電機(jī)控制器中的CMOS電路節(jié)能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李翠翠

摘 要： 為了提高電機(jī)控制器的輸出功率增益，增強(qiáng)電機(jī)的節(jié)能性和控制穩(wěn)定性，提出基于CMOS數(shù)字集成電路進(jìn)行電機(jī)控制器的節(jié)能電路優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。電機(jī)控制器的電路設(shè)計(jì)主要由交流放大電路、濾波電路、電壓溫漂抑制電路和微調(diào)電路等模塊組成，采用CMOS電壓控制放大器作為核心器件，提高電機(jī)控制器輸出基準(zhǔn)的穩(wěn)定性。通過電路模塊化分析和集成化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制器優(yōu)化設(shè)計(jì)。電路測試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的電機(jī)控制器具有較高的輸出增益，電機(jī)輸出效率得到提高。

關(guān)鍵詞： 電機(jī)控制器； CMOS； 放大器； 節(jié)能設(shè)計(jì)； 輸出功率增益

中圖分類號： TN433?34； TN710 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）18?0177?04

Energy saving design and implementation of CMOS circuit in motor controller

LI Cuicui1，2

（1. School of Electronic Information， Wuhan University， Wuhan 430072， China；

2. Department of Electronic Engineering， Liuzhou Railway Vocational Technical College， Liuzhou 545616， China）

Abstract： In order to improve the output power gain of motor controller， and enhance the energy saving ability and control stability of motor， a design scheme of optimizing the energy saving circuit of motor controller based on CMOS digital integrated circuit is proposed. The circuit design of the motor controller includes the modules such as AC amplifying circuit， filtering circuit， voltage drift suppression circuit and tuning circuit. The CMOS voltage controlled amplifier is used as the core device to improve the stability of the output reference of motor controller. The optimization design of motor controller was realized by means of circuit modular analysis and integrated design. The circuit test results show that the motor controller has high output gain， and can improve the output efficiency of motor.

Keywords： motor controller； CMOS； amplifier； energy saving design； gain of output power

0 引 言

電機(jī)是機(jī)電一體化系統(tǒng)的重要組成單元，也是大型電氣機(jī)組設(shè)備的重要子系統(tǒng)。電機(jī)是依靠電機(jī)控制器來調(diào)節(jié)電機(jī)的輸入/輸出電壓和功率。結(jié)合電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制逆變器，優(yōu)化電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和輸出功率調(diào)節(jié)[1]。電機(jī)的種類很多，按工作方式主要分為軸流式立軸電機(jī)、離心式壓力軸電機(jī)、永磁無刷電機(jī)等[2]，電機(jī)的傳動系統(tǒng)依靠電機(jī)控制器來實(shí)現(xiàn)直流傳動和變頻傳動。可見，電機(jī)控制器是電機(jī)的核心單元，通過電機(jī)控制器的優(yōu)化節(jié)能電路設(shè)計(jì)，能提高電機(jī)的輸出穩(wěn)定性，改善電機(jī)的工作效能，研究電機(jī)控制器的節(jié)能設(shè)計(jì)方法受到人們重視。本文設(shè)計(jì)的電機(jī)控制器電路建立在CMOS放大器件為基本單元的數(shù)字集成電路基礎(chǔ)上，通過電路模塊化子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成化綜合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制器的電路設(shè)計(jì)改進(jìn)，最后進(jìn)行電路測試，得出有效性結(jié)論。

1 總體設(shè)計(jì)方案

基于CMOS的電機(jī)控制系統(tǒng)是建立在電磁感應(yīng)式電能傳輸模型基礎(chǔ)上，為了實(shí)現(xiàn)對電機(jī)控制器的優(yōu)化節(jié)能設(shè)計(jì)，需要首先分析電機(jī)控制器的工作原理，電機(jī)控制器的輸出電壓通過能量變換和能量分流，以電磁場為媒介進(jìn)行電能傳輸，通過電磁感應(yīng)線圈控制供電頻率，實(shí)現(xiàn)對不同用電器的節(jié)能控制和能量調(diào)理，提高電機(jī)輸出功率和電能的傳輸效率。為了提高電機(jī)控制的傳輸功率和傳輸效率，還需要進(jìn)行電磁共振的能量模型構(gòu)建，設(shè)計(jì)交流放大電路和濾波電路，形成高頻共振的線圈序列[3]，通過控制器控制電能驅(qū)動電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制，電機(jī)控制器的工作原理結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

根據(jù)上述工作原理，進(jìn)行電機(jī)控制器的電路設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)構(gòu)架分析，電機(jī)控制器的電路設(shè)計(jì)主要由交流放大電路、濾波電路、電壓溫漂抑制電路和微調(diào)電路等模塊組成，設(shè)計(jì)的控制器的技術(shù)指標(biāo)需要滿足：輸入電壓為220～360 V，電機(jī)放大模塊的溫漂小于3 ppm/℃，模擬電源供電的輸出誤差小于1 mV，系統(tǒng)微調(diào)輸出電壓可調(diào)范圍在[±5%]，CMOS交流放大器產(chǎn)生輸出范圍為0～5 V的雙路電壓信號，采用CMOS電壓控制放大器作為核心器件，AD8674為4通道高性能運(yùn)放，OUTD管腳輸出電壓為0～5 V。根據(jù)上述設(shè)計(jì)指標(biāo)分析和器件選擇，由此得到電機(jī)控制器中的CMOS電路節(jié)能設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)框圖構(gòu)架如圖2所示。endprint

2 控制器的輸出參量優(yōu)化計(jì)算

為了實(shí)現(xiàn)對電機(jī)控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，需要進(jìn)行輸入/輸出參量優(yōu)化設(shè)計(jì)，電機(jī)控制器的輸出線圈序列采用的是磁共振電能傳輸模式。在電路設(shè)計(jì)中，采用電壓控制CMOS器件作為放大器件，采用一塊 C8051 單片機(jī)作為核心控制單元。在控制器的電路模型中，當(dāng)電機(jī)控制器的三維正交低頻線圈處于諧振狀態(tài)時(shí)，控制器可以接收多個(gè)諧振信號，電壓控制放大器的諧振角頻率為[ω0]。假設(shè)發(fā)射線圈直流等效電流為[Ip]，諧振電路的諧振頻率一定時(shí)，則電機(jī)控制器的交流放大線圈1電流有效值為[Is]，根據(jù)湯姆遜公式[4]，得到CMOS電路的直流等效電流[Ir]、負(fù)載[Ro]控制內(nèi)部諧振的電流有效值[Io]分別為：

[Is=ω0MpsIpRs+Zsr] （1）

[Ir=ω20MpsIpRs+Zrl] （2）

[Io=MrlIrLo] （3）

內(nèi)部諧振電容采用雙頻段工作模式[5]，電機(jī)控制的級聯(lián)放大模塊采用運(yùn)放AD8674將其控制高壓轉(zhuǎn)為低電壓輸出，得到共振線圈的反射阻抗為[Zrl]：

[Zrl=MrlRoL2l-jω0M2rlLl] （4）

為了增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在并聯(lián)情況下，引入反射阻抗[Zrl]，[Zsr]，[Zps]，進(jìn)行高通濾波和低通濾波，反射阻抗分別為：

[Zrl=MrlRoL2l] （5）

[Zsr=ω20M2srMrlRoL2l+Rr] （6）

[Zps=ω20M2psZsr] （7）

在電機(jī)控制的主控芯片上采用iCouple變壓器作為隔直流放大器[6]，進(jìn)行功率放大，此時(shí)電機(jī)的輸出功率為：

[Po=ω40M2psM2srM2rlL2lI2pRo（ω20M2srL2l+RsRrL2l+RsRoM2rl）2] （8）

電機(jī)的電能傳輸效率為：

[η=PoI2p（Zps+Rp）?ω40M2psM2srM2rlL2lI2pRoh1（ω20M2srL2lRr+ω20M2psM2rlRo+h1Rp）] （9）

式中：[h1=ω20M2srL2l+RsRrL2l+RsRoM2rl]。采用高通濾波器和低通濾波器，提高電機(jī)控制器的瞬態(tài)共模抑制力，采用多通道Coupler數(shù)字隔離器判斷電機(jī)傳輸電能的進(jìn)出門過程，得到電機(jī)控制器的高通濾波和低通濾波性能曲線如圖3和圖4所示。

根據(jù)圖3和圖4 的濾波特性曲線分析得知，電機(jī)控制器的內(nèi)部諧振電容設(shè)計(jì)成串聯(lián)模式，采用低頻喚醒功能控制內(nèi)部諧振電容組的值，此時(shí)系統(tǒng)輸出功率為：

[Po=I2oRo=ω20M2psM2srM2rlI2pRoM2srRs+M2srRo+RsRrRoω202] （10）

通過上述參量模型優(yōu)化，提高了電機(jī)控制器的輸入電流、負(fù)載、諧振頻率的均衡控制能力，使用電源分流裝置進(jìn)行電機(jī)的輸出電能均衡配置[7]，得到輸出功率的互感優(yōu)化值為：

[M=ω20M2rlRs+RsRrRoω20Ro] （11）

采用雙頻段諧振并聯(lián)控制，提高電機(jī)輸出的傳輸效率，傳輸效率的優(yōu)化互感值為：

[M=h2（ω40M2psM2rl+ω20M2psRoRr+Rph2）ω40RpR2o14] （12）

式中，[h2=ω20M2rlRs+RsRrRo]。

3 控制器的電路設(shè)計(jì)

在電機(jī)控制器電路的設(shè)計(jì)中，采用CMOS集成電路設(shè)計(jì)方法，對系統(tǒng)的交流放大電路、濾波電路、電壓溫漂抑制電路和微調(diào)電路的模塊進(jìn)行詳細(xì)的電路設(shè)計(jì)分析，首先給出電機(jī)控制器的電能傳輸原理圖如圖5所示。

圖5 電機(jī)控制器的電能傳輸原理圖

結(jié)合圖5分析得知，控制器的交流放大電路采用耦合電容C進(jìn)行交流耦合，給出交流放大電路輸出信號直流分量為：

[VDC=νARV] （13）

由于[VDC]是隨參數(shù)不斷變化的，在電容充電完畢后，耦合電容C前輸入隔直流信號，使用交流耦合DC基線恢復(fù)器避免基線漂移。在CMOS放大器中通過電阻R流向電容[CC]，在三極管[Q1]斷開后，應(yīng)用有限元方法計(jì)算得到電機(jī)控制器的電磁耦合裝置的漏感和勵(lì)磁電感[8]，為了減少線圈窗口的渦流損失，增進(jìn)系統(tǒng)的傳輸效率，設(shè)計(jì)初級保護(hù)電路和次級電路，對電容[CC]進(jìn)行自緩沖基線恢復(fù)設(shè)計(jì)，當(dāng)電機(jī)控制器處于閉環(huán)狀態(tài)，采用ASK 信號接收器產(chǎn)生喚醒信號。采用Blackfin系列的3DC1515S?0477J耦合控制進(jìn)行三維正交低頻控制，提高電機(jī)的整流性能，整流電路采用4個(gè)二極管組成16位數(shù)據(jù)的輸入/輸出電路，輸出電機(jī)控制信號到電機(jī)組，在通用PPI模式下進(jìn)行電磁耦合控制， PPI與A/D芯片接口根據(jù)A/D進(jìn)行控制信號的微調(diào)，得到電機(jī)控制器的CMOS等效電路如圖6所示。在根據(jù)圖6建立等效電路后，進(jìn)行電機(jī)控制器的CMOS集成電路設(shè)計(jì)優(yōu)化，由于電機(jī)控制器的電壓增益主要由負(fù)載、頻率決定，采用初、次級磁芯電磁耦合分布式設(shè)計(jì)提高電機(jī)的發(fā)電效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性，得到電機(jī)控制器的電壓增益為：

[GV=ReqZ3?Z2Z1=（ac-bd）2+（bc+ad）2-12] （14）

等效電路的各部分阻抗比為：

[ReqZ3=ReqReq+Zs] （15）

[Z2Z1=Zm（Req+Zs）Zp（Req+Zm+Zs）+Zm（Req+Zs）] （16）

據(jù)此，在通用PPI模式下進(jìn)行電機(jī)控制器的CMOS接口設(shè)計(jì)，在初級側(cè)和次級側(cè)設(shè)置完DMA參數(shù)，在控制器的A/D時(shí)鐘輸入中進(jìn)行低電平轉(zhuǎn)換，得到電機(jī)控制器的PPI接口設(shè)計(jì)如圖7所示。

為了減少交流放大電路和濾波電路之間的干擾和電壓溫度漂移，需要進(jìn)行溫度漂抑制電路設(shè)計(jì)。溫度漂抑制電路采用模擬12 V供電，輸出電平為3.3 V，采用10 [μF]，0.1 [μF]和0.001 [μF]三種電容進(jìn)行隔直流濾波，實(shí)現(xiàn)溫度漂抑制。得到溫度漂抑制電路設(shè)計(jì)如圖8所示。最后在PCB環(huán)境下進(jìn)行電機(jī)控制器的CMOS集成電路設(shè)計(jì)，通過電路模塊化分析和集成化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制器優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 實(shí)驗(yàn)測試分析

為了測試本文設(shè)計(jì)的電機(jī)控制器電路性能，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試分析，采用UCC389型CMOS集成器件組成全橋電機(jī)控制電路，給出測試參數(shù)見表1。

其中偏芯控制在10 mm以內(nèi)，共振線圈之間的互感值分別為1.25 [μH]，0.92 [μH]，0.43 [μH]。

根據(jù)上述測試參量設(shè)定，分析本文設(shè)計(jì)的電機(jī)控制電路的輸出功率和效率，得到結(jié)果如圖9所示。

分析圖9結(jié)果得知，采用本文方法進(jìn)行電機(jī)控制器設(shè)計(jì)，具有較高的輸出功率增益，輸出效率在較大的負(fù)載下仍能穩(wěn)定到95.75%，說明設(shè)計(jì)的電機(jī)控制器具有較大的帶載能力，輸出功率增益較高，電機(jī)性能較好。

5 結(jié) 語

為了增強(qiáng)電機(jī)的節(jié)能性和控制穩(wěn)定性，本文提出基于CMOS數(shù)字集成電路進(jìn)行電機(jī)控制器的節(jié)能電路優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。電機(jī)控制器的電路設(shè)計(jì)主要由交流放大電路、濾波電路、電壓溫漂抑制電路和微調(diào)電路等模塊組成，采用CMOS電壓控制放大器作為核心器件，提高電機(jī)控制器輸出基準(zhǔn)的穩(wěn)定性。電路測試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的電機(jī)控制器具有較高的輸出功率增益和效率，實(shí)現(xiàn)電機(jī)節(jié)能設(shè)計(jì)。

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