推广 热搜: 电机  PLC  变频器  服务机器人  培训  变送器  危化品安全,爆炸  西门子PLC  触摸屏  阀门 

电机控制用小功率稳压电源的设计

   日期:2013-03-23     来源:工控之家网    作者:工控之家    浏览:46    评论:0    
引 言 
    永磁无刷直流电机是目前具有新原理、新工艺、新方法的新型电机,它是由永磁无刷直流电机本体(BLDCM)、转子位置传感器(RPS)和控制器(CU)三部分组成的机电一体化系统。该电机克服了有刷电机的诸多弊端,因此,近年来发展很快,已应用在很多领域。

    控制用电源主要是给控制器的各种芯片提供电能,一般采用将系统外部输入电压经过高频DC/DC隔离式开关电源变换成多路电压输出后给控制器芯片供电。控制用电源功率较小,但要求简单可靠、稳定性好。传统的开关电源采用分立元器件,存在电路复杂、效率低、可靠性差等缺点。美国PI(Power Integration)公司推出的TOPSwitch-Ⅱ系列开关电源专用集成芯片能很好地解决这些问题,它的工作频率为100kHz,外围电路简单、电磁干扰小、成本低廉,能有效地减小控制器的体积和重量,并增强系统工作的可靠性。因而本设计选用其中的TOP224Y 芯片构成单端反激式开关电源作为控制器电源。

1、单端反激式变换器基本工作原理[1]
    单端反激式变换器又称电感储能式变换器,其变压器兼有储能、隔离双重作用。图1为其电路原理图。所谓单端,指变压器磁芯仅工作在其磁滞回线的一侧。当高压开关管S1 导通时,直流输入电压VI加在原边绕组LP两端,在变压器原边电感线圈中储存能量,由于副边绕组相位为上负下正,使二极管D反偏而截止,副边回路无电流流过,此时电源能量转化为磁能存储在电感中。当S1截止时,原边电压极性反向,使副边电压极性反转过来,从而二极管D导通,储存在变压器中的能量传递给负载,同时给输出电容C 充电,此时磁能转化为电能释放出来。当开关管重新导通时,负载电流由电容C 来提供,同时变压器原边重新储能,如此反复。从以上电路分析可以看出,S1导通时,副边回路无电流;S1截止时,副边回路有电流,这就是称之为“反激”的含义。


图1 反激式变换器电路原理简图

2、电路原理与设计
2.1 TOP224Y的主要特性[2]
    TOP224Y 是TOPSwitch-域系列集成芯片中的一种,是典型的三端器件,三个管脚分别为控制极C、源极S 和漏极D,其内部MOSFET 耐压值高达700V。它具有宽电压输入范围(交流输入电压可达85~265V),AC/DC变换效率可达90%。它将功率开关管与其控制电路集成于一个芯片内,并具有自动复位、过热保护和过流保护等功能。由于它有很高的集成度和完善的保护电路,因而用它构成的开关电源外围元器件数目少、电源体积小、可靠性高,这些特点非常适合于用来设计小功率辅助电源。

    图2 是其内部结构框图。当系统上电时,漏极D变为高电位,内部电流源开始向C 端供电且片内开关在0 位,给并接在C、S 极的外接电容(如图3 中的C2)充电,当充电到5.7V时,自动重启动电路关闭,片内开关跳到1 位,TOPSwitch 进入正常工作状态,输出PWM波驱动内部MOS 管工作。此后,IC改由反馈电路提供。控制端电压UC经过ZC、P沟道场效应管和电阻RE分压后,获得反馈电压Uf,加至误差放大器的反相输入端。误差放大器将Uf与5.7 V基准电压进行比较之后,输出误差电流If,当If流过电阻RE时,就在其上形成误差电压,以此和锯齿波电压进行比较,调节脉冲占空比。由以上分析可看出,TOPSwitch-Ⅱ属电流控制型开关电源,由控制端电压UC提供偏压,控制端电流IC调节占空比。


图2 TOP224Y内部结构框图

2.2 主电路工作原理
    图3 所示为本文设计的基于TOP224Y 的反激式控制器辅助电源电路图。输入电压为直流160~220V,输出为一路+5V电压和两路互相隔离的+15V电压,设计功率为5W。


图3 TOP224Y 构成的单端反激式电源电路

    电路中D1为TVS(瞬态电压抑制器),D2 为超快恢复二极管,D1和D2组成箝位保护电路,用于对高频变压器由于漏感而产生的尖峰电压进行箝位和吸收,从而保护功率MOSFET。副边电压经D3、C3 整流滤波后输出+15 V 电压给脉宽调制芯片供电并经线性稳压芯片LM7805 降压后输出+5V 电压,给逻辑合成芯片供电,采用LM7805 不但省去了多绕一个+5V输出的副边绕组,而且输出电压性能稳定,纹波更小。

    由于对输出电压的精度要求不是很高,故反馈电路采用配稳压管的光耦反馈电路。电路利用输出电压的变化引起光耦中LED 的电流If 的变化来控制TOP224Y的控制极电流IC,从而调节占空比D,改变PWM 宽度,达到稳定输出电压的目的。比如,由于某种原因UO↑,则光耦LED的电流If↑,经光耦传输后,接收管电流ICE↑,故TOP224Y的IC↑,而IC 与占空比D 成反比关系,故D↓,导致UO↓,实现了稳压;反之,UO↓→If↓→ICE↓→IC↓→D↑→UO↑,同样达到了稳压的作用。

    反馈绕组的输出电压经D4、C4 整流滤波后,给光耦的接收端提供偏置电压,同时作为另一路+15V 电压输出给专用驱动芯片供电。电路中C2是旁路电容,其作用有三个:滤除控制端上的尖峰电压;决定自动重启动频率;与R1 构成控制环路的补偿电路。

 2.3 高频变压器的设计[3]
    由于外围元器件少,所以设计的关键是变压器。单端反激式变压器工作在磁滞回线的第一象限,磁芯同时加有交流和直流,变压器磁芯磁感应强度变化量ΔB 变化很小,为了防止磁芯饱和,一般采用加气隙的方法,这就增加了变压器设计的难度。下面给出设计中变压器参数的计算方法。

    本设计反激式变换器采用不连续导通工作方式(DCM),取最大占空比Dmax=0.4,变压器选用锰锌铁氧体R2KB 磁芯,其导磁率高达2 000 滋i,饱和磁密BS 值为480mT(25℃时),经计算选用EI-22 磁芯,其有效截面积为42 mm2,取ΔB=0.15T。
2.3.1 计算原边最大电流Ip


式中:Po为输出功率;
    η为变换器效率;
    Vin(min)为输入最小直流电压;
    Dmax为最大占空比。
2.3.2 计算原边电感量Lp

式中:ton为开关管导通时间,ton=DT。
         TOP224Y 的工作频率为100 kHz, 所以T=1/f=10μs。
2.3.3 计算气隙长度lg

式中:Ac为磁芯的有效截面积(mm2);
         Bm 为最大磁感应强度(T)。
2.3.4 计算原尧副边及反馈绕组匝数
原边匝数Np为

副边匝数Ns为

反馈绕组匝数:NF=Ns=16  以上绕组匝数均为取整后的数值。
2.3.5 验算磁芯的ΔB

式中:滋0为真空磁导率,取4π×10-7H/m。
则:Bmax=1/2ΔB+B=225 mT。比较可得:Bmax<1/2Bs,
故前面选择的磁芯是合适的。
2.3.6 导线的选择和变压器绕制
    本设计由于原、副边电流均很小且考虑绕制方便,通过计算选用Φ0.31 mm 漆包线绕制变压器。为了减少漏感,变压器绕组应同轴分布,绕线采用夹层(三明治)绕法,即:一半原边绕组52 匝(里层)+次级绕组16 匝+另一半原边绕组53匝+反馈绕组16 匝(外层)。各层间夹绝缘胶带,绕完后最外面再用绝缘胶带包扎,用环氧树脂胶将磁芯和骨架粘接牢靠。

2.4 反馈回路参数确定
    为了实现线性调节占空比,控制脚电流IC应在2~6mA之间,而IC是受光耦发光管电流If控制的,由于PC817 是线性光耦,二极管正向电流If在3 mA 左右时,三极管的集射电流Ice在4 mA 左右,而且集射电压在很宽的范围内线性变化。因此一般取PC817 发光管正向电流If为3mA。

    本设计反馈电路中D8 采用击穿电压为13 V的稳压管IN4743。由于光耦PC817 中LED 的正向压降为Uf≈1.2V,所以


    IN4743 稳定电流IZ的典型值为20 mA,R2支路只能供给大约3mA 电流,为此,利用电阻R3提供另一路约17 mA的电流,同时作为一部分假负载用于改善轻负载时的稳压性能。所以可求得R3阻值为

3、实验结果及分析
    根据以上分析和计算,进行了样机的制作和试验,图4、图5 分别为输入电压为160V 时+5V和+15 V的输出电压波形,纹波电压小于3%。图6、图7 分别给出输入电压在160V和89.5V情况下,输出功率4.5W时TOP224Y 漏极电压Ud波形,可以看出,在输入电压大范围变化时,系统跨越断续模式和连续模式两种工作状态,并且测量输出电压稳定。实验结果表明,该电源工作在满载状态时,效率达81%,电压调整率、负载调整率和纹波满足控制电路对电源电压的要求,系统工作稳定。

4、结语
    无刷直流电机是机电一体化产品,其中控制器是该电机能否正常工作之关键,它决定着电机的电子换向规律、正/ 反转可逆运行和功率能流的有效调控,因此,控制器用稳压电源的设计也显得尤为重要。本文采用TOPSwitch 集成芯片所研制的小功率辅助电源经测试表明,其性能稳定、可靠性高且具有较强的抗干扰能力。

 
打赏
 
更多>同类环保知识
0相关评论

推荐图文
推荐环保知识
点击排行
网站首页  |  免责声明  |  联系我们  |  关于我们  |  网站地图  |  排名推广  |  广告服务  |  积分换礼  |  RSS订阅  |  违规举报  |  鲁ICP备12015736号-1
Powered By DESTOON