（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的永磁无刷直流电机的控制.pdf

北京交通大学硕士论文摘要 c o n t r o lo fad s p b a s e dp e r m a n e n t m a g n e tb r u s h l e s sd cm o t o r a b s t r a c t t h i st h e s i s a n a l y z e s t h e o p e r a t i n gp r i n c i p l e o fp mb l d c m ( p e r m a n e n t - m a g n e tb r u s h l e s sd cm o t o r ) a n dt h er e q u i r e m e n to fa3 0 k wp m b l d c mo nt h ec o n t r o ls y s t e m t h ec o n t r o ls y s t e md e s i g nb a s e do nd s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7i s a c c o m p l i s h e d c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lc o n t r o lm o d e ， t h ed s pm o d eh a st h ea d v a n t a g eo f h i g h e ro p e r a t i o ns p e e da n de a s i e ri m p l e m e n t o ft h er e a l - t i m ec o n t r 0 1 a n dt h es p e c i a lp w m o u t p u ta n dp r o t e c tf u n c t i o no n c h i pm a k et h ec o n t r o ls y s t e mm o r es i m p l ea n dr e l i a b l e b ya n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gf i v ec h o p p i n gm a n n e r s ( o n - p w m ，p w m - o n ， h _ p w m - l _ p w m ，h _ p w m - l _ o n ，h _ o n - l _ p w m ) ，i t i sc o n c l u d e dt h a tt h e o n p w mc a nn o to n l yr e d u c ec u r r e n tf l u c t u a t i o na n dp o w e rl o s so fs w i t c h i n g d e v i c e s ，b u ta l s oa v e r a g es w i t c h i n gp o w e rl o s so fe a c hd e v i c ea n di m p r o v et h e w h o l es y s t e mr e l i a b i l i t y s o ，t h ed e s i g n e ds y s t e ma d o p to n p w mm a n n e ri n p w m c h o p p i n gc o n t r 0 1 ad o u b l ec l o s e d - l o o ps c h e m e ( c u r r e n tl o o pa n ds p e e dl o o p ) i sa d o p t e di nt h e d s p b a s e db r u s h l e s sd cm o t o rc o n t r o ls y s t e m t h es y s t e mh a r d w a r ei n c l u d e s t h et h r e e p h a s ei n v e r t e r , t h ed r i v i n gc i r c u i t ，t h ep r o t e c t i o nc i r c u i t ，t h ep o s i t i o n d e t e c t i n gc i r c u i t ，t h ec u r r e n td e t e c t i n gc i r c u i ta n dt h ep e r i p h e r yc i r c u i to fd s e t h es y s t e ms o f t w a r eh a sb e e nd e s i g n e dt or e a l i z et h ec o n t r o ls t r a t e g y , w h i c h i n c l u d e st h em a i n ，a ds a m p l i n g ，c u r r e n tr e g u l a t i o n ，s p e e dc a l c u l a t i o n ，s p e e d r e g u l a t i o na n dc a p t u r ei n t e r r u p t i o ns u b r o u t i n e b yc o m p a r i n ge x p e r i m e n t a lr e s u l t sf r o mt h ed s p b a s e dc o n t r o ls y s t e ma n d t h ea n a l o gc i r c u i tc o n t r o ls y s t e m ，i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h ec o n t r o ls y s t e m b a s e do nd s ph a st h ea d v a n t a g e so fh i g hr e l i a b i l i t y , l o wn o i s e ，e a s i l yu p g r a d i n g 北京交通大学硕士论文摘要 a n dr e a l i z i n ga d v a n c e dc o n t r o ls t r a t e g i e s k e yw o r d s ：p mb l d c m ，d s p , c i r c u i td e s i g n ，p r o g r a md e s i g n l i 北京交通大掌硬掌t 论 第一章绪论 长久以来。直流电动机因为具有线性的机械特性、启动力矩大、 效率高、调速范围宽、体积小、控制结构简单等优点，使其在高性能 的调速系统中得到了广泛的应用。但是，传统的直流电动机均采用电 刷，以机械的方法进行换向，因此存在相对的机械摩擦，由此带来了 噪声、火花、无线电干扰以及寿命短、可靠性差等致命的弱点“1 。在 1 9 1 7 年。b o l i g e r 就提出了用整流管代替有刷直流电机的机械电刷。 从而诞生了无刷直流电机的基本思想。1 9 5 5 年，美国d h a r r i s o n 等 人首次申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电机机械电刷的专利， 标志着现代无刷直流电机的诞生1 。1 9 7 8 年，原联邦德国的 m a n n e s m a n n 公司的i n d r a m a t 分部在汉诺威贸易展览会上正式推出了 m a c 永磁无刷直流电机及其驱动，标志着永磁无刷直流电机真正的进 入使用阶段”。 永磁直流电机由于转子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空 间上分为正弦波和梯形波两种，转子旋转在定子上产生的反电势也分 两种：正弦波和梯形波。习惯上把反电势为正弦波的永磁同步电机称 为正弦型永磁同步电机“1 ( p m s m ) ，而把反电势为梯形波的永磁同步电 机称为永磁无刷直流电机( b l d c m ) 或方波电机“1 1 。采用s p w m 或滞环 控制的正弦型永磁同步电机需要提供连续的转子位置信号，但由于转 矩波动小，因此往往多用于高性能的伺服系统。只需提供几个关键位 北京交通大掌硪士掌* i 值的离散信号的永磁无刷直流电机相对于正弦波永磁同步电动机的 正弦波驱动来讲，在相同的条件下逆变器获取方波要比正弦波容易得 多，再加上其控制也比正弦波永磁同步电动机简单，因此，永磁无刷 直流电动机更赢得了人们的广泛关注。 永磁无刷直流电动机控制系统主要具有以下的优点。5 1 ： 1 与直流调速系统比较：无刷直流电动机无电刷和机械换向器、 工作可靠、无电火花产生、不存在励磁损耗，同时它又具有类似于普 通直流电动机的调速性能。 2 与一般变频调速的同步电动机比较：与采用矢量控制、直接转 矩控制的同步电动机相比，其控制结构简单，便于工程化。 3 与异步电动机调速系统比较：转子与定子磁场同步旋转，不存 在转子损耗，提高了效率和功率因数。 4 永磁无刷直流电动机出力大、重量轻、体积小、效率高并且转 动惯量小。 5 能量密度高，节省铜等有色金属，而且可以使体积、重量减 轻。 自钕铁硼永磁材料进入商业化生产，小功率的永磁无刷电机已在 家用电器、伺服系统得到了广泛应用，而大功率无刷电机仍应用较少。 若在电力拖动系统中广泛应用永磁无刷电机，不仅可以节约大量的电 力资源，还可以节约大量的铜铁有色金属。在电动汽车使用永磁无刷 电机可减轻车身重量，节约有效空间，增加每次充电行驶的里程。在 机车牵引中使用永磁无刷电机可使电机本身的重量大大减轻，从而增 2 “柬z 通，：攀掌t 论文 加运量，提高运输的经济性。而永磁材料中的钕，我国资源丰富，占 有大约世界储存量的8 0 ，永磁无刷电机在我国的推广应用具有资源 优势，为永磁同步电动机的广泛应用奠定了坚实的基础“”。 模拟元件控制系统对温度敏感、易老化、升级比较困难，以被逐 渐淘汰。由单片机组成的控制系统外围扩展电路较复杂，而且存在速 度慢的缺陷。随着t i 公司以d s p 为核心的专用集成电机控制芯片 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 推出，为设计出使用先进控制算法的高性能数字控制系 统打下了坚实的基础。 本文分析了永磁无刷直流电机的工作原理和数学模型，并对3 0 k w 永磁无刷直流电动机提出了基于t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片的全数 字控制系统方案；主要工作包括： ( 1 ) 根据电机特行和功率要求选择功率变换器主电路和主开关元 件，并进行制作与调试 1 9 1 。 ( 2 ) 设计并研制了驱动电路，控制电路和保护电路呻】。 ( 3 ) 研究了变参数p i 控制设计了p i 调节器结构，并针对本系 统提出设计了电流速度双闭环p i 调节的控制方案 2 6 - 2 a 。 ( 4 ) 根据本控制方案绘制了软件流程。编写了d s p 程序，并进 行了编译调试 1 4 - 1 6 。 ( 5 ) 对样机进行了试验，从而对控制系统的控制性能进行了验 证。 北j c 妻：通大掌硕掌位论文 第二章永磁无刷直流电动机的工作原理 永磁无刷直流电机的控制系统如图2 一l 所示，主要由永磁无刷直流电 机、整流器、逆变器、位鼍传感器和控制器几部分组成，采用“三相六拍 1 2 0 。方波型”驱动。 图2 一l 永磁无刷直流电机的控制器的原理图 f i g 2 - lc o n t r o l l e rs c h e m a t i co f p mb l d c m 流无 电机 2 1 永磁无刷直流电动机的工作原理 永磁无刷直流电动机的工作是通过逆变器功率管按一定的规律导通关 断，使电机定子电枢产生按6 0 。电角度不断前进的磁势，带动电机转子旋转 来实现的。分析如下：图2 2 ( a ) 是理想条件下对应的电枢各相反电势和电 流；每个功率管导通1 2 0 。电角度，互差6 0 。电角度，当功率管v 3 和v 4 4 j 匕京交通大掌| 士掌位* 文 导通时，电机的v 相和一u ( 取电流流进绕组为正向) 相通电( 如图2 - i ) 。定 子电枢合成磁势为图2 2 ( b ) 中所示的f a 4 ：若功率管 ，3 关断，而功率管v 5 导通，此时电机的w 相和一u 相通电，电枢合成磁势变为f a 5 ，f a 5 比f a 4 顺时针前进了6 0 。电角度。由此可知，定子电枢产生的磁势将随着功率管 有规律的不断导通关断，按6 0 。电角度不断地顺时针转动。逆变器功率管 共有六种触发组合状态，每种触发组合状态只有与确定的转子位置或反电 势波形形相对应，才能产生最大的平均电磁转矩。两个磁势向量当其夹角 为9 0 。时，相互作用力最大。丽电子电枢产生的磁势是以6 0 。电角度在前 进，因此在每种触发模式下，转子磁势与定子磁势的夹角在1 2 0 。到6 0 。 之间变化才能产生最大的平均电磁转矩。见图2 2 ( c ) 假如在t l 时刻， 转子的磁势e 处于线圈u x 平面内，而且要使转子顺时针旋转；此时应该导 通功率管v 5 和v 4 ，使定子的合成磁势为f a 5 与巧的夹角成1 2 0 。转子在 f a 5 与f 相互作用产生的电磁转矩的作用下顺时针旋转，到t 3 时刻，f a 5 与f 的夹角成6 0 。此时关断功率管v 4 。导通功率管v 6 ，定子合成磁势 为f a 6 ，与f 的夹角成1 2 0 。，两者产生的电磁转矩使转子进一步旋转。 2 2 永磁无刷直流电动机的运行特性 与般直流电动机一丰丰，永磁无剧直流电动机的运行可分为四种情况， 即正转电动、反转电动、正转制动和反转制动。逆变功率管的六个导通组 合状态产生六个定子磁势，每个相差6 0 。( 以一对极为例) ，如图2 - 3 所示， 转子位置分为六个区间。 5 j t 采爻通 掌掌t 论文第= t 0 0 0 屯 i n 毛 y f 毛i 圭少v 兰 彳t 。 l l t u k a lf a 纠u 挚彰 a 斧一嗥4 印叫掣 b x y c 图2 - 2 永磁无剧直流电机的工作原理 f i g 2 - 2o p e r a t i n gp r i n c i p l eo f p mb l d c m 6 北京变通 掌q i 掌m 诗文 f6 图2 - 3 定于磁势向量图 f i g 2 3s t a t o rm a g n e t o m e t i v ev e c t o r 当电机正转( 顺时针) 电动时，以产生最大的正的平均电磁转矩为原则， 定予电枢合成磁势c 应当顺时针超前转子磁势1 2 0 。到6 0 。，即当处 于区间4 时，定子磁势应为f a 4 ，导通功率管v 3 和v 4 ，即当弓处于区间5 时，定子磁势应为f a 5 ，导通功率管v 4 和v 5 具体对应关系见表2 - 1 和 表2 - 2 。 当电机j f 转制动时，则以产生最大的负的平均转矩为原则，定子电枢 合成磁势c 应当顺时针滞后转予磁势1 2 0 。到6 0 。当处于区间2 时t 定子磁势为f a 5 ，导通管v 4 和v 5 当处于区间3 时，定子磁势为f a 4 。 导通管v 4 和v 3 依此类推具体对应关系见表2 一l 和表2 - 2 。 同理，当电机反转电动时定子电枢合成磁势反时针超前转子磁势 c1 2 0 。到6 0 。；当电机反转制动时，定子电枢合成磁势c 反时针滞后转 子磁势1 2 0 。到6 0 。 由以上分析可知，当永磁无刷直流电动机正转时，逆变器功率管的导 7 j t 宋交通 掌q e 掌t 论文 定 l爹 区区区区区区 于 f j 、 膨 i 墨 间间间间间间 漆 123456 杏j 正转电动 f a lf a 2f a 3f a 4f a 5f a 6 正转制动 f a 4f a 5f a 6f a lf a 2f a 3 反转电动 f a 4f a 5f a 6f a lf a 2f a 3 反转制动 f a if a 2f a 3f a 4f a 5f a 6 表2 - 1四象限远行f 和f j 的对应关系 t a b l e2 - 1f ia n df jc o r r e s p o n d i n gr e l a t i o no ff o u r - q u a d r a n t so p e r a t i o n 定子合成 f a lf a 2f a 3f a 4f a 5f a 6 磁势 导通的功 v l 和v l 和v 2 和v 3 和v 4 和v 5 和 率管 v 6v 2v 3v 4v 5v 6 表2 - 2 导通的i g b t 和定子合成磁势的对应关系 t a b l e2 - 2c o r r e s p o n d i n gr e l a t i o no f o ni g b ta n ds t a t o rs y n t h e t i cm m f 通顺序为v 6 一v l v 2 一v 3 一v 4 一v 5 一v 6 ：当永磁无刷直 流电动机反转时，逆变器功率管的导通顺序为v 1 一v 6 - v 5 一v 4 一v 3 一v 2 - v l ：当永磁无刷直流电动机正转制动时，逆变器功率管 的导通顺序为v 6 一v l 一v 2 一v 3 一v 4 一v 5 一v 6 ：当永磁无 刷直流电动机反转制动时，逆变器功率管的导通顺序为v l 一v 6 - v 5 一v 4 一v 3 一v 2 一v 1 ：反转电动、正转电动、正转制动和反转制动 r j e 衷i 通 掌硕掌t 论文 运行的相电流与反电势关系如图2 - 4 所示。 t t t ( a ) 正转电动电动势、电流波形 ( a ) b a c k e m fa n dp h a s ec l l r r e r l tw a v e f o r mo f f o r w a r do p e r a t i o n ( b ) 反转电动电动势、电流波形 ( b ) b a c k - e m fa n dp h a s ec u r r e n tw a v e f o r mo fi n v e r s eo p e r a t i o n 9 t t t j 匕采交通 掌| 士掌位论文 ， = j o ( c ) 正转制动电动势电流波形 ( c ) b a c k e m fa n dp h a s ec b i i e b tw a v e f o r mo f f o r w a r db r a k e t t t ( d ) 反转制动时电动势、电流波形 ( d ) b a c k - e m fa n dp h a s ec n l t e l l | w a v e f o r mo f i n v e r s eb r a k e 图2 - 4 四象限运行时反电势与相电流关系 f i g2 - 4b a c k e m fa n dp h a s ec u r r e n tw a v e f o r m so f f o u rq u a d r a n t s 2 3 永磁无刷直流电动机的数学模型和调速原理 2 3 1 永磁无刷直流电动机的数学模型 一般旋转电视的电压方程的矩阵表达式为： 1 0 t t t j e 京空通 掌硕学m 论文 u = m + 景( l i ) = r ；+ l 堕d t + 嚣q t = r i + l 罢+ e 。c z 一， 角位移；q 为机械角速度。e 。则是反电势矩阵： e n - 嚣q i ( 2 - 2 ) u = r i + p ( l i ) + e = r i + p l i + l p i + e ( 2 3 ) u = k “。】r ，为定子三相电压瞬时值矩阵。 i = 【f n r ，为定子三相电流瞬时值矩阵。 e = 【最瓦e ，为三相定子反电势的瞬时值矩阵。 km “虬i l = i 帆厶。饩。1 其中l 。，k ，。分别为每项定子绕组的自感， 巾。m c bl 。 托6 ，虬，m k ，m b 。，m c 。，m 。分别为三相定子绕组间的互感。 p = 西d 是算子。 l = 昙 p 吼坞( 2 - 4 ) “q 2 “ j 衷史遭大掌j 委攀位论文 则有p l i = o ，并假设三糨绕组对称，则：厶= 厶= 乞= 三 并有r = i0 s0i 其中曩为定子每相绕组的电阻。 【00 蜀j 塞 = ；曼 1 + 量三鼍 p 1 + 兰 c z s ， 由于三楣定子绕组对称，为y 联结，故有乇+ 毛+ = o ，将乞+ 吞= 一乇， + = 一，+ = 一f b 代入( 2 - - 5 ) 整理得： 耋 = 蚕堇。 i + ；埘量 p 1 + | ； c z 一6 ， 毛= p q = ( e o i 。+ e b p 乞 ( 2 吲 当采用1 2 0 。导通逆变器为永磁无刷直流电机供电时，在通电期间，方波永 磁无尉电机的带电导体处于相同的磁场下，一则各相绕组的感应电动势为： m 采复通大掌日女攀m 文 e = 善q = 曼l = 1 肌= 鑫轰咄坐6 0 = 。州n p 3 a2。叩毯叩( z _ 8 )j ：? - 疗d 6 d 6 0 ”。” 式中：v ：一t r d n 1 3 = 尘也。 6 0疗d l n 一为电机转速； m 。一为气隙主磁通： p - 为极对数： 8 - - 为并联支路数o n - - 一为总导体数； 丘一为电势系数，墨= 6 n n p 6 0 。 r l - m k 吒 图2 - 5 水磁无刷直流电机的等效电路 f i g 2 5e q u i v a l e n tc i r c u i to f p mb l d c m 从变频器的直流端看，星型联结的永磁无刷直流无刷电动机的感应电 动势局由两相绕组经逆变器串联组成，所以有： 日= 2 e 2 2 t 中。，： ( 2 - 9 ) 因此，电磁转矩的表达式可以表示为： 鞘幺乞) q 。去。n 篆州篆池= 岛毛( 2 - l o ) 式中：l 一一方波电流的幅值： j t 柬爻通 掌q r 掌m 论文 芷r 一一转矩系数，g t = 笔，m o 口石 q = 2 万h 6 0 。 由此可见，永磁无刷直流电动机的电磁转矩大小与磁通和电流幅值成 正比，所以控制方波电流的幅值可以控制电机的转矩。 转子的运动方程为： d o ，a t = ( 乃一正) ， ( 2 1 1 ) 式中：写为负载转矩，他包括转子上承受的外施机械转矩? k 和阻力转 矩晶 j 为转子与负载的转动惯量。 由式( 2 1 0 ) 可得 乃一乃= 等鲁 ( 2 - 式中：g d 2 电动机转子飞轮力矩( n m 2 ) ，g d 2 = 4 9 j 2 3 2 永磁无刷直流电动机的调速原理 在理想情况下。任何时刻只有两相定子绕组通电，令加在两相通电绕组 上的平均电压为屹，则电压的平衡式为： 屹= 日+ l 呸= 2 k 巾。，l + ，屑咫 ( 2 - 1 3 ) 则月：匕二厶：生( 2 1 4 ) 2 k e d ， 式中：尺，为回路等效电阻，包括电机两相电阻和管压降的等效电阻。 对式( 2 一l o ) 、( 2 一1 2 ) 、( 2 一1 3 ) 进行拉普拉斯变换后，可得： 乃( 5 ) = k r l ( 5 ) ( 2 1 5 ) 驰h = 罢s n ( s ) ( 2 1 6 ) ( s ) = 2 墨中n ( s ) + l ( s ) 琏 ( 2 1 7 ) 根据( 2 1 4 ) 可以求得直流无刷电动机的动态结构图，如图2 5 所示。 4 北京x 通大掌硪士掌位* i 图2 - 5 豆流无刷电动机的动恐结构豳 f i g 2 5d ”a m i cd i a g r a mo f p mb l d c m 可求得其传递函数为： 砸) = 南卜南瓦 ( 2 1 8 ) 式中： k i 电动势传递系数，k i = 彤奠o ， 转矩f 晕递系数心= 乡幺中，巧 一电磁时m 常数互 g o t q 坼 当负载突然增加引起转速降低时，反电势减小，比较误差增大，电流 上升，转矩增大，使转速稳定。当负载突然减小引起转速上升时，反电势 增加比耱误差减，。电流下降，转矩减小，使转速稳定。 j e 衷交通 半硬掌t * 支 第三章永磁无刷直流电动机 调速系统的硬件设计 电机绕组采用三相星型接法，设计的额定功率为3 0 k w ，额定电压 为5 1 4 v ，额定电流为6 2 8 a 。采用“三相六拍1 2 0 。”控制方式驱动。 根据此要求，在本章中给出了调速系统的硬件部分的设计，其中包括： 功率变换电路、驱动电路、保护电路、控制器电路以及位置传感器 电路。 3 1 功率变换电路 试验时采用了三相交流电源( 线电压3 8 0 v 、5 0 h z ) 供电的方式， 经三相变压器及整流电路将交流电源转换为直流电源，以供逆变电路 使用。系统中使用的整流电路为三相三线制电路，分为二极管整流部 分和电容滤波部分，电路图如图3 1 所示。 整流部分为三相二极管全桥整流电路，电路的直流输出电压是交 流电网三相线电压的包络线。整流输出的直流电压峰值为： ，= 弛= , f i , f i x 2 2 0 = 5 3 8 v ( 3 一1 ) 其平均值为： 一：三u 沪5 1 4 v(2u 1 4 v3 - ) = 二u ，= ( ) j t 京交通大掌q e _ 士掌位 文 图3 1 整流电路尉 f i g 3 - 1r e c t i f i c a t i o nc i r c u i t 电解电容c 1 、c 2 对整流电路的输出起到滤波作用，而电阻r l 、 r 2 起到平衡两个电容上的电压及整个系统关闭时对c i 、c 2 电容放电 的作用。 在系统加电开始工作的瞬间，为了防止滤波电容开始充电而引起 过大的浪涌电流，需要采取一定的保护措施。本系统采用了电阻接 触器并联网络。当充电电压小于3 5 0 v 时，接触器s 断开。电阻r 3 流过电流，把浪涌电流限制到一个安全的范围。当充电电压大于3 5 0 v 时，接触器s 闭合，把电阻r 3 短路，实现启动充电。 3 1 1 整流电路中有关器件参数的计算及选择 ( 1 ) 整流二极管参数的计算： 三相不控整流电路中，整流二极管承受的最大反向电压为： “，= , 拒- u a = 压以x 2 2 0 = 5 3 8 v ( 3 3 ) 对于二极管而言，因其能承受较大的冲击电流，一般以有效值电 流定额作为选型依据。以电机的额定电流为6 2 8 a ，设流过二极管的 电流相平衡，则： 北京交通 掌_ 士掌t 论i 3 厶= 6 2 8 ( 3 - 4 ) 则l , = 3 6 2 a ，取2 3 倍裕量，可选择整流二极管为1 5 0 a 1 6 0 0 v 。 ( 2 ) 滤波电容的计算： 计算滤波电容可采用如下公式： c = i 矿 ( 3 _ 5 ) 式中：c - - 一电容量( 单位f ) ； i 一一负载电流( 单位a ) ： t 一一电容提供电流的时间( 单位s ) ： v 一一所允许的峰峰值纹波电压( 单位v ) 。 在本系统中，以电机的额定电流为6 2 8 a ，假定允许5 0 v 峰峰值 纹波电压，并且电容耍维持电平的时间为整流输出波形的半个周期， 即 1 2 t ( 5 0 6 ) = 1 6m 5 ( 3 - 6 ) 则： c ：半：2 0 0 9 u f 2 u o ，, u p ( 3 扪 l2 万一2 取c = 3 3 0 0 1 a f ，电容的额定电压取为4 5 0 v 。一个这种取值的滤波 电容不能满足要求，可用2 并2 串四个电容来实现。 ( 3 ) 电阻r 1 、r 2 的计算：整流输出的最大电压为5 3 8 v ，则可选 r l 、r 2 电阻值为3 0 k q ，功率为8 w 。 3 1 2 功率变换器的总体设计 n 京冀逼 掌掌论文 图3 - 2 功率变换电路 f i g 3 - 2p o w e r e o l i v e r t e rc i r c u i t ( 1 ) 电路的设计 主电路如图3 - 2 ：框图a 为供电部分，分为整流和电容滤波部分。 电解电容c l 、c 2 对母线电压起到滤波的作用，而电阻r 2 、r 3 起到 平衡两个电容上的电压及整个系统关闭时对电容放电的作用。为了防 止滤波电容在启动时充电两引起过大的浪涌电流，设计了电阻接触 器并联电路；电路如图3 - 3 所示。当给电路加电时电容由r 1 充电， 母线电压逐渐上舞，在上手 到3 5 0 v 之前，j 开关不动作，则s 不动 作；当上升到3 5 0 v 之后，母线电压检测电路发出信号使j 开关闭合， ，睁 图3 - 3 充电电路图 f i g 3 3c i r c u i to f c a p a c i t o rc h a r g e j 线圈通电，s 开关闭合，将r 1 短路掉。笑现启动充电框图b 部分 n 柬冀追_ 犬掌q l 女掌位论文 为本系统所采用的三相功率i g b t 逆变电路，通电方式为两两通电方 式。 ( 2 ) 主开关元件定额及选型 本设计选用i g b t 为主开管，承受电压的最大值等于母线电压 最大值，考虑到2 倍的电压裕量，则主开关器件的耐压定额为： = 2 u p = 2 x 5 3 8 = 1 0 7 6 v ( 3 8 ) 在已知无刷电机额定电流为6 2 8 a 的情况下，根据经验公式，最 大峰值电流为： ，= 3 x 6 2 8 = 1 8 8 4 a( 3 9 ) 根据市场已有规格，选取2 0 0 a 1 2 0 0 v 的i g b t 作为系统的主开 关器件。 ( 4 ) 电压检测及保护电路 图3 - 4 为电压检测及保护电路，0 1 电路为过电压保护电路， 当电容电压超过了稳定值时( w d i 、w d 2 、w d 3 稳压值为6 5 0 v ) 0 2 动 作直接经m c l 4 5 3 2 优先编码器向d s p 发出过压信号。o l 、0 3 及比较器 构成过压、欠压检测电路。光耦0 1 、0 3 构成线性度比较好的电压跟 踪电路。当+ u 增大时，0 1 电流增大，u l 增大，放大器m l 输出电压 增大，使u l 下降：反之亦然。因而u 2 可达到稳态值，与+ u 成正比。 u 2 经过m 2 的放大后成为了+ u 的检测信号，经过m 3 ( l m 3 2 4 ) 比较， 实现了欠压检测和输出；经过m 4 实现过压检测及输出。q 用于触发放 电管v 7 ，实现电路过压和制动时能量的泄放。脉冲产生电路采用可重 复触发的单稳态触发器c d 4 0 9 8 芯片，正常工作时，一t r 引脚输入高 j e 柬望通 掌掌论文 电平。+ t r 接地，此时输出q 为低电平。当过压时，- - t r 引脚输入 下跳沿，输出端q 为以高电平脉冲，脉冲宽度取决于r 6 和c 2 的乘积， n q 输出为低脉冲，反馈到m 7 ，输出高电平给c 3 充电。当一直保持过 压时，一个脉冲过后，n q 输出为高电平，反馈到m 7 ，输出低电平， 给c 3 放电，再次启动一个脉冲；形成了连续脉冲信号，输入到i g b t 的驱动摸块，触发放电管v 7 ，实现过压的放电，将电能泄放在电阻 r 4 上( 如图3 - 2 ) 。 图3 - 4 电压检测及保护电路 f i g 3 - 4v o l t a g ed e t e c t i o na n dp r o t e c t i o nc i r c u i t 3 2 驱动电路 3 2 1i b b t 驱动器的基本要求 一个理想的i g b t 驱动器应具有以下基本性能： ( 1 ) 动态驱动能力强，能为i g b t 栅极提供具有陡峭前后沿的驱动 脉冲。当i g b t 在硬开关方式下工作时，会在开通及关断过程中产生 较大的开关损耗。这个过程越长，开关损耗越大。器件工作频率较高 2 j e j c 交通大掌q l 掌t 丈 时，开关损耗甚至会大大超过i g b t 通态损耗，造成管芯温升较高。 这种情况会大大限制i g b t 的开关频率和输出能力，同时对i g b t 的 安全工作构成很大威胁。i g b t 的开关速度与其栅极控制信号的变化 速度密切相关。 ( 2 ) 能向i g b t 提供适当的正向栅压。i g b t 导通后的管压降与所 加栅源电压u g s 有关，在漏源电流一定的情况下，u g s 越高，漏源电 压u d s 就越低，器件的导通损耗就越小，这有利于充分发挥管予的工 作能力。但是。u g s 并非越高越好，一般不允许超过2 0 v ，原因是一 旦发生过流或短路，襁压越离，则电流幅值越高，i g b t 损坏的可能 性就越大。通常。综合考虑取+ 1 5 v 为宜。 ( 3 ) 能向i g b t 提供足够的反向栅压。在i g b t 关断期阍，由于电 路中其它部分的工作，会在栅极电j ! 中产生一些高频振荡信号。有可 能使i g b t 误导通。因此，最好给应处于截止状态的i g b t 加上反向 栅压( 幅值一般为5 1 5 v ) ，使i g b t 在栅极出现开关噪声时仍能可靠 截止。 ( 4 ) 有足够的输入输出电隔离能力。在许多设备中，i g b t 与工频电 网有直接电联系而控制电路一般不希望如此。另外许多电路( 如桥式 逆变器) 中i g b t 的工作电位差别很大，也不允许控制电路与其直接耦 合。因此，驱动器具有电隔离能力可以保证设备的正常工作，同时有 利于调试人员的人身安全。但是，这种电隔离不应影响驱动信号的正 常传输。 ( 5 ) 输入输出信号传输无延时。这一方面能够减少系统响应滞后， 2 2 j e 京交通大掌日l _ 士棼t 论i 另一方面能提高保护的快速性。 ( 6 ) 当i g b t 处于负载短路或过流状态时，能在i g b t 允许时间内 通过逐渐降低栅压自动抑制故障电流，实现i g b t 的软关断。其目的 是避免快速关断故障电流造成过高孚的。在杂散电感的作用下，过高 d f 的罢会产生过高的电压尖蜂，使i g b t 承受不住而损坏。 d f ( 7 ) 在出现短路、过流的情况下，能迅速发出过流保护信号，供控 制电路进行处理。 e x b 8 4 1 为同本富士公司推出的i g b t 专用芯片，具有单电源、 正负偏压、过流检测和保护软关断阻及隔离强度高、反应速度快等优 点，是一种比较典型的驱动电路。其功能是比较完善的，在国内也得 到了较广泛的应用。e x b 8 4 1 ( 功能框图如图3 5 ) 是由日本富士公司 生产的3 0 0 a 1 2 0 0 v 快速型i g b t 专用驱动模块。电路信号延迟时间 不到1 5 u s ，最高工作频率4 0 k h z ，外加+ 2 0 v 单电源供电，由内部稳 压管产生5 v 反向偏置电压，采用离速光耦实现输入输出电气隔离， 输出绝缘电压为2 5 k v ，输出正向偏置电压+ 1 5 v ，j 下反向输出电流可 达4 0 a ，可实现短路保护及软关断功能。综上所述，e x b 8 4 1 完全满 足i g b t 驱动电路的要求被选作本系统的驱动模块。 3 2 2e x b 8 4 1 工作原理 e x b 8 4 1 为单列直插式结构，采用高隔离电压光耦合器作为信号 隔离，其内部原理图如图3 7 所示。其中包括过流傈护电路、信号 输入电路、驱动电路三部分。 “京冀通 掌司l 攀t 论文 图3 - 6e x b 8 4 1 功能框图 f i g 3 6f u n c t i o nf i g u r eo f e x b 8 4 1 ( 1 ) 正常导通状态 当1 4 脚与l5 脚有1 0 m a 的电流流过时，a 点为低电平v i 、v 2 截止v 4 导通，v 5 截止，3 脚输出高电平而使i g b t 在lus 内导 通，此时电源通过r 3 向c 2 充电，若要击穿稳压管，则b 点电位应 升至1 3 7 v ( 稳压管的击穿电压为1 3 7 v ，分析中所提到的电压均相 图3 - 7e x b 8 4 i 内部原理图 f i g 3 - 7s c h e m a t i co fe x b 8 4 1 j t ，c 冀通大掌日i 掌位论i 对9 脚而言) 。设b 点电位由0 v 升至1 3 7 v 所需时问为t ，则： 2 0 ( 1 一p 即2 1 = 1 3 7 ( 3 1 0 ) 求得：t = 2 8 0 1 1 ，要击穿稳压管，电容c 2 需充电2 _ 8 0 ps ，但在1 5 、 1 4 脚问加高电平1us 后i g b t 就已经导通，v d 7 的箝位作用使得c 点电位箝制在8 v 左右( 其值与外部电路有关) ，故b 点不会升至1 3 7 v 而击穿稳压管v s l ，e 点电位维持在高电平。 ( 2 ) 正常关断状态 脉宽调制器输出低电平时e x b 8 4 1 的1 4 、1 5 脚无电流流过，v 卜 v 2 开通而使d 点为低电平，v 5 导通，v 4 截止，3 脚输出低电平从而关 断i g b t ，v l 导通c 2 迅速放电，b 点电位迅速降为零，6 脚则因i g b t 关断而悬空，v s l 继续截止e 点为高电平。但因v d 6 的单向导通作 用而不会影响d 点电位。 ( 3 ) 短路保护状态 若i g b t 导通时因承受短路电流而退出饱和，v c e 上升很快，v d 7 截止，e x b 8 4 1 脚6 悬空，c 2 由8 v 开始被充电，b 点和c 点电压由8 到1 3 7 v 所需的时间由下式确定： 一一“71、+8e一7rl：1320(1 e 7 r 7( 3 1 1 )一1 、+ = 7( 3 一1 1 ) r i = r 3 c 2 。求得：f i = 1 5 5u s ，此后经过1 5 5us ，v s i 开通，c 3 充 电至v 3 的开启阈值后，v 3 导通，c 4 通过r 7 放电，c 4 与r 7 组成的放 电时间常数t2 = c 4 x r 7 = 4 8 4 “s ，c 4 放电不会到零而会有一最低值 q ，此值可由下式确定： 2 5 j 匕窜交通 掌硪掌m 论文 半+ 半= 半( 3 - 1 2 ) rr马 求得： p = 3 5 3v 巴和r ，放电的时间常数为： f 2 = q 凡7 = 2 2 0 r i p x 2 2 0 f = 4 8 4 p s ( 3 - 1 3 ) e 点电位下降到3 5 3v ，时间为： 3 5 3 ：2 0 e ( 3 1 4 ) t = 8 3 9 s( 3 一1 5 ) 此时，为： k 省= 以+ j + 6 + 巧2 2 = 一5 + 0 7 + 0 7 + 3 5 3 = 一0 0 7 v ( 3 1 6 ) 5 脚输出过流信号，反馈到控制电路使其发出关断信号，光耦截 止， k 、k 、吒开通，k 截止，由一0 0 7 v 下降到一5 v ，i g b t 完全关断，k 开通，使c 2 放电，吒截止，r 、c 4 充电，充电常数为： 3 = r c 4 = 2 2 n f x 2 2 k f l = 4 8 4 p s ( 3 - 1 7 ) e 点电位由3 5 3 v 上升到1 9 v 的时间为； 1 9 ：2 0 0 一e 咧3 、+ 3 5 3 e 么3 ( 3 1 8 ) t = 1 3 5 1 1j( 3 - 1 9 ) 至此，e x b 8 4 1 完全恢复正常，可正常驱动。 3 2 3e x b 8 4 1 实际应用电路 图3 8 为e x b 8 4 1 的实际应用电路，其中v z l 是起保护作用，防 止6 脚电压过高，通过v 1 检测是否过流：在过流时，使光耦输出故 障信号，经过电平转换电路送与d s p 芯片p d p i n t a 引脚，从而关断 e x b 8 4 1 。v z 3 和v z 4 用于保护出现过电压，该使用电路用于驱动 北棠复 掌硪拳m 论文 2 0 0 a 1 2 0 0 v 的i g b t 时，性能十分可靠。 图3 - 8 由b x b 8 4 1 纽成的开关管驱动电路 f i g 3 - 8i g b td r i v ec i r c u i tc o n s i s t i n go fe x b 8 4 1 3 3 控制器设计 3 3 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 数字信号处理器介绍 t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 是美国t i 公司生产的面向电机控制的微控制器， 它将d s p 的高速运算能力和面向电机的离效控制能力集于一体，使得 实现s r d 的高精度控制成为可能。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 主要由c p u 、片 内r a m 和f l a s hr o m 、事件管理器、片内周边接口等部分组成。它 具有高速信号处理和数字控制功能所必需的体系结构特点，而且具有 为电机控制应用提供单片解决方案所必需的外围设备，这个应用优化 的外围设备单元与高性能的d s p 内核一起，使在所有类型电机的高精 度、高效、全变速控制中使用先进的控制技术成为可能。基于2 4 0 7 的永磁无刷直流的控制器可以实现全数字控制，且控制灵活，硬件 j t 衷交通 掌掌m 镕文 电路更加可靠。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 具有下列特点： 基于高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减 小了控制器的功耗；3 0 m i p s 的执行速度使