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一种轻型大功率直流电机驱动器研制

来源:北京kok体育苹果版电机有限公司作者:李利网址:浏览数:4947

摘  要:针对功率质量比要求很高的功率驱动场合,提出了一种轻质量高功率的直流电机驱动器系统。驱动器电路的核心器件为一片CPLD和多片智能功率芯片SPM—IGBT。介绍了电路的硬件设计原理,描述了控制软件的程序结构。系统重量仅为1 kg左右,输出功率达7 kW;经实验表明,系统具有工作稳定、功耗低、体积小、可靠性高、控制灵活等特点,具有一定实用价值。

0  引  言

   随着便携设备和轻量设备的发展,对驱动器的质量和功率提出了越来越高的要求。目前国内多采用分立IGTB功率管或MOSFET功率管搭制H桥,实现大电流直流电机驱动。由于分立器件各个元件的特性不同,使得驱动器的特性具有一定的离散性,同时由于功率管的开关电阻较大,导致功耗也很大,需要加大功率的散热片,这无疑加大了驱动器的体积和重量。目前国内外生产的直流电机驱动器,较轻的质量通常对应着较低的输出功率,如质量在1 kg以下的驱动器,其持续输出功率几乎全部低于3 kW。文中提出了一种轻质量、大功率的直流电机驱动器装置。该装置主要针对应用于便携设备和轻量设备中的直流电机驱动。设计中采用SPM-IGBT功率?镕VPl8030。其内部集成了两个HVIC、两个缓冲器IC、两个IGBT和两个二极管。这一集成式?樵诩蚧杓啤⒔谑≈圃焓奔浜统杀疽约疤嵘阅芊矫妫哂杏庞诜至⑹浇饩龇桨傅南灾攀啤8霉β誓?槎疃üぷ鞯缌鞔180 A,额定工作电压达300 V,而其重量仅有13.4 g,适合于对功率质量比要求很高的功率驱动要求。此外部分保护电路内置能够对IGBT驱动提供最快速安全保障。

1  系统组成及工作原理

   驱动器电路的核心器件采用一片CPLD和多片智能功率芯片SPM—IGBT。软件程序用VHDL语言编写。系统原理如图1所示?刂频缏方邮沼没淙氲牡魉傩藕牛涑4路PWM信号,PWM信号经高速光耦隔离驱动后,由脉冲整定电路进行相位及电压幅值调整,经整定后的PWM脉冲信号输入SPM.IGBT的控制输入端,SPM—IGBT根据输入的控制信号,经内部驱动后开关IGBT,最终输出两路直流电机驱动信号。SPM—IGBT组需要F桥臂一组电源、上桥臂两组电源共三组独立电源。其中,下桥臂电源由驱动器的输入电源提供,上桥臂两组电源由自举电路产生。SPM—IGBT组的输入电压及输出工作电流由检测电路进行检测;将检测得到的电流及电压信号送入比较电路,比较电路输出过流、短路及欠压保护信号,对驱动器进行保护,同时将比较结果经光耦电路反馈给控制电路进行相应保护处理,同时输出报警指示灯亮。其中短路保护完全由硬件实现,以达到保护的及时性,过流保护由软件实现,以达到控制的

灵活性,方便调整允许的过流及时间,过压保护由软、硬件共同实现:当电压低至一定程度后由软件输出报警,当电压进一步低于控制部分需要的最低电压时,由硬件切断驱动器的工作。

   图1  驱动器电路系统原理图

2驱动电路设计

2.1  SPM—IGBT功率?榈缏飞杓

   在驱动部分的设计中,SPM—IGBT?榈难⌒图癝PM—IGBT?樽榈南喙氐缏飞杓剖呛诵摹PM(智能功率?)一IGBT主要特点在于IGBT驱动电路及部分保护电路内置驱动电路内置,能够保证在最佳设置条件下驱动IGBT。驱动电路和IGBT之间的连线短,驱动电路的阻抗低,因此无须反向偏压电源;内置开通/关断专用Rg,这样就可以独

立控制开通和关断的dv/dt,因此也就能够充分发挥元件的特性。部分保护电路内置能够对IGBT驱动提供最快速安全保障。

   设计SPM-IGBT功率?镕VPl8030。这一集成式?樵诩蚧杓啤⒔谑≈圃焓奔浜统杀疽约疤嵘阅芊矫婢哂杏庞诜至⑹浇饩龇桨傅南灾攀啤H缤2所示,FVPl8030集成了8个元件、两个HVIC、两个缓冲器IC、两个IGBT以及两个二极管,可以使用较分立器件方案少得多的线路板空间,大幅提升系统的可靠性和抗噪声能力,其重量仅有13.4 g,能够大大减轻驱动器的重量,适合于对功率质量比要求很高的功率驱动要求。

   SPM—IGBT?樽榈南喙氐缏飞杓圃砣缤2所示。图中仅给出了两个SPM—IGBT?楣钩傻那W榈缏飞杓圃怼8菟绷鞯缁导使β始暗缌鞯男枰梢酝ü齋PM—IGBT?榈牟⒘黾忧鞯氖涑龅缌骱凸β省2⒘倍杂谛枰⑷氲哪?橹恍璋赐贾兴痉椒ú⑿辛蛹纯伞

   图2 SPM—IGBT功率?榈缏吩硗

2.2  光电隔离及PWM信号调理

   光电隔离及电平调整电路原理图如图3所示。在接收到光耦传送的信号后,通过反向电路74LS05进行电平反向处理,处理后的信号通过5 k欧姆电阻上拉至15 V电源?刂撇糠旨肮β什糠侄懒⒐┑纭R坏┛刂撇糠值缏烦鱿治侍猓聪虻缏纺芄槐Vに蠸PM—IGBT?刂贫说腜WM输入信号均为低电平,避免IGBT上下桥臂的同时导通,引起短路故障。同时由于控制信号输入端被上拉到15 V,使PWM脉冲信号更加适合于SPM-IGBT控制端的输入电平要求,具有更好的抗干扰性能。

2.3  自举电路

   自举电源由二极管和电容组成。自举电容应该提供的最小电荷由下式计算: (1)式中,Qg为高端器件栅极电荷;f为工作频率;Icbs(1eak)为自举电容漏电流;Qis为每个周期内电平转换电路中的电荷要求。

   自举电容最小电容值由下式计算: (2)式中,Vf为自举二极管正向压降;VLS为低端器件压降或高端负载压降。

   经计算,自举电容容值选取为10 F电解电容,限流电阻为5.6欧姆,PWM控制信号频率不低于2 kHz,占空比不小于10%。自举电容要尽可能靠近IC的管脚,至少有一个低ESR的电容提供就近耦合。使用铝电解电容作为自举电容,再用一个瓷电电容去耦。此外,在高端器件开通时,自举二极管必须能够阻止高压,并且应是快恢复二极管,以减小从自举电容向电源Vcc的回馈电荷。二极管选用1N4937(600 V/1 A)。

                       图3光电隔离及电平调整电路原理图

2.4过流及欠压保护电路

过流及欠压保护电路如图4所示。电流检测采用霍尔电流传感器TBClOOES5,该器件为5 V单电源供电,测量电流范围±300 A,输出检测电压O V~5 V,偏置电压为2.5 V。检测得到的电流及电压信号输入比较器LM393,当电流超过设定值或电压低于设定值时,比较器翻转,封锁所有SPM-IG—BT输入端驱动脉冲,使输出电流降为零;通过高速光耦将报警信号反馈回控制电路,由控制电路进行相应控制,同时输出报警指示灯亮。

   

图4过流及欠压保护电路

3  软件设计

   控制部分软件结构如图5所示?刂频缏方邮绽醋杂没У牡魉傩藕牛涑鱿嘤Φ恼伎毡刃藕拧4瞬糠值穆呒饕ǹ亓渴淙肴ザ赌?椤⑹淙肓坷奂幽?椤WM比较?椤WM频率调整?橐约癙WM构造输出?椤?亓渴淙肴ザ赌?橛糜谌サ舻缏分械绱鸥扇哦允淙胄藕诺挠跋欤约叭サ艨厥辈拇罅慷抖龀宥允淙胄藕诺挠跋臁J淙肜奂恿磕?橛糜诶奂踊虻菁跽蚧蚍捶较蛴没淙氲目刂剖奔洌渲械睦奂铀俾什问梢缘髡奂踊虻菁醯乃俾剩吹髡没淙氲姆从炻WM比较?橛糜诓镜恼伎毡刃藕拧WM频率调整?橥ü谋湎嘤Φ谋冉掀

累加频率,调整基本占空比信号的频率。PWM构造输出?槔没镜恼伎毡刃藕殴乖斐雎阈枰4路PWM信号并且输出。

    图5控制部分软件结构图

   控制电路同时接收来自比较电路反馈的短路信号、过流信号及欠压信号。收到故障信号后,控制电路将立即封锁脉冲,使输出脉冲维持在低电平。封锁过程将维持20 ms(可调),之后如果故障信号解除,则复位并恢复正常工作。

4  实验结果

   驱动器的测试实验由两个部分组成。第一组实验为电机空载实验。目的在于测试驱动器的基本功能以及驱动器耐反电动势冲击的能力。第二组实验为电机堵转实验。目的在于测试驱动器的过电流能力以及耐电流冲击能力。实验中驱动器的供电电源采用高能量密度电池组,以更好地模拟便携应用场合。此电池组标称电压为36 V。驱动器的脉宽调制(PWM)频率为16 kHz。

   电机空载时,驱动器上桥臂输出电压波形图如图6所示。图(a)对应的电机转速为200 r/min,图(b)对应的电机转速为2 500 r/min?杉孀诺缁俚脑黾樱魃锨疟凼涑龅牡缪共ㄐ沃械娜哦煞忠脖浯蟆U馐怯捎诘缁幼懈畲帕ο卟姆吹缍瞥寤髟斐傻摹M贾兴镜娜哦粲诳山邮艿姆段В换嵊跋烨鞯恼9ぷ鳌5缁伦保魃锨疟凼涑龅缪共ㄐ瓮既缤7所示。其中图(a)对应的电机电流为20 A,图(b)对应的电机电流为180 A。由图中可见,随着电机电流的增加,驱动器上桥臂输出电压波形中毛刺的含量也在增加。这是由于驱动器上桥臂通断时电流的冲击造成的。图中波形显示的这些毛刺完全不会影响驱动器的正常工作。从图中还可以看出,随着电机电流的增加,驱动器上桥臂输出电压有所下降,电压相比降低了约3 V。这主要是由于随着输出电流的增加,作为电源的电池组输出电压相应降低,管压降虽然也有所增加,但由发热量来看,由此造成的功率损耗并不严重。

 图6  电机空载时上驱动器上桥臂输出电压波形

    图7  电机堵转时驱动器上桥臂输出电压波形

5  结束语

   本文提出了一种轻质量大功率直流电机驱动器装置。驱动器电路的核心器件采用一片CPLD和多片智能功率芯片SPM-IGBT,软件程序用VHDL语言来编写。SPM—IGBT功率?椴捎梅烧装氲继骞镜挠呕疐VPl8030,使用了较分立器件方案少得多的线路板空间,并同时大幅提升了系统的可靠性和抗噪声能力。

   所研制直流电机驱动器装置重量仅为1kg左右,输出功率达7 kw。此外,该系统还具有工作稳定、功耗低、体积小、可靠性高、控制灵活等特点。本方案适合于对功率质量比要求很高的功率驱动场合,尤其是便携设备和轻量设备中的直流电机驱动。同时,所述的驱动电路的原理和方法也可以应用于交流电机或开关电源的设计和实现,以获得优良的质量和功率性能。

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