基于SG3525汽车电涡流缓速器控制系统设计

2011-03-10石助利徐洪吉

长春理工大学学报（自然科学版） 2011年1期

石助利，徐洪吉

（长春理工大学机电工程学院，吉林长春130022）

目前电涡流缓速器的控制方式分为机械式、单片机式与电子式［1］。由于机械式控制动作缓慢，实际应用较少。单片机式控制虽然智能，但单片机容易在高温复杂的工作环境中出现程序跑飞问题，造成制动失灵，会带来生命危险。本文为了回避上述两种控制方式的缺陷，提出电子式新型控制方法。该方法避免了以往电子式控制的单一、不连续。而且它具有低速限制功能，且随档位增加工作制动效果增强，结构简单，经济适用，同样可以达到智能式控制效果。

1 脉宽调制SG3525简介

SG3525为电流控制型PWM控制器，它是通过反馈电流来调节信号脉宽的，内部原理框图与DIP封装如图1所示。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流随电压变化为变化。

主要性能特点如下所示：

1.工作电压：8～35V；

2.内置5.1V±1.0%的基准电压源；

3.芯片内振荡器工作频率宽100Hz～400kHz；

4.死区时间可调。为了适应驱动快速场效应管的需要，末级采用推拉式工作电路，使开关速度更陕，末级输出或吸入电流最大值可达400mA；

5.内置PWM(脉宽调制)。锁存器将比较器送来的所有的跳动和振荡信号消除。只有在下一个时钟周期才能重新置位，系统的可靠性高。

图1 内部原理框图与封装图Fig.1 Internal schematic diagram and package diagram

直流电源Vs从脚15接入后分两路，一路加到或非门；另一路送到基准电压稳压器的输入端，产生稳定的元器件作为电源。振荡器脚5须外接电容CT，脚6须外接电阻 RT。振荡器频率厂由外接电阻RT和电容CT决定，振荡器的输出分为两路，一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及两个或非门；另一路以锯齿波形式送至比较器的同相输入端，比较器的反向输入端接误差放大器的输出，误差放大器的输出与锯齿波电压在比较器中进行比较，输出一个随误差放大器输出电压高低而改变宽度的方波脉冲，再将此方波脉冲送到或非门的一个输入端。或非门的另两个输入端分别为双稳态触发器和振荡器锯齿波。双稳态触发器的两个输出互补，交替输出高低电平，将PwM脉冲送至三极管VT1及 VT2的基极，锯齿波的作用是加入死区时间，保证 VT1及VT2不同时导通。最后，VTl及VT2分别输出相位相差为180°的PWM波［2］。

2 控制器的系统设计

2.1 控制器系统结构

系统如图2所示。该系统主要由车速信号转换电路、档位信号加法电路和SG3525主控电路组成。此控制结构是由脉宽调制（PWM）电路作为控制模块的核心，它由SG3525调制出的PWM信号来控制缓速器线圈的电流作用强度。在图2中首先将档位信号加法电路产生的信号与系统设定参考电压进行比较，在SG3525控制模块中进行误差放大。将误差放大信号与SG3525内部的锯齿波信号进行比较形成对应的PWM信号，用此PWM信号去控制功率模块中的 MOSFET的通断，达到控制线圈的励磁强度。同时车速信号转换电路将车速信号（角速度频率信号）转换为所需的电压信号，再将此信号与系统设定的参考电压进行比较（为了实现低速限制），来决定PWM驱动信号能否输入到功率模块电路（主要是MOSFET组成）。当PWM信号通过时，根据档位自动调节其占空比达到调节制动力矩大小。同时联合ABS信号控制PWM模块与功率模块的通断实现防抱死功能。

图2 系统原理结构框图Fig.2 Principle block diagram of the system

2.2 系统电路设计

2.2.1 档位信号电路

本文只针对具有四档制动的汽车，当档位全部拨通时信号输出最大幅值为24V。档位信号为开关控制的模拟信号，为了实现档位信号输入时，PWM信号能够自动根据其调整占空比，本文将档位信号进行求和处理。根据不同的档位信号输入，可得到幅值不同信号输出，这样就可与设定的电压信号进行后续的作差处理。电路如图3所示。

根据信号的布尔运算可知，档位信号电路输出Uo1为

当档位全闭合时，Uo1max≈24V。

图3 档位信号电路Fig.3 Stall signal circuit

2.2.2 车速信号转换设计

此电路处理信号为较经济的SZMB-5型磁电式转速传感器采集的车速信号，此信号为矩形脉宽信号。电路主要将车速信号转换成电压信号，与系统设定的电压比较控制SG3525的PWM驱动信号的输出，达到低速限制功能。电路如图4所示，电路中采用LM2917进行频压转换，速度信号接其1脚。电路关键点在于对R32和C10的选择，电阻R32的大小直接影响到图中 U1中3脚的输出阻抗和纹波电压，且3脚的输出电流是内部固定的，VO/R32需小于等于此值。电容 C10大小取值影响电流误差，应满足大于50pF。3脚对应的纹波电压公式为［3］：

图4 车速信号转换电路Fig.4 Speed signal conversion circuit

图中的转换输出电压值为：

其中K为增益常数，实际应用中通常取1。

在图3中电容C9的值取决于纹波电压的大小和实际应用中需要的响应时间。在本系统中，取工作电压 VCC=15V，定时电容 C10=4.7F，输出电阻R32=2.8K，K=1，计算可得输出电压 Vo与输入频率fIN的对应关系式为：

由已知的车速与角速度关系式w=45.2V得，当车速为5km/h时，对应的频率fIN≈10Hz，为此设定的比较器门限电压为1.95V，当车速没有达到5km/h时，比较器输出高电平经非门后给SG3525的10脚，禁止其输出PWM驱动信号从而有低速限制功能。

图5 PWM驱动电路Fig.5 PWM driver circuit

图6 一档对应的PWM驱动波形Fig.6 PWM drive waveform corresponding to the first gear

图7 二档对应的PWM驱动波形Fig.7 PWM drive waveform corresponding to the second gear

图8 三档对应的PWM驱动波形Fig.8 PWM drive waveform corresponding to the third gear

图9 四档对应的PWM驱动波形Fig.9 PWM drive waveform corresponding to the fourth gear

2.2.3 PWM驱动设计

在对功率管驱动时，采用PWM方式驱动。通过控制相同周期内 MOSFET的导通时间长短达到控制电涡流缓速器的励磁线圈电流的强度，实现分级控制，电路如图5所示。图中采用SG3525的1、2脚误差放大器构成减法电路，产生随档位、幅值变化的信号。此信号与5脚接的振荡器定时电容产生的锯齿波比较产生PWM信号，用此PWM信号通过TLP250控制MOSFET的栅极开断。

SG3525的产生的振荡器信号的频率为

则可以得出PWM驱动信号的频率为10kHz。为了实现图中TLP250对MOSFET管驱动时快速关断，需要在MOSFET管的G、E提供一负的偏压。由于图中 ZD5两端为5V，采用15V供电时，在MOSFET管导通时，在G、E端产生约+10V的驱动电压，关断时产生约 5V的偏压。

3 实验结果与实验数据

实验中用信号发生器产生车速的仿真信号用于实验。图6、图7、图8、图9分别为1~4档对应下的PWM驱动波形，由示波器截取。从图上可以看出PWM驱动波形频率均为，幅值在之间变化，且占空比随档位增大而增大，说明涡流线圈上相同时间内电流作用时间越长，强度越强。将控制器接到缓速器定子线圈，在不同档位，不同车速下测得的线圈两端电压，线圈总电流值，如表1所示。