數(shù)控機(jī)床一種直流變換器拓?fù)溲芯?/h1>
2014-09-25 12:30:52蔣昌虎洪辰浩
鍛壓裝備與制造技術(shù) 2014年4期
周 鵬 ，蔣昌虎 ，錢 臣 ，洪辰浩
（1.當(dāng)涂縣市場(chǎng)監(jiān)督檢驗(yàn)所，安徽 當(dāng)涂 243100；2.安徽省機(jī)床及刃模具產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，安徽 當(dāng)涂 243100）
1 研究背景
隨著我國裝備制造業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)床行業(yè)也面臨轉(zhuǎn)型升級(jí)。與傳統(tǒng)機(jī)床不同，數(shù)控機(jī)床內(nèi)部芯片眾多，包括傳感器、伺服電機(jī)等，每種芯片要求的電壓可能不盡相同。開關(guān)電源作為一種功率變換模塊，可以對(duì)輸入電源進(jìn)行功率變換，精確得到芯片需要的供電電源，保證機(jī)床正常、平穩(wěn)工作。
DC-DC開關(guān)變換器最常見的三種電路拓?fù)湫问綖椋航祲海˙uck）、升壓（Boost）和降壓-升壓（Buck-Boost）。其中Buck-Boost變換器因其幅度既可比輸入電壓高，也可比輸入電壓低，且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而應(yīng)用廣泛。下面以Buck-Boost為例進(jìn)行理論說明[1]。
2 Buck-Boost電路穩(wěn)態(tài)分析
Buck-Boost電路的輸出電壓幅度可低于或高于輸入電壓。如果將源電壓的負(fù)端作為參考節(jié)點(diǎn)，則輸出電壓的極性與源電壓相反。Buck-Boost電路原理圖如圖1所示，其中S1、S2均為理想開關(guān)。Buck-Boost電路可以在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）和非連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）下工作。連續(xù)導(dǎo)通模式在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，整個(gè)開關(guān)周期內(nèi)都有電流連續(xù)通過電感；而非連續(xù)導(dǎo)通模式下的電感電流是不連續(xù)的，即在開關(guān)周期內(nèi)的一部分時(shí)間電感電流 為 0，且它在整個(gè)周期內(nèi)從0開始，達(dá)到一個(gè)峰值后，再回到0[2-6]。
圖1 Buck-Boost型電路結(jié)構(gòu)
在連續(xù)導(dǎo)通模式下，Buck-Boost電路在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)有兩種工作狀態(tài)[6]，當(dāng)S1閉合、S2斷開時(shí)，為導(dǎo)通（ON），如圖2a所示；當(dāng)S1斷開、S2閉合時(shí)，為斷開（OFF），如圖2b所示。下面分別對(duì)這兩種工作狀態(tài)進(jìn)行分析。
（1）導(dǎo)通。參考圖2a，輸入電壓直接加載在電感兩端，且由于加載的電壓通常必須為定值，因此電感電流線性增加，而所有的輸出負(fù)載電流由輸出電容C提供。其中，“開態(tài)”的時(shí)間設(shè)為ton=d×T，d為控制回路設(shè)定的占空比，代表了開關(guān)在“開態(tài)”的時(shí)間占整個(gè)開關(guān)周期T的比值。如圖2所示。
圖2 Buck-Boost電路等效原理圖
（2）斷開。參考圖2b，由于S1斷開，電感電流減小，電感兩端電壓極性翻轉(zhuǎn)，且其電流同時(shí)提供輸出電容電流和輸出負(fù)載電流。根據(jù)電流流向可知輸出電壓為負(fù)，即與輸入電壓極性相反。因?yàn)檩敵鲭妷簽樨?fù)，因此電感電流是減小的，而且由于加載電壓必須是常數(shù)，所以電感電流線性減小。其中，“關(guān)態(tài)”的時(shí)間設(shè)為d′=1-d，且因?yàn)閷?duì)于連續(xù)導(dǎo)通模式，電路在整個(gè)開關(guān)周期中只有兩種狀態(tài)，因此toff=d′×T。
根據(jù)電感的伏秒平衡關(guān)系，可以得到輸入電壓Vin與輸出電壓Vo關(guān)系：
由上式可見，可以通過調(diào)節(jié)占空比使輸出電壓高于也可低于輸入電壓，但輸出電壓與輸入電壓極性相反。
3 升壓變換器
本文研究一種可用于機(jī)床的直流變換器拓?fù)?，可?shí)現(xiàn)功率變換，且輸出電壓與輸入電壓極性相同，能夠滿足實(shí)際機(jī)床供電電路的應(yīng)用需要。
如圖3所示，輸入電壓為Vin，輸出電壓為Vo，電感分別為L(zhǎng)1、L2。上面輸出電壓為V2，下面輸出電壓為 V1。當(dāng)開關(guān)管 S1、S2閉合，S3、S4斷開時(shí)，輸入電源給電感 L1、L2，充電，電感電流增加，電容 C1、C2對(duì)負(fù)載供電。電感電流增加量：
圖3 直流變換器拓?fù)?/p>
當(dāng)開關(guān)管 S1、S2斷開，S3、S4閉合時(shí)。此時(shí)輸入電源與電感L1串聯(lián)對(duì)電容C1進(jìn)行充電，電感L2單獨(dú)對(duì)電容C2進(jìn)行充電。兩電感電流減少量分別為：
根據(jù)電感的伏秒平衡：
推出輸入輸出關(guān)系：
4 仿真驗(yàn)證
在PSIM軟件中，對(duì)該電路原理進(jìn)行驗(yàn)證，電路參數(shù)如下：輸入電壓Vin=20V，儲(chǔ)能電感L1＝L2=100uF，輸出濾波電容 C1＝C2=200uF。
當(dāng)占空比d=0.6時(shí)，輸出電壓Vo=50V，如圖4所示；當(dāng)占空比d=0.8時(shí)，輸出電壓Vo=100V，如圖5所示。
圖5 占空比d=0.8時(shí)，輸入電壓=20V，輸出電壓Vo=100V
5 小結(jié)
從上述仿真結(jié)果可以看出，輸入電壓和輸出電壓嚴(yán)格滿足之前的數(shù)學(xué)關(guān)系，對(duì)之前的理論推導(dǎo)進(jìn)行驗(yàn)證，可以通過改變占空比達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。通過這一方法，可以利用電容、電感等儲(chǔ)能元件，采用伏秒平衡原理、電容充放電平衡原理構(gòu)造一系列直流變換器拓?fù)洌詽M足機(jī)床電氣系統(tǒng)的調(diào)壓要求。
[1]王鳳巖，許建平.DC/DC開關(guān)電源控制方法小信號(hào)模型比較[J].電力電子技術(shù)，2007，（1）.
[2]張?jiān)簦饺缗e.利用狀態(tài)平均法對(duì)DC/DC變換電路的分析[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2008，（4）.
[3]劉昭和，王樹國，李祥忠.開關(guān)電源的穩(wěn)定性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1993，（6）.
[4]鄭朝霞，鄒雪城，邵 軻，等.電流型PWM DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性分析與實(shí)現(xiàn)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2006，（6）.
[5]曹 暉，岳 慶，陳金亮.基于模糊控制的自動(dòng)加料裝置控制系統(tǒng)研究[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2013，48（6）.
[6]王 珺，魏志國，郭艷君.基于ABAQUS的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床送進(jìn)橫梁模態(tài)分析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2013，48（3）.
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DC-DC開關(guān)變換器最常見的三種電路拓?fù)湫问綖椋航祲海˙uck）、升壓（Boost）和降壓-升壓（Buck-Boost）。其中Buck-Boost變換器因其幅度既可比輸入電壓高，也可比輸入電壓低，且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而應(yīng)用廣泛。下面以Buck-Boost為例進(jìn)行理論說明[1]。
2 Buck-Boost電路穩(wěn)態(tài)分析
Buck-Boost電路的輸出電壓幅度可低于或高于輸入電壓。如果將源電壓的負(fù)端作為參考節(jié)點(diǎn)，則輸出電壓的極性與源電壓相反。Buck-Boost電路原理圖如圖1所示，其中S1、S2均為理想開關(guān)。Buck-Boost電路可以在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）和非連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）下工作。連續(xù)導(dǎo)通模式在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，整個(gè)開關(guān)周期內(nèi)都有電流連續(xù)通過電感；而非連續(xù)導(dǎo)通模式下的電感電流是不連續(xù)的，即在開關(guān)周期內(nèi)的一部分時(shí)間電感電流 為 0，且它在整個(gè)周期內(nèi)從0開始，達(dá)到一個(gè)峰值后，再回到0[2-6]。
圖1 Buck-Boost型電路結(jié)構(gòu)
在連續(xù)導(dǎo)通模式下，Buck-Boost電路在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)有兩種工作狀態(tài)[6]，當(dāng)S1閉合、S2斷開時(shí)，為導(dǎo)通（ON），如圖2a所示；當(dāng)S1斷開、S2閉合時(shí)，為斷開（OFF），如圖2b所示。下面分別對(duì)這兩種工作狀態(tài)進(jìn)行分析。
（1）導(dǎo)通。參考圖2a，輸入電壓直接加載在電感兩端，且由于加載的電壓通常必須為定值，因此電感電流線性增加，而所有的輸出負(fù)載電流由輸出電容C提供。其中，“開態(tài)”的時(shí)間設(shè)為ton=d×T，d為控制回路設(shè)定的占空比，代表了開關(guān)在“開態(tài)”的時(shí)間占整個(gè)開關(guān)周期T的比值。如圖2所示。
圖2 Buck-Boost電路等效原理圖
（2）斷開。參考圖2b，由于S1斷開，電感電流減小，電感兩端電壓極性翻轉(zhuǎn)，且其電流同時(shí)提供輸出電容電流和輸出負(fù)載電流。根據(jù)電流流向可知輸出電壓為負(fù)，即與輸入電壓極性相反。因?yàn)檩敵鲭妷簽樨?fù)，因此電感電流是減小的，而且由于加載電壓必須是常數(shù)，所以電感電流線性減小。其中，“關(guān)態(tài)”的時(shí)間設(shè)為d′=1-d，且因?yàn)閷?duì)于連續(xù)導(dǎo)通模式，電路在整個(gè)開關(guān)周期中只有兩種狀態(tài)，因此toff=d′×T。
根據(jù)電感的伏秒平衡關(guān)系，可以得到輸入電壓Vin與輸出電壓Vo關(guān)系：
由上式可見，可以通過調(diào)節(jié)占空比使輸出電壓高于也可低于輸入電壓，但輸出電壓與輸入電壓極性相反。
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如圖3所示，輸入電壓為Vin，輸出電壓為Vo，電感分別為L(zhǎng)1、L2。上面輸出電壓為V2，下面輸出電壓為 V1。當(dāng)開關(guān)管 S1、S2閉合，S3、S4斷開時(shí)，輸入電源給電感 L1、L2，充電，電感電流增加，電容 C1、C2對(duì)負(fù)載供電。電感電流增加量：
圖3 直流變換器拓?fù)?/p>
當(dāng)開關(guān)管 S1、S2斷開，S3、S4閉合時(shí)。此時(shí)輸入電源與電感L1串聯(lián)對(duì)電容C1進(jìn)行充電，電感L2單獨(dú)對(duì)電容C2進(jìn)行充電。兩電感電流減少量分別為：
根據(jù)電感的伏秒平衡：
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當(dāng)占空比d=0.6時(shí)，輸出電壓Vo=50V，如圖4所示；當(dāng)占空比d=0.8時(shí)，輸出電壓Vo=100V，如圖5所示。
圖5 占空比d=0.8時(shí)，輸入電壓=20V，輸出電壓Vo=100V
5 小結(jié)
從上述仿真結(jié)果可以看出，輸入電壓和輸出電壓嚴(yán)格滿足之前的數(shù)學(xué)關(guān)系，對(duì)之前的理論推導(dǎo)進(jìn)行驗(yàn)證，可以通過改變占空比達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。通過這一方法，可以利用電容、電感等儲(chǔ)能元件，采用伏秒平衡原理、電容充放電平衡原理構(gòu)造一系列直流變換器拓?fù)洌詽M足機(jī)床電氣系統(tǒng)的調(diào)壓要求。
[1]王鳳巖，許建平.DC/DC開關(guān)電源控制方法小信號(hào)模型比較[J].電力電子技術(shù)，2007，（1）.
[2]張?jiān)簦饺缗e.利用狀態(tài)平均法對(duì)DC/DC變換電路的分析[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2008，（4）.
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[4]鄭朝霞，鄒雪城，邵 軻，等.電流型PWM DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性分析與實(shí)現(xiàn)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2006，（6）.
[5]曹 暉，岳 慶，陳金亮.基于模糊控制的自動(dòng)加料裝置控制系統(tǒng)研究[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2013，48（6）.
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