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一種輕型大功率直流電機驅動器研制

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.myanmarbdc.com瀏覽數:4936

摘  要:針對功率質量比要求很高的功率驅動場合,提出了一種輕質量高功率的直流電機驅動器系統。驅動器電路的核心器件為一片CPLD和多片智能功率芯片SPM—IGBT。介紹了電路的硬件設計原理,描述了控制軟件的程序結構。系統重量僅為1 kg左右,輸出功率達7 kW;經實驗表明,系統具有工作穩定、功耗低、體積小、可靠性高、控制靈活等特點,具有一定實用價值。

0  引  言

   隨著便攜設備和輕量設備的發展,對驅動器的質量和功率提出了越來越高的要求。目前國內多采用分立IGTB功率管或MOSFET功率管搭制H橋,實現大電流直流電機驅動。由于分立器件各個元件的特性不同,使得驅動器的特性具有一定的離散性,同時由于功率管的開關電阻較大,導致功耗也很大,需要加大功率的散熱片,這無疑加大了驅動器的體積和重量。目前國內外生產的直流電機驅動器,較輕的質量通常對應著較低的輸出功率,如質量在1 kg以下的驅動器,其持續輸出功率幾乎全部低于3 kW。文中提出了一種輕質量、大功率的直流電機驅動器裝置。該裝置主要針對應用于便攜設備和輕量設備中的直流電機驅動。設計中采用SPM-IGBT功率模塊FVPl8030。其內部集成了兩個HVIC、兩個緩沖器IC、兩個IGBT和兩個二極管。這一集成式模塊在簡化設計、節省制造時間和成本以及提升性能方面,具有優于分立式解決方案的顯著優勢。該功率模塊額定工作電流達180 A,額定工作電壓達300 V,而其重量僅有13.4 g,適合于對功率質量比要求很高的功率驅動要求。此外部分保護電路內置能夠對IGBT驅動提供最快速安全保障。

1  系統組成及工作原理

   驅動器電路的核心器件采用一片CPLD和多片智能功率芯片SPM—IGBT。軟件程序用VHDL語言編寫。系統原理如圖1所示??刂齐娐方邮沼脩糨斎氲恼{速信號,輸出4路PWM信號,PWM信號經高速光耦隔離驅動后,由脈沖整定電路進行相位及電壓幅值調整,經整定后的PWM脈沖信號輸入SPM.IGBT的控制輸入端,SPM—IGBT根據輸入的控制信號,經內部驅動后開關IGBT,最終輸出兩路直流電機驅動信號。SPM—IGBT組需要F橋臂一組電源、上橋臂兩組電源共三組獨立電源。其中,下橋臂電源由驅動器的輸入電源提供,上橋臂兩組電源由自舉電路產生。SPM—IGBT組的輸入電壓及輸出工作電流由檢測電路進行檢測;將檢測得到的電流及電壓信號送入比較電路,比較電路輸出過流、短路及欠壓保護信號,對驅動器進行保護,同時將比較結果經光耦電路反饋給控制電路進行相應保護處理,同時輸出報警指示燈亮。其中短路保護完全由硬件實現,以達到保護的及時性,過流保護由軟件實現,以達到控制的

靈活性,方便調整允許的過流及時間,過壓保護由軟、硬件共同實現:當電壓低至一定程度后由軟件輸出報警,當電壓進一步低于控制部分需要的最低電壓時,由硬件切斷驅動器的工作。

   圖1  驅動器電路系統原理圖

2驅動電路設計

2.1  SPM—IGBT功率模塊電路設計

   在驅動部分的設計中,SPM—IGBT模塊的選型及SPM—IGBT模塊組的相關電路設計是核心。SPM(智能功率模塊)一IGBT主要特點在于IGBT驅動電路及部分保護電路內置驅動電路內置,能夠保證在最佳設置條件下驅動IGBT。驅動電路和IGBT之間的連線短,驅動電路的阻抗低,因此無須反向偏壓電源;內置開通/關斷專用Rg,這樣就可以獨

立控制開通和關斷的dv/dt,因此也就能夠充分發揮元件的特性。部分保護電路內置能夠對IGBT驅動提供最快速安全保障。

   設計SPM-IGBT功率模塊FVPl8030。這一集成式模塊在簡化設計、節省制造時間和成本以及提升性能方面具有優于分立式解決方案的顯著優勢。如圖2所示,FVPl8030集成了8個元件、兩個HVIC、兩個緩沖器IC、兩個IGBT以及兩個二極管,可以使用較分立器件方案少得多的線路板空間,大幅提升系統的可靠性和抗噪聲能力,其重量僅有13.4 g,能夠大大減輕驅動器的重量,適合于對功率質量比要求很高的功率驅動要求。

   SPM—IGBT模塊組的相關電路設計原理如圖2所示。圖中僅給出了兩個SPM—IGBT模塊構成的驅動模組電路設計原理。根據所要驅動直流電機實際功率及電流的需要,可以通過SPM—IGBT模塊的并聯,增加驅動器的輸出電流和功率。并聯時對于需要并入的模塊只需按圖中所示方法并行連接即可。

   圖2 SPM—IGBT功率模塊電路原理圖

2.2  光電隔離及PWM信號調理

   光電隔離及電平調整電路原理圖如圖3所示。在接收到光耦傳送的信號后,通過反向電路74LS05進行電平反向處理,處理后的信號通過5 k歐姆電阻上拉至15 V電源??刂撇糠旨肮β什糠知毩⒐╇?。一旦控制部分電路出現問題,反向電路能夠保證所有SPM—IGBT??刂贫说腜WM輸入信號均為低電平,避免IGBT上下橋臂的同時導通,引起短路故障。同時由于控制信號輸入端被上拉到15 V,使PWM脈沖信號更加適合于SPM-IGBT控制端的輸入電平要求,具有更好的抗干擾性能。

2.3  自舉電路

   自舉電源由二極管和電容組成。自舉電容應該提供的最小電荷由下式計算: (1)式中,Qg為高端器件柵極電荷;f為工作頻率;Icbs(1eak)為自舉電容漏電流;Qis為每個周期內電平轉換電路中的電荷要求。

   自舉電容最小電容值由下式計算: (2)式中,Vf為自舉二極管正向壓降;VLS為低端器件壓降或高端負載壓降。

   經計算,自舉電容容值選取為10 F電解電容,限流電阻為5.6歐姆,PWM控制信號頻率不低于2 kHz,占空比不小于10%。自舉電容要盡可能靠近IC的管腳,至少有一個低ESR的電容提供就近耦合。使用鋁電解電容作為自舉電容,再用一個瓷電電容去耦。此外,在高端器件開通時,自舉二極管必須能夠阻止高壓,并且應是快恢復二極管,以減小從自舉電容向電源Vcc的回饋電荷。二極管選用1N4937(600 V/1 A)。

                       圖3光電隔離及電平調整電路原理圖

2.4過流及欠壓保護電路

過流及欠壓保護電路如圖4所示。電流檢測采用霍爾電流傳感器TBClOOES5,該器件為5 V單電源供電,測量電流范圍±300 A,輸出檢測電壓O V~5 V,偏置電壓為2.5 V。檢測得到的電流及電壓信號輸入比較器LM393,當電流超過設定值或電壓低于設定值時,比較器翻轉,封鎖所有SPM-IG—BT輸入端驅動脈沖,使輸出電流降為零;通過高速光耦將報警信號反饋回控制電路,由控制電路進行相應控制,同時輸出報警指示燈亮。

   

圖4過流及欠壓保護電路

3  軟件設計

   控制部分軟件結構如圖5所示??刂齐娐方邮諄碜杂脩舻恼{速信號,輸出相應的占空比信號。此部分的邏輯主要包括開關量輸入去抖模塊、輸入量累加模塊、PWM比較模塊、PWM頻率調整模塊以及PWM構造輸出模塊。開關量輸入去抖模塊用于去掉電路中電磁干擾對輸入信號的影響,以及去掉開關時產生的大量抖動脈沖對輸入信號的影響。輸入累加量模塊用于累加或遞減正向或反方向用戶輸入的控制時間,其中的累加速率參數可以調整累加或遞減的速率,即調整用戶輸入的反應快慢。PWM比較模塊用于產生基本的占空比信號。PWM頻率調整模塊通過改變相應的比較器

累加頻率,調整基本占空比信號的頻率。PWM構造輸出模塊利用基本的占空比信號構造出滿足需要的4路PWM信號并且輸出。

    圖5控制部分軟件結構圖

   控制電路同時接收來自比較電路反饋的短路信號、過流信號及欠壓信號。收到故障信號后,控制電路將立即封鎖脈沖,使輸出脈沖維持在低電平。封鎖過程將維持20 ms(可調),之后如果故障信號解除,則復位并恢復正常工作。

4  實驗結果

   驅動器的測試實驗由兩個部分組成。第一組實驗為電機空載實驗。目的在于測試驅動器的基本功能以及驅動器耐反電動勢沖擊的能力。第二組實驗為電機堵轉實驗。目的在于測試驅動器的過電流能力以及耐電流沖擊能力。實驗中驅動器的供電電源采用高能量密度電池組,以更好地模擬便攜應用場合。此電池組標稱電壓為36 V。驅動器的脈寬調制(PWM)頻率為16 kHz。

   電機空載時,驅動器上橋臂輸出電壓波形圖如圖6所示。圖(a)對應的電機轉速為200 r/min,圖(b)對應的電機轉速為2 500 r/min??梢?,隨著電機轉速的增加,驅動器上橋臂輸出的電壓波形中的擾動成分也變大。這是由于電機轉子轉動切割磁力線產生的反電動勢沖擊造成的。圖中所示的擾動屬于可接受的范圍,不會影響驅動器的正常工作。電機堵轉時,驅動器上橋臂輸出電壓波形圖如圖7所示。其中圖(a)對應的電機電流為20 A,圖(b)對應的電機電流為180 A。由圖中可見,隨著電機電流的增加,驅動器上橋臂輸出電壓波形中毛刺的含量也在增加。這是由于驅動器上橋臂通斷時電流的沖擊造成的。圖中波形顯示的這些毛刺完全不會影響驅動器的正常工作。從圖中還可以看出,隨著電機電流的增加,驅動器上橋臂輸出電壓有所下降,電壓相比降低了約3 V。這主要是由于隨著輸出電流的增加,作為電源的電池組輸出電壓相應降低,管壓降雖然也有所增加,但由發熱量來看,由此造成的功率損耗并不嚴重。

 圖6  電機空載時上驅動器上橋臂輸出電壓波形

    圖7  電機堵轉時驅動器上橋臂輸出電壓波形

5  結束語

   本文提出了一種輕質量大功率直流電機驅動器裝置。驅動器電路的核心器件采用一片CPLD和多片智能功率芯片SPM-IGBT,軟件程序用VHDL語言來編寫。SPM—IGBT功率模塊采用飛兆半導體公司的優化FVPl8030,使用了較分立器件方案少得多的線路板空間,并同時大幅提升了系統的可靠性和抗噪聲能力。

   所研制直流電機驅動器裝置重量僅為1kg左右,輸出功率達7 kw。此外,該系統還具有工作穩定、功耗低、體積小、可靠性高、控制靈活等特點。本方案適合于對功率質量比要求很高的功率驅動場合,尤其是便攜設備和輕量設備中的直流電機驅動。同時,所述的驅動電路的原理和方法也可以應用于交流電機或開關電源的設計和實現,以獲得優良的質量和功率性能。

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