喬建江

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第54研究所,河北石家莊 050081)

天氣雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)中PWM保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

喬建江

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第54研究所,河北石家莊 050081)

介紹了天氣雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)中直流PWM泵升電壓電路限制技術(shù),泵升電壓形成的原理以及泵升電壓限制電路的原理,并結(jié)合工程設(shè)計(jì)中具體的直流PWM天線伺服控制系統(tǒng)對(duì)泵升電壓限制電路的參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算。較好的解決了供電電源的“泵升電壓”對(duì)直流PWM伺服系統(tǒng)影響。實(shí)際應(yīng)用表明,該天線伺服控制系統(tǒng)PWM保護(hù)電路設(shè)計(jì)是合理、成功的。

PWM;泵升電壓;IGBT;伺服系統(tǒng)

在直流伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,現(xiàn)在普遍使用直流PWM功率放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)帶動(dòng)天線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因?yàn)镻WM伺服系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率較高,僅靠電樞電感的濾波作用就能足以獲得脈動(dòng)很小的直流電流,電樞電流容易連續(xù),系統(tǒng)的低速運(yùn)行平穩(wěn),調(diào)速范圍寬,輸出電流波形較好,所以電機(jī)的損耗和發(fā)熱都較小。同樣由于PWM開(kāi)關(guān)頻率高,與快速響應(yīng)的電機(jī)相配合,系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶,大大提高伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗干擾能力,能夠很好滿足伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的指標(biāo)要求。但是PWM型變換器[1]的整流環(huán)節(jié)為二極管不可控整流器,電網(wǎng)對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的能量供給是單向的,這樣可以減少調(diào)速系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)功率因素的影響,但是當(dāng)電機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)著而突然減速時(shí),儲(chǔ)存在旋轉(zhuǎn)電樞和負(fù)載中的一部分動(dòng)能,要反饋到功率轉(zhuǎn)換電路中。而所儲(chǔ)存的能量常常超過(guò)電機(jī)減速時(shí)所需要的能量,且在這段減速期間,電動(dòng)機(jī)要向功率轉(zhuǎn)換電路傳輸能量。如果不能解決好這些能量的流向問(wèn)題,整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法正常工作。所以在設(shè)計(jì)的某大型天線PWM伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中,由于PWM驅(qū)動(dòng)功率較大,供電電源的“泵升電壓”對(duì)PWM伺服系統(tǒng)影響很大,為了伺服系統(tǒng)安全運(yùn)行,更好地保護(hù)功率放大器本身不受損壞,根據(jù)以上特點(diǎn)設(shè)計(jì)了PWM功率放大器的保護(hù)電路。

1 “泵升電壓”的形成原理

PWM直流伺服系統(tǒng)三相整流如圖1所示。

圖1 PWM直流伺服系統(tǒng)三相整流

由圖1中可以看到,因?yàn)槿嗾麟娐分卸O管的不可逆性,電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)構(gòu)和天線的能量不可能回饋到電網(wǎng)。脈寬調(diào)速系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)天線高速旋轉(zhuǎn),當(dāng)電動(dòng)機(jī)突然減速或制動(dòng)時(shí),儲(chǔ)存在電機(jī)旋轉(zhuǎn)電樞和負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)的一部分動(dòng)能,將變成電能,并通過(guò)PWM回饋到伺服三相整流電源的直流側(cè),由于不可以回饋電能到電網(wǎng),只好對(duì)濾波電容C1充電,讓電容來(lái)儲(chǔ)存回饋的能量,同時(shí)引起功率轉(zhuǎn)換電路供電電源母線上的電壓升高,即稱(chēng)為“泵升電壓”。由于電容一般不消耗能量,假如讓電容C1全部積累回饋的能量,會(huì)使直流側(cè)電壓升的很高,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出大功率器件和電容的耐壓范圍,這樣勢(shì)必會(huì)造成大功率器件或儲(chǔ)能元件的損壞,而且也將需要很大的電容量,并不能適應(yīng)負(fù)載慣量變化的需要,因而在設(shè)計(jì)的伺服系統(tǒng)中僅靠增加電容C1的值來(lái)限制泵升電壓是不宜的。設(shè)計(jì)的伺服系統(tǒng)中正常整流后的電壓是160VDC,PWM功率放大器的最高耐壓值為200VDC,泵升電壓可能超過(guò)40VDC,由于泵升電壓范圍小,故很容易造成PWM功率放大器的損壞,這是不允許的,因此須采取保護(hù)措施,讓回饋的能量耗散掉,保證PWM功率放大器在使用中的安全。

2 “泵升電壓”限制電路原理

圖2 典型的泵升電壓限制電路(PWM保護(hù)電路)

圖2是典型的泵升電壓限制電路示意圖,電阻R1和R2組成高阻分壓器。運(yùn)算放大器工作于比較器狀態(tài),參考電壓V ref為門(mén)限電壓,加到運(yùn)放的反相端,Ua加到正相端。當(dāng)電機(jī)在正常轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),Ua小于V ref,V T1(IGB T)不導(dǎo)通;而當(dāng)電壓高到使Ua大于U ref時(shí),比較器輸出為正,V T1(IGB T)導(dǎo)通,電容通過(guò)RL泄流。

泵升電壓保護(hù)電路是由絕緣柵晶體管V T1(IGBT)和電阻RL構(gòu)成的一個(gè)能量泄放電路(如圖2),其設(shè)計(jì)必須考慮到兩個(gè)方面,一方面是泵升電壓不能過(guò)高,必須低于電容和大功率器件的電壓額定值,另一方面是泵升電壓保護(hù)電路動(dòng)作時(shí)不能使直流側(cè)的電壓降的過(guò)低,必須等于或高于正常工作時(shí)的直流側(cè)電壓Ud。一般情況下,當(dāng)直流側(cè)電壓U d大于正常工作時(shí)的直流側(cè)電壓Ud的130%,打開(kāi)IGBT,電容C1通過(guò)電阻RL泄流,使回饋能量消耗在電阻RL上,使直流側(cè)電壓Ud下降,當(dāng)直流側(cè)電壓Ud降到正常工作時(shí)的直流側(cè)電壓U d的110%時(shí)關(guān)斷IGBT,從而保證直流側(cè)電壓U d在正常的工作范圍內(nèi)。

3 “泵升電壓”限制電路參數(shù)設(shè)計(jì)

結(jié)合具體應(yīng)用的電路介紹如何選擇計(jì)算泵升電壓限制電路的參數(shù)。

3.1 電容C1的參數(shù)設(shè)計(jì)

前面已經(jīng)介紹在電動(dòng)機(jī)制動(dòng)過(guò)程中電容是儲(chǔ)存回饋能量,而且無(wú)論從提高效率、電源濾波,還是抑制泵升電壓考慮,選擇較大電容值都是有利的。但是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,必須對(duì)反饋能量進(jìn)行預(yù)測(cè),考慮其他元件的耐壓值,不能無(wú)限增大電容值,必須合理選擇儲(chǔ)能電容C1的電容值。在工程設(shè)計(jì)中儲(chǔ)能電容的參數(shù)一般按如下規(guī)則選擇,耐壓值應(yīng)高于正常工作狀態(tài)的直流側(cè)電壓,并留一定的余量,如果直流側(cè)電壓為200V,那電容器的耐壓值可選則450V;電容器兼有儲(chǔ)能和濾波的作用,但考慮到儲(chǔ)能的作用是主要的,一般以此計(jì)算電容值。對(duì)于某一特定的系統(tǒng),電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、制動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)短、電動(dòng)機(jī)和變換器的等效電阻是已知的,或者可以通過(guò)計(jì)算得到。在設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中的總慣量(折算到電機(jī)軸)Jges為0.14kg·m2,電機(jī)最高轉(zhuǎn)速n為2kr/min,電樞電阻Ra為0.432Ω,電機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)KT為0.057kg·m/A,電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)KE為57.2V/kr·min-1,系統(tǒng)減速時(shí)的瞬時(shí)反饋電流大約40A,

U smax指的是電源端最高電壓(包括泵升電壓),實(shí)際系統(tǒng)中為200VDC;Us指的是電源的額定工作電壓,實(shí)際系統(tǒng)中為160VDC;Uf指的是反饋能量引起的泵升電壓,實(shí)際系統(tǒng)中為40VDC。由反饋能量計(jì)算公式[1]可以算出反饋能量為:

從上面可以看出假如沒(méi)有泄放電路的泄流作用,儲(chǔ)能電容的取值可以取很大值,這在實(shí)際系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)中根本是不可能的,但是實(shí)際設(shè)計(jì)中有泵升電壓的保護(hù)電路,回饋的機(jī)械能有部分從分流支路泄放掉,所以電容值可以選小些,綜合考慮選擇了10000uF、450VDC的電容。

3.2 耗散電阻RL的阻值計(jì)算

對(duì)能量耗散電阻RL的阻值的計(jì)算和選擇,必須能降低最大短期平均反饋電流,使得算出系統(tǒng)減速時(shí)的瞬時(shí)反饋電流值(按瞬時(shí)反饋功率概念),大約40A左右,由文獻(xiàn)[1]的公式Us不超過(guò)Usmax的,根據(jù)實(shí)驗(yàn)可以估算出能量耗散電阻阻值為:

實(shí)際設(shè)計(jì)系統(tǒng)中考慮了電源端最高電壓(包括泵升電壓)可能有誤差,為了安全起見(jiàn),選擇的耗散電阻值為20Ω。

3.3 瀉放電路中晶體管IGBT的選擇

泵升保護(hù)管IGBT的額定值選取應(yīng)該與PWM的晶體管的額定值相近,因?yàn)樵诰w管開(kāi)通時(shí),要流過(guò)大部分電流。泵升保護(hù)的目的是要限制直流側(cè)的電壓升高,并使儲(chǔ)能濾波電容C取值適當(dāng),泵升保護(hù)的思想是將電容儲(chǔ)存的電能在電阻RL上消耗掉。在我們的伺服系統(tǒng)中選取了日本IN TSUBTISH I電子公司的M 100DY-12H型號(hào)的IGBT模塊,該模塊內(nèi)部有兩路獨(dú)立的、功能完全一致的電路。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)由于IGBT是電壓型驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)器件,有一個(gè)電容性輸入阻抗,雖然輸入阻抗很大,但是IGBT對(duì)柵極電荷聚集非常敏感,所以驅(qū)動(dòng)電路必須很可靠,以保證一條低阻抗值的放電回路,即驅(qū)動(dòng)回路與IGBT的連線要盡量短。

(2)柵極的驅(qū)動(dòng)電壓必須綜合考慮,在短路應(yīng)用的過(guò)程中IGBT的柵極開(kāi)通驅(qū)動(dòng)電壓應(yīng)該選小一些,一般情況下應(yīng)該取12～15V,關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電壓應(yīng)該中容量的IGBT選擇5～6V的反向電壓,對(duì)大容量的IGBT選擇應(yīng)該加大到10V左右。

(3)柵極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該盡可能簡(jiǎn)單,具有對(duì)IGBT的自保護(hù)功能。

我們?cè)O(shè)計(jì)的保護(hù)電路已經(jīng)成功運(yùn)用于新一代多普勒天氣雷達(dá)PWM直流伺服系統(tǒng),該天氣雷達(dá)伺服系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)批量生產(chǎn),實(shí)際運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

[1] 秦繼榮.現(xiàn)代直流伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,1996.

[2] 黃俊等.電力電子變流技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,1993.

[3] 劉宏等.可逆調(diào)速系統(tǒng)制動(dòng)過(guò)程分析及泵升保護(hù)電路的參數(shù)計(jì)算[J].電氣自動(dòng)化,1995,(1).

[4] 成蘭等.交流調(diào)速系統(tǒng)制動(dòng)過(guò)程分析及泵升電壓處理[J].殷都學(xué)刊(自然科學(xué)版),1998,(6).

The design of PWM protective circuit in weather radar antenna servo control system

QIAO Jian-jiang

(The54th Research Institude of CETC,Shijiazhuang Hebei,050081,China)

In this paper,the technology of restrained pump voltage is p resented.The basic p rincip les for pump voltage and p rotective circuit are referred.The actual circuit parameters are calculated in detail in reference to p ractical direct current PWM Antenna servo control system.And the influence for DC PWM servo system w hich caused by“Pump Voltage”from the power supp ly is eliminated p roperly.The p ractical app lications p roved that this design is also reasonable and successful.

PWM;Pump Voltage;IGBT;Servo system

TN820.3

:A

1001-9383(2011)01-0035-04

2010-11-24

喬建江(1974-),男,碩士,工程師,主要從事天線伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制.