電流波動,由系統(tǒng)設計給定的力矩波動指標為ΔI/IN,對有刷直流電動機而言,通常在(5~10)%左右。為了便于分析可認為 ΔI/IN=ΔI/(Us/Rd) (1) 式中Rd為電樞回路總電阻。代入前面各種驅(qū)動控制方式的ΔI表達式中,消去Us,可求出: 對于單極性控制 Ld/Rd≥5T~2.5T(可逆或不可逆) (2) 對于雙極性控制 Ld/Rd≥10T~5T (3) 式中T為功率開關(guān)的開關(guān)周期。 對于有刷直流電動機,電磁時間常數(shù)Ld/Rd一般在10ms至幾十毫秒。若采用GTR,開關(guān)頻率可取2KHz左右,T=0.5ms。若采用IGBT,開關(guān)頻率可取18KHz以上,所以上式均能滿足。若采用GTO或可控硅功率器件,由于工作頻率只有100Hz左右,此時應考慮在主回路附加電抗器,且 Ld="Lf"+La (4)   對不可逆系統(tǒng)還應進一步檢查臨界電流,IaL=UsT/8Ld≤Ia0應小于電機空載電流,防止空載失控。   對于低慣量電機、力矩電動機,由于電磁時間常數(shù)很?。◣讉€毫秒或更?。?,此時應考慮采用開關(guān)頻率高的IGBT功率開關(guān)器件。 2. 功率驅(qū)動電路的選擇 [align=center] 圖1 H橋開關(guān)電路(Ⅰ) 圖2 H橋開關(guān)電路(Ⅱ)[/align] 小功率驅(qū)動電路可以采用如圖1所示的H橋開關(guān)電路。UA和UB是互補的雙極性或單極性驅(qū)動信號,TTL電平。開關(guān)晶體管的耐壓應大于1.5倍Us以上。由于大功率PNP晶體管價格高,難實現(xiàn),所以這個電路只在小功率電機驅(qū)動中使用。當四個功率開關(guān)全用NPN晶體管時,需要解決兩個上橋臂晶體管(BG1和BG3)的基極電平偏移問題。圖2中H橋開關(guān)電路利用兩個晶體管實現(xiàn)了上橋臂晶體管的電平偏移。但電阻R上的損耗較大,所以也只能在小功率電機驅(qū)動中使用。   當驅(qū)動功率比較大時,一般橋臂電壓也比較高,例如直接取工頻電壓,單相220V,或三相380V。為了安全和可靠,希望驅(qū)動回路(主回路)與控制回路絕緣。此時,主回路必須采用浮地前置驅(qū)動。圖3所示的浮地前置驅(qū)動電路都是互相獨立的,并由獨立的電源供電。由于前置驅(qū)動電路中采用了光電耦合,使控制信號分別與各自的前置驅(qū)動電路電氣絕緣,于是使控制信號對主回路浮地(或不共地)。 [align=center] 圖3 大功率驅(qū)動電路[/align] 3. 具有光電耦合絕緣的前置驅(qū)動電路 對于大功率驅(qū)動系統(tǒng),希望將主回路與控制回路之間實行電氣隔離,此時常采用光電耦合電路來實現(xiàn)。有三種常用的光電耦合電路如圖4所示,其中普通型的典型型號是4N25、117等,高速型的典型型號有985C,高電流傳輸比型也稱達林頓型,典型型號有113等。 [align=center] 圖4 典型光電耦合器電路[/align]   圖中,普通型光耦的Ic/Id=0.1~0.3;高速型光耦采用光敏二極管;高電流傳輸比型光耦的Ic/Id=0.5;它們的上升延時時間和關(guān)斷延時時間分別為tr,ts>4~5μs;tr,ts<1.5μs;tr,ts為10μs左右。   光電耦合器與后續(xù)電路結(jié)合就能構(gòu)成前置驅(qū)動電路,如圖5所示。這個前置驅(qū)動電路的上升延時tr——3.9μs,關(guān)斷延時ts——1.6μs,可以在中等功率系統(tǒng)中使用。 [align=center] 圖5 前置驅(qū)動電路[/align]   為了對功率開關(guān)提供最佳前置驅(qū)動,現(xiàn)在已有很多專用的前置驅(qū)動模塊。這種驅(qū)動模塊對功率開關(guān)提供理想前置驅(qū)動信號,保證功率開關(guān)迅速導通,迅速關(guān)斷,對功率開關(guān)的飽和深度進行最佳控制,對功率開關(guān)的過電流、過熱進行檢測和保護。例如,EX356、EX840等等。 4. 防直通導通延時電路   對H橋驅(qū)動電路上下橋臂功率晶體管加互補信號,由于帶載情況下,晶體管的關(guān)斷時間通常比開通時間長,這樣,例如當下橋臂晶體管未及時關(guān)斷,而上橋臂搶先開通時就出現(xiàn)所謂“橋臂直通”故障。橋臂直通時電流迅速變大,造成功率開關(guān)損壞。所以設置導通延時,是必不可少的。圖6是導通延時電路及其波形。 [align=center] 圖6 導通延時電路及波形[/align]   導通延時,有時也稱死區(qū)時間,可通過RC時間常數(shù)來設置;對GTR可按0.2μs/A來設置;對MOSFET可按0.1~0.2μs設計,且與電流無關(guān),IGBT可按2~5μs設計。舉例說明,若為GTR,f=5kHz,雙極性工作,調(diào)寬區(qū)域為T/2=1/10=0.1ms。若I=100A,則Δt=0.2X100=20μs,則PWM調(diào)制分辨率最大可能性為 (T/2)Δt=0.1/0.02=5 (5)   這說明死區(qū)時間占據(jù)了調(diào)制周期的1/5,顯然是不可行的。所以對于100A的電機系統(tǒng),GTR的開關(guān)頻率必須低于5kHz。例如,2kHz以下,此時分辨率達12.5左右。 驅(qū)動電路的設計還有很多問題,例如過壓、過流、過熱、泵升保護等等。

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