寇浩宇

（中國(guó)電子科技集團(tuán)第二十研究所，西安 710068）

隨著電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)以及電機(jī)控制理論的不斷發(fā)展，高性能永磁同步電機(jī)交流伺服系統(tǒng)在許多高科技領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-2]，如機(jī)床、航天航空、雷達(dá)與各種武器裝備系統(tǒng)等。在伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，高性能功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)關(guān)系到整個(gè)控制系統(tǒng)的優(yōu)劣。近年來(lái)，隨著微電子技術(shù)和功率電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了一些高性能、高集成度的功率驅(qū)動(dòng)器件。本文將智能功率模塊（Intelligent Power Module，IPM）引入驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)，以永磁同步電機(jī)為對(duì)象，分析了主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、檢測(cè)電路及保護(hù)電路等，并在此基礎(chǔ)上研究和探討了功率驅(qū)動(dòng)電路 設(shè)計(jì)[3]。

1 功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

IPM主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。內(nèi)部封裝6個(gè)絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）進(jìn)行單獨(dú)控制，具有功率容量大、電流大的特點(diǎn)，保護(hù)功能完善，具備三相過(guò)流、母線過(guò)流及過(guò)溫保護(hù)功能。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，故障信號(hào)輸出端會(huì)輸出故障信號(hào)，內(nèi)部會(huì)對(duì)外部控制信號(hào)進(jìn)行光耦隔離。該結(jié)構(gòu)采用隔離電壓供電，輸入6路脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）方波工作頻率高，導(dǎo)通壓降低，損耗小。實(shí)際使用時(shí)，伺服控制系統(tǒng)還需要輔助外圍保護(hù)和檢測(cè)電路，主要包括相電流、母線電壓、故障信號(hào)檢測(cè)電路以及過(guò)壓泄放保護(hù)電路，以提高可靠性[4-5]。

圖1 IPM內(nèi)部主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.1 信號(hào)檢測(cè)電路

1.1.1 母線檢測(cè)電路

通過(guò)220 V整流得到母線直流電壓（Vias Voltage Direct Current，VDC），由于存在工作或輸入異常產(chǎn)生的過(guò)壓情況，需要設(shè)置過(guò)壓的閾值，使用電阻式分壓電路來(lái)調(diào)解母線直流電壓，以適應(yīng)數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Process，DSP）0～3 V的輸入電壓。采用高輸入阻抗的光隔離放大器隔離處理母線電壓，通過(guò)隔離放大器后利用電阻R9限流后輸送給DSP的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）模塊進(jìn)行母線電壓檢測(cè)，如圖2所示。

圖2 母線檢測(cè)電路

1.1.2 相電流及母線電流檢測(cè)電路

用霍爾電流傳感器進(jìn)行三相電流和母線電流檢測(cè)，將相電流及母線電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，設(shè)計(jì)如圖3所示的U相電流檢測(cè)電路。通過(guò)精密電阻分壓，并依次進(jìn)行濾波和電壓轉(zhuǎn)換，以轉(zhuǎn)換成DSP和ADC模塊所接收的0～3 V電壓信號(hào)。

圖3 U相電流檢測(cè)電路

1.1.3 故障檢測(cè)電路

設(shè)計(jì)的故障檢測(cè)電路需要將IPM的三相過(guò)流、母線過(guò)流及過(guò)溫的15 V故障信號(hào)反饋給DSP。當(dāng)IPM工作異常時(shí)，在故障輸出端口會(huì)產(chǎn)生故障電平信號(hào)。將故障信號(hào)通過(guò)三極管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，經(jīng)光耦隔離后轉(zhuǎn)換成DSP所需的3.3 V電壓。以U相電流為例，輸入/輸出（Input/Output，I/O）信號(hào)如圖4所示，能夠完成故障檢測(cè)。

1.2 泄放保護(hù)電路

當(dāng)輸入電壓長(zhǎng)時(shí)間過(guò)高或者處于電機(jī)制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，由于整流電路是不可控橋式整流，直流側(cè)的電能將不能返回電網(wǎng)，會(huì)使電容兩端電壓升高，危及器件安全。為避免過(guò)壓故障燒毀功率器件，設(shè)計(jì)如圖5所示的母線泄放電路，以保護(hù)控制系統(tǒng)。母線電壓信號(hào)由電阻式分壓電路處理后，先通過(guò)比較器設(shè)計(jì)滯回比較電路，并設(shè)定泄放及關(guān)斷閾值。當(dāng)電機(jī)制動(dòng)所產(chǎn)生的泵升電壓或者其他原因引起電壓過(guò)高時(shí)，通過(guò)光耦打開(kāi)IGBT將母線電流泄放在功率電阻R4上。當(dāng)電壓小于關(guān)斷閾值時(shí)，關(guān)斷IGBT完成泄放保護(hù)工作。

1.3 電源解決方案

永磁同步電機(jī)的伺服系統(tǒng)是一個(gè)強(qiáng)弱電混合的電路系統(tǒng)，電路模塊較多。電路要求由相互隔離的直流電源進(jìn)行供電，為保證功率驅(qū)動(dòng)電路正常工作，需要利用隔離模塊進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換。先將整流濾波后的母線電壓經(jīng)過(guò)隔離的交 流/直 流 轉(zhuǎn) 換 器（Alternating Current/Direct Current， AC/DC）轉(zhuǎn)換為24 V直流電壓，再將24 V直流電壓進(jìn)行二次AC/DC隔離轉(zhuǎn)換，分別為IPM提供4路隔離15 V電壓，以為U、V、W三相上橋臂以及下橋臂隔離驅(qū)動(dòng)模塊供電。數(shù)字5 V電壓用于數(shù)字接口電源轉(zhuǎn)換，模擬5 V電壓用于運(yùn)放等模擬電路，模擬15 V電壓用于母線檢測(cè)隔離放大電路和滯回比較電路。

圖4 故障檢測(cè)電路

圖5 母線泄放保護(hù)電路

2 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文介紹了一種永磁同步電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方法，詳細(xì)闡述了以IPM為核心，包含外圍信號(hào)檢測(cè)電路和保護(hù)電路的硬件設(shè)計(jì)思路。本文設(shè)計(jì)的硬件電路具有可靠性高、集成度高的特點(diǎn)，在電機(jī)控制領(lǐng)域具有較為廣泛的實(shí)用價(jià)值。