基于SG3525汽車電渦流緩速器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

石助利，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）

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 脈寬調(diào)制SG3525簡(jiǎn)介

SG3525為電流控制型PWM控制器，它是通過(guò)反饋電流來(lái)調(diào)節(jié)信號(hào)脈寬的，內(nèi)部原理框圖與DIP封裝如圖1所示。在脈寬比較器的輸入端直接用流過(guò)輸出電感線圈的信號(hào)與誤差放大器輸出信號(hào)進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流隨電壓變化為變化。

主要性能特點(diǎn)如下所示：

1.工作電壓：8～35V；

2.內(nèi)置5.1V±1.0%的基準(zhǔn)電壓源；

3.芯片內(nèi)振蕩器工作頻率寬100Hz～400kHz；

4.死區(qū)時(shí)間可調(diào)。為了適應(yīng)驅(qū)動(dòng)快速場(chǎng)效應(yīng)管的需要，末級(jí)采用推拉式工作電路，使開(kāi)關(guān)速度更陜，末級(jí)輸出或吸入電流最大值可達(dá)400mA；

5.內(nèi)置PWM(脈寬調(diào)制)。鎖存器將比較器送來(lái)的所有的跳動(dòng)和振蕩信號(hào)消除。只有在下一個(gè)時(shí)鐘周期才能重新置位，系統(tǒng)的可靠性高。

圖1 內(nèi)部原理框圖與封裝圖Fig.1 Internal schematic diagram and package diagram

直流電源Vs從腳15接入后分兩路，一路加到或非門；另一路送到基準(zhǔn)電壓穩(wěn)壓器的輸入端，產(chǎn)生穩(wěn)定的元器件作為電源。振蕩器腳5須外接電容CT，腳6須外接電阻 RT。振蕩器頻率廠由外接電阻RT和電容CT決定，振蕩器的輸出分為兩路，一路以時(shí)鐘脈沖形式送至雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及兩個(gè)或非門；另一路以鋸齒波形式送至比較器的同相輸入端，比較器的反向輸入端接誤差放大器的輸出，誤差放大器的輸出與鋸齒波電壓在比較器中進(jìn)行比較，輸出一個(gè)隨誤差放大器輸出電壓高低而改變寬度的方波脈沖，再將此方波脈沖送到或非門的一個(gè)輸入端?；蚍情T的另兩個(gè)輸入端分別為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和振蕩器鋸齒波。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個(gè)輸出互補(bǔ)，交替輸出高低電平，將PwM脈沖送至三極管VT1及 VT2的基極，鋸齒波的作用是加入死區(qū)時(shí)間，保證 VT1及VT2不同時(shí)導(dǎo)通。最后，VTl及VT2分別輸出相位相差為180°的PWM波［2］。

2 控制器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)如圖2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2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2 系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Principle block diagram of the system

2.2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2.2.1 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。檔位信號(hào)為開(kāi)關(guān)控制的模擬信號(hào)，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3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

當(dāng)檔位全閉合時(shí)，Uo1max≈24V。

圖3 檔位信號(hào)電路Fig.3 Stall signal circuit

2.2.2 車速信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

此電路處理信號(hào)為較經(jīng)濟(jì)的SZMB-5型磁電式轉(zhuǎn)速傳感器采集的車速信號(hào)，此信號(hào)為矩形脈寬信號(hào)。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4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［3］：

圖4 車速信號(hào)轉(zhuǎn)換電路Fig.4 Speed signal conversion circuit

圖中的轉(zhuǎn)換輸出電壓值為：

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=4.7F，輸出電阻R32=2.8K，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：

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。

圖5 PWM驅(qū)動(dòng)電路Fig.5 PWM driver circuit

圖6 一檔對(duì)應(yīng)的PWM驅(qū)動(dòng)波形Fig.6 PWM drive waveform corresponding to the first gear

圖7 二檔對(duì)應(yīng)的PWM驅(qū)動(dòng)波形Fig.7 PWM drive waveform corresponding to the second gear

圖8 三檔對(duì)應(yīng)的PWM驅(qū)動(dòng)波形Fig.8 PWM drive waveform corresponding to the third gear

圖9 四檔對(duì)應(yīng)的PWM驅(qū)動(dòng)波形Fig.9 PWM drive waveform corresponding to the fourth gear

2.2.3 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5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、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。

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)

實(shí)驗(yàn)中用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生車速的仿真信號(hào)用于實(shí)驗(yàn)。圖6、圖7、圖8、圖9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，幅值在之間變化，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。

表1 定子線圈電壓、電流值Tab.1 Stator coil voltage and current values

4 結(jié)論

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］梅開(kāi)鄉(xiāng).基于脈寬調(diào)制器SG3525的一種新型車載電源設(shè)計(jì)［J］.電子工程師，2006（6）:32.

［3］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.