1、前言

直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是電樞電流的函數(shù)，電流受到轉(zhuǎn)速，負(fù)載轉(zhuǎn)矩等多種因素的影響，是一個(gè)復(fù)雜的轉(zhuǎn)換過(guò)程。因之，對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)控制的關(guān)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(yīng)速度非?？觳判?。

2、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在一些特殊的應(yīng)用環(huán)境中，如電梯、起重、曳引等，要求驅(qū)動(dòng)、拖動(dòng)系統(tǒng)的起步、停止及運(yùn)行過(guò)程非常平穩(wěn)，以增強(qiáng)舒適感和安全性。圖1是一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)，圖中Vgn是中心控制單片機(jī)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(hào)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(cè)出的電流Vfi求差后進(jìn)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(jìn)行調(diào)節(jié)的，輸出的波形控制信號(hào)Vgb在電流變化率控制電路LBT的控制下產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)IGBT的PWM脈沖。電流變化率信號(hào)是將來(lái)自HL的電流信號(hào)經(jīng)微分電路LD微分后產(chǎn)生的，在LBT中對(duì)Vgb進(jìn)行調(diào)整，限制電流變化率的增長(zhǎng)。在圖l所示的控制系統(tǒng)中，虛線框內(nèi)部分利用UC3846進(jìn)行了設(shè)計(jì)。下面介紹一下無(wú)刷電機(jī)設(shè)計(jì)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(cè)環(huán)節(jié)，檢測(cè)點(diǎn)可以根據(jù)需要任意選擇，例如開(kāi)關(guān)管電流、電感電流或由HL傳感器送來(lái)的總輸出電流等。下面以UC3846為例說(shuō)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(shè)置了一個(gè)電流測(cè)定放大器，增益為3。E/A放大器為誤差放大器，輸出經(jīng)過(guò)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(cè)定信號(hào)。電流測(cè)定放大器輸出由內(nèi)電路限定在3.5V以下，因之，電流測(cè)定信號(hào)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(cè)定環(huán)節(jié)參數(shù)。對(duì)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(jìn)行斜坡補(bǔ)償。其方法是：在電流檢測(cè)放大器輸入端（4腳）或誤差放大器輸出端（7腳）疊加一個(gè)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(bǔ)償，其幅值應(yīng)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(gè)置位端S1、S2，均可使y．。為高電平，封鎖PWM輸出。在設(shè)計(jì)中，用sl接受A，的輸出，當(dāng)輸出電流I，大于給定值時(shí)，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(gè)控制信號(hào)K1、K2的控制。其中K1用作電路關(guān)斷，K2為輸出檢測(cè)電流I經(jīng)微分電路的輸出，其作用是當(dāng)電流變化率超過(guò)一定值時(shí)，關(guān)閉脈沖輸出。圖中R5C.構(gòu)成斜坡校正網(wǎng)絡(luò)，對(duì)輸出電流進(jìn)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(dāng)主控單元送出給定轉(zhuǎn)速信號(hào)Vgn和電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速Vfn在ST中調(diào)節(jié)后，生成給定電流信號(hào)Vgi，經(jīng)誤差放大器A1放大后，送至比較器A3負(fù)端，這時(shí)輸出電流檢測(cè)值I1。經(jīng)風(fēng)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(dāng)Is超過(guò)系統(tǒng)容許值時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生K1信號(hào)通過(guò)16腳關(guān)斷脈沖的輸出。通過(guò)16腳關(guān)斷UC3846的條件是：關(guān)閉脈沖的幅度應(yīng)大于400mV，寬度大于600ns，負(fù)載電流大于2mA。當(dāng)滿足16腳的關(guān)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(dǎo)通，使電容器C1放電。根據(jù)R1、R2的取值不同，電

路將進(jìn)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(dòng)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(shí)際電壓曲線。開(kāi)始時(shí)，VLim由ov開(kāi)始對(duì)C1充電，當(dāng)超過(guò)0.5v門限值后，開(kāi)始形成PWM脈沖，該過(guò)程稱為軟啟動(dòng)過(guò)程。當(dāng)C．電壓升至R1、R2分壓值時(shí)，Lim平頂。平頂時(shí)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(shí)，由于Q4導(dǎo)通，C1放電，Lim很快降至ov，這時(shí)PWM關(guān)閉。Q4在導(dǎo)通時(shí)要靠月，提供足夠的維持電

3、控制系統(tǒng)的構(gòu)成

一個(gè)實(shí)際控制系統(tǒng)如圖6所示。控制單元根據(jù)速度反饋信號(hào)Vfn計(jì)算出給定電流Vgi，在PWM形成單元，根據(jù)故障信號(hào)K1、電流給定信號(hào)Vgi，電流反饋信號(hào)yfi、電流變化率信號(hào)yfb，通過(guò)UC3846產(chǎn)生需要的PWM信號(hào)。該信號(hào)送入驅(qū)動(dòng)單元，經(jīng)組合邏輯和位置信號(hào)WF進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，形成三相驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)逆變器中模塊產(chǎn)生相應(yīng)的三相輸出，拖動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。該組合電路的特點(diǎn)是：控制部分為單片機(jī)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(jià)高速，是一十值得推廣的電路。

圖6  驅(qū)動(dòng)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(cè)與保護(hù)要求實(shí)時(shí)性強(qiáng)，對(duì)過(guò)電流反應(yīng)比較敏捷的復(fù)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(duì)22kW稀土永磁直流無(wú)刷電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)和50kVA、400—1600Hz中頻逆變電源進(jìn)行設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)不但使用了16位單片機(jī)87C196KC，而且還使用了電流型專用集成芯片UC3846。實(shí)踐證明，這種結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)在電流控制方面超過(guò)了專用單片機(jī)，例如87C196MC、C164等。