楊 鵬

(1.核工業(yè)理化工程研究院，天津 300180；2.國防科技工業(yè)核材料技術(shù)創(chuàng)新中心，天津 300180)

圖1 控制電源(a)和驅(qū)動電源(b)的設(shè)計圖Fig.1 Design schematic illustration of control power (a) and drive power (b)

高速無刷直流電機具有體積小、效率高、能量密度大等諸多優(yōu)點，因此已被選為高速旋轉(zhuǎn)機械的驅(qū)動電源備選方案之一。由于技術(shù)敏感性，美國、Uranco、俄羅斯均對該項技術(shù)禁止出口。由于一般的高速旋轉(zhuǎn)機械空間很小，因此在目前的高速無刷直流電機控制系統(tǒng)中，電機驅(qū)動電源與控制電源使用同一供電裝置，以達(dá)到在實現(xiàn)功能的同時減少控制系統(tǒng)的體積，使之小型化，以便達(dá)到適用于高速旋轉(zhuǎn)機械的目的。但在實驗中發(fā)現(xiàn)，采用同一供電方式易出現(xiàn)電源信號的串?dāng)_，進(jìn)而導(dǎo)致高速旋轉(zhuǎn)機械失效[1]。

如何將兩種電源合理分立，保證控制系統(tǒng)完成控制高速無刷直流電機的任務(wù)，且不影響其他電路的結(jié)構(gòu)是一個難題。其難點在于放置電路板的空間很小，將兩種電源分立會增大占用空間，甚至超出可使用面積[2-3]。因此，既要對兩種電源進(jìn)行分立，又要在有限空間內(nèi)設(shè)計出新的電路板結(jié)構(gòu)，保證電機正常運行。

考慮到高速旋轉(zhuǎn)機械穩(wěn)定運行的特殊要求，本文擬進(jìn)行電機驅(qū)動電源與控制電源的分立設(shè)計，以便將電機驅(qū)動電源與控制電源有效分離，并對電源控制系統(tǒng)的信號處理系統(tǒng)、信號分配系統(tǒng)和電源保護(hù)系統(tǒng)等進(jìn)行重新設(shè)計，使其體積更小、功率更低、電源無串?dāng)_且穩(wěn)定可靠。重新設(shè)計的電源控制系統(tǒng)要達(dá)到以下要求：1) 在不擾亂所有信號正常運行的情況下，改變原有的信號處理方式；2) 使獲得的霍爾信號按順序譯碼成為IGBT門極的導(dǎo)通信號；3) 保證電機驅(qū)動電源與控制電源分離后，電路中各信號不出現(xiàn)串?dāng)_，能單獨、穩(wěn)定地分別控制電機和控制系統(tǒng)，并保證在非手調(diào)的狀態(tài)下，維持電壓和電流在合理的范圍內(nèi)，即合理地設(shè)置電壓和電流的保護(hù)電路[4]。

1 電機驅(qū)動電源與控制電源的分立設(shè)計

控制電源和電機驅(qū)動電源的設(shè)計圖示于圖1。

通過上述設(shè)計可使電機控制電源直接提供12 V電源，而電機驅(qū)動電源直接提供0～100 V電源，這樣既可避免電機控制電源使用高電壓導(dǎo)致其過壓燒毀，也可使電機控制電源部分的布線更加精細(xì)[5-7]。對于電機驅(qū)動電源，設(shè)計分立電源后可使電機驅(qū)動電壓大幅提升，突破原來的12 V的限制，其電壓驅(qū)動范圍可達(dá)到0～100 V。

由于放置電路板的空間很小，將原有電源分立成電機驅(qū)動電源和控制電源后，占據(jù)空間會超出原有設(shè)計空間，導(dǎo)致分立電源后的電路板無法放置在原有空間，因此需對電路板的其他部分進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計改進(jìn)。

2 信號處理系統(tǒng)的改進(jìn)

電機驅(qū)動電源與控制電源分立設(shè)計前，原信號處理系統(tǒng)由于電源采用公用設(shè)計，電源和信號捕獲系統(tǒng)融為一體。這樣設(shè)計的優(yōu)點是節(jié)省空間，但如果出現(xiàn)問題不能根據(jù)模塊化原則迅速找到故障點的位置[8]。采用分立電源設(shè)計后，可將信號捕獲系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)也相應(yīng)單獨設(shè)計。由于信號捕獲系統(tǒng)受分立電源的影響較小，而且也滿足使用要求，可不進(jìn)行改進(jìn)，沿用上一版本的設(shè)計；而信號處理系統(tǒng)要從捕獲系統(tǒng)中獨立出來，需重新設(shè)計[9-11]。

根據(jù)模塊化設(shè)計原則，需將信號處理系統(tǒng)計成一個部分。本文設(shè)計的信號處理系統(tǒng)示于圖2。

改進(jìn)后的信號處理系統(tǒng)可使從上三橋獲取的3路信號進(jìn)入J7中分別處理，而其他3路直接從下三橋引出。

3 信號分配系統(tǒng)的改進(jìn)

信號處理系統(tǒng)改進(jìn)后會影響到信號分配系統(tǒng)[12-13]，因此，原有信號分配系統(tǒng)也需重新設(shè)計。本文所設(shè)計的信號分配系統(tǒng)示于圖3。

圖3 信號分配系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計圖Fig.3 Design schematic illustration of improved signal distribution system

由圖3可見，從信號處理系統(tǒng)引出的6路控制信號(上三橋和下三橋)都合理地引入到IGBT中，在不同時段以特定的順序合理觸發(fā)IGBT的門極，使控制信號得到正確分配，無刷直流電機三相繞組順序?qū)?，?qū)動電機逆時針運轉(zhuǎn)[14]。

4 電源保護(hù)系統(tǒng)的改進(jìn)

在分立電源后，電源保護(hù)系統(tǒng)需重新設(shè)計以滿足新的控制系統(tǒng)的要求，其中電容和電阻的組合用來引導(dǎo)超過額定值的電流離開高速無刷直流電機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)給電機斷電的功能[15]。電源保護(hù)系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計圖示于圖4。

圖4 保護(hù)部分改進(jìn)設(shè)計圖Fig.4 Design schematic illustration of improved power protecting system

5 改進(jìn)設(shè)計前后控制電流與驅(qū)動電流的對比

對改進(jìn)設(shè)計前后的高速無刷直流電機系統(tǒng)進(jìn)行對比實驗，分別選取輸入電壓1、2、4、8、12、15、50、60、70、80、90、100 V，對比改進(jìn)設(shè)計前后的控制電流和驅(qū)動電流，結(jié)果列于表1、2。

表1 改進(jìn)設(shè)計前的控制電流與驅(qū)動電流Table 1 Control current and drive current before improvement design

表2 改進(jìn)設(shè)計后的控制電流與驅(qū)動電流Table 2 Control current and drive current after improvement design

由表1可見，改進(jìn)設(shè)計前，驅(qū)動電源和控制電源均使用0～100 V的輸入電壓進(jìn)行供電,當(dāng)輸入電壓超出12 V后，會出現(xiàn)控制電源的電路過載，導(dǎo)致高速無刷直流電機停機；而輸入電壓不足8 V時，會出現(xiàn)驅(qū)動電源的電路欠載，導(dǎo)致高速無刷直流電機不能啟動。

由表2可見，改進(jìn)設(shè)計后，電機控制電源的電壓范圍為0～12 V，驅(qū)動電源的電壓范圍為0～100 V。它們單獨控制各自的電路，不會出現(xiàn)控制電源的電路過載及驅(qū)動電源的電路欠載的情況，電機正常運轉(zhuǎn)。

6 結(jié)論

1) 通過對高速無刷直流電機驅(qū)動電源和控制電源的分立，解決了信號串?dāng)_問題。

2) 通過模塊化設(shè)計，獨立設(shè)計了信號處理系統(tǒng)，實現(xiàn)了高速無刷直流電機控制系統(tǒng)6路控制信號的正確處理。

3) 本文設(shè)計的高速無刷直流電機分立電源控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了控制電源的精細(xì)化控制及驅(qū)動電源的寬幅輸出，解決了所驅(qū)動高速旋轉(zhuǎn)機械的失效問題。