電機控制系統(tǒng)主電路及驅(qū)動電路的設(shè)計

陰麗華，曾顯恒

（河南職業(yè)技術(shù)學院，河南 鄭州 450000）

電機控制系統(tǒng)主電路及驅(qū)動電路的設(shè)計

陰麗華，曾顯恒

（河南職業(yè)技術(shù)學院，河南 鄭州 450000）

本文中選用的無刷直流電動機的電機本體采用星形連接的三相對稱繞組，同時功率器件組成的逆變器為橋式電路。文章主要敘述了控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計過程。以EasyARM2100開發(fā)板為核心的控制單元，主電路及驅(qū)動單元行了闡述，并對硬件設(shè)計也作出了相應的解釋。

主電路；功率器件；驅(qū)動電路；驅(qū)動板

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2014)10-79-03

前言

對于控制系統(tǒng)的主電源來說，本系統(tǒng)采用的是直流供電，在實際應用中的電動汽車使用的也是直流供電。本系統(tǒng)的直流電源為300V，可以串聯(lián)蓄電池獲得，也可以經(jīng)過交流電進行整流獲得。系統(tǒng)主電路如圖1所示。

1、功率器件的選取

由于無刷直流電機PWM調(diào)速時要求較高的開關(guān)頻率，因此，對開關(guān)元件的驅(qū)動電路提出了如下要求：改善開關(guān)元件的開關(guān)特性，減少開關(guān)時間；減少驅(qū)動功率，提高驅(qū)動效率；對開關(guān)元件的過流提供快速、可靠的保護。

隨著電力電子器件的發(fā)展，快速關(guān)斷器件如門極可關(guān)斷晶體管GTO、功率雙極型晶體管GTR、金屬氧化硅晶體管MOSFET和絕緣柵雙極晶體管IGBT等相繼開發(fā)成功。其中IGBT是集MOSEFT和GTR優(yōu)點于一身。即具有少子器件GTR的通態(tài)壓降低、耐壓高、可承受大電流等優(yōu)點。又兼有多子器件MOSFET的開關(guān)速度快、熱穩(wěn)定好、無二次擊穿、輸入阻抗高、驅(qū)動微功耗的長處。因此倍受青睞。尤其是在電機控制、中頻和開關(guān)電源以及要求快速、低損耗的領(lǐng)域發(fā)展迅速。在大功率全橋變換中。IGBT作為功率開關(guān)元器件是非常適合的。

IGBT是一壓控器件。它所需的驅(qū)動電流與驅(qū)動功率非常小，可直接與模擬或數(shù)字功能塊相接，不需加任何附加接口電路而且轉(zhuǎn)換功率也大大提高。IGBT的導通與關(guān)斷是由柵極電壓UGE來控制的。當UGE大于開啟電壓UGE時。IGBT

導通。當柵極和發(fā)射極間施加反向或不加信號時，使得IGBT關(guān)斷。

本研究選用FS400R12KF4為驅(qū)動器件，F(xiàn)S400R12KF4基本參數(shù)：400A/1200V/6U。圖2為功率器件。

2、IGBT驅(qū)動電路工作原理

本系統(tǒng)采用了EXB系列中的EXB841驅(qū)動模塊。圖3為驅(qū)動模塊的外形圖。EXB841是日本富士公司提供的300A/1200V高速型IGBT專用驅(qū)動模塊。其最高工作頻率為40kHz：單20V電源供電，內(nèi)部自己產(chǎn)生-5V的反偏電壓：具有過流保護和軟關(guān)斷功能。

從圖4和圖5看出，EXB841主要由放大、過流保護、5V基準電壓和輸出等部分組成。其中放大部分由TLP550、V2、V4、V5和R1、C1、R2,、R9組成，TLP550起信號輸入和隔離作用，V2是中間級，V4和V5組成推挽輸出；短路過流保護部分由V1、V3、V6、VZ1和C2、R3、R4、R5、R6、C3、R7、R8、C4等組成，實現(xiàn)過流檢測和延時保護功能。EXB841的6腳通過快速恢復二極管接至IGBT的C極，檢測IGBT的集射之間的通態(tài)電壓降的高低來判斷IGBT的過流情況加以保護；5V電壓基準部分由R10、VZ2、C5組成，為IGBT驅(qū)動提供-5V反偏壓。表1為EXB841的各端子。

表1 EXB841端子

（1）正常開通過程

當控制電路使EXB841輸人端14和15腳有10mA的電流流過時，光耦TLP550導通，A點電位迅速下降至0V，使V1、V2截止；V2截止使D點電位上升至20V，V4導通V5截止，EXB841通過V4及柵極電阻R，向IGBT提供電流使之迅速導通，IGBT的VCE下降至3V，與此同時，EXB841的V1截止使+20V電源通過R3向電容C2充電，使B點電位上升，它們由零上升到13V的時間為2.54sμ，由于IGBT約1sμ后已導通，VCE下降至3V左右，從而使EXB841的6腳電位特制在8V左右，因此B點和C點電位不會充至13V，而是充至8V，穩(wěn)壓管VZ1的穩(wěn)壓值為13V，IGBT正常開通時不會被擊穿，V3不通，E點電位仍為20V，二極管VD6截止，不影響V4，V5的正常工作。

（2）正常關(guān)斷過程

控制電路使EXB841輸人端14，15腳無電流流過，光耦TLP550不通，A點電位上升使V1，V2導通；V2導通使V4截止，V5導通，IGBT柵極電荷通過V5迅速放電，使EXB841

的1腳電位迅速下降至0V，使IGBT可靠關(guān)斷，VCE迅速上升，使EXB841的6腳“懸空”。與此同時V1導通，C2通過V1更快放電，將B點和C點電位箱制在0V，使VZ1仍不通，后續(xù)電路不會動作，IGBT正常關(guān)斷。

（3）過流保護

設(shè)IGBT正常導通，則EXB841中V1和V2截止，V4導通，V5截止，B點和C點電位穩(wěn)定在8V左右，VZ1不被擊穿，V3不通，E點電位保持在20V，二極管VD6截止。若此時發(fā)生短路，IGBT承受大電流而退飽和，VCE上升很多，二極管VD7截止，EXB841的6腳“懸空”，B點和C點電位由8V上升，當上升至13V時，VZl被擊穿，V3導通，C4通過R7和V3放電，E點電位逐漸下降，二極管VD6導通使D點電位也逐漸下降，從而使EXB841的3腳電位也逐步下降，慢慢關(guān)斷IGBT。

3、驅(qū)動電路驅(qū)動板的設(shè)計

3.1 驅(qū)動板的電源電路

驅(qū)動模塊使用的供電電壓為20伏，而驅(qū)動板的供電為24伏，內(nèi)部需要加設(shè)電源電路，以此來穩(wěn)定驅(qū)動模塊的供電電壓。首先，由接口提供24伏的直流電壓，經(jīng)過電容濾波，再使用芯片7818將電壓降至18伏，因為三個二極管D29、D30、D31和電容的作用，電壓被穩(wěn)定為20.1伏左右。以此為驅(qū)動板內(nèi)的各驅(qū)動模塊供電。圖6所示。

3.2 驅(qū)動模塊的驅(qū)動電路

驅(qū)動電路的設(shè)計如圖7。

驅(qū)動電路的內(nèi)部原理前面已經(jīng)敘述過了，在這里就不再重復，需要說明的有以下幾點：

①驅(qū)動板內(nèi)共有驅(qū)動這樣的驅(qū)動應用電路6個，分別用來驅(qū)動功率器件內(nèi)的6個IGBT；

②驅(qū)動信號來自處理器芯片的PWM引腳或I/O引腳；

③本電路中IGBT柵極進行了保護設(shè)計，D11和D12兩個反向連接的穩(wěn)壓管可以保證VGE在-5V—+15V之間；

④驅(qū)動芯片EXB841的6腳(集電極電壓監(jiān)測端)輸出串接一個穩(wěn)壓管和二極管接到IGBT集電極。集電極電壓監(jiān)測端的主要作用是進行前面我們所講的過電流保護的。

[1]PHILIPS公司.LPC2114/2124/2212/2214UserManual[N].PHILIPS公司，2004:80-89.

[2]王田苗.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與實例開發(fā)-基于ARM微處理器與uC/OS-II實時操作系統(tǒng)[M]．北京：清華大學出版社，2003:154-168.

[3]田澤．嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005:150-190.

[4]王曉明，王玲.電動機的DSP控制[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004:13-24.

[5]楊興瑤.電動機調(diào)速的原理及系統(tǒng)[M].北京：水利電力出版社，1995:52-78.

[6]周立功等．ARM嵌入式實驗教程(一)[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2005:105-140.

Design motor control system of the main circuit and driver circuit

Yin Lihua, Zeng Xianheng
（Henan Vocational and Technical College, Henan Zhengzhou 450000）

Motor body chosen in this article brushless DC motor using three phase windings star connected while power device is composed of an inverter bridge circuit. The article describes the control system hardware circuit design process. In EasyARM2100 development board for the core of the control unit, the main circuit and the drive unit line described, and hardware design also made corresponding explanation.

The main circuit; Power Device; Drive circuit; Driver Board

U463.6

A

1671-7988(2014)10-79-03

陰麗華，就職于河南職業(yè)技術(shù)學院，研究方向車輛工程。