Двигатели постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов (Permanent magnet DC, PMDC) обеспечивают меньшие размеры решений и повышенный КПД в таких приложениях, как портативные пылесосы и беспроводные электроинструменты. При проектировании изолированного источника питания для двигателей PMDC необходимо учитывать несколько факторов – переходную характеристику, требуемую пиковую нагрузку, размеры решения и стоимость, – которые напрямую влияют на конструкцию силовой части и выбранную топологию преобразователя энергии.
Одна из особых проблем, связанных с двигателями PMDC, заключается в том, что пиковый ток двигателя может в несколько раз превышать его ток в установившемся режиме. Эта пиковая нагрузка напрямую влияет на выбор топологии и стоимость изолированного источника питания. Чтобы проиллюстрировать эту характеристику PMDC, рассмотрим базовую формулу для рабочего напряжения двигателя постоянного тока (1):
 |
(1) |
где
VS – напряжение питания, приложенное к двигателю,
VB – противо-ЭДС двигателя,
VL – падение напряжения на индуктивности ротора,
IA – ток якоря,
RA – сопротивление обмотки якоря.
Эта взаимосвязь составляющих рабочего напряжения показана на Рисунке 1.
 |
|
| Рисунок 1. | Характеристики PMDC иллюстрирует упрощенная модель двигателя постоянного тока. |
Когда двигатель полностью неподвижен, противо-ЭДС равна 0 В (при отсутствии какого-либо вращательного движения), а ток, потребляемый двигателем, ограничен только сопротивлением якоря. Поскольку сопротивление обмотки якоря в типичном случае составляет менее 1 Ом, начальный ток, потребляемый двигателем при подаче полного номинального напряжения питания, может быть в несколько раз больше, чем в установившемся режиме, до того, как возникнет противо-ЭДС.
Подходы к решению проблемы пиковых токовых нагрузок
Большое начальное потребление тока представляет особую проблему для изолированного источника питания, и этот вопрос требует тщательного рассмотрения, чтобы определить, какие компромиссы приемлемы для конечного продукта. Варианты выбора могут быть следующими:
Проектирование изолированного преобразователя, способного выдержать пиковую мощность во время запуска
Этот подход может быть приемлемым, если пиковый ток двигателя сопоставим по значению с максимальным установившимся током. Однако такой подход может стать дорогостоящим, если пиковая нагрузка в несколько раз больше, поскольку тогда как корректор коэффициента мощности (ККМ), так и изолированные силовые каскады DC/DC преобразователя потребуется проектировать в расчете на более высокую пиковую нагрузку. Этот подход требует использования более дорогих компонентов в силовых каскадах, и даже требует изменения топологии преобразователя, а также может увеличить общие размеры и вес источника питания, если для того, чтобы избежать насыщения, понадобится применить более крупные индуктивные элементы.
Использование большой батареи конденсаторов
В этом случае в то время, когда двигатель не включен, изолированный источник питания накапливает значительный заряд в батарее конденсаторов, подключенной к выходу источника. Как только двигатель включается, накопленный заряд обеспечивает необходимый двигателю пиковый ток, допуская при этом некоторое приемлемое падение выходного напряжения. Этот подход прост, но требует возможности отключения питания от двигателя, чтобы изолированный источник питания мог запускаться без подключения нагрузки. Использование большой батареи конденсаторов также не является хорошей идеей для мощных PMDC, так как требуемый размер конденсаторной батареи становится неоправданно большим.
Ограничение максимального выходного тока
Если в контур обратной связи изолированного источника питания встроить ограничитель выходного тока, источник питания сможет регулировать максимальный выходной ток. Такой подход позволяет снизить проектные требования к пиковой мощности источника питания и исключить необходимость в большой батарее конденсаторов. Но для схемы регулирования выходного тока будет нужен отдельный источник смещения, чтобы должным образом регулировать выходной ток во время запуска, что потребует отдельного изолированного вспомогательного источника питания в дополнение к схеме измерения тока, как показано Рисунке 2.
 |
|
| Рисунок 2. | На блок-схеме AC/DC преобразователя выделены контуры стабилизации тока и напряжения. |
Снижение пикового тока за счет ограничения коэффициента заполнения
Если начальная скорость и время пуска двигателя не критичны, и увеличение времени запуска приемлемо для приложения, другой подход заключается в ограничении выходного напряжения изолированного DC/DC преобразователя во время запуска на период времени, превышающий электрическую постоянную времени двигателя. В контроллерах, работающих на фиксированной частоте, можно ограничить максимальный коэффициент заполнения. В преобразователях с переменной частотой, таких как резонансные LLC преобразователи, можно ограничить минимальную частоту переключения.
Использование ограничения позволяет подавать с выхода изолированного DC/DC преобразователя небольшое начальное напряжение в течение времени, достаточно длительного для того, чтобы двигатель мог начинать медленно вращаться и постепенно развивать противо-ЭДС, как показано на Рисунке 3. Поскольку начальное напряжение питания невелико, потребляемый двигателем ток ограничен величиной, гораздо более близкой к его установившемуся значению. После того, как противо-ЭДС появилась, и ток двигателя достиг установившегося значения, выходное напряжение изолированного DC/DC преобразователя можно безопасно увеличивать до номинального выходного уровня, не подвергая при этом преобразователь избыточной токовой нагрузке.
 |
|
| Рисунок 3. | Запуск с ограничением коэффициента заполнения обеспечивает небольшое начальное напряжение. |
Размещение схемы ограничения на первичной стороне изолированного DC/DC преобразователя позволяет исключить необходимость во вспомогательном источнике питания. На Рисунке 4 показан пример реализации с использованием компаратора общего назначения и нескольких малосигнальных транзисторов. В этом конкретном примере схема ограничения работает совместно с контроллером UCC256402, имеющим на выводе обратной связи FB фиксированное напряжение 5.6 В, и действует как ограничитель минимальной рабочей частоты полумостового резонансного LLC преобразователя.
 |
|
| Рисунок 4. | В схеме ограничителя на первичной стороне используется компаратор общего назначения и пара малосигнальных транзисторов. |
В исходном состоянии ограничителя оба транзистора Q1 и Q2 включены, а напряжения на конденсаторах C1 и C2 равны 0 В. Поскольку база Q2 притянута транзистором Q1 к земле, из вывода FB контроллера изолированного DC/DC преобразователя вытекает ток, пропорциональный
где VFB – напряжение на выводе FB. В случае контроллера UCC256402 этот вытекающий ток ISINK удерживает напряжение затвора на уровне
обеспечивая функцию ограничения частоты (см. техническое описание UCC256402). Время активного состояния ограничителя зависит от того, как долго напряжение на конденсаторе C1 остается более низким, чем опорное напряжение VREF компаратора TL331, и устанавливается постоянной времени RC-цепи, образованной элементами C1, R1 и R2 (Рисунок 5).
 |
|
| Рисунок 5. | Изменения состояния схемы ограничения во времени. |
Поскольку компаратор TL331 имеет выход с открытым коллектором, затвор Q1 оказывается притянутым к земле, и транзистор Q1 выключается. По мере того, как напряжение на конденсаторе C2 начинает заряжать его через резистор R5, величина тока, вытекающего из вывода FB, медленно уменьшается, обеспечивая мягкое постепенное отключение схемы ограничения частоты. Диоды D1 и D2 служат для быстрого разряда конденсаторов C1 и C2 и сброса схемы ограничителя в случае исчезновения напряжения смещения схемы первичной стороны, например, при срабатывании защиты от короткого замыкания.
Сравнение пиковых токов
По приведенной выше схеме был сделан 500-ваттный повышающий преобразователь ККМ, работающий в режиме непрерывной проводимости совместно с изолированным полумостовым резонансным LLC преобразователем, который успешно запускал и питал промышленный пылесос. Осциллограммы, показанные на Рисунке 6, иллюстрируют выходное напряжение (10 В/дел) источника питания и ток (50 А/дел), потребляемый двигателем во время запуска без ограничения частоты. Пиковый ток якоря двигателя составляет 186 А. Значительная перегрузка по току присутствует в течение 200 мс до того, как установится стационарное значение тока 25 А, наступая через 300 мс после начала вращения двигателя.
 |
|
| Рисунок 6. | Осциллограммы напряжения питания двигателя и тока без ограничения частоты. |
Осциллограммы на Рисунке 7 иллюстрируют выходное напряжение (10 В/дел) источника питания и ток (10 А/дел), потребляемый двигателем во время запуска при включенной функции ограничения частоты. Пиковый ток чуть больше 35 А, что намного ближе к номинальному току двигателя 25 А. Ток двигателя достигает стационарного уровня через 3 секунды после начала вращения.
 |
|
| Рисунок 7. | Осциллограммы напряжения питания двигателя и тока с ограничением частоты. |
Добавление простой схемы ограничения обеспечивает запуск двигателя постоянного тока, не допуская при этом высоких токовых нагрузок на AC/DC преобразователь и значительно сокращая количество необходимых компонентов по сравнению с другими подходами. Этот подход можно также сочетать с нерезонансными топологиями, чтобы использовать его для ограничения коэффициента заполнения путем подключения к выводу COMP контроллера ШИМ. Разработка AC/DC преобразователя, поддерживающего полную пиковую нагрузку, необходимую двигателю, потребовала бы возможности обеспечивать выходной ток, более чем в пять раз превышающий ток двигателя в установившемся режиме.
Этот значительный уровень перегрузки по мощности и току потребовал бы гораздо более дорогостоящей топологии как для ККМ, так и для изолированного DC/DC преобразователя – такой как многофазный ККМ и полный мост с фазовым сдвигом между полумостами, что существенно увеличило бы стоимость компонентов. Схема ограничения коэффициента заполнения или частоты также экономит затраты на компоненты по сравнению с ограничением выходного постоянного тока за счет исключения необходимости в отдельном изолированном вспомогательном источнике питания и имеет меньшие размеры, чем при использовании большой батареи конденсаторов. Использование ограничителя коэффициента заполнения или частоты позволяет конструировать более дешевые и компактные изолированные преобразователи, полностью выполняя все требования по питанию PMDC.
Купить TL331 на РадиоЛоцман.Цены
