1、前言

直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩是電樞電流的函數(shù)，電流受到轉(zhuǎn)速，負載轉(zhuǎn)矩等多種因素的影響，是一個復雜的轉(zhuǎn)換過程。因之，對直流無刷電機控制的關鍵環(huán)節(jié)在于電流環(huán)的控制，即電流閉環(huán)控制和電流變化率控制。不但要滿足精度的要求，還要滿足速度的要求。特別是電流變化率的控制，要求響應速度非?？觳判小?/p>

2、控制系統(tǒng)的設計

在一些特殊的應用環(huán)境中，如電梯、起重、曳引等，要求驅(qū)動、拖動系統(tǒng)的起步、停止及運行過程非常平穩(wěn)，以增強舒適感和安全性。圖1是一個典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)，圖中Vgn是中心控制單片機給定轉(zhuǎn)速，Vfn是反饋轉(zhuǎn)速，兩者之間的差值經(jīng)速度調(diào)節(jié)器產(chǎn)生給定電流信號Vgi，該閉環(huán)稱為速度調(diào)節(jié)環(huán)。Vgi和霍爾電流傳感器HL檢測出的電流Vfi求差后進入電流調(diào)節(jié)器LT，該調(diào)節(jié)器是在最大電流限制下進行調(diào)節(jié)的，輸出的波形控制信號Vgb在電流變化率控制電路LBT的控制下產(chǎn)生驅(qū)動IGBT的PWM脈沖。電流變化率信號是將來自HL的電流信號經(jīng)微分電路LD微分后產(chǎn)生的，在LBT中對Vgb進行調(diào)整，限制電流變化率的增長。在圖l所示的控制系統(tǒng)中，虛線框內(nèi)部分利用UC3846進行了設計。下面介紹一下無刷電機設計原理。

圖1 閉環(huán)控制框圖

2.1、電流型控制器原理

電流型控制器除了要有電壓型PWM控制器的全部功能外，還需要有電流檢測環(huán)節(jié)，檢測點可以根據(jù)需要任意選擇，例如開關管電流、電感電流或由HL傳感器送來的總輸出電流等。下面以UC3846為例說明其工作原理。圖2示出了該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖中不同于電壓型控制器件之處是設置了一個電流測定放大器，增益為3。E/A放大器為誤差放大器，輸出經(jīng)過二極管和0.5v偏壓后送至比較器反向端，同相端為三倍后的電流測定信號。電流測定放大器輸出由內(nèi)電路限定在3.5V以下，因之，電流測定信號最大電壓值被限定在3.5/3=1.2V之內(nèi)。根據(jù)1.2V可選擇電流測定環(huán)節(jié)參數(shù)。對于電流型控制，為了保證輸出電流恒定，不受占空比d的影響，就必須進行斜坡補償。其方法是：在電流檢測放大器輸入端（4腳）或誤差放大器輸出端（7腳）疊加一個從振蕩器波形派生的三角波形與電感電流波形之和，即完成了斜坡補償，其幅值應大于電流波形下斜坡的l／2。

圖2  UC3846的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖3給出了UC3846內(nèi)部局部和外電路連結(jié)原理圖。圖中S為PWM寄存器，有兩個置位端S1、S2，均可使y．。為高電平，封鎖PWM輸出。在設計中，用sl接受A，的輸出，當輸出電流I，大于給定值時，A3輸出為高電平，從而形成PWM的后沿。S2端接受由外電路形成的兩個控制信號K1、K2的控制。其中K1用作電路關斷，K2為輸出檢測電流I經(jīng)微分電路的輸出，其作用是當電流變化率超過一定值時，關閉脈沖輸出。圖中R5C.構(gòu)成斜坡校正網(wǎng)絡，對輸出電流進行校正。下面分別討論電流環(huán)和電流變化率環(huán)的工作原理。

圖3  部分uc3846內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部聯(lián)線圖

2.1.1、電流環(huán)的工作原理

當主控單元送出給定轉(zhuǎn)速信號Vgn和電機實際轉(zhuǎn)速Vfn在ST中調(diào)節(jié)后，生成給定電流信號Vgi，經(jīng)誤差放大器A1放大后，送至比較器A3負端，這時輸出電流檢測值I1。經(jīng)風取樣，并由A2放大后送至A3正端。一旦I5之值超限，A3輸出高電平，使Vsc為高電平，形成PWM下降沿，限制PWM增寬。由于誤差放大器帶寬為1MHz，完全滿足電

流閉環(huán)的跟蹤速度。當Is超過系統(tǒng)容許值時，控制系統(tǒng)會產(chǎn)生K1信號通過16腳關斷脈沖的輸出。通過16腳關斷UC3846的條件是：關閉脈沖的幅度應大于400mV，寬度大于600ns，負載電流大于2mA。當滿足16腳的關閉條件后，比較器A4輸出高電平，從而使Q3、Q4組成的可控硅導通，使電容器C1放電。根據(jù)R1、R2的取值不同，電

路將進入兩種不同的工作狀態(tài)，如圖4中（a）、（b）所示。圖3中l(wèi)腳為最大電流限制端，兼有軟啟動功能。最大電流的限制值由R1、R2分壓值決定。圖4中VL，。為1腳實際電壓曲線。開始時，VLim由ov開始對C1充電，當超過0.5v門限值后，開始形成PWM脈沖，該過程稱為軟啟動過程。當C．電壓升至R1、R2分壓值時，Lim平頂。平頂時的電壓值決定著系統(tǒng)最大輸出值的大小。若想使該電流增大，可改變R1、R2分壓值的大小，升高VLim之值。一旦16腳產(chǎn)生一正脈沖時，由于Q4導通，C1放電，Lim很快降至ov，這時PWM關閉。Q4在導通時要靠月，提供足夠的維持電

3、控制系統(tǒng)的構(gòu)成

一個實際控制系統(tǒng)如圖6所示?？刂茊卧鶕?jù)速度反饋信號Vfn計算出給定電流Vgi，在PWM形成單元，根據(jù)故障信號K1、電流給定信號Vgi，電流反饋信號yfi、電流變化率信號yfb，通過UC3846產(chǎn)生需要的PWM信號。該信號送入驅(qū)動單元，經(jīng)組合邏輯和位置信號WF進行相關運算，形成三相驅(qū)動信號，驅(qū)動逆變器中模塊產(chǎn)生相應的三相輸出，拖動電機運轉(zhuǎn)。該組合電路的特點是：控制部分為單片機和專用集成芯片UC3846組成的混合結(jié)構(gòu)，既體現(xiàn)了數(shù)字處理的靈活、精確，亦體現(xiàn)了模擬電路的廉價高速，是一十值得推廣的電路。

圖6  驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

4、結(jié)論

在一些控制精度要求比較高，故障監(jiān)測與保護要求實時性強，對過電流反應比較敏捷的復雜控制系統(tǒng)中，采用微處理器加專用集成電路組成的控制系統(tǒng)是一種最佳的選擇。我們采用這種結(jié)構(gòu)分別對22kW稀土永磁直流無刷電機拖動系統(tǒng)和50kVA、400—1600Hz中頻逆變電源進行設計，控制系統(tǒng)不但使用了16位單片機87C196KC，而且還使用了電流型專用集成芯片UC3846。實踐證明，這種結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)在電流控制方面超過了專用單片機，例如87C196MC、C164等。