基于SG3525的电机刹车系统电源设计

 近年来,功率电子器件、PWM技术在电子技术方面及电源系统上的应用越来越成熟。本文采用SG3525控制器设计电机刹车系统的脉冲电源,其是目前较为理想的一种电机刹车系统电源。该电路具有体积小、控制方便、系统稳定、性能可靠等特点。

1 SG3525的结构及主要性能

SG3525是电流控制型PWM脉宽调制控制器,其不仅可通过调节外接电阻大小的方式来调节死区时间,还具有软起动方式和脉冲控制封锁保护等功能。通过调节SG3525第5脚上CT的电容和第6脚上RT的电阻,便可改变输出控制信号PWM的频率,调节第9脚COMP的电压可改变输出脉宽,通过以上功能可大幅改善开关电源的动态性能,并简化控制电路的设计。其外接电路结构简单且使用方便,输出驱动为拉输出形式,增加了驱动能力。内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、锁存器。此外,其还具备过流保护功能,频率可调,同时能限制最大占空比。其内部结构如图1所示。

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13脚的输出电压Vc作为基准电压调整器15脚的输入电压。当Vc>8 V时,基准电压调整器的16脚输出幅值为5.1 V、精度为+1%。当Vc<8 V时,基准电压调整器的输出降低、精度也会下降。由于芯片内部有欠压锁定器的存在,当15引脚出现欠压时,欠压锁定器输出一个高电平。经过一个或非门后变为一个低电平输入到T1和T5的基极,使T1和T5关断,13脚输出为Vc,11脚和14脚脉冲禁止。功率驱动电路输出至功率场效应管的控制脉冲消失,变换器无电压输出,从而实现了欠压锁定保护的目的。

SG3525内部的晶体管T3基极通过一个电阻与芯片的10脚相连,当系统有过流信号时,输出一个高电平经过电阻与欠压锁定的输出端的或非门相连,结果也导致11脚和14脚的输出禁止,达到保护的目的。

芯片的软启动功能主要是由8脚的外接电容C3和晶体管T3实现。当系统出现欠压时,系统的欠压锁定器输出一个高电平到T3的基极,使T3导通,此时C3开始放电。当C3电压放到为零时,PWM比较器输出一个高电平,经过PWM锁存器后,此高电平接到两个或非门,使T1和T5截止,11脚和14脚脉冲禁止。当过压信号正常时,欠压锁定器输出的低电平使T3截止,C3缓慢充电。当C3充电至高电平时,PWM比较器输出低电平,经PWM锁存器后,使T1和T5恢复正常工作状态。

2 系统结构设计

SG3525芯片需要的供电电流较小,为十几mA,所以其供电电源由24 V电源通过稳压芯片78M15由24 V转为15 V供给。通过对5脚、6脚和7脚设置11脚和14脚的输出频率。产生的两路方波信号分别控制两个MOSFET管,接到脉冲变压器的输入两端。脉冲变压器的输入端中间触头接由24 V转化而来的15 V电源,脉冲变压器的两个输出分别接两个IGBT,从而对由380 V交流电压经整流桥整流后的540 V直流电压进行斩波,形成电机所需的额定电压。电机得电后刹车系统松离,电机运行;失电时呈抱死状态,电机停止运行。系统结构如图2所示。

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2.1 驱动设计

如图2所示,系统以SG3525为主控制芯片,通过设置5脚、6脚和7脚的电阻和电容的参数,控制芯片的输出方波频率。11脚和14脚方波输出频率为3脚振荡器锯齿波的1/2。振荡器输出频率为f,11脚和14输出的频率为f0

f=1/[CT(0.7RT+3RD)] (1)

fo=f/2 (2)

其中,CT,RT和RD分别为5脚外接电容C9,6脚外接电阻R20和5脚与7脚之间跨接的电阻R39。考虑到IGBT的开关损耗和脉冲变压器的体积大小,选C9=2.4 nF,R20=10 kΩ,R39=100 Ω,可得到11脚和14脚的输出频f0=30 kHz。

电路的软启动电容C10为4.7μF,只有当此电容充电到控制芯片8脚为高电平时,芯片才能正常工作。11脚和14脚构成推挽式输出,两个MOSFET管依次导通和截止。当Q2门极为高电平时,Q2导通,此时Q3截止。脉冲变压器中问触头15 V电源通过变压器的上半部分和Q2形成回路。此时,脉冲变压器的输出端同名端5脚和1脚产生约15 V的电压,此电压通过滤波后可驱动IGBT导通;当Q2门极为低电平时,Q2截止,此时Q3门极为高电平,Q3导通。脉冲变压器的中间触头15 V电源通过脉冲变压器下半部分和Q3形成回路。此时,脉冲变压器输出端6脚和2脚产生约15 V的电压,此电压加到IGBT的发射极上,使IGBT能够可靠截止。

2.2 整流电路

系统整流电路如图3所示,三相交流电经EMI滤波电感滤波后,大幅减小了交流成分产生的电磁干扰,同时也防止产生了谐波干扰。在EMI输出端接入一个小容量耐高压的无感电容,消除高频干扰。为了提高电容的容量和耐压值,在整流桥输出端接两个并联的耐高压的大电容,C20和C27的容量要足够大,以减小输出电压的纹波和低频振荡。但C20和C27不能无限大,为了达到系统输出电压纹波输出要求,此电容应满足

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式中,C为滤波电容,单位为F;f为整流电路脉冲频率,单位Hz;U为整流电路最大输出电压,单位V;I为整流电路最大输出电流,单位A。ACv为纹波系数,单位是%。

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2.3 BUCK电路

电机制动系统是在电机的尾部有一个电磁报刹系统,当电磁报刹系统得电时,刹片分离,电机运行;失电时,报刹片在弹簧的作用下使电机制动。所选刹车的励磁线圈的额定电压为直流190 V,额定电流为0.55 A。而系统的电源为AC380V交流电,所以必须要经过整流和降压后,使输出的电压约为190 V直流电时,才能保证电机能正常运行。

在系统结构图2中,斩波降压电路选用的开关管为IGBT,选用两IGBT,提高了系统的可靠性。380 V交流电源通过三相硅桥整流为540 V直流电压后接到IGBT的集电极,发射极接滤波电感和电容,门极接脉冲变压器的输出端,作为IGBT的驱动。负载为直流电机的线圈,所选的直流电机的额定电压为190 V,所以要求方波信号的占空比为

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(1)滤波电感。在此设计中必须保证在任何情况下,电感电流连续,电流变化量△I越小,最小平均电流也越小,要求的电感量L越大。在一定的纹波电压的要求下,输出电容可以减小。在工程上,通常选择△I=0.2L,电感大小需要满足

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(2)滤波电容。电感的纹波电流流入到输出滤波电容,引起输出电压纹波。为减小输出电压的纹波和直流电压的低频振荡,滤波电容的选择尤为重要。输出滤波电容与它的等效串联电阻的乘积满足CResr≥T/2,T为开关周期,输出纹波主要由Rers决定。若输出电压纹波峰峰值为△Upp,则电容大小需满足C≥65×△I×10-6/Upp (6)

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2.4 过流保护回路

系统的过流保护回路是通过在系统主回路上串接一个0.2Ω/2 W的高精电阻作为电流检测,在此电阻的输入端进行采样,将采样信号输入到线性光耦PC817(G1)中,PC817的输出端接到SG3525的10脚上。当系统电流过大时,光耦PC817发光二极管导通,输出一个高电平到SG3525的10脚禁止11脚和14的方波输出,使脉冲变压器和IGBT都停止工作。电机负载线圈失电,刹片在弹簧的作用下将电机转子抱死,从而达到了保护的目的。设计的过流保护回路,省略了电流检测元件和电流互感器,大幅简化了设计电路,同时对系统的强电和弱电部分进行隔离,较好地防止了强弱电之间的干扰,并增强了系统的可靠性。

2.5 稳压输出回路

系统的稳压回路是在负载线圈的两端进行采样,如图2所示。采样信号输入到光耦PC817(G2)中,输出则通过分压电路,得到一个与SG3525参考端相等的电压信号,输入到SG3525的同相输入端。当负载电压变大时,光耦发光二极管的亮度增强,光耦导通,传输到输出端的电流线性增大。输出端采样点的电压信号随着光耦的增大而减小,SG3525内部电压比较器的同相输入端电压减小,输出低电平,控制PWM的占空比,使11脚和14脚的输出方波的占空比减小,负载线圈的平均电压减小,形成负反馈,使负载线圈两端电压回到额定值。

3 仿真结果

在仿真软件Saber上搭建仿真电路,输入电压为三相AC380 V+5%,输出电压为DC190 V,输出电流0.55 A,输出功率额定功率为105 W,开关频率为30 kHz。SG3525的11脚和14脚仿真波形如图4所示,11脚和14脚输出的方波相位差为180°。此两路输出直接驱动MOS管,再通过脉冲变压器驱动IGBT,仿真输出波形如图5所示,系统的输出电压在经过一段时间后基本在190 V趋于稳定,电压波动较小。在实际测量电机正常运行给刹车系统线圈电压时,其电机正常工作电压在150~280 V,所以此电压波动可忽略,达到了预期效果。

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同时在设计系统PCB时,由于此系统涉及到380 V的交流电和系统主控芯片的电源系统,而系统的控制信号部分均为弱电,所以在进行PCB布局时,必须要考虑强电和弱电之间的干扰,尽量将强电电源部分布局在PCB板的一侧,弱电在另一侧,中间可通过在板上打孔或开槽以减小强弱电之间的于扰。在采样部分,光耦PC817既作信号的传递又作隔离,其布局在强弱电的分界的位置。布线时,电源线和地线尽量加宽,中间还涉及模拟地和数字地,此两者也需分开布线。主控信号的走线也应适量加宽,以保证信号准确传输。

4 结束语

介绍了一种基于SG3525控制器的推挽式电机刹车系统开关电源的硬件设计,通过推挽式的电路设计,不仅克服了外围硬件驱动复杂的问题,还有效提高了系统的驱动能力,使系统的稳定性能良好,且输出稳定。此外,其硬件设计简单,在印制电路板上的布局和布线方便,因此具有较高地实用潜力。

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发布日期:2019年03月10日  所属分类:汽车电子