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        基于輸電線路野外遙控設備大功率直流電機的驅(qū)動保護設計方法

        2015-07-31 15:24:48唐小亮甄鴻俊
        中國新技術新產(chǎn)品 2015年2期

        唐小亮 甄鴻俊

        摘 要:以MD1211芯片為功率驅(qū)動核心,驅(qū)動多顆并聯(lián)N溝道增強型場效應管?;贖橋PWM控制原理,利用光電隔離管設計了一種大功率直流電電機驅(qū)動控制電路,該電路能夠很好地滿足直流電機的正反轉(zhuǎn)及連續(xù)調(diào)速控制,同時對電機運行電流的跟蹤測量,對電機異常運行進行保護。運行表明該控制電路功耗低,驅(qū)動能力強,使用靈活。

        關鍵詞:H橋;PWM控制;MOS管并聯(lián);異常保護

        中圖分類號:TM726 文獻標識碼:A

        輸電線路野外遙控設備通常工作在架空輸電線路上,采用塔上或地面遙控操作。這種遠程遙控操作方式因操作人員與設備有一定的距離,不清楚設備的工作狀態(tài),容易出現(xiàn)誤操作。誤操作可能會出現(xiàn)電機堵轉(zhuǎn),電機在堵轉(zhuǎn)時會出現(xiàn)較大的電流。如果不采取電機驅(qū)動保護措施,可能燒斷電源系統(tǒng)保險,這樣整套設備就無法操作控制。因此需要對電機驅(qū)動進行保護設計,在出現(xiàn)誤操作時控制驅(qū)動電路自動保護電機。電機驅(qū)動保護電路因使用環(huán)境的特殊性,需要進行專門的驅(qū)動保護電路設計。

        1 直流電機驅(qū)動原理

        H橋驅(qū)動主要有3種方式。其一為H橋的4個橋臂均使用N溝道增強型MOS管;其二為H橋的4個橋臂均使用P溝道增強型MOS管;其三為上下橋臂分別使用的P溝道增強型MOS管和N溝道增強型MOS管。H橋的4個橋臂均使用N溝道增強型MOS管,如果使電機正轉(zhuǎn)兩個N溝道增強型MOS管完全導通,需要柵極電壓高于源極電壓,因此就要柵極提供電壓大于控制電壓,若控制電壓為VCC,即柵極電必須大于VCC+Vgs,大多電機的的源直接來至VCC,想得到比VCC更高的電位就必須升壓,升壓電路比降壓電中轉(zhuǎn)換效率通常會低,因此4個橋臂均使用N溝道增強型MOS管的H橋我們較少使用。同樣H橋的4個橋臂均使用P溝道增強型MOS管,如果使電機正轉(zhuǎn)兩個P溝道增強型MOS管完全導通,必須使得柵極電壓低于-Vgs,這樣電路控制電壓得使用負壓,負壓往往我們使用升壓DC/DC得到,這樣電源轉(zhuǎn)換效率也相對較低,電源電路也相對較復雜。因此最常用的是上下橋臂分別使用的P溝道增強型MOS管和N溝道增強型MOS管,該電路結合了上述兩種電路的各自優(yōu)點,使用方便。本文主要針對上下橋臂分別使用的P溝道增強型MOS管和N溝道增強型MOS管電路進行設計。

        2 多顆MOS管并聯(lián)

        在大功率驅(qū)動實際應用中,單顆MOS管提供不了需要的大電流,此時我們需要把多顆MOS管并聯(lián)起來應用,這樣很大的電流由多顆MOS管來分擔,單顆MOS管承擔的電流就比較小了,確保了器件安全穩(wěn)定地工作。但是如果應用不當,也會使多顆并聯(lián)的MOS管電流不均衡,甚至損壞某顆MOS管使系統(tǒng)崩潰。

        2.1 MOS管并聯(lián)的可行性分析

        MOS管的內(nèi)阻的溫度特性是隨溫度的升高內(nèi)阻也增大,如果在并聯(lián)過程中由于某種原因?qū)е履愁wMOS管的電流比較大,這顆MOS管會發(fā)熱比較嚴重,內(nèi)阻會升高比較多,電流就會降下來,當電流下降溫度就下降,這樣電流與溫度形成了負反饋,由此可以分析出MOS管有自動均流的特性而易于并聯(lián)。

        2.2 MOS管的并聯(lián)電路

        MOS管理論上可以由N顆并聯(lián),實際MOS管并聯(lián)多了容易引起走線很長,分布電感電容加大,對于高頻電路工作產(chǎn)生不利的影響。下面以三顆N溝道增強型場效應管為例進行說明。并聯(lián)的一般電路圖如圖1所示。

        圖1中,R1,R3,R5為柵極極驅(qū)動電阻,每個MOS管都由獨立的柵極驅(qū)動電阻隔離驅(qū)動,主要是可以防止各個MOS管的寄生振蕩,起到阻尼的作用。柵極極驅(qū)動電阻的取值十分關鍵,最值過小就起不到防止各個MOS管的寄生振蕩的作用,如果取值大了,開關速度會變慢,由于每個MOS管的結電容會有細微的不同,結果取值過大還會導致各個MOS管的導通速度相差比較大,所以柵極極驅(qū)動電阻在能夠防止各個MOS管的寄生振蕩的情況下盡量小到可以滿足開關速度。

        3 電機運行異常保護

        電機的保護方式有很多種,本文從驅(qū)動控制測量講述對電機運行異常的保護。

        采用MAX4372差分信號放大器,MAX4372放在微弱的差分電壓的同時能夠抑制輸入共模電壓,在實際應用中,為降低采樣電阻上的發(fā)熱,一般提高運放的放大倍數(shù),選擇較小的采樣電阻。為使測量準確,首先電源的紋波要盡量的小,線路板電源電路部分布線一定要注意。同時在測量算法上也很重要。在實際應用中,一但測量到電機發(fā)生電流異常時,先作出預警,同時提高采樣速率,進一步的比較判斷如果繼續(xù)異常,作出報警。報警發(fā)生后驅(qū)動電路將控制電機的運行狀態(tài)來對電機進行保護。

        結語

        本文的創(chuàng)新點是設計了帶自保護功能的高速大功率H橋電機驅(qū)動電路,詳細的分析和探討了如何提高驅(qū)動輸出功率及電路穩(wěn)定運行保護一些方法。根據(jù)本文所述的直流電機驅(qū)動電路已設出驅(qū)動電流達100A,電機速度調(diào)節(jié)響應快,PWM點空比調(diào)可在0至1之間任意調(diào)節(jié),電機保護電流及保護時間可設置的驅(qū)動保護電路板,該設計正好解決了廣東電網(wǎng)公司清遠供電局“智能架空輸電線路導、地線帶電清除異物機械手”項目中的電機驅(qū)動保護設計。

        參考文獻

        [1]譚建成.電機控制專用集成電路[M].北京:機械工業(yè)出版社, 1997.

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