一种控制交流电机转向的固体继电器设计

2014-03-05辛建平李彩英肖宝宝

机电元件 2014年1期

辛建平，李彩英，肖宝宝

(陕西群力电工有限责任公司，陕西宝鸡，721300)

1 引言

在电机控制领域，目前普遍采用机械开关组成的或专用集成电路控制功率开关器件组成的电路，对电机进行换向和调速控制。机械开关由于寿命短、可靠性低、耐恶劣环境能力差，故障率高，因此很难适用于高可靠领域。一些半导体厂商推出的专用集成电路，结合计算机可以构成直流电机控制系统，但是专用集成电路构成的电机驱动系统输出功率有限，而且不适用于较高工作电压的场合，因此使其应用范围受到一定限制。而固体继电器具有开关速度快，无触点、无机械运动零部件，可靠性高，寿命长，干扰小，耐冲击、振动，耐潮湿等特点，因此在各类军事装备中使用越来越广泛。应某用户要求，我公司为其研制生产了一款基于H桥电路的控制交流单向伺服电机转向的固体继电器。

2 主要技术指标

通过对用户使用要求和环境等指标的分析，确定该继电器的主要技术指标如下:

(1)正、反转控制输入电压范围:4Vd.c.～7Vd.c.;

(2)正、反转控制输入电流:≤20mA;

(3)额定输出电压:80Va.c.;

(4)额定输出电流:1A;

(5)输出电压降:≤0.4Va.c.;

(6)输出漏电流:≤20μA;

(7)工作温度:－55℃ ～105℃;

(8)密封性:≤1 ×10－2Pa.cm3/s。

3 电路设计

在电机控制系统中，常采用H桥电路进行电机的调速和换向控制。实际应用中，有全桥型和半桥型两种方式。半桥型(图1a)多用于电机的制动和调速，而全桥型(图1b)则适用于电机换向、制动和调速，这也是目前应用最广泛的一种方式(以下论述的H桥电路均是指全桥型)。全桥型控制便于实现电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转和反转制动，组成H桥的4个开关管必须工作在斩波状态，S1、S3为一组，S2、S4为一组，这两组状态互补，当一组导通时，另一组必须截止。当S1、S3导通时，S2、S4截止，电机两端加正向电压实现电机的正转或反转制动;当S1、S3截止，S2、S4导通时，电机两端为反向电压，电机反转或正转制动。

图1 H桥驱动原理电路图

H桥驱动电路控制的原理就是通过两组功率开关改变电机两端的电压极性，从而改变电流的方向，实现直流电机的正、反转控制。本继电器要求控制的是一种小型交流伺服(同步)电机，而H桥控制驱动电路是否可以实现交流伺服电机的换向，这是我们必须考虑的问题。由交流伺服电机的原理(见图2)可知，交流伺服电机(控制绕组两端)在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组内产生脉动的磁场，转子静止不动;当有控制电压时，定子内产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反向转动。

图2 交流伺服电机电路原理

因此，只要改变伺服电机控制绕组两端电压的相位，就可以实现电机的换向控制，所以通过H桥电路可以实现交流伺服电机的正、反转换向控制。

3.1 总体电路设计

该继电器输入分别为一组正转输入电路和一组反转输入电路，输出电路控制采用电机转向控制的H桥典型电路。固体继电器电路部分由正、反转输入电路、隔离驱动电路、泄放电路、H桥输出电路等组成，原理框图见图3。

图3 交流电机转向固体继电器原理框图

其工作原理为:当正转输入端加控制信号时，通过隔离电路、驱动电路和延时电路控制H桥电路中一组桥臂接通，从而控制电机正向转动，当去除控制信号时，通过泄放电路使功率器件迅速关断，从而使电机停止转动;反向控制的原理同上。

根据该固体继电器的特点和应用要求，我们对电路中比较关键的几个环节重点进行了设计，主要从下面几点进行考虑:

(1)组成H桥电路的功率器件的选择;

(2)输入与输出隔离驱动电路的设计;

(3)功率器件接通和关断时间参数对H桥电路的影响;

(4)正、反转输入电路的互锁。

3.2 组成H桥电路的功率器件的选择

在固体继电器设计时，由于控制形式不同，对功率器件的选择也是不同的，其驱动电路也会有所不同。功率器件是固体继电器中的核心部件，根据不同的控制应用场合，功率器件的选用也是不同的。

通过分析，该固体继电器可作为功率开关的功率器件有:功率MOSFET、单向晶闸管、双向可控硅。在上述的开关器件中，由于单向晶闸管和双向可控硅固有的过零关断的特性，导致在控制信号去除后，必须等到电流过零时其才能关断，开关反映时间长，不适用于高速控制系统。，将导致其损耗增大。而功率MOSFET是电压控制元件，具有输入阻抗高、开关速度快、通态损耗和开关输出损耗低，无二次击穿现象等特点，因此适用于满足高速开关动作和大冲击电流的需求，所以常用功率MOSFET器件构成H桥电路。同时由于单向晶闸管和双向可控硅的导通压降较大。

由于本产品输出控制的为小型交流电机负载，要实现控制交流负载，必须考虑输出功率MOSFET的开关组态和驱动电路的方便性。功率MOSFET用作控制交流负载时，一般有三种开关组态，即全波桥组态、反串联组态和反并联组态。全波桥组态由一个MOSFET和四个二极管构成，功率开关的导通压降为MOSFET的导通压降和两个二极管的导通压降之和。反串联组态由两个MOSFET反向串联构成，功率开关的导通压降为MOSFET导通压降和另一MOSFET寄生二极管的导通压降之和。反向并联组态由两个MOSFET和两个二极管构成，功率开关的导通压降为MOSFET导通压降和二极管的导通压降之和。通过比较，三种开关组态中，因反串联组态的器件数量少，导通压降低，所以本固体继电器采用两个MOSFET反串联方式组成H桥中的功率开关。

3.3 隔离电路和驱动电路设计

固体继电器输入电流一般很小(mA级)，而输出电流很大，为减少驱动控制电路对其它电路的干扰和对其它电路的保护，因此输出与输出之间必须进行电气隔离。一般常采用光电隔离和变压器耦合隔离方式，基本电路结构如图4所示。

图4 固体继电器的两种隔离电路结构

光电隔离通常采用光电耦合器、光伏器件来实现输入与输出回路之间的电气隔离，光电隔离具有信号单向传输，输入与输出端完全实现电气隔离，输出端信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，使用寿命长，传输效率高。

变压器耦合隔离方式也被大量的应用到固体继电器的隔离驱动电路，变压器耦合隔离形式通常采用一个具有低损耗、高频率特性的铁氧体磁芯环形变压器实现输入与输出回路之间的电气隔离，当输入控制电路直流输入信号施加在振荡电路时，直流输入信号被变压器组成的振荡器所斩波，同时通过变压器耦合到其次级，进行整流后作为驱动电压信号施加到输出功率器件的控制端，控制输出功率器件导通和关断，可实现交流和直流负载的控制。

通过对两种隔离驱动方式的比较，由于变压器耦合隔离方式具有控制信号直接驱动、输入输出效率高、被驱动功率器件的输出电压降低等特点。所以，该产品中采用变压器耦合隔离方式。

3.4 功率器件接通和关断时间参数对H桥电路的影响

在H桥电路中，要求控制正、反转的两组开关必须互补。实际上由于功率MOSFET工作时存在接通和关断时间延迟现象，不可能完全互补。在H桥电路中应用时，必须对功率MOSFET的时间参数予以考虑，这是因为在MOSFET组成的H桥电路中，如果一组桥臂的功率MOSFET的关断时间太长，在其还未完全关断时，另一组桥臂上的MOSFET已经接通，这时就会出现上、下桥臂直通，导致负载电源或MOSFET短路烧毁。因此，必须在两组桥臂之间产生一个死区时间(即同一桥臂上的一个开关器件关断信号和另一个开关器件导通信号之间的时差)，以保证上、下桥臂中功率MOSFET在一组完全关断后，另一组才能接通。为了解决这个问题，我们在输出电路中设置了一个延时电路，使的在两次状态转换中，功率MOSFET导通时间大于关断时间，实现“先断后通”，保证一组桥臂的MOSFET完全关断后，另一组桥臂的MOSFET才能接通。

3.5 正、反转互锁电路设计

工业自动化控制环境一般比较复杂，尤其是在有较大感性负载的控制场合，由较长的线缆、不合理的布线等引起的干扰信号比较多，这样以来就会对控制电路造成影响，造成误触发或非正常的干扰信号，尤其是电机控制的H桥电路，如果不对控制电路进行处理，就可能出现正转和反转信号同时有效，将导致H桥电路的上、下桥臂直通，造成负载电源短路或功率器件烧毁。我们根据该产品的电路特点，利用分立器件设计了一个逻辑互锁电路，避免了输出部分H桥的上、下桥臂不会因输入控制信号问题而直通，造成负载电源或MOSFET短路烧毁。