用于转台伺服系统大功率开关电源的设计

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第21卷第4期　　　　　　　　　吉林大学学报(信息科学版)　　　　　　　　　Vol121　No14

文章编号:167125896(2003)0420343204

α用于转台伺服系统大功率开关电源的设计

张晓莹,刘丽华

(北京邮电大学电子工程学院,北京100876)

摘要:采用全桥拓扑主电路,运用UC3825脉宽调制控制芯片和集成功率模块,设计了伺服系统的功率开关电源。主开关管采用的集成功率模块自带驱动功率IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)电路,并有输出短路、过流、过热及欠压保护功能;着重给出了控制电路和保护电路的设计,通过实验验证了系统设计的有效性。结果表明,该电源的功率转换效率可达80%;输出电压保持时间长达20ms;其电压调节范围宽和纹波小的特点保证了伺服系统控制的稳定度。各种保护措施的设计提高了整机的可靠性,减少了对电网的干扰。

关键词:伺服系统;开关电源;集成功率模块;脉宽调制

中图分类号:TM912　　　文献标识码:A

,现在的转台伺服系统电源部分大多如此。首先从市电引入单相或三相交流电,经过变压器将市电降压到满足伺服驱动电源要求,而在直流母线上,加有大电解电容,一方面起滤波作用,另一方面可以吸收电动机的反电动势,以防过压损坏器件,如图1所示[1]。可以看出,此方式获得的直流电压不具备稳压功能,会随电网的波动而波动,且电网上的杂散电压、尖峰、浪涌等也一并传递到电机电压上,严重影响电机的控制效果。如不采取措施,严重时会导致电机工作异常。同时,PWM(PulseWideModulation)控制的直流伺服电机,也是一干扰源,它产生的干扰如不经处理会反馈到电网上,进而对别的带电运行设备产生影响。另外,工频电压整流后含有频率为100Hz(单相)或300Hz(三相)的固有纹波,要想减少其纹波幅值,须加大滤波电容。

仅用整流得到的直流电压会随交流电

压及负载电流的变化而变化,为了得到稳定

的直流电压,必须采用稳压电路。一般采取

的方案有:线性稳压电源、相控稳压电源、开

关稳压电源。

线性稳压电源的线路简单、干扰小,对

输入电压和负载变化的响应快,稳压性能好。

但功率调整管始终工作在放大区,功率损耗图1　变压器式直流电动机主电路图Fig11ThemaincircuitofDCmotorwithtransformer很大,导致线性稳压电源效率只有20%～40%[1],发热损耗严重,所需的散热器体积大,重量重。另外线性电源对电网电压大范围变化的适应性较差。因此,线性电源主要用在小功率和对稳压精度要求很高的场合。

与线性稳压电源相比,相控稳压电源的效率高,且晶闸管的功率处理能力非常强,可以组成大功率电源。但相控型稳压电源电路的工作频率低,对电网干扰和负载变动的响应慢,所需的滤波电容、电α收稿日期:2003204215作者简介:张晓莹(1961—　),女,北京邮电大学讲师,工学硕士,主要从事电子电路设计及应用方面的研究,Tel:13601221105,

E2mail:zhangxy1264@1631com。

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卷感、工频变压器体积庞大,与日趋小型化的电子设备相比,整机显得十分笨重;并且工频变压器发出的噪声大,对维护人员的健康有害;另外晶闸管整流电路的功率因数较低,污染电网环境[1]。因此在有些行业,相控电源正逐步被淘汰。

开关电源与以上两种电源相比,其功率转换效率高,可达65%～93%;且不需要工频变压器,工作频率高。对电网电压大范围变化具有很强的适应性,电压、负载稳定度高,输出电压保持时间长达20ms,所需的滤波电容、电感小[2]。因而体积小,重量轻,动态响应速度快。另外开关电源的开关频率都在20kHz以上,超出人耳的听觉范围,没有令人心烦的噪声[3]

。

在伺服系统中使用开关电源,将基本消除电网波动的影响。一般情况下,电源的源效应可以达到011%以下[4],而且电源的输出电压调节范围宽,电压稳定,适应能力强,负载响应基本上能够满足转台伺服系统的要求。另外由于其控制灵活,人机对话功能强,所以可以设计出多功能且满足电磁兼容环境要求的电源和驱动装置。

1　电源主电路设计

电源采用三相输入,经过EMI(ElectroMagneticInterference)滤波器,再整流为直流电压,主电路采用全桥变换,开关管采用IPM(IntegratedPowermodule)(PM图2中的Q1和Q2),一个IPM中包括两个IGBT(Insulatedi,DESI60X2快恢复二极管(图2的D11和5600W。开关频率为zU2所示,图3为主电路功能框图

。

图2　电源主电路图

Fig12Themaincircuitofpowersource

主开关管采用IPM自带驱动功率IGBT电路,简化了设计,同时还有过流、过热、输出短路以及欠压保护功能,大大提高了其工作可靠性。应用中只需设计IPM的接口电路,并用高速光耦将用于控制的PWM信号与主电路隔离[5],同时用一普通光耦将IPM的故障信号送控制电路处理[6]。电路需要给IPM模块提供4组隔离驱动信号。

2　控制及保护电路设计

211　PWM控制电路

的驱动信号,在使用时设置最小死PWM控制电路的核心芯片为UC3825,输出两路相位相差180°

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第4期张晓莹,等:用于转台伺服系统大功率开关电源的设计345区为6Λs,防止上下IGBT管的

直通[7]。

212　保护电路设计

正确适当的保护电路是保证

电源正常工作的必要条件。在电

源的输入侧,为保证模块不受电

网异常而损坏,对三相交流电源图3　电源主电路框图的电压进行检测,以便对电源进Fig13Themainblockdiagramofpowersource行过欠压保护。当三相电压高于460V或低于320V时,模块停止工作,恢复到正常

范围后,模块再开始工作。

由于原边输入接有大电解电容,在开机瞬间存

在瞬时冲击电流,因此设计输入软启动电路,限制

开机时的冲击电流以减小对电网造成的干扰[8]。

对于模块输出

,有输出过压保护、过流保护和

短路保护。主开关器件IPM的保护有:短路、过流、

过热以及欠压保护。另外,感器,,示波器读数:电流10A DIV(Division);

电压250V DIV;时间10Λs DIV图4　IPM中单IGBT开关管的电流和电压波形采用上述基本方案设计的电源,在实际运行时Fig14Thecurrentandvoltagewaveforms表现正常,能够按要求为直流电机提供电源,部分ofasingleIGBTintheIPM实验波形如图4～6所示。3示波器读数:电流10A DIV;

电压

250V DIV;时间5Λs DIV示波器读数:电压200mV DIV;电流5A DIV;时间10Λs DIV

图5　主变压器原边电流和电压波形

Fig15Thecurrentandvoltagewaveforms

ofthemaintransformer图6　输出电压纹波和输出电感电流纹波Fig16TheoutputACvoltagewaveformandthecurrentwavefo

rmintheoutputinductor

4　结　论

采用全桥拓扑主电路,运用UC3825PWM控制芯片配合IPM模块设计的大功率开关电源对减少伺服系统电源体积,提高电源效率和电机的控制精度有积极意义。电源可为转台伺服系统提供稳定的直流电压,其电压调节范围宽和纹波小的特点保证了伺服系统控制的稳定度。各种保护措施的正确设

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卷计提高了整机的可靠性,减少了对电网的干扰。

参考文献:

[1]秦继荣,沈安俊(QINJi2rong,SENAn2jun).现代直流伺服控制技术及其系统设计(ModernDCServocontrol

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