【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(diǎn)，因此，這種功率變換器方案只適用于偶數(shù)相的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)。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(dāng)S1關(guān)斷時(shí)，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(zhuǎn)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(qiáng)迫續(xù)流迅速衰減直至關(guān)斷。因電容量不可能很大，所以這種單向通電方式的中點(diǎn)點(diǎn)位不穩(wěn)定，尤其SR電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，中點(diǎn)點(diǎn)位變動(dòng)顯著。這種運(yùn)行方式適用于SR電動(dòng)機(jī)高速運(yùn)行。2. 兩相通電方式AB、BC、CD、DA兩相同時(shí)通電，循環(huán)導(dǎo)通工作。若SS3開通，則A、B兩相串聯(lián)流過電流，若S1關(guān)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(shí)現(xiàn)一次換相，接著S1關(guān)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(shí)現(xiàn)又一次換相。這樣周而復(fù)始，始終有兩相繞組同時(shí)導(dǎo)通，且同時(shí)導(dǎo)通的兩相對(duì)中點(diǎn)來講左右對(duì)稱，所以這種兩相通電方式，中點(diǎn)點(diǎn)位比較穩(wěn)定。 中點(diǎn)懸空型功率電路圖43所示為中點(diǎn)懸空型功率電路，該電路每相只有一個(gè)開關(guān)元件，但工作時(shí)同時(shí)給兩相通電，當(dāng)給A、D兩相通電時(shí)，SS4開通，其余都為斷開，需要換相時(shí)，S1斷開,S4保持開通、S2開通，S3保持?jǐn)嚅_，這時(shí)為給B,D兩相通電，而A相通過VD1續(xù)流,當(dāng)再次換相時(shí)使D相斷開，C相導(dǎo)通，這時(shí)為給B、C兩相通電，如此下去每次都同時(shí)有兩相通電，換相時(shí)關(guān)斷一相同時(shí)開通另一相，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)。圖43 中點(diǎn)懸空型功率電路 公共開關(guān)型功率電路圖44為公共開關(guān)型功率電路，比電源裂相式增加了1個(gè)公共開關(guān)S，減少了3個(gè)續(xù)流二極管。圖44 公共開關(guān)型功率電路公共開關(guān)S為一只工作在開關(guān)狀態(tài)的電力電子元件，不過它的通斷不受位置傳感信號(hào)控制，而是按照1個(gè)固定頻率周期性地通斷。這一點(diǎn)與受位置傳感信號(hào)控制的相開關(guān)S1,S2,S3截然不同。公共開關(guān)的作用一時(shí)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(guān)S，改變S的通態(tài)時(shí)間，即改變占空比，使相繞組平均電壓改變，實(shí)現(xiàn)SR電動(dòng)機(jī)的調(diào)速目的。因此這種具有公共開關(guān)的功率電路控制轉(zhuǎn)速的方法是應(yīng)用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速。共公開關(guān)與相開關(guān)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(dǎo)通，相繞組續(xù)流，有VD1和S構(gòu)成續(xù)流通路。S斷，S1通，則VD1截止，VD導(dǎo)通，相繞組經(jīng)VD續(xù)流。S斷，S1斷，則VDVD均導(dǎo)通，相繞組經(jīng)VD電容及VD續(xù)流。公共開關(guān)型功率電路的特點(diǎn)是電路簡單控制方便，但作為公共開關(guān)的電力電子元件，其功率比相開關(guān)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(jī)為3相結(jié)構(gòu)，故不能采用中點(diǎn)懸空型和采用裂相式直流電源型功率電路。比較不對(duì)稱半橋型電路和共公開關(guān)型電路，對(duì)于小功率SR電動(dòng)機(jī)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(guān)的開通占空比來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使控制方法大為簡化。所以本設(shè)計(jì)中采用的是公共開關(guān)型功率電路。如圖45所示圖45公共開關(guān)型功率電路整流電路的進(jìn)線為三相三線電路，采用三相橋式不可控整流電路，由六個(gè)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(duì)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(jī)時(shí)為C1，C2提供放電回路的作用。 開關(guān)器件的選則SR電動(dòng)機(jī)功率變換器的主開關(guān)器件選擇與電動(dòng)機(jī)的功率等級(jí)、供電電壓、峰值電流、成本等有關(guān)；另外還與主開關(guān)器件本身的開關(guān)速度、觸發(fā)難易、開關(guān)損耗、抗沖擊性、耐用性、并聯(lián)運(yùn)行的難易性、峰值電流定額的比值大小及市場普及性有關(guān)。就當(dāng)前電力電子技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀而苦，有普通晶閘管，可關(guān)斷晶閘(G1D)．電力晶體管(GTR)、功率MOS場效應(yīng)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(qiáng)，能承受很大的浪涌電流，但其無自天斷能力，需設(shè)胃專門的換相電路，這就造成整機(jī)線路復(fù)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(diǎn)，如耐壓高、電流大、浪涌能力強(qiáng)和造價(jià)便直等；同州又具有GTR的一些優(yōu)點(diǎn)，如具有自關(guān)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(shì)。但GTO也有許多缺點(diǎn)，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(fù)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(shì)。GTR的丌火頻率(25kHz)較高，正向壓降小，導(dǎo)通及關(guān)斷控制十分方便，近年來GTR實(shí)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(yīng)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(hù)較困難，驅(qū)動(dòng)功率大，因此限制了其在高壓、大功率場合的應(yīng)用。MOSFET是一種單極型的電壓控制器件，具有驅(qū)動(dòng)功率小、驅(qū)動(dòng)電路簡單、開關(guān)速度快(開關(guān)時(shí)間為10100ns)、無二次擊穿問題、安全工作區(qū)寬等顯著優(yōu)點(diǎn)。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(diǎn)，IGBT為電壓驅(qū)動(dòng)器件，開關(guān)頻率高及抗干擾能力強(qiáng)，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(jié)構(gòu)簡單。目前已取代了原來GTR的市場，成為SRD的主導(dǎo)功率器件。本設(shè)計(jì)中，SR電機(jī)功率為200W，我們?cè)诘诙乱呀?jīng)做過計(jì)算，1500r/min時(shí)開關(guān)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(shè)計(jì)中采用MOSFET管作為開關(guān)器件。 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)跟雙極性晶體管相比，一般認(rèn)為使MOS管導(dǎo)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(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接地時(shí)的情況（低端驅(qū)動(dòng)），只要柵極電壓達(dá)到4V或10V就可以了。這個(gè)很容易做到，但是，我們還需要速度?！　≡贛OS管的結(jié)構(gòu)中可以看到，在GS，GD之間存在寄生電容，而MOS管的驅(qū)動(dòng)，實(shí)際上就是對(duì)電容的充放電。對(duì)電容的充電需要一個(gè)電流，因?yàn)閷?duì)電容充電瞬間可以把電容看成短路，所以瞬間電流會(huì)比較大。選擇/設(shè)計(jì)MOS管驅(qū)動(dòng)時(shí)第一要注意的是可提供瞬間短路電流的大小。　第二注意的是，普遍用于高端驅(qū)動(dòng)的NMOS，導(dǎo)通時(shí)需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅(qū)動(dòng)的MOS管導(dǎo)通時(shí)源極電壓與漏極電壓（VCC）相同，所以這時(shí)柵極電壓要比VCC大4V或10V。如果在同一個(gè)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(jī)驅(qū)動(dòng)器都集成了電荷泵，要注意的是應(yīng)該選擇合適的外接電容，以得到足夠的短路電流去驅(qū)動(dòng)MOS管。上邊說的4V或10V是常用的MOS管的導(dǎo)通電壓，設(shè)計(jì)時(shí)當(dāng)然需要有一定的余量。而且電壓越高，導(dǎo)通速度越快，導(dǎo)通電阻也越小。現(xiàn)在也有導(dǎo)通電壓更小的MOS管用在不同的領(lǐng)域里，但在12V電子系統(tǒng)里，一般4V導(dǎo)通就夠用了?，F(xiàn)在的MOS驅(qū)動(dòng)，有幾個(gè)特別的需求，1，低壓應(yīng)用當(dāng)使用5V電源，這時(shí)候如果使用傳統(tǒng)的圖騰柱結(jié)構(gòu)。這時(shí)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(yīng)用輸入電壓并不是一個(gè)固定值，它會(huì)隨著時(shí)間或者其他因素而變動(dòng)。這個(gè)變動(dòng)導(dǎo)致PWM電路提供給MOS管的驅(qū)動(dòng)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(qiáng)行限制gate電壓的幅值。在這種情況下，當(dāng)提供的驅(qū)動(dòng)電壓超過穩(wěn)壓管的電壓，就會(huì)引起較大的靜態(tài)功耗。同時(shí)，如果簡單的用電阻分壓的原理降低gate電壓，就會(huì)出現(xiàn)輸入電壓比較高的時(shí)候，MOS管工作良好，而輸入電壓降低的時(shí)候gate電壓不足，引起導(dǎo)通不夠徹底，從而增加功耗。3，雙電壓應(yīng)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(gè)電壓采用共地方式連接。這就提出一個(gè)要求，需要使用一個(gè)電路，讓低壓側(cè)能夠有效的控制高壓側(cè)的MOS管，同時(shí)高壓側(cè)的MOS管也同樣會(huì)面對(duì)1,2中的問題。在這種情況下，圖騰柱結(jié)構(gòu)無法滿足輸出要求，而很多現(xiàn)成的MOS驅(qū)動(dòng)IC，似乎也沒有包含gate電壓限制的結(jié)構(gòu)。于是我設(shè)計(jì)了一個(gè)相對(duì)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(dòng)電路Vl和Vh分別是低端和高端的電源，兩個(gè)電壓可以是相同的，但是Vl不應(yīng)該超過Vh。Q1和Q2組成了一個(gè)反置的圖騰柱，用來實(shí)現(xiàn)隔離，同時(shí)確保兩只驅(qū)動(dòng)管Q3和Q4不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通。R2和R3提供了PWM電壓基準(zhǔn)，通過改變這個(gè)基準(zhǔn)，可以讓電路工作在PWM信號(hào)波形比較陡直的位置。Q3和Q4用來提供驅(qū)動(dòng)電流，由于導(dǎo)通的時(shí)候，Q3和Q4相對(duì)Vh和GND最低都只有一個(gè)Vce的壓降。R5和R6是反饋電阻，用于對(duì)gate電壓進(jìn)行采樣，采樣后的電壓通過Q5對(duì)Q1和Q2的基極產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)烈的負(fù)反饋，從而把gate電壓限制在一個(gè)有限的數(shù)值。這個(gè)數(shù)值可以通過R5和R6來調(diào)節(jié)。最后，R1提供了對(duì)Q3和Q4的基極電流限制，R4提供了對(duì)MOS管的gate電流限制，也就是Q3和Q4的Ice的限制。必要的時(shí)候可以在R4上面并聯(lián)加速電容。這個(gè)電路提供了如下的特性：1，用低端電壓和PWM驅(qū)動(dòng)高端MOS管。　　2，用小幅度的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)高gate電壓需求的MOS管?！　?，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(dá)到很低的功耗。6，PWM信號(hào)反相。NMOS并不需要這個(gè)特性，可以通過前置一個(gè)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(gè)部分，位置傳感器輸出信號(hào)一方面直接送往邏輯電路，用來實(shí)現(xiàn)對(duì)功率電路三相開關(guān)的控制；另一方面經(jīng)過頻率電壓轉(zhuǎn)換器將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，而這里的電壓信號(hào)有兩個(gè)用途：1， 被作為反饋信號(hào)送入TL494芯片，與給定值對(duì)比來控制輸出PWM波的占空比，繼而控制功率電路主開關(guān)的工作。2， 作為顯示電路的輸入信號(hào)，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換器和譯碼器后送入LED顯示器，能即時(shí)顯示電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖51所示圖51 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 TL494芯片TL494 是美國德州儀器公司的產(chǎn)品，原是為開關(guān)電源設(shè)計(jì)