【文章內(nèi)容簡介】 相電容一分為二，兩相繞組的一端共同接至雙極性直流電源的中點，因此，這種功率變換器方案只適用于偶數(shù)相的開關磁阻電動機。該類型功率電路有兩種工作方式：圖42 采用分裂式直流電源的功率變換器1． 單相通電方式A,B,C,D相繞組分別輪流通電。若S1開通，則A相繞組留過電流ia，電容C2充電，電容C1充電，當S1關斷時，A相繞組的續(xù)流電流ia流經(jīng)VD1向C2充電，A相繞組磁能轉換為電場能量貯于C2，C2兩端電壓Ud反向加于A相繞組上，強迫續(xù)流迅速衰減直至關斷。因電容量不可能很大，所以這種單向通電方式的中點點位不穩(wěn)定，尤其SR電動機低速運行時，中點點位變動顯著。這種運行方式適用于SR電動機高速運行。2. 兩相通電方式AB、BC、CD、DA兩相同時通電，循環(huán)導通工作。若SS3開通，則A、B兩相串聯(lián)流過電流，若S1關斷，S2開通，則A相繞組續(xù)流，流經(jīng)VD1向C2充電；B、C兩相繞組串聯(lián)流過電流，實現(xiàn)一次換相，接著S1關斷，S4開通，則B相早在換流，續(xù)流經(jīng)VD2向C1充電，C、D兩相繞組串聯(lián)流過電流，實現(xiàn)又一次換相。這樣周而復始，始終有兩相繞組同時導通，且同時導通的兩相對中點來講左右對稱，所以這種兩相通電方式，中點點位比較穩(wěn)定。 中點懸空型功率電路圖43所示為中點懸空型功率電路，該電路每相只有一個開關元件，但工作時同時給兩相通電，當給A、D兩相通電時，SS4開通，其余都為斷開，需要換相時，S1斷開,S4保持開通、S2開通，S3保持斷開，這時為給B,D兩相通電，而A相通過VD1續(xù)流,當再次換相時使D相斷開，C相導通，這時為給B、C兩相通電，如此下去每次都同時有兩相通電，換相時關斷一相同時開通另一相，實現(xiàn)電機的循環(huán)轉動。圖43 中點懸空型功率電路 公共開關型功率電路圖44為公共開關型功率電路，比電源裂相式增加了1個公共開關S，減少了3個續(xù)流二極管。圖44 公共開關型功率電路公共開關S為一只工作在開關狀態(tài)的電力電子元件，不過它的通斷不受位置傳感信號控制，而是按照1個固定頻率周期性地通斷。這一點與受位置傳感信號控制的相開關S1,S2,S3截然不同。公共開關的作用一時輔助續(xù)流，另一重要作用是利用脈寬調(diào)節(jié)作用于公共開關S，改變S的通態(tài)時間，即改變占空比，使相繞組平均電壓改變，實現(xiàn)SR電動機的調(diào)速目的。因此這種具有公共開關的功率電路控制轉速的方法是應用脈寬調(diào)制(PWM)技術實現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速。共公開關與相開關工作情況有4種，現(xiàn)以A相位例予以說明：S通，S1通，則電源電壓加于A相繞組，流過電流Ia，而VD和VD1截止。S通，S1斷，則VD截止，VD1導通，相繞組續(xù)流，有VD1和S構成續(xù)流通路。S斷，S1通，則VD1截止，VD導通，相繞組經(jīng)VD續(xù)流。S斷，S1斷，則VDVD均導通，相繞組經(jīng)VD電容及VD續(xù)流。公共開關型功率電路的特點是電路簡單控制方便，但作為公共開關的電力電子元件，其功率比相開關大的多，各相電流均要流經(jīng)它。 功率電路的選型在本系統(tǒng)中選用的SR電機為3相結構，故不能采用中點懸空型和采用裂相式直流電源型功率電路。比較不對稱半橋型電路和共公開關型電路，對于小功率SR電動機而言，后者需要更少的電力電子元件，節(jié)約成本，并且通過公共開關的開通占空比來調(diào)節(jié)轉速，使控制方法大為簡化。所以本設計中采用的是公共開關型功率電路。如圖45所示圖45公共開關型功率電路整流電路的進線為三相三線電路，采用三相橋式不可控整流電路，由六個整流二極管組成。電路的交流輸入端為接三相電源，線電壓為380V，50HZ。整流電路的電壓峰值為三相線電壓峰值，為：線=V （41）其平均值為：513V （42）需要使用兩電容器CC2串聯(lián)對整流輸出電壓平滑濾波，,R2是為了平衡C1，C2兩端的電壓兼有停機時為C1，C2提供放電回路的作用。 開關器件的選則SR電動機功率變換器的主開關器件選擇與電動機的功率等級、供電電壓、峰值電流、成本等有關；另外還與主開關器件本身的開關速度、觸發(fā)難易、開關損耗、抗沖擊性、耐用性、并聯(lián)運行的難易性、峰值電流定額的比值大小及市場普及性有關。就當前電力電子技術的發(fā)展現(xiàn)狀而苦，有普通晶閘管，可關斷晶閘(G1D)．電力晶體管(GTR)、功率MOS場效應管(MOSFET)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)可供選擇。普通晶閘管具有成本低、容量大，電流峰值和平均電流定額比值高，電流、電壓過載能力強，能承受很大的浪涌電流，但其無自天斷能力，需設胃專門的換相電路，這就造成整機線路復雜、效率低、體積大，這使得其很難在SRD中使用。GTO具有普通品閘管的全部優(yōu)點，如耐壓高、電流大、浪涌能力強和造價便直等；同州又具有GTR的一些優(yōu)點，如具有自關斷能力、工作頻率較高(12kHz)，尤其在大功率場合具有明顯優(yōu)勢。但GTO也有許多缺點，如管壓降比普通晶閘管高、工作頻率較GTR低，緩沖電路的損耗較大、門極控制較復雜等，因此在小功率高性能的SRD中，其與GTR、MOSFET、IGBT相比并不占優(yōu)勢。GTR的丌火頻率(25kHz)較高，正向壓降小，導通及關斷控制十分方便，近年來GTR實現(xiàn)了高頻化、模塊化，因此在中、小容量的SRD中得到廣泛的應用。但GTR容量有限，主要是電流容量與耐壓之間尚有難以克服的矛盾。此外，GTR的電壓、電流過載能力差，容易因二次擊穿而損壞，保護較困難，驅(qū)動功率大，因此限制了其在高壓、大功率場合的應用。MOSFET是一種單極型的電壓控制器件，具有驅(qū)動功率小、驅(qū)動電路簡單、開關速度快(開關時間為10100ns)、無二次擊穿問題、安全工作區(qū)寬等顯著優(yōu)點。但由于種種原因，MOSFET單管功率很難做的很大，只用于小功率場合。IGBT器件兼有GTR和MOSFET的優(yōu)點，IGBT為電壓驅(qū)動器件，開關頻率高及抗干擾能力強，因而損耗小，性能好及工作可靠，此外大功率IGBT模塊本身絕緣，外殼不帶電，冷卻方便，系統(tǒng)結構簡單。目前已取代了原來GTR的市場，成為SRD的主導功率器件。本設計中，SR電機功率為200W，我們在第二章已經(jīng)做過計算，1500r/min時開關頻率最高的主開頻率為300HZ，采用MOSFET管完全能符合要求。而且MOSFET比IGBT成本低，故本設計中采用MOSFET管作為開關器件。 驅(qū)動電路的設計跟雙極性晶體管相比，一般認為使MOS管導通不需要電流，只要GS電壓高于一定的值，就可以了。就NMOS而言，Vgs大于一定的值就會導通，適合用于源極接地時的情況（低端驅(qū)動），只要柵極電壓達到4V或10V就可以了。這個很容易做到，但是，我們還需要速度?！　≡贛OS管的結構中可以看到，在GS，GD之間存在寄生電容，而MOS管的驅(qū)動，實際上就是對電容的充放電。對電容的充電需要一個電流，因為對電容充電瞬間可以把電容看成短路，所以瞬間電流會比較大。選擇/設計MOS管驅(qū)動時第一要注意的是可提供瞬間短路電流的大小?！〉诙⒁獾氖牵毡橛糜诟叨蓑?qū)動的NMOS，導通時需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅(qū)動的MOS管導通時源極電壓與漏極電壓（VCC）相同，所以這時柵極電壓要比VCC大4V或10V。如果在同一個系統(tǒng)里，要得到比VCC大的電壓，就要專門的升壓電路了。很多電機驅(qū)動器都集成了電荷泵，要注意的是應該選擇合適的外接電容，以得到足夠的短路電流去驅(qū)動MOS管。上邊說的4V或10V是常用的MOS管的導通電壓，設計時當然需要有一定的余量。而且電壓越高，導通速度越快，導通電阻也越小?，F(xiàn)在也有導通電壓更小的MOS管用在不同的領域里，但在12V電子系統(tǒng)里，一般4V導通就夠用了?，F(xiàn)在的MOS驅(qū)動，有幾個特別的需求，1，低壓應用當使用5V電源，這時候如果使用傳統(tǒng)的圖騰柱結構。這時候。同樣的問題也發(fā)生在使用3V或者其他低壓電源的場合。2，寬電壓應用輸入電壓并不是一個固定值，它會隨著時間或者其他因素而變動。這個變動導致PWM電路提供給MOS管的驅(qū)動電壓是不穩(wěn)定的。為了讓MOS管在高gate電壓下安全，很多MOS管內(nèi)置了穩(wěn)壓管強行限制gate電壓的幅值。在這種情況下，當提供的驅(qū)動電壓超過穩(wěn)壓管的電壓，就會引起較大的靜態(tài)功耗。同時，如果簡單的用電阻分壓的原理降低gate電壓，就會出現(xiàn)輸入電壓比較高的時候，MOS管工作良好，而輸入電壓降低的時候gate電壓不足，引起導通不夠徹底，從而增加功耗。3，雙電壓應用在一些控制電路中，而功率部分使用12V甚至更高的電壓。兩個電壓采用共地方式連接。這就提出一個要求，需要使用一個電路，讓低壓側能夠有效的控制高壓側的MOS管，同時高壓側的MOS管也同樣會面對1,2中的問題。在這種情況下，圖騰柱結構無法滿足輸出要求，而很多現(xiàn)成的MOS驅(qū)動IC，似乎也沒有包含gate電壓限制的結構。于是我設計了一個相對通用的電路來滿足這三種需求。電路圖如圖46所示圖46 MOS管驅(qū)動電路Vl和Vh分別是低端和高端的電源，兩個電壓可以是相同的，但是Vl不應該超過Vh。Q1和Q2組成了一個反置的圖騰柱，用來實現(xiàn)隔離，同時確保兩只驅(qū)動管Q3和Q4不會同時導通。R2和R3提供了PWM電壓基準，通過改變這個基準，可以讓電路工作在PWM信號波形比較陡直的位置。Q3和Q4用來提供驅(qū)動電流，由于導通的時候，Q3和Q4相對Vh和GND最低都只有一個Vce的壓降。R5和R6是反饋電阻，用于對gate電壓進行采樣，采樣后的電壓通過Q5對Q1和Q2的基極產(chǎn)生一個強烈的負反饋，從而把gate電壓限制在一個有限的數(shù)值。這個數(shù)值可以通過R5和R6來調(diào)節(jié)。最后，R1提供了對Q3和Q4的基極電流限制，R4提供了對MOS管的gate電流限制，也就是Q3和Q4的Ice的限制。必要的時候可以在R4上面并聯(lián)加速電容。這個電路提供了如下的特性：1，用低端電壓和PWM驅(qū)動高端MOS管?！　?，用小幅度的PWM信號驅(qū)動高gate電壓需求的MOS管。　　3，gate電壓的峰值限制　　4，輸入和輸出的電流限制　　5，通過使用合適的電阻，可以達到很低的功耗。6，PWM信號反相。NMOS并不需要這個特性，可以通過前置一個反相器來解決。第五章 控制電路及顯示電路 控制電路控制電路分為TL494芯片和邏輯電路兩個部分，位置傳感器輸出信號一方面直接送往邏輯電路，用來實現(xiàn)對功率電路三相開關的控制；另一方面經(jīng)過頻率電壓轉換器將頻率信號轉換為電壓信號，而這里的電壓信號有兩個用途：1， 被作為反饋信號送入TL494芯片，與給定值對比來控制輸出PWM波的占空比，繼而控制功率電路主開關的工作。2， 作為顯示電路的輸入信號，經(jīng)過AD轉換器和譯碼器后送入LED顯示器，能即時顯示電動機轉速。具體的系統(tǒng)結構圖如圖51所示圖51 系統(tǒng)結構圖 TL494芯片TL494 是美國德州儀器公司的產(chǎn)品，原是為開關電源設計