一种轻型大功率直流电机驱动器研制
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功率模块FVPl8030。其内部集成了两个HVIC、两个缓冲器IC、两个IGBT和两个二极管。这一集成式模块在简化设计、节省制造时间和成本以及提升性能方面，具有优于分立式解决方案的显著优势。该功率模块额定工作电流达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。控制电路接收用户输入的调速信号，输出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。 2驱动电路设计 2．1 SPM—IGBT功率模块电路设计 在驱动部分的设计中，SPM—IGBT模块的选型及SPM—IGBT模块组的相关电路设计是核心。SPM(智能功率模块)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功率模块FVPl8030。这一集成式模块在简化设计、节省制造时间和成本以及提升性能方面具有优于分立式解决方案的显著优势。如图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模块组的相关电路设计原理如图2所示。图中仅给出了两个SPM—IGBT模块构成的驱动模组电路设计原理。根据所要驱动直流电机实际功率及电流的需要，可以通过SPM—IGBT模块的并联，增加驱动器的输出电流和功率。并联时对于需要并入的模块只需按图中所示方法并行连接即可。 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。控制部分及功率部分独立供电。一旦控制部分电路出现问题，反向电路能够保证所有SPM—IGBT。控制端的PWM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： 自举电容最小电容值由下式计算： 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)。
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。控制电路接收来自用户的调速信号，输出相应的占空比信号。此部分的逻辑主要包括开关量输入去抖模块、输入量累加模块、PWM比较模块、PWM频率调整模块以及PWM构造输出模块。开关量输入去抖模块用于去掉电路中电磁干扰对输入信号的影响，以及去掉开关时产生的大量抖动脉冲对输入信号的影响。输入累加量模块用于累加或递减正向或反方向用户输入的控制时间，其中的累加速率参数可以调整累加或递减的速率，即调整用户输入的反应快慢。PWM比较模块用于产生基本的占空比信号。PWM频率调整模块通过改变相应的比较器 累加频率，调整基本占空比信号的频率。PWM构造输出模块利用基本的占空比信号构造出满足需要的4路PWM信号并且输出。 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。可见，随着电机转速的增加，驱动器上桥臂输出的电压波形中的扰动成分也变大。这是由于电机转子转动切割磁力线产生的反电动势冲击造成的。图中所示的扰动属于可接受的范围，不会影响驱动器的正常工作。电机堵转时，驱动器上桥臂输出电压波形图如图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。
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功率模块采用飞兆半导体公司的优化FVPl8030，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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