高速横机控制系统用共直流母线式多路输出开关电源设计

鲁文其，胡旭东，史伟民，邹 贤

(1.浙江理工大学机械与自动控制学院，浙江杭州 310018;2.浙江大学电气工程学院，浙江杭州 310027)

横机控制系统［1］目前正朝着高速、高精度方向发展［2－3］。文献［4－5］分别对横机控制系统进行了自主设计，但作为机电系统必不可少的动力系统电源部分都是直接采购市场上的电源产品进行配置的。而传统线性电源因存在体积大、效率低等问题，在很大程度上限制了该类电源在横机系统上的应用。高频开关电源则与线性电源刚好相反，具有体积小、效率高等优点，因此得到了推广。但对于横机系统的动力系统，目前大部分设计采用了需要几路电源供电就采购几个独立工作电源的配置方式，这会使整个系统的成本变高［6－7］。如文献［4］研发了一台高速多功能的电脑横机控制系统，将横机编织速度从目前国内普遍能设计的1.2 m/s提高到了1.5 m/s，具有很好的性能优势，但该系统在设计时采购了多个独立的开关电源，成本较高，以至于性价比不高，为此，文献［7］为横机控制系统专门设计了采用反激和正激2种不同拓扑方式组合的工作电源，来满足供电需求，达到了预期目标，具有较好的性价比，但该电源指标不能满足高速横机控制系统的供电要求。本文基于前期设计完成的一种高速横机控制系统［4－5］，分析能够满足该控制系统供电的技术指标，为高速横机控制系统提供一个性能稳定、结构简单、价格低廉的开关电源。

1 电源指标分析

图1为电脑横机控制系统的原理框图，主要由人机交互层、主控制层和机头控制层3个部分组成［4，8］，其中人机交互层主要包括人机交互界面显示、USB花形输入、触摸屏和以太网接口，其处理器采用三星公司的 ARM9芯片 S3C2440。主控制层主要对主电动机、移床电动机、传感器、罗拉电动机及机身部分外围传感器进行驱动或信息检测，其处理器采用TI公司的 C2000系列 DSP芯片TMS320F2812;机头控制层主要由选针器控制模块、三角电磁铁模块、压脚电机模块、度目电机模块、纱嘴电磁铁空盒子以及机头部分外围传感器组成，其处理器采用 TI公司的 C2000系列 DSP芯片TMS320LF2407。人机交互层与主控制层之间的通信通过设计的FPGA实现。从以上分析可知:横机控制系统的控制核心包括DSP、FPGA和ARM;控制或处理的对象主要是电磁铁、电机及外围传感器的检测信息。考虑电磁兼容性，该控制系统的供电电源在设计时应分成3大类:给3个层的控制核心提供能量的+5 V电源;给主控制层和机头控制层外围传感信号供电的+12 V电源;驱动电磁铁和电机运动的+24 V、－24 V电源。在设计这4路电源时需要注意彼此之间的隔离性，且其中+24 V、－24 V电源需要特别考虑，因为驱动电磁铁的电流很大，瞬间电流一般能达到5 A，在现场调试中发现，当同时触发所有电磁铁时，如果开关电源设计不理想、功率不匹配或带宽不匹配，会导致电磁铁触发紊乱，甚至损坏系统。经系统分析得到能够满足高速电脑横机控制系统的4路电源的技术指标如表1所示。

图1 横机控制系统原理框图Fig.1 Functional block diagram of flat knitting machine

表1 电源指标Tab.1 Index of power

2 开关电源设计

2.1 共直流母线式方案设计

为提高性价比，采用共用直流母线的方式设计了4路开关电源，其原理框图如图2所示。主要包括交流/直流变换(AC/DC)和直流/直流(DC/DC)变换2个部分［9－10］。其中交流/直流变换部分包括EMI滤波器、突入电流抑制和整流滤波电路;直流/直流变换部分主要包括DC/DC转换电路、滤波电路、取样反馈电路、保护电路和PWM控制器。其中，DC/DC转换电路分隔离型和非隔离型2大类，本文采用隔离型电路进行设计，且隔离型电路主要有正激式、反激式、半桥和全桥4种拓扑，每种拓扑都有其应用特点。其中，反激式元器件少，多用于100 W以下;正激式开关电路的脉动系数只有反激式开关电路的1/2，输出特性较好，负载能力强，多用于500 W以下低压大电流的场合;半桥多用于500 W以上场合，全桥多用于1 000 W以上场合。综合考虑横机控制系统的特点和成本因素，本文根据电源输出功率大小提出了图2所示由不同拓扑组合而成的设计方案:采用反激式拓扑设计+5 V/+12 V电源，采用正激式拓扑设计+/－24 V电源。需要说明的是－24 V电源拓扑其实和+24 V电源拓扑一样的，只是向外供电时输出连接方法不同，为此，下面用24 V1表示 +24 V，24 V2表示 －24 V。PWM控制器是指脉冲宽度调节控制器，它是高频开关电源的核心器件，本文选用UC3845进行设计，通过该器件，可稳定输出电压。由于篇幅限制，本文主要针对24 V电源的设计思路作介绍。

图2 共直流母线式开关电源设计方案Fig.2 Design scheme of switching power supply based on common DC bus type

2.2 24 V电源输出电路设计

设计的+/－24V电源采用的都是正激式拓扑，该电源整流电路后面部分的原理图如图3所示。主要包括RCD缓冲电路、高频变压器、输出整流滤波电路、PWM控制电路、电压反馈电路。

图3 24 V直流－直流变换电路Fig.3 Conversion circuit of 24 V DC－DC

2.2.1 基于正激式拓扑的DC/DC变换

图4为正激式DC/DC开关电源的原理框图。由初级线圈N1、次级线圈N2和磁复位线圈N3这3个部分组成。其中，D3和N3—起组成了磁复位电路，D1和D2是快恢复二极管，分别用来整流和续流，L和C储存和释放能量，也能起到滤波的作用，当开关管K导通时，能量经变压器T和D1储存于电感和电容中并传递到负载，开关K关断时储存在电容中的能量传送到负载。

图4 正激式DC/DC开关电源原理框图Fig.4 Functional block diagram of forward DC/DC switching power supply

图4所示这部分电路最核心的高频变压器的设计和制作，具体的设计方法由于篇幅限制不具体展开，这里给出了高频变压器设计和绕制的示意图和数据，分别如图5和表2所示。变压器绕制采用三明治方法，将一次绕组分成2部分，先将一次绕组第1部分23匝(N1A)绕最里层，然后绕制次级绕组13匝(N2)，再绕一次绕组的第2部分22匝(N1B)，最后在外面绕磁复位绕组45匝(N3)，绕制时需注意同名端。为屏蔽电磁干扰，将一个簿铜片环绕在变压器外部，初级绕组引脚需加铁氟龙套管，每一个绕组需采用玛拉胶带，每一层使用挡墙加强绝缘。

图5 高频变压器设计示意图Fig.5 Design Schematic of high frequency transformer

表2 高频变压器绕制方法Tab.2 Winding method of high frequency transformer

2.2.2 PWM控制电路

电源控制芯片采用的是电流型控制脉宽调制器UC3845，开关管K的导通和关断通过输出脉冲信号来实现，达到控制占空比大小、稳定输出电压的目的。其控制外围电路包括软启动电路、电压/电流反馈电路、PWM驱动电路、保护电路、振荡电路等。

2.2.3 电压反馈稳压原理

参照图3所示原理，由于某种原因致使24 V电源的输出电压值增大，该电压经R111、R110和RC1分压后得到取样电压与U103(TL431)中的带隙基准电压进行比较，使TL431阴极电位下降，这样导致流过光耦PC101(PC817)输入侧光电二极管的导通电流If增大，相应的光耦PC101输出侧的感应三极管输出电流IC也增大，而IC输入到UC3845的控制引脚中，会使UC3845的输出占空比减小，这样最终使24 V电源的输出电压下降，达到稳压的目的。

3 样机测试与结果分析

3.1 样机实物

为验证共直流母线式电源方案设计的正确性，设计并制作了电源产品样机若干台，图6为其中1台样机的照片。

图6 开关电源实物照片Fig.6 Photo of switching power supply

3.2 性能指标测试

3.2.1 电压精度

在空载情况下对设计的开关电源分别进行测试，得到的实验数据如表3所示。由测试结果分析可知，设计的开关电源的电压输出精度均在3%的范围内，电压输出稳定，纹波在要求范围内。

表3 空载时4路电源输出电压的测量值Tab.3 Value of voltage output without load

3.2.2 负载调整率及效率

对4路电源分别施加不同电阻的负载，测量输出电压值的变化情况，得到的数据如表4所示。经计算得到4路电源的负载调整率(5 V电源输出为1.2%，其他几路电源输出均小于1%)和效率(均大于84%)都能满足横机控制系统要求。需要说明的是由于设计的电源采用共直流母线式进行设计，得到的实验数据只有整个电源的效率，相比单路输出形式的电源在效率上略低，但整个电源系统的成本和体积都小很多，具有性价比高的优势。

表4 不同负载下4路电源输出电压的测量值Tab.4 Value of voltage output at different load

从以上测试数据和分析结果可知，设计的开关电源各项指标均符合横机控制系统要求，基于此在高速横机系统上采用了直接替换原来4个独立开关电源的方式进行了测试，运行结果显示横机的编织速度同样达到了1.5 m/s，这样采用该电源方案设计的横机系统，相比之前的设备，不仅编织速度较快，而且性价比也较高。

4 结论

针对横机控制系统高速高精度控制的发展需求，设计了一种满足系统供电指标的高频开关电源方案。该电源方案采用共直流母线和多种拓扑输出的方式进行设计，文中给出了分析与设计的方法，由实验测试结果可知，该电源符合横机控制系统高速运行的供电指标要求，这给高端横机控制系统的研发提供了一套高性价比的电源方案。

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