基于SG3525的電渦流緩速器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

石助利，蘇成志，徐洪吉

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022)

0 引言

目前電渦流緩速器的控制方式分為機(jī)械式，單片機(jī)式與電子式［1］。由于機(jī)械式控制動(dòng)作緩慢，實(shí)際應(yīng)用較少。單片機(jī)式控制雖然智能，但單片機(jī)容易在高溫復(fù)雜的工作環(huán)境中出現(xiàn)程序跑飛問(wèn)題，造成制動(dòng)失靈，會(huì)帶來(lái)生命危險(xiǎn)。本文為了回避上述兩種控制方式的缺陷，提出電子式新型控制方法。該方法避免了以往電子式控制的單一，不連續(xù)。而且它具有低速限制功能，且隨檔位增加工作制動(dòng)效果增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)適用，同樣可以達(dá)到智能式控制效果。

1 控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由車速信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、檔位信號(hào)加法電路和SG3525主控電路組成。此控制結(jié)構(gòu)是由脈寬調(diào)制(PWM)電路作為控制模塊的核心，它由SG3525調(diào)制出的PWM信號(hào)來(lái)控制緩速器線圈的電流作用強(qiáng)度。在圖1中首先將檔位信號(hào)加法電路產(chǎn)生的信號(hào)與系統(tǒng)設(shè)定參考電壓進(jìn)行比較，在SG3525控制模塊中進(jìn)行誤差放大。將誤差放大信號(hào)與SG3525內(nèi)部的鋸齒波信號(hào)進(jìn)行比較形成對(duì)應(yīng)的PWM信號(hào)，用此PWM信號(hào)去控制功率模塊中的MOSFET的通斷，達(dá)到控制線圈的勵(lì)磁強(qiáng)度。同時(shí)車速信號(hào)轉(zhuǎn)換電路將車速信號(hào)(角速度頻率信號(hào))轉(zhuǎn)換為所需的電壓信號(hào)，再將此信號(hào)與系統(tǒng)設(shè)定的參考電壓進(jìn)行比較(為了實(shí)現(xiàn)低速限制)，來(lái)決定PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)能否輸入到功率模塊電路(主要是MOSFET組成)。當(dāng)PWM信號(hào)通過(guò)時(shí)，根據(jù)檔位自動(dòng)調(diào)節(jié)其占空比達(dá)到調(diào)節(jié)制動(dòng)力矩大小。同時(shí)聯(lián)合ABS信號(hào)控制PWM模塊與功率模塊的通斷實(shí)現(xiàn)防抱死功能。

圖1 系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2.1 檔位信號(hào)電路

本文只針對(duì)具有四檔制動(dòng)的汽車，當(dāng)檔位全部撥通時(shí)信號(hào)輸出最大幅值為24V。為了實(shí)現(xiàn)檔位信號(hào)輸入時(shí)，PWM信號(hào)能夠自動(dòng)根據(jù)其調(diào)整占空比，本文將檔位信號(hào)進(jìn)行求和處理。根據(jù)不同的檔位信號(hào)輸入，可得到幅值不同信號(hào)輸出，這樣就可與設(shè)定的電壓信號(hào)進(jìn)行后續(xù)的作差處理。電路如圖2所示。

根據(jù)信號(hào)的布爾運(yùn)算可知，檔位信號(hào)電路輸出Uo1為

其中RP=R13//R14/R15//R16，由于在數(shù)值上RP=R18//R19，故

當(dāng)檔位全閉合時(shí)，Uo1max≈24V。

圖2 檔位信號(hào)電路

2.2 車速信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

此電路主要將車速信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，與系統(tǒng)設(shè)定的電壓比較控制SG3525的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸出，達(dá)到低速限制功能。電路如圖3所示，電路中采用LM2917進(jìn)行頻壓轉(zhuǎn)換，速度信號(hào)接其1腳。電路關(guān)鍵點(diǎn)在于對(duì)R32和C10的選擇，電阻R32的大小直接影響到圖中U1中3腳的輸出阻抗和紋波電壓，且3腳的輸出電流是內(nèi)部固定的，VO/R32需小于等于此值。電容C10大小取值影響電流誤差，應(yīng)滿足大于50pF。3腳對(duì)應(yīng)的紋波電壓公式為［2］:

其中K為增益常數(shù)，實(shí)際應(yīng)用中通常取1。

在圖3中電容C9的值取決于紋波電壓的大小和實(shí)際應(yīng)用中需要的響應(yīng)時(shí)間。在本系統(tǒng)中，取工作電壓VCC=15V，定時(shí)電容C10=4.7μF，輸出電阻R32=2.8KΩ，K=1，計(jì)算可得輸出電壓Vo與輸入頻率fIN的對(duì)應(yīng)關(guān)系式為:

圖3 車速信號(hào)轉(zhuǎn)換電路

由已知的車速與角速度關(guān)系式w=45.2v得，當(dāng)車速為5km/h時(shí)，對(duì)應(yīng)的頻率fIN≈10Hz，為此設(shè)定的比較器門限電壓為1.95V，當(dāng)車速?zèng)]有達(dá)到5km/h時(shí)，比較器輸出高電平經(jīng)非門后給SG3525的10腳，禁止其輸出PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)從而有低速限制功能。

2.3 PWM 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

在對(duì)功率管驅(qū)動(dòng)時(shí)，采用PWM方式驅(qū)動(dòng)。通過(guò)控制相同周期內(nèi)MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)短達(dá)到控制電渦流緩速器的勵(lì)磁線圈電流的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)分級(jí)控制，電路如圖4所示。圖中采用SG3525的1、2腳誤差放大器構(gòu)成減法電路，產(chǎn)生隨檔位變化，幅值變化的信號(hào)。此信號(hào)與5腳接的振蕩器定時(shí)電容產(chǎn)生的鋸齒波比較產(chǎn)生PWM信號(hào)，用此PWM信號(hào)通過(guò)TLP250控制MOSFET的柵極開(kāi)斷。

圖4 PWM驅(qū)動(dòng)電路

SG3525的產(chǎn)生的振蕩器信號(hào)的頻率為

則可以得出PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率為10kHz。為了實(shí)現(xiàn)圖中TLP250對(duì)MOSFET管驅(qū)動(dòng)時(shí)快速關(guān)斷，需要在MOSFET管的G、E提供一負(fù)的偏壓。由于圖中ZD5兩端為5V，采用15V供電時(shí)，在MOSFET管導(dǎo)通時(shí)，在G、E端產(chǎn)生約+10V的驅(qū)動(dòng)電壓，關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生約－5V的偏壓。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5、圖6、圖7、圖8分別為1～4檔對(duì)應(yīng)下的PWM驅(qū)動(dòng)波形，由示波器截取。從圖上可以看出PWM驅(qū)動(dòng)波形頻率均為10kHz，幅值在－5V～10V之間變化，且占空比隨檔位增大而增大，說(shuō)明渦流線圈上相同時(shí)間內(nèi)電流作用時(shí)間越長(zhǎng)，強(qiáng)度越強(qiáng)。將控制器接到緩速器定子線圈，在不同檔位，不同車速下測(cè)得的線圈兩端電壓，線圈總電流值，如表1所示。

圖5 一檔對(duì)應(yīng)的PWM驅(qū)動(dòng)波形

圖6 二檔對(duì)應(yīng)的PWM驅(qū)動(dòng)波形

圖7 三檔對(duì)應(yīng)的PWM驅(qū)動(dòng)波形

圖8 四檔對(duì)應(yīng)的PWM驅(qū)動(dòng)波形

表1 定子線圈電壓、電流值

4 結(jié)語(yǔ)

從上述的實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)可以看出控制器具有隨汽車檔位增大，達(dá)到控制制動(dòng)的強(qiáng)度越大。而且在相同時(shí)間內(nèi)作用的時(shí)間越長(zhǎng)。在低于10Hz(即5km/h)時(shí)緩速器不制動(dòng)，具有低速限制功能;同時(shí)在四檔檔位全閉合時(shí)，最大制動(dòng)功率約為1195W。

［1］ 羅治中.電渦流緩速器在公交大客車上的應(yīng)用［J］.城市公共交通，2003(1):19－21.

［2］ 齊永利.LM2907頻率/電壓轉(zhuǎn)換器原理及其應(yīng)用［J］.國(guó)外電子元器件，2005(5):71－72.

［3］ 孫薇.基于PIC單片機(jī)的六擋調(diào)控電渦流緩速器的設(shè)計(jì)［J］.今日電子，2005(8):68－70.