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賀虎成
（西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，西安710054）
摘要：根據(jù) 無(wú)刷直流電機(jī)( BLDCM)的脈寬調(diào)制(PWiVI)特點(diǎn)和諧振直流環(huán)節(jié)逆變器(RDCLI)的工作原理，利用脈寬調(diào)制專(zhuān)用集成芯片和復(fù)雜可編程邏輯器件( CPLD)，設(shè)計(jì)了新型并聯(lián)諧振直流環(huán)節(jié)軟開(kāi)關(guān)逆變器驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)的PWNI控制器。數(shù)字仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的控制器實(shí)現(xiàn)了諧振直流環(huán)節(jié)逆變器的正常工作和無(wú)刷直流電機(jī)的PWM調(diào)制運(yùn)行。 關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電機(jī)；諧振直流環(huán)節(jié)；PWM；控制器
中圖分類(lèi)號(hào)：TM36 +1; TM302 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-6848( 2010)06-0059-04
0引 言
無(wú)刷直流電機(jī)( Brushless DC Motor，BLDCM)以其體積小、重量輕、效率高、特性好、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。然而，無(wú)刷直流電機(jī)通常采用硬開(kāi)關(guān)逆變器驅(qū)動(dòng)，硬開(kāi)關(guān)逆變器的系統(tǒng)效率較低，開(kāi)關(guān)器件的電壓、電流應(yīng)力大，開(kāi)關(guān)器件開(kāi)通和關(guān)斷瞬間的電壓和電流尖峰可能使器件的運(yùn)行軌跡超出安全工作區(qū)，從而導(dǎo)致開(kāi)關(guān)器件的損壞，影響系統(tǒng)的可靠性。因此，硬開(kāi)關(guān)逆變器嚴(yán)重地影響了BLDCM系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提升。
諧振贏流環(huán)節(jié)軟開(kāi)關(guān)逆變器( 簡(jiǎn)稱(chēng)RDCLI)作為一種有效的解決途徑，研究已產(chǎn)生許多拓?fù)浜涂刂品椒ǎ@些拓?fù)淙源嬖谝恍┎蛔�，諸如開(kāi)關(guān)器件電流電壓應(yīng)力較高、控制比較復(fù)雜、直流母線中點(diǎn)電壓平衡問(wèn)題等。
文獻(xiàn)[5]提出了一種新型并聯(lián)諧振直流環(huán)節(jié)軟開(kāi)關(guān)逆變電路。該新型軟開(kāi)關(guān)變換電路具有這些優(yōu)點(diǎn)：
①諧振網(wǎng)絡(luò)無(wú)諧振閾值限制；
②諧振過(guò)程所用的時(shí)間較短，消耗功率較��；
③逆變橋的續(xù)流二極管實(shí)現(xiàn)了軟性關(guān)斷，克服了反向恢復(fù)問(wèn)題；
④可以實(shí)現(xiàn)PWM控制且方法簡(jiǎn)單，便于工程實(shí)現(xiàn)；
⑤省去了阻流環(huán)節(jié)的大電容，無(wú)中點(diǎn)電位不平衡問(wèn)題；
⑥功率器件具有棱小的開(kāi)關(guān)應(yīng)力；
⑦逆變橋開(kāi)關(guān)操作均為零電壓開(kāi)關(guān)( zvs)，諧振單元的開(kāi)關(guān)器件操作為zvs或零電流開(kāi)關(guān)(zcs)。
文獻(xiàn)[6]提出了該新型諧振直流環(huán)節(jié)逆變器在無(wú)刷直流電機(jī)應(yīng)用中的控制策略。本文在文獻(xiàn)[5-6]的研究基礎(chǔ)上，探討該新型諧振直流環(huán)節(jié)逆變器在無(wú)刷直流電機(jī)中應(yīng)用的PWM控制器實(shí)現(xiàn)。
1新型諧振直流環(huán)節(jié)軟開(kāi)關(guān)逆變器
新型諧振直流環(huán)節(jié)軟開(kāi)關(guān)逆變器的拓?fù)潆娐啡鐖D1所示，包括直流電源、諧振單元、三相電壓源逆變器和電機(jī)。
為了便于后續(xù)分析，先簡(jiǎn)單介紹軟開(kāi)關(guān)逆變器的工作原理。逆變器過(guò)渡狀態(tài)的等效電路如圖2，電壓和電流的參考方向如圖中標(biāo)定。圖3為逆變器狀態(tài)過(guò)渡期間一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的動(dòng)作波形，圖中dUl、dU2、dU3分別為輔助開(kāi)關(guān)V1、V2、v3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，uc為電容Cr兩端的電壓，即直流環(huán)節(jié)或直流母線電壓，ucl、uc2分別為電容C1、C2兩端電壓，i為諧振電感電流，恒流源I0為等效負(fù)載電流，TD/為等效續(xù)流二極管。新型諧振直流環(huán)節(jié)逆變器的一個(gè)完整PWM開(kāi)關(guān)周期由十個(gè)階段構(gòu)成。
假定這是電路的初始工作狀態(tài)，V2，V3斷開(kāi)，V1導(dǎo)通，電源E經(jīng)V1向負(fù)載提供電流。
模式b[t1-t2]
t=t2時(shí)，PWM關(guān)斷信號(hào)到來(lái)，在zvs條件下直接關(guān)斷開(kāi)關(guān)V，，同時(shí)zcs條件下開(kāi)通V3。
模式c[t2~t3j
T=t2時(shí)，直流母線電壓諧振下降到零，負(fù)載電流I0流過(guò)續(xù)流二極管TDi，同時(shí)，因二極管D1的導(dǎo)通，阻止了諧振的進(jìn)行，電容不能反向充電，電感L1、開(kāi)關(guān)管V3和二極管D1自形成回路，使電感電流為恒值。此時(shí)可zvs條件下軟關(guān)斷V3。電感和電容C1發(fā)生諧振，電容C1被充電電壓升高，電感電流下降。
模式(l[t4~t3]
t= t3時(shí)，諧振中止，電感電流轉(zhuǎn)換到二極管D2，向電源回饋能量，使電感電流迅速減
小為零。
模式e[ t4~她]
在t4 - t5階段，逆變橋續(xù)流二極管和負(fù)載電流構(gòu)成回路，和傳統(tǒng)的逆變器工作狀態(tài)相同。在t2-t3階段直流環(huán)節(jié)電壓為零，逆變橋開(kāi)關(guān)器件可以完成一次zvs開(kāi)關(guān)過(guò)程，等開(kāi)關(guān)過(guò)程結(jié)束后，進(jìn)行母線電壓回升。
模式5[t5~ t6]
t=t5時(shí)，zcs下開(kāi)通V2，則電感電流正向線性增加，并通過(guò)逆變橋開(kāi)關(guān)向負(fù)載供電，使流過(guò)續(xù)流二極管的電流線性減小。
模式t[ t6~t7]
t= t6時(shí)，電感電流和負(fù)載電流相等且繼續(xù)增加，使TDi軟關(guān)斷。電感電流一部分和負(fù)載電流保持平衡，另一部分使得電感和電容Cr、C1發(fā)生自然諧振，電容Cr電壓上升，電容C1電壓下降。
模式h[t7~t8]
在諧振過(guò)程中，直流母線電壓上升至電源電壓下，即t=t7時(shí)，二極管D6導(dǎo)通，限制了直流母線電壓的迸一步增加。此時(shí)可zvs開(kāi)通V1，同時(shí)zvs關(guān)斷V2，電感與電容C2發(fā)生諧振，使電容C2充電。
模式j(luò)[t8~t9]
t=t8時(shí)，使得二極管Ds導(dǎo)通，電感向電源饋能。電感電流等于負(fù)載電流時(shí)，饋能過(guò)程結(jié)束。
模式j(luò)[t9～t1O]
t=t9時(shí)，二極管D6關(guān)斷，直流電源經(jīng)V，向負(fù)載補(bǔ)充電流，直至k(t)=0，此后負(fù)載電流全部由電源提供。
當(dāng)t=t10。時(shí)，電感電流i(tlo) =0，電路狀態(tài)又回到模式a，完成一次PWM運(yùn)行。
2 RDCLI驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)的PWM控制
無(wú)刷直流電機(jī)PWM調(diào)制控制的實(shí)質(zhì)可以概括為：PWM調(diào)制導(dǎo)通階段，直流電源通過(guò)逆變器向電、機(jī)傳輸能量，電機(jī)相電流增加，電磁轉(zhuǎn)矩增加。PWM調(diào)制關(guān)斷階段，無(wú)刷直流電機(jī)通過(guò)逆變器的續(xù)流二極管形成續(xù)流回路，因電樞反電勢(shì)的存在使得電機(jī)相電流減小，電磁轉(zhuǎn)矩減小。
為了獲得無(wú)刷直流電機(jī)的PWM調(diào)制特性，諧振直流環(huán)節(jié)驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)的PWM調(diào)制算法如圖4所示。三相逆變橋僅完成無(wú)刷直流電機(jī)的換相功能，不進(jìn)行PWM高頻調(diào)制。
PWM信號(hào)下降沿，直接關(guān)斷開(kāi)關(guān)v，，并同時(shí)開(kāi)通開(kāi)關(guān)V1，則由諧振直流環(huán)節(jié)逆變器的工作原理可知，直流環(huán)節(jié)電壓將諧振到零并保持為零，電機(jī)電流通過(guò)逆變橋續(xù)流二極管形成續(xù)流回路�？刂七x擇1可通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)，一種為時(shí)序控制，V1管的導(dǎo)通時(shí)長(zhǎng)固定。另一種為監(jiān)測(cè)控制，檢測(cè)直流環(huán)節(jié)電壓，當(dāng)直流環(huán)節(jié)電壓下降到零后關(guān)斷V3。
PWM信號(hào)上升沿時(shí)，直接開(kāi)通開(kāi)關(guān)V2，則由工作原理可知，直流環(huán)節(jié)電莊將諧振到直流電源電壓，之后開(kāi)通開(kāi)關(guān)V，并同時(shí)關(guān)斷v7，則直流電源通過(guò)V1向電機(jī)傳輸電能�？刂七x擇2同樣可通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)。
3 RDCLI驅(qū)動(dòng)無(wú)j直流電機(jī)的PWM控制器實(shí)現(xiàn)
3.1控制器功能
首先，控制器要能根據(jù)無(wú)刷直流電機(jī)的位置反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正常換相；其次，要實(shí)現(xiàn)諧振直流環(huán)節(jié)的正常運(yùn)行；最后，要能實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)在硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)逆變器驅(qū)動(dòng)下的PWM控制。
3.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理
根據(jù)無(wú)刷直流電機(jī)和諧振直流環(huán)節(jié)的工作原理，本文確定了如圖5所示的控制框圖。逆變器為新型諧振直流環(huán)節(jié)拓?fù)�，功率開(kāi)關(guān)器件選用了MOSFET�？刂齐娐饭δ苤饕尚酒琒C3525和CPLD完成，實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)制、時(shí)序控制和換相邏輯綜合等。驅(qū)動(dòng)電路選用了IR2130和IR2103芯片。無(wú)刷直流電機(jī)的額定電壓24 V，極數(shù)為4。
3.3控制電路設(shè)計(jì)
控制電路的PWM信號(hào)由集成芯片SG3525實(shí)現(xiàn)，SG3525是頻率固定的集成脈寬調(diào)制芯片，內(nèi)部由基準(zhǔn)電壓、振蕩器、誤差放大器、比較器、PWM鎖存器、分相器、欠電壓鎖定器、輸出級(jí)、軟起動(dòng)及關(guān)閉電路等組成。脈寬調(diào)制電路如圖6所示，R1用于電機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)定，R3確定系統(tǒng)的PWM頻率。
PWM調(diào)制、時(shí)序控制和換相邏輯綜合等由MAX7000S系列器件EPM7128SL84完成，可對(duì)軟開(kāi)關(guān)運(yùn)行、硬開(kāi)關(guān)運(yùn)行、停車(chē)以及保護(hù)信號(hào)進(jìn)行邏輯處理，輸出逆變器相應(yīng)開(kāi)關(guān)器件的控制信號(hào)。
3.4控制器的時(shí)序仿真
為r驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，在MAX+ PLUSⅡ環(huán)境下進(jìn)行了仿真。軟開(kāi)關(guān)運(yùn)行狀態(tài)的仿真波形如圖8所示，由圖可知，當(dāng)/ssw信號(hào)出現(xiàn)負(fù)脈沖后，逆變橋控制信號(hào)T1、T2、T3、T4、T5和T6工作在換相頻率；在PWMO信號(hào)的上升沿，V2控制信號(hào)出現(xiàn)一段時(shí)間的高電平，后V2變低而同時(shí)V1變高；在PWMO信號(hào)的下降沿，V1控制信號(hào)直接變?yōu)榈碗娖�，同時(shí)V1變?yōu)楦唠娖讲⒊掷m(xù)一段時(shí)間；由于PSEL為高電平，所以PWMO測(cè)試信號(hào)為PWMI。
硬開(kāi)關(guān)運(yùn)行狀態(tài)的仿真波形如圖9所示，由圖可知，當(dāng)HSW信號(hào)出現(xiàn)負(fù)脈沖后，逆變橋控制信號(hào)T1、T2、T3、T4、T5和T6工作在PWM斬波頻率；V1、V2、V3控制信號(hào)都為低電平，在主電路中用短接線將開(kāi)關(guān)器件v1短接，則此時(shí)無(wú)刷直流電機(jī)將運(yùn)行于雙斬方式；由于PSEL為低電平，所以PWMO測(cè)試信號(hào)為PWM1和PWM2的或。
上述結(jié)果和預(yù)期要求完全一致，說(shuō)明了設(shè)計(jì)是正確的。然后在MAX+ PLUSⅡ環(huán)境下對(duì)器件下載程序，驗(yàn)證控制器功能。
4實(shí)驗(yàn)結(jié)果
實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。其中，圖IO(a)和圖lO(b)給出了l5 kHz開(kāi)關(guān)頻率時(shí)直流環(huán)節(jié)開(kāi)關(guān)器件的控制信號(hào)，與諧振直流環(huán)節(jié)的工作原理及數(shù)字仿真一致。
圖10(c)為20 kHz開(kāi)關(guān)頻率時(shí)直流環(huán)節(jié)電壓與電感電流的實(shí)驗(yàn)波形，由圖可知，負(fù)向電感電流使直流環(huán)節(jié)電壓諧振到零，正向電感電流使直流環(huán)節(jié)電壓諧振至電源電壓，符合新型諧振直流環(huán)節(jié)逆變器的工作原理。
圖10(d)力用WT3000測(cè)得的無(wú)刷直流電機(jī)電流波形，從波形中可以看出，無(wú)刷直流電機(jī)的電流波形較好，完全按設(shè)定的三相六狀態(tài)120度運(yùn)行，說(shuō)明了設(shè)計(jì)的控制器是可行的。
5結(jié)論
利用CPLD和SG3525設(shè)計(jì)了諧振軟開(kāi)關(guān)逆變技術(shù)應(yīng)用于無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的PWM控制器，使用MAX +PLUSⅡ?qū)PLD所實(shí)現(xiàn)的諧振直流環(huán)節(jié)逆變器的控制功能進(jìn)行了仿真軟件仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均證明輸出波形穩(wěn)定、精確。CPLD的使用使控制器具有電路簡(jiǎn)單緊湊、響應(yīng)速度快、調(diào)試方便和集成度高等特點(diǎn)。
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