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1、第21卷第4期 吉林大学学报(信息科学版)Vol121No142003年11月 JOURNALOFJILINUNIVERSITY(INFORMATIONSCIENCEEDITION)Nov12003文章编号:167125896(2003)0420343204a用于转台伺服系统大功率开关电源的设计张晓莹,刘丽华(北京邮电大学电子工程学院,北京100876)摘要:采用全桥拓扑主电路,运用UC3825脉宽调制控制芯片和集成功率模块,设计了伺服系统的功率开关电源。主开关管采用的集成功率模块自带驱动功率IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)电路,并
2、有输出短路、过流、过热及欠压保护功能;着重给出了控制电路和保护电路的设计,通过实验验证了系统设计的有效性。结果表明,该电源的功率转换效率可达80%;输出电压保持时间长达20ms;其电压调节范围宽和纹波小的特点保证了伺服系统控制的稳定度。各种保护措施的设计提高了整机的可靠性,减少了对电网的干扰。关键词:伺服系统;开关电源;集成功率模块;脉宽调制中图分类号:TM912 文献标识码:A引 言 传统的直流伺服大功率电源一般采用工频整流电源,现在的转台伺服系统电源部分大多如此。首先从市电引入单相或三相交流电,经过变压器将市电降压到满足伺服驱动电源要求,而在直流母线上,加有大电解电容,一方面起滤波作
3、用,另一方面可以吸收电动机的反电动势,以防过压损坏器件,如[1]图1所示。可以看出,此方式获得的直流电压不具备稳压功能,会随电网的波动而波动,且电网上的杂散电压、尖峰、浪涌等也一并传递到电机电压上,严重影响电机的控制效果。如不采取措施,严重时会导致电机工作异常。同时,PWM(PulseWideModulation)控制的直流伺服电机,也是一干扰源,它产生的干扰如不经处理会反馈到电网上,进而对别的带电运行设备产生影响。另外,工频电压整流后含有频率为100Hz(单相)或300Hz(三相)的固有纹波,要想减少其纹波幅值,须加大滤波电容。仅用整流得到的直流电压会随交流电压及负载电流的变化而变化,为了得
4、到稳定的直流电压,必须采用稳压电路。一般采取的方案有:线性稳压电源、相控稳压电源、开关稳压电源。线性稳压电源的线路简单、干扰小,对图1 变压器式直流电动机主电路图输入电压和负载变化的响应快,稳压性能好。Fig11ThemaincircuitofDCmotorwithtransformer但功率调整管始终工作在放大区,功率损耗[1]很大,导致线性稳压电源效率只有20%～40%,发热损耗严重,所需的散热器体积大,重量重。另外线性电源对电网电压大范围变化的适应性较差。因此,线性电源主要用在小功率和对稳压精度要求很高的场合。与线性稳压电源相比,相控稳压电源的效率高,且晶闸管的功率处理能力非常强,可以组
5、成大功率电源。但相控型稳压电源电路的工作频率低,对电网干扰和负载变动的响应慢,所需的滤波电容、电a收稿日期:2003204215作者简介:张晓莹(1961— ),女,北京邮电大学讲师,工学硕士,主要从事电子电路设计及应用方面的研究,Tel:13601221105,E2mail:zhangxy1264@1631com。©1995-2006TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.344吉林大学学报(信息科学版)第21卷感、工频变压器体积庞大,与日趋小型化的电子设备相比,整机显得十分笨重;并且工频变压器发出[1]的噪声大,对维护人员的
6、健康有害;另外晶闸管整流电路的功率因数较低,污染电网环境。因此在有些行业,相控电源正逐步被淘汰。开关电源与以上两种电源相比,其功率转换效率高,可达65%～93%;且不需要工频变压器,工作频率高。对电网电压大范围变化具有很强的适应性,电压、负载稳定度高,输出电压保持时间长达[2]20ms,所需的滤波电容、电感小。因而体积小,重量轻,动态响应速度快。另外开关电源的开关频[3]率都在20kHz以上,超出人耳的听觉范围,没有令人心烦的噪声。在伺服系统中使用开关电源,将基本消除电网波动的影响。一般情况下,电源的源效应可以达到[4]011%以下,而且电源的输出电压调节范围宽,电压稳定,适应能力强,负载响应
7、基本上能够满足转台伺服系统的要求。另外由于其控制灵活,人机对话功能强,所以可以设计出多功能且满足电磁兼容环境要求的电源和驱动装置。1 电源主电路设计电源采用三相输入,经过EMI(ElectroMagneticInterference)滤波器,再整流为直流电压,主电路采用全桥变换,开关管采用IPM(IntegratedPowermodule)(三菱公司的PM75DSA120,图2中的Q1和Q2),一
