湯勝林

摘 要：針對需要在兩種不同供電電壓下工作的油泵電機(jī)控制器，本文從設(shè)計思想和電路原理上論述了雙供電體制下無刷直流電機(jī)控制器的設(shè)計，并通過試驗驗證。

關(guān)鍵詞：雙供電體制 無刷電機(jī)控制器 設(shè)計

1概述

在野外很多時候需要有一種能同時工作在兩種不同直流電壓下的電機(jī)及控制器，如果設(shè)計成兩種電機(jī)及控制器勢必造成浪費，操作上也會很麻煩。因此，設(shè)計一種能同時工作在兩種不同電壓下的電機(jī)及控制器很有必要。

某野外作業(yè)隊的工作環(huán)境中同時存在直流工作電壓12V和24V，要求分別在兩種電壓工作體制下，電機(jī)能以某種恒定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，帶動油泵工作，提供穩(wěn)定流量的燃油。

2 設(shè)計思想及原理

針對上述12V和24V兩種直流電壓體制，電機(jī)以28V的單一電壓體制進(jìn)行設(shè)計，從電路上實現(xiàn)將不同電壓的轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的28V電壓體制給電機(jī)供電，從而實現(xiàn)雙供電體制的電機(jī)控制器設(shè)計。

首先，采用boost升壓電路將12V或24V直流輸入電壓進(jìn)行升壓，作為直流無刷電機(jī)的母線工作電壓。一方面，通過輸出電壓采樣反饋給控制電路進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)輸出電壓；另一方面，通過采樣電機(jī)的電流反饋給控制電路進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)輸出電壓。通過調(diào)節(jié)母線電壓實現(xiàn)直流無刷電機(jī)的穩(wěn)速。由專用控制集成電路和高壓集成驅(qū)動電路組合完成對無刷電機(jī)的控制。

3 設(shè)計實現(xiàn)

3.1 boost升壓電路

該電路將輸入12V/24V直流電壓升壓至28V，實現(xiàn)兩種供電電壓轉(zhuǎn)換成單一母線電壓輸出，給無刷直流電機(jī)供電。V4、V5防反接，比較器U4D主要功能是實現(xiàn)12V供電電壓的欠壓保護(hù)，當(dāng)輸入電壓小于11V時，比較器U4D輸出高電平，PWM發(fā)生器U2輸出關(guān)斷，升壓電路停止工作，此時輸出電壓與輸入電壓保持一致，母線電壓明顯偏低。此時電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，出油量將明顯減少，提醒操作人員更換供電電源（蓄電池）。

當(dāng)母線電壓為24V時，U2輸出PWM的占空比為10%左右，當(dāng)母線電壓為12V時，電路U2輸出PWM的占空比為40%左右。當(dāng)供電電壓為12V低電壓時，為維持輸出電壓不變，PWM發(fā)生器的PWM占空比增加，此時升壓電路中的功率管V8導(dǎo)通時間增加，功率管功耗會明顯增加，因此，該功率管須采取良好的散熱措施。

3.2 驅(qū)動控制電路

由boost升壓電路輸出的28V電壓作為母線電壓給功率驅(qū)動電路供電，驅(qū)動無刷電機(jī)工作。

由于該電機(jī)的功率約為250W，在12V供電電壓下，工作電流超過20A，因此采用雙N型功率驅(qū)動電路。控制電路采用電機(jī)控制專用集成電路MC33035和單片驅(qū)動集成電路IR2130組成，對電機(jī)進(jìn)行控制，可實現(xiàn)電機(jī)正、反轉(zhuǎn)，調(diào)速，過流保護(hù)功能。采用驅(qū)動電路IR2130則省去了隔離驅(qū)動所需的3路獨立電源，簡化控制方案及產(chǎn)品的體積。

無刷直流電機(jī)專用控制芯片（MC33035），具有使能控制（啟動或停止）、正反轉(zhuǎn)控制和能耗制動控制功能，內(nèi)部測速器構(gòu)成閉環(huán)調(diào)試系統(tǒng)。具有過流保護(hù)、欠壓保護(hù)等功能。

單片驅(qū)動集成電路（IR2130），集控制電路、電平轉(zhuǎn)換、低阻抗輸出和識別保護(hù)等為一體，不僅能承受600V的高壓，而且能允許地線瞬時達(dá)5V。自舉技術(shù)使該電路能夠懸浮驅(qū)動功率場效應(yīng)管，避免采用多路電源轉(zhuǎn)換器的隔離驅(qū)動方法，大大減小了產(chǎn)品的體積。

電路IR2130采用了自舉技術(shù)，自舉電容能夠以一定的頻率進(jìn)行沖動及放電。而且只有在上橋臂功率管的源極電位低于充電電源電壓時才能夠進(jìn)行充電。因此，上橋臂功率管采用自舉電路形式驅(qū)動時，應(yīng)采用上橋臂換相邏輯調(diào)試方式。在啟動過程中，當(dāng)上橋臂功率管處于關(guān)斷狀態(tài)時，能形成自舉電容的充電通路，完成啟動過程。

電機(jī)工作在油中，壓力信號從電機(jī)本體部分反饋，用于調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)電機(jī)電流過大時，電流采用信號反饋給升壓電路的控制器調(diào)節(jié)28V母線電壓，也可以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

控制電路使用了IR2130的過流保護(hù)功能，即當(dāng)電機(jī)過流時，IR2130輸出關(guān)斷，需要重新加電時才可以工作。電機(jī)電流采樣后的電壓，經(jīng)一級放大后作為過流保護(hù)輸入信號，再經(jīng)過一級放大后作為28V母線電壓的反饋電壓信號。這兩處的放大參數(shù)需要合理調(diào)整，保證母線電壓的反饋電壓信號始終作用在過流保護(hù)電壓信號的前面。過流保護(hù)電路的參數(shù)通過調(diào)試確定，在電機(jī)啟動時電流較大，需保證啟動時不會因過流保護(hù)而使IR2130輸出關(guān)斷。

電機(jī)在兩種供電電壓體制下的工作電流如下表：

4 結(jié)束語

本文采用boost升壓電路將兩種不同規(guī)格的供電電壓轉(zhuǎn)換為單一的直流電壓給無刷電機(jī)供電并結(jié)合電機(jī)控制電路對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。對于需要在兩種供電電壓體制下工作的無刷電機(jī)來說，本文提出了一種較好的解決方案。

參考文獻(xiàn)：

1. 鄭瓊林 耿文學(xué) 電力電子電路精選 北京：電子工業(yè)出版社 1996年10月第一版

2. 集成電路手冊分編委會 集成電路數(shù)據(jù)手冊 北京：電子工業(yè)出版社 1989年5月第一版

3. 孫立志 PWM與數(shù)字化電動機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用 北京：中國電力出版社2008年1月第一版