智能電壓跟隨制動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)

王占友何琳

（海軍工程大學(xué)振動(dòng)與噪聲研究所船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室武漢430033）

智能電壓跟隨制動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)

王占友何琳

（海軍工程大學(xué)振動(dòng)與噪聲研究所船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室武漢430033）

電阻耗能制動(dòng)在電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用。但在以電池供電的電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)中，供電系統(tǒng)的母線電壓會(huì)隨著電池電量的下降而下降，而電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)又具有寬電壓范圍工作的特性，從而導(dǎo)致定電壓耗能制動(dòng)控制系統(tǒng)不能很好地隨著母線電壓的下降及時(shí)起到控制母線電壓驟升的作用。針對(duì)這種情況，論文提出了一種智能電壓跟隨制動(dòng)方案，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)判斷直流母線電壓，動(dòng)態(tài)跟蹤母線電壓的變化，及時(shí)調(diào)整耗能制動(dòng)保護(hù)電壓閾值，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)保護(hù)電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的目的。結(jié)果表明，論文提出的智能電壓跟隨制動(dòng)方案，能夠有效解決定電壓耗能制動(dòng)控制系統(tǒng)存在的不足，在寬母線電壓范圍內(nèi)能夠很好地起到保護(hù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的作用。

耗能制動(dòng)；智能電壓跟隨；電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

Class NumberTP23

1 引言

現(xiàn)代電力電子技術(shù)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，逆變器、伺服驅(qū)動(dòng)器等在電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用，并且均配有制動(dòng)系統(tǒng)［1～7］。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的供電一般分為兩類，一類是恒定電壓供電，例如市電220V和380V供電的電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)，這類系統(tǒng)的特點(diǎn)是供電電壓恒定，電壓波動(dòng)不大；另一類是電池供電的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這類系統(tǒng)的特點(diǎn)是供電的電壓會(huì)由于電池能量的損耗逐漸降低，只有當(dāng)電池的電壓下降到一定程度時(shí)，驅(qū)動(dòng)器才停止工作，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)可以在這個(gè)寬電壓范圍內(nèi)正常工作［8～10］。在這兩類系統(tǒng)中，電機(jī)均在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)和發(fā)電機(jī)狀態(tài)兩種工作狀態(tài)下切換，當(dāng)拖動(dòng)系統(tǒng)處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，電能由電源流向電動(dòng)機(jī)，當(dāng)拖動(dòng)系統(tǒng)處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，此時(shí)電能由電機(jī)流向驅(qū)動(dòng)器，形成的回饋電流會(huì)通過(guò)驅(qū)動(dòng)器開(kāi)關(guān)管的吸收回路流向直流母線，如圖1所示，對(duì)母線的支撐電容短時(shí)間內(nèi)快速充電，電容的電荷快速增多，造成直流母線電壓快速上升，如果不及時(shí)將過(guò)剩的電能釋放掉，極有可能威脅電機(jī)控制器的安全，甚至燒毀電機(jī)控制器。

但目前市場(chǎng)上只有放電電壓閾值恒定的耗能制動(dòng)裝置，當(dāng)把這種制動(dòng)裝置應(yīng)用于變電壓供電系統(tǒng)時(shí)，由于保護(hù)電壓閾值恒定，只能按最高電壓來(lái)確定，當(dāng)母線電壓下降較多時(shí)，這種耗能制動(dòng)裝置就不能夠及時(shí)反應(yīng)母線電壓的快速上升，不能及時(shí)將母線電壓控制在母線電壓的當(dāng)前水平，會(huì)造成母線電壓的快速上升，當(dāng)上升到母線電壓原有的最大值時(shí)，才啟動(dòng)放電保護(hù)，耗掉過(guò)剩的電能，這會(huì)造成母線電壓在短時(shí)間內(nèi)大范圍地變化，極有可能威脅系統(tǒng)的安全，造成系統(tǒng)工作的不穩(wěn)定，因此需要研制一種電壓跟隨制動(dòng)裝置來(lái)解決該問(wèn)題。

2 總體方案

智能電壓跟隨制動(dòng)裝置如圖2所示。該單元由隔離濾波模塊，母線電壓、電流采樣模塊，功率管溫度采樣模塊，信號(hào)采集調(diào)理模塊，過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)溫保護(hù)模塊，通信模塊，驅(qū)動(dòng)模塊，看門狗模塊，中央處理器模塊，制動(dòng)單元主回路模塊組成。

中央處理器模塊是整個(gè)裝置的核心，負(fù)責(zé)采集母線電壓、電流的數(shù)值，判斷直流母線的當(dāng)前最新?tīng)顟B(tài)，及時(shí)修正放電的電壓閾值，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流母線電壓的動(dòng)態(tài)跟蹤；處理過(guò)壓、過(guò)流及過(guò)溫信號(hào)，及時(shí)啟動(dòng)保護(hù)機(jī)制，防止燒毀裝置；當(dāng)系統(tǒng)確認(rèn)直流母線過(guò)壓時(shí)，啟動(dòng)放電系統(tǒng)，防止母線電壓的過(guò)度上升；通過(guò)總線與整個(gè)控制系統(tǒng)通信，及時(shí)將電壓、電流及本裝置的一些狀態(tài)參數(shù)傳送給整個(gè)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息共享。

當(dāng)前母線電壓的獲取采用雙冗余的方案，即通過(guò)兩種方法獲得母線的當(dāng)前電壓，可有效防止由于一些故障導(dǎo)致母線電壓的漏判及誤判。兩種方法為

1）制動(dòng)單元通過(guò)采樣電流信號(hào)來(lái)判斷電機(jī)的工作狀態(tài)，當(dāng)電流正向流動(dòng)時(shí)，即電流采樣值為正時(shí)，說(shuō)明當(dāng)電機(jī)處于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，此時(shí)存儲(chǔ)當(dāng)前電壓值V1作為計(jì)算放電電壓的閾值的基值，放電電壓的計(jì)算公式為

2）通過(guò)驅(qū)動(dòng)器判斷電機(jī)的工作狀態(tài)，通過(guò)總線讀取驅(qū)動(dòng)器測(cè)得的母線電壓作為當(dāng)前直流母線電壓值V2。

中央處理器通過(guò)對(duì)比V1和V2的大小及前一時(shí)刻的值，確定當(dāng)前母線的電壓值。

1）采樣電路的設(shè)計(jì)

電壓和電流的采樣采用電流型霍爾傳感器，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電和弱電的分離，同時(shí)由于電流型傳感器具有更好的抗干擾能力，可有效提高系統(tǒng)的抗干擾能力，保證系統(tǒng)的安全。由于霍爾傳感器輸出的是電流，需要將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為弱電壓信號(hào)，再通過(guò)放大調(diào)理，將傳感器的信號(hào)送到中央處理器的A/D轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集。具體電路如圖3所示。

圖中的電阻R1將霍爾傳感器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后，輸入信號(hào)幅值調(diào)理電路，調(diào)理電路由兩個(gè)反相器組成，第一個(gè)反相器調(diào)理信號(hào)的大小，第二個(gè)反相器增益為1，主要功能是將第一級(jí)輸出的信號(hào)再反相還原，最后送到處理器的A/D進(jìn)行采集。如果采樣電壓信號(hào)，只需將圖2中的電阻R1去掉即可。

2）制動(dòng)單元主回路的設(shè)計(jì)

制動(dòng)單元主回路設(shè)計(jì)為斬波電路的形式，如圖4所示，圖中R是耗能電阻，D是續(xù)流二極管，開(kāi)關(guān)管選擇IGBT。其工作原理為當(dāng)控制電路得到啟動(dòng)信號(hào)后，通知驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出高頻方波信號(hào)控制IGBT的開(kāi)關(guān)，當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，母線通過(guò)制動(dòng)電阻和開(kāi)關(guān)管形成導(dǎo)通回路，電能消耗在電阻上，當(dāng)IGBT關(guān)閉時(shí)，二極管D與制動(dòng)電阻形成閉合回路，開(kāi)始續(xù)流，防止電壓過(guò)高燒毀IGBT。IGBT兩端并聯(lián)無(wú)感電容，形成吸收回路，吸收電壓尖峰，防止IGBT被擊穿。

3）驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路采用UC3843B設(shè)計(jì)。該芯片是高性能固定頻率電流模式控制器，專為離線和直流至直流變換器應(yīng)用而設(shè)計(jì)，具有可微調(diào)的振蕩器、能進(jìn)行精確的占空比控制、溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖?、高增益誤差放大器、電流取樣比較器和大電流圖騰柱式輸出，是驅(qū)動(dòng)功率IGBT的理想器件。同時(shí)還具有良好的保護(hù)特性，包括輸入和參考欠壓鎖定，逐周電流限制、可編程輸出靜區(qū)時(shí)間和單個(gè)脈沖測(cè)量鎖存。其內(nèi)部原理如圖5所示，芯片引腳功能說(shuō)明如表1。

根據(jù)本裝置的功能需求，設(shè)計(jì)如圖6所示的驅(qū)動(dòng)電路。芯片的1腳和2腳串接有R10和C7組成的放大器補(bǔ)償電路，提高放大器的反應(yīng)速度，同時(shí)將2腳通過(guò)電阻R26直接接地，也就是將芯片內(nèi)部的誤差放大器負(fù)端輸入置零。3腳的功能是電流取樣，將該引腳通過(guò)電阻R32上拉至電源電壓VCC，同時(shí)接至三極管T3的集電極端，三極管的射極接地，基極接控制信號(hào)，通過(guò)控制信號(hào)的高低可以將3腳的電平在0和VCC之間進(jìn)行切換，從而達(dá)到控制6腳驅(qū)動(dòng)脈沖輸出的目的。4腳是RT/CT端，通過(guò)在該引腳接入電阻和電容來(lái)控制驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率和脈寬，電阻的另一端要接8腳，電容的另一端接地，驅(qū)動(dòng)脈沖頻率的計(jì)算公式為

本電路電阻R15阻值滿足大于5K的條件，因此可以用此式來(lái)估算驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率。6腳和8腳均接2個(gè)去耦合電容。驅(qū)動(dòng)脈沖6腳串10Ω的電阻后驅(qū)動(dòng)功率管，同時(shí)將驅(qū)動(dòng)端加一去耦合電容，防止干擾串入導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管的誤動(dòng)作。

4）軟件設(shè)計(jì)

軟件流程設(shè)計(jì)采用循環(huán)和中斷相結(jié)合的方式。在循環(huán)中，軟件完成通信、采樣、母線電壓的判斷等，而過(guò)流、過(guò)熱、過(guò)欠壓及過(guò)載故障均采用中斷機(jī)制，當(dāng)故障到來(lái)時(shí)，及時(shí)中斷當(dāng)前的程序進(jìn)入中斷處理程序，保證系統(tǒng)響應(yīng)的及時(shí)性。軟件工作流程如圖7所示。

表1 UC3843B外圍引腳功能

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)本文方案研制了樣機(jī)，并進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)方法為：采用交流調(diào)壓器模擬電池電量逐漸下降的過(guò)程，輸出電壓隨之下降，交流調(diào)壓器的輸出接整流濾波電路，將交流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鞴┙o電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，在電壓下降過(guò)程中的不同點(diǎn)反復(fù)測(cè)試電機(jī)制動(dòng)時(shí)母線電壓的變化情況，結(jié)果表明，本文研制的裝置能夠跟隨母線電壓的變化實(shí)時(shí)調(diào)整放電電壓閾值，從而在電機(jī)制動(dòng)對(duì)直流母線充電時(shí)，及時(shí)將多余的電能通過(guò)外接大功率電阻消耗掉，將母線電壓穩(wěn)定在當(dāng)前值，效果良好。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)目前耗能制動(dòng)裝置放電電壓閾值不能靈活調(diào)整，應(yīng)用于寬電壓范圍工作的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)母線電壓下降較多時(shí)，由于制動(dòng)不及時(shí)容易造成母線電壓大幅振蕩，從而影響驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)安全的問(wèn)題，提出了一種智能電壓跟隨制動(dòng)解決方案。給出了詳細(xì)設(shè)計(jì)方案，研制了樣機(jī)，并進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證。結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的電壓跟隨制動(dòng)裝置，能夠自動(dòng)判別并跟蹤母線電壓的變化，及時(shí)調(diào)整放電電壓閾值以跟蹤母線電壓，從而當(dāng)變電壓工作的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，本裝置能夠及時(shí)做出反應(yīng)，將制動(dòng)產(chǎn)生的多余電能及時(shí)消耗掉，將母線電壓控制在當(dāng)前水平，從而很好地保護(hù)了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)安全。

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Design of Intelligent Voltage Following Brake

WANG ZhanyouHE Lin
（NationalKeyLaboratoryonShipVibration&Noise，Instituteof Noise&Vibration，Naval Universityof Engineering，Wuhan 430033）

The resistance energy consumption braking mode through resist has been adopted widely in motor drive system.But in the motor drive system which is powered by batteries，the bus voltage will fall with the decline of battery level，while the motor driver can work normally，thus the fixed voltage energy consumption brake can't work well，it can't control the bus voltage with the decline of battery level.In this case，this paper proposes an intelligent voltage following brake design，it can adjust voltage threshold of discharge of electricity with the decline of bus voltage，thus the motor drive system can be protected perfectly.As a result，the design of intelligent voltage following brake proposed in this paper can make up for the shortage of the fixed voltage energy consumption brake，it can work within the wide bus voltage range.

energy consumption brake，intelligent voltage following，motor driver

TP23

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.07.040

2017年1月9日，

2017年2月27日

王占友，男，博士后，工程師，研究方向：檢測(cè)與控制。何琳，男，碩士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：振動(dòng)與噪聲控制。