摘 要本文介紹了交流感應(yīng)電機(jī)控制器功率驅(qū)動(dòng)電路的功能結(jié)構(gòu)和各個(gè)部分的工作原理和設(shè)計(jì)方法，并以電路功率因素校正為核心詳細(xì)介紹了功率因數(shù)控制芯片MC34262的工作原理，給出了boost型有源功率因數(shù)校正（APFC）電路的原理圖，及電路各部分的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇方法。 關(guān)鍵詞　功率驅(qū)動(dòng)　功率因數(shù)校正　交流感應(yīng)電機(jī)　電源 中圖分類號(hào)　TM383.6 [align=right]Penglai of Shandong Xiaoya Washing Equipment Co., Ltd. Yong-Xia Wang Zip code 265607 Penglai City in Shandong Province Chinese medicine hospitals Yan-Min Sun Zip code 265600 Penglai of Shandong Xiaoya Washing Equipment Co., Ltd. Xiao-Dong Jiang Zip code 265607 山東蓬萊小鴨洗滌設(shè)備有限公司 王永霞 郵編 265607 山東省蓬萊市中醫(yī)院 孫艷敏 郵編 265600 山東蓬萊小鴨洗滌設(shè)備有限公司 姜曉東 郵編 265607[/align] Abstract: In this paper the functional configuration of the power stage for AC induction motor controller is firstly introduced, and followed by the description of the operating principles and design methods for each part in the configuration. And then the operating principle of MC34262, a monolithic power factor control IC, is presented in great details centered by PFC （Power factor correction）. Lastly, the schematic design for boost-type APFC （Active Power Factor Correction） circuit is given, along with the parameter design and selection for each part of the circuit. Keywords: power stage, power factor correction, induction motor, power supply 1、概述 近年來(lái)，隨著高性能數(shù)字IC和DSP技術(shù)的發(fā)展，交流電機(jī)的矢量控制成為電機(jī)控制的一個(gè)熱點(diǎn)。交流電機(jī)控制器功率級(jí)主電路一般都采取交直交的控制方式[1]。即先通過(guò)整流濾波將交流變換為穩(wěn)定的直流，然后利用逆變電路得到電機(jī)控制所需要的變頻或者變幅的交流。因此一個(gè)性能穩(wěn)定、響應(yīng)快速的功率驅(qū)動(dòng)級(jí)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)控制器的關(guān)鍵。 整個(gè)功率驅(qū)動(dòng)級(jí)電路包括四個(gè)組成部分：支持功率因數(shù)校正的AC-DC 轉(zhuǎn)換電路，DC-AC的逆變電路，電壓和電流的采樣電路，以及輔助電源。 2、支持功率因數(shù)校正的AC-DC 轉(zhuǎn)換電路 從220v交流電網(wǎng)經(jīng)整流供給直流，是電力電子技術(shù)及電子儀器中應(yīng)用極為廣泛的一種基本變流方案。如在AC-DC開(kāi)關(guān)電源的輸入端，AC電源經(jīng)全波整流后，接一個(gè)大電容器，以得到較為平直的直流電壓，再通過(guò)DC－DC 變換器獲得所需電壓。整流器－電容濾波是一種非線性元件和儲(chǔ)能元件的組合，雖然輸入交流電壓是正弦的，但輸入交流電流波形卻嚴(yán)重畸變，呈脈沖狀[2] 。大量應(yīng)用整流電路，要求電網(wǎng)供給嚴(yán)重畸變的非正弦電流，造成輸入端功率因數(shù)下降。因此國(guó)際上有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如MIL2STD21399, Bell2co re001089 以及IEC55522，對(duì)電氣設(shè)備產(chǎn)生的諧波量作出了相應(yīng)的規(guī)定。為增大功率因數(shù)，減小對(duì)電網(wǎng)的污染，本文采用了臨界導(dǎo)電模式的有源功率因數(shù)校正（Active Power Factor Correction, APFC）電路。 市面上有很多公司提供基于臨界導(dǎo)電模式設(shè)計(jì)的有源功率因數(shù)校正集成芯片，如ST公司的L6561，F(xiàn)airchild的FAN7527，Onsemi公司的MC34262，TI公司的UCC28050等。它們都可以用于恒導(dǎo)通時(shí)間控制技術(shù)的乘法器方式Boost有源功率因數(shù)校正電路。本文采用了外圍電路簡(jiǎn)單、基于跨導(dǎo)型誤差放大器的MC34262。 2.1 功率因數(shù)校正電路原理 MC34262是美國(guó)Motorola公司生產(chǎn)的一種高性能、臨界導(dǎo)通、電流型功率因數(shù)控制器，具有功率因數(shù)高、功率開(kāi)關(guān)管零電流導(dǎo)通、功率二極管的損耗小、控制電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。 MC34262（圖1）主要包括：乘法器、零電流檢測(cè)電路、電流比較放大器、低頻反饋誤差放大器、基準(zhǔn)電壓、過(guò)壓保護(hù)電路和欠電壓鎖定電路等。 MC34262的APFC升壓式變換電路（圖2）主要由控制器IC 芯片MC34262 、整流橋D1、MOSFET功率管Q1 、升壓電感器L1 、升壓二極管D2 、輸出濾波電容C6 及反饋環(huán)路組成。 [align=center] 圖1 MC34262的原理框圖 圖2 MC34262的APFC升壓式變換電路[/align] APFC 變換器的工作原理是通過(guò)控制MOS管Q1的通斷，使升壓電感L1中的電流與電壓之間呈阻抗?fàn)顟B(tài)，從而達(dá)到功率因數(shù)控制的目的。其工作過(guò)程如下： 1）開(kāi)始時(shí)，電流檢測(cè)為0，功率開(kāi)關(guān)管Q1導(dǎo)通，主電感L1中的電流線性增加，電感儲(chǔ)能，二極管D2處于反向截止?fàn)顟B(tài)，負(fù)載由輸出電容C6供電。 2）當(dāng)電流檢測(cè)腳4從功率開(kāi)關(guān)管Q1檢測(cè)的電流達(dá)到乘法器的輸出時(shí)，功率開(kāi)關(guān)管Q1關(guān)斷。此時(shí)，L1產(chǎn)生突變的電勢(shì)使D2 正向偏置導(dǎo)通，電源和主電感L1串聯(lián)向負(fù)載供電，電容C6充電，電感中的電流線性下降。 3）當(dāng)電感中的電流降到零，則功率開(kāi)關(guān)管中的電流相應(yīng)地也降到零。零電壓檢測(cè)電路檢測(cè)到電流為0，另一個(gè)開(kāi)關(guān)周期立刻開(kāi)始，功率開(kāi)關(guān)管在零電流狀態(tài)下開(kāi)通。 4）輸出電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)反饋環(huán)節(jié)和誤差放大器的參考電壓相比較，通過(guò)誤差放大器補(bǔ)償環(huán)節(jié)得到一個(gè)包含輸出電壓誤差信息的電壓信號(hào)。由于誤差放大器的帶寬很低，所以誤差放大器的輸出電壓信號(hào)在一個(gè)工頻周期內(nèi)近似為一個(gè)恒定的值。而輸入電壓的采樣信號(hào)作為輸入電流整形的依據(jù)，和誤差放大器的輸出在乘法器內(nèi)相乘，得到包含輸出電壓和輸入電壓相位信息的輸出電壓信號(hào)。 5）乘法器的輸出作為電流給定，和開(kāi)關(guān)中的電流反饋信號(hào)以及零電流檢測(cè)的信號(hào)比較，經(jīng)脈寬調(diào)制器控制功率開(kāi)關(guān)。從而達(dá)到既保證輸出電壓的穩(wěn)定又使輸入電流的相位跟蹤輸入電壓的目的。 圖3給出了臨界導(dǎo)電模式在恒導(dǎo)通時(shí)間情況下半個(gè)工頻周期內(nèi)主電感中的電流波形。 [align=center] 圖3 電感電流波形和MOS管門電壓驅(qū)動(dòng)波形[/align] 2.2 功率因數(shù)校正電路參數(shù)設(shè)計(jì) 2.2.1升壓電感器設(shè)計(jì) 變壓器的初級(jí)線圈是APFC預(yù)調(diào)整器的升壓電感器，變壓器次級(jí)線圈的作用有二：（1）用作零電流檢測(cè)傳感器，（2）組成功率驅(qū)動(dòng)板的輔助電源電路。 電感峰值電流： 將數(shù)據(jù)代入（2）式，得到電感為250uH 。 鐵芯尺寸及繞組匝數(shù)可用常規(guī)的設(shè)計(jì)方法求出。升壓電感器副繞組電壓為15V，取該繞組的匝數(shù)為原邊繞組的1：10。 2.2.2其他參數(shù)的計(jì)算 1） R1及R2的計(jì)算： 式中:VCS——電流檢測(cè)腳門限值，取0.5V 由（5）式可得R7為0.069Ω，取0. 0.06Ω。 5） 輸出電容器的計(jì)算: 輸出電容器的數(shù)值由下式?jīng)Q定： 實(shí)際選取為330μF，耐壓不低于450V，并要求其具有較小的等效串聯(lián)電阻值（ESR）。 3、DC-AC 逆變電路 DC-AC逆變電路采用了國(guó)際整流公司（IR）的一款智能功率模塊IRAMS10UP60A。該模塊是為電子驅(qū)動(dòng)式變速電機(jī)控制而設(shè)計(jì)和優(yōu)化的，在一個(gè)單獨(dú)的隔離的封裝內(nèi)提供了非常緊湊的、高性能的AC驅(qū)動(dòng)器。IRAMS10UP60A集成了6個(gè)IGBT高電壓柵驅(qū)動(dòng)器，并融合多元化的保護(hù)功能，其內(nèi)部原理框圖如圖4所示。 [align=center] 圖4 IRAMS10UP60A的內(nèi)部原理框圖[/align] IRAMS10UP60A集成電路和分散的IGBT驅(qū)動(dòng)模式相比除了結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高以外，還具有以下特點(diǎn)： 1）低的di/dt門極驅(qū)動(dòng)器，具有較好的噪聲抑制性，開(kāi)關(guān)管高頻工作時(shí)能耗低。 2）集成了門極驅(qū)動(dòng)器和自舉二級(jí)管，電路連接簡(jiǎn)單：只需要把V+連接到DC的高壓端，Le1、Le2和 Le3連接到DC上的低壓端，電機(jī)的三相分別接到U、V和W。6路從控制器來(lái)的PWM信號(hào)分別接到15到21腳的對(duì)應(yīng)位置并選擇適合的頻率的母線電容就可以控制控制U、V、W的輸出。 3）帶死區(qū)控制的控制方式防止上下兩個(gè)IGBT同時(shí)導(dǎo)通。當(dāng)電路過(guò)流或者過(guò)壓時(shí)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。 4）提供了溫度和電流檢測(cè)的引腳。 4、電流采樣電路 為準(zhǔn)確測(cè)量感應(yīng)電機(jī)的相電流，本模塊在U、V、W的接地端串聯(lián)一個(gè)3W的精密電阻R，根據(jù)電阻R的阻值和在其兩端所測(cè)的壓差 就可以求得得到電機(jī)相電流。壓差的測(cè)量原理圖如圖5所示，其中： [align=center] 圖5 電流檢測(cè)原理圖[/align] Ra=R4006=R4007 Rb=R4000=R4001 R4006接1.65v 的V[sub]ref[/sub]，R4000接輸入電壓高端，R4001接輸入電壓低端，V[sub]d[/sub]為要測(cè)量電壓差，Vout為實(shí)測(cè)電壓，則根據(jù)運(yùn)放的工作原理有： 由（10）式就可以求得V[sub]d[/sub]。 5、輔助電源 為了給驅(qū)動(dòng)芯片以及采樣芯片提供可靠穩(wěn)定的直流電源，采用如圖6所示的電路結(jié)構(gòu)。通過(guò)PFC電感輔助繞組取得交流信號(hào)，經(jīng)過(guò)整流，濾波并通過(guò)7815芯片為控制電路提供15V的電源。 采樣芯片所需的5V電源由7815再轉(zhuǎn)接7805提供。采樣電路中的1.65V基準(zhǔn)電壓通過(guò)LM317和可變電阻調(diào)節(jié)得到。 [align=center] 圖6 采用7815的輔助直流電源[/align] 6、結(jié)束語(yǔ) 經(jīng)試驗(yàn)證明，本功率驅(qū)動(dòng)級(jí)的APFC電路能提供5％紋波、功率因數(shù)為0.99的穩(wěn)定的高壓直流電，并與自行設(shè)計(jì)的基于Freescale 56F8356 DSP的控制器配合，能帶動(dòng)300W的交流感應(yīng)電機(jī)穩(wěn)定工作，實(shí)現(xiàn)交流感應(yīng)電機(jī)的矢量控制。 參考文獻(xiàn) [1]爾桂花、竇曰軒，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M]，北京：清華大學(xué)出版社，2002年10月 [2]張占松，蔡宣三，開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M],北京:電子工業(yè)出版社，2002 [3]沙占友等編著，特種集成電源最新應(yīng)用技術(shù)[M],北京：人民郵電出版社，2002 [4]Nave, Mark J. Power line filter design for switched-mode power supplies [M], New York, Van Nostrand Reinhold, 1991 作者簡(jiǎn)介： 王永霞 ：1970年出生 高級(jí)工程師 工業(yè)洗滌行業(yè)資深機(jī)械設(shè)計(jì)師 孫艷敏 ：1976年出生 網(wǎng)絡(luò)工程師 弱電控制專家 姜曉東 ：1974年出生 電氣工程師 工業(yè)洗滌行業(yè)資深電氣設(shè)計(jì)師