可编程调频微电机三相方波电源的研究

李忠波  李延斌  霍其峰  （沈阳工业大学，沈阳110023）

摘  要:介绍了可编程调频微电机三相方波电源的原理与设计，给出了仿真与实验结果。该电源具有转换效率高，输出频率的精度和稳定度高的特点。

关键词: 可编程  三相方波  微电机

Study on Programmubly Frequency-modulated Three –phase

Square Wave Inverter Driving Small Motor

LI Zhong–bo    Li Yan–bin    Huo Qi–feng

( Shenyang University of Technology Shenyang 110023,China)

Abstract : The theory and design of programmably frequency-modulated three –phase square wave inverter driving small motor and emulation and experiment results are put forward. This source has some traits such as high conversion efficiency and high precision and stability of output frequency.

Key words : programmably;  three –phase square wave;  small motor

1  引  言

随着电子信息等相关产业的发展，微电机及其电控装置正在迅速发展。为适应微电机种类繁多、性能各异、技术指标相差很大的特点和微电机的电子化、集成化的发展趋势，本文介绍了一种可编程调频微电机三相方波驱动电源，并采用电子设计自动化（EDA）软件进行研究和设计。

2  原理与电路设计

2.1  结构方框图

可编程调频微电机三相方波电源的结构方框图如图1所示，它由振荡器、可编程分频器、环形计数器、三相功率开关、直流稳压电源等5部分组成。振荡器产生频率可调的方波信号

图1  结构方框图

，经可编程分频器后可输出8种中心频率的二分频信号，中心频率信号作为时钟脉冲送入环行计数器，环行计数器即可输出6分频的三相对称方波电压，再经三相功率开关使三相对称方波的电压、电流和功率满足微电机对技术指标的要求。振荡器是由逻辑门电路或555定时器与阻容元件构成的输出频率可调的自激多谐振荡器；直流电源是将单相交流电经整流、滤波、稳压后获得的稳定直流电。

2.2  可编程分频器的设计[1]

  可编程分频器如图2所示，由数字集成计数器4040和8选1数据选择器4512以及编程

图2  可编程分频器

逻辑开关组成，4040是12级二进制计数器，计数器4040将振荡器产生的高频信号进行8级二分频，再传送给8选1数据选择器4512，数据选择器的输出由编程逻辑开关S2、S1、S0控制。若振荡器V2的输出频率设定为37.2 kHz，逻辑开关S2、S1、S0取值不同时，数据选择器的输出频率和相应6分频频率如表1所示；当S2S1S0 = 001时，可编程分频器的输出频率为2.4 kHz，用虚拟数字逻辑分析仪观测到振荡器V2的输出电压u2、和可编程分频器的输出电压uo的波形如图4所示。

表1

 2.3  三相对称方波的产生[2、3]

    三相对称方波产生电路如图3所示，两片上升沿触发的双D触发器7474构成环形计数

图3  三相对称方波产生电路

器，Ui是环形计数器的时钟脉冲输入端，工作时Ui与图2所示的可编程分频器的输出端Uo相连接，将输入的时钟脉冲信号6分频，在环形计数器的输出端Q1、Q2、Q3输出三相对称方波电压。图3中定时开关S3是环形计数器的自启动开关，一个D触发器的置1端PRE（U3的引脚4）和另一个D触发器的置0端CLR（U4的引脚1）同时接到S3的固定端，启动时，S3与有效电平（接地）接通，经过定时时间后自动切换到无效电平（接电源），保证环形计数器接通电源瞬间不进入Q3Q2Q1=000、111、000---的无效循环状态。根据输入时钟脉冲的频率（例如2. 4kHz），S3的通电延时断开的时间设定为TON Time = 0.5mS。用虚拟数字逻辑分析仪观测到环形计数器的输出电压波形如图4所示。

图4  环形计数器的输出波形

  图3中集成功率运放A1、A2、A3采用具有过流和过热保护环节的LM12，组成三相功率开关。环形计数器输出的三相对称方波经该电路后仍保持原有的对称性，但输出电压的幅值、输出电流和输出功率都增大了，实现了由直流到三相对称方波交变电流的转换，可直接驱动微电机。用虚拟示波器观测到功率开关的输出端U、V、W的输出电压波形uU、uV、uW如图5所示。    

                  uU

uV

 uW

图5  功率开关的输出波形

3  技术指标与实验结果

经实验测得，可编程调频微电机三相方波变流电源的理论计算、电路仿真与实验结果取得一致。该电源可达到如下技术指标，输入直流电压30V ，输出三相方波电压14V，电流1A , 频率可根据需要连续调节，频率稳定度为2×10-3，电压稳定度为1%，三相方波电源的转换效率高达85%。

4  结束语

微电机驱动电源的仿真研究给微电机驱动电源的设计提供一个快捷方法，可方便地改变设计方案和电路参数，以满足电源对电压、电流、频率等指标的要求。用虚拟仪器测量电压、电流，观测各点的波形，能达到最佳仿真效果。为电路的实现、调整和运行提供了基本依据。还可节省实验经费，缩短设计周期，适于微小电机驱动装置的电子化、多样化、集成化的发展趋势。

参考文献：

[1] 李忠波，韩晓明.  电子技术.  北京：机械工业出版社， 1998

[2] R.J.Higgens. Electronics With Digital and Analog Integrated Circuits[M]. N.J.Prentice-Hall Inc, 1983.

[3] Jacob Millman et al. Microeletronics(2nd Edi.)[M]. Mcgrawhill Book Company,1987.

作者简介：

李忠波  男，1946年生，副教授。研究方向为电力电子应用。邮编：110023 沈阳工业大学 582信箱 电话 024  25406724