【文章內容簡介】 濾去共模噪聲。 Rl 根據控制電路的輸出電流選?。缬?DSP 產生 PWM．則 R1 的阻值可為330Ω 。 R2 根據 IPM 驅動電流選值 ,一方面應盡可能小以避免高阻抗 IPM 拾取噪聲．另一方面又要足夠可靠地控制 IPM?？稍?2kΩ~6 ． 8kΩ 內選取。 C1 為 2端與 地 間 的 O ． 1μF 濾 波 電 容 器 ,PWM 隔 離 光 耦 的 要 求 是tPLHO． 8μF,trm0 ． 8μF,CMR10kV ／ μs, 可選用 HCPIA503 型、 HCPIA504 型、PS204l 型 (NEC)等高速光耦 ,且在光耦輸入端接 1 只 O． 1μ 的退耦電容器 (圖中未畫出 )。 FO 輸出光耦可用低速光耦 (如 PC817)。 IPM 的內部引腳功能如表 1 所示。 (機電一體化只能大流量電動執(zhí)行機構 ) 8 圖 15 IPM 的外部驅動電路和引腳連接示意圖 圖 15的外部接口電路直接固定在 PCB 上且靠近模塊輸入腳．以減少噪聲和干擾． PCB 上布線的距離應適當 ,避免開關時干擾引起的電位變化。 另外 ,考慮到強電可能造成外部驅動電路到 IPM引線的干擾 ,可以在引腳 1~4間 ,34 間 ,45 間根據干擾大小加濾波電容器。 4 IPM 的保護電路設計 由于 ， IPM 本身提供的保護電路不具備自保護功能．所以要通過外圍硬件或軟件的輔助電路將內部提供的： FO 信號轉換為封鎖 IPM 的控制信號．關斷 IPM,實現(xiàn)保護。 4． 1 硬件 IPM 有故障時 ,FO 輸出低電平 ,通過高速光耦到達硬件電路 ,關斷 PWM 輸出 ,從而達到保護 IPM 的目的。具體硬件連接方式如下：在 PWM 接口電路前置帶控制端的 3態(tài)收發(fā)器 (如 74HC245)。 PWM信號經過 3態(tài)收發(fā)器后送至 IPM接口電路． IPM的故障輸出信號 FO 經光耦隔離輸出送入與非門。再送到 3態(tài)收發(fā)器使能端 OE。IPM 正常工作時．與非門輸出為低電平。 3 態(tài)收發(fā)器選通 。IPM 有故障時。與非門輸出為高電平。 3態(tài)收發(fā)器所有輸出置為高阻態(tài)。封鎖各個 IPM 的控制信號．關斷 IPM．實現(xiàn)保護。 (機電一體化只能大流量電動執(zhí)行機構 ) 9 4． 2 軟件 IPM 有故障時． FO 輸出低電平 ,FO 信號通過高速光耦送到控制器進行處理。處理器確認后。利用中斷或軟件關斷 IPM的 PWM 控制信號．從而達到保護目的。如在基于 DSP 控制的系統(tǒng)中．利用事件管理器中功率驅動保護引腳 (PDPINT)中斷實現(xiàn)對 IPM的保護。通常 1個事件管理器嚴生的多路 PWM可控制多個 IPM工作．其中每個開關管均可輸出 FO 信號 ,每個開關管的 FO 信號通過與門． 當任一開關管有故障時輸出低電平 ,與門輸出低電平．將該引腳連至 PDPINT,由于 PDPINT 為低電平時 DSP 中斷 ,所有的事件管理器輸出引腳均被硬件設置為高阻態(tài) ,從而達到保護目的。 以上 2種方案均利用 IPM 故障輸出信號封鎖 IPM 的控制信號通道．因而彌補了 IPM 自身保護的不足 ,有效地保護了器件。 5 IPM 的緩沖電路設計 在 IPM 應用中 ,由于高頻開關過程和功率回路寄生電感等疊加產生的 di／dt、 dv／ dt和瞬時功耗會對器件產生較大的沖擊 ,易損壞器件．因此需設置緩沖電路 (即吸收電路 ),目的是改變器件的開關軌跡 ,控制各種瞬態(tài)過壓 ,降低器件開關損耗．保護器件安全運行。 圖 16 為常用的 3 種 IPM 緩沖電路。圖 16(a)為單只無感電容器構成的緩沖電路 ,對瞬變電壓有效且成本低 ,適用于小功率 IPM。圖 16(b)為 RCD 構成的緩沖電路 ,適用于較大功率 IPM．緩沖二極管 D可箝住瞬變電壓 ,從而抑制由于母線寄生電感可能引起的寄生振蕩。其 RC 時間常數(shù)應設計為開關周期的 1／ 3,即 r=T／ 3=1／ 3f。圖 16(c)為 P型 RCD和 N型 RCD構成的緩沖電路 ,適用于大功率 IPM。功能類似于圖 16(b)所示的緩沖電路 ,其回路電感更小。若 同時配合使用圖16(a)所示的緩沖電路。還能減小緩沖二極管的應力 ,緩沖效果更好。 (機電一體化只能大流量電動執(zhí)行機構 ) 10 圖 16 常用的 IMP 緩沖電路 在圖 16 中 ,當 IGBT 關斷時．負載電流經緩沖二極管向緩沖電容器充電 ,同時集電極電流逐漸減少 ,由于電容器二端的電壓不能突變．所以有效地限制 了IGBT 集電極電壓上升率 dv／ dt。也避免了集電極電壓和集電極電流同時達到最大值。 IGBT 集電極母線電感、電路及其元件內部的雜散電感在 IGBT 開通時儲存的能量 ,這時儲存在緩沖電容器中。當 IGBT 開通時 ,集電極母線電感以及其他雜散電感又有效地限制了 IGBT 集電極電流上升率 di／ dt．同樣也避免了集電極電壓和集電極電流同時達到最大值。此時 ,緩沖電容器通過外接電阻器和 IGBT 開關 (機電一體化只能大流量電動執(zhí)行機構 ) 11 放電 ,其儲存的開關能量也隨之在外接電阻器和電路、元件內部的電阻器上耗散。如此 ,便將 IGBT 運行時產生的開關損耗轉移到緩沖電路．最后在相 關電阻器上以熱的形式耗散 ,從而保護 IGBT 安全運行。 圖 16 中的電阻值和電容值按經驗數(shù)據選?。喝?PM200DSA060 的電容值為0． 221xF0． 47xF,耐壓值是 IGBT 的 1． 1 倍 1． 5 倍 ,電阻值為 10— 20,電阻功率按 P=fCU2xlO6 計算 ,其中 f 為 IGBT 工作頻率 ,u 為 IGBT 的工作峰值電壓。 C為緩沖電路與電阻器串聯(lián)電容。二極管選用快恢復二極管。為了保證緩沖電路的可靠性 ,可以根據功率大小選擇封裝好的圖 16 所示的緩沖電路。 另外 ,由于母線電感、緩沖電路及其元件內部的雜散電感對 IPM 尤其是大功率 IPM 有極大的影響 ,因此愈小愈好。要減小這些電感需從多方面人手：直流母線要盡量地短 。緩沖電路要盡可能地靠近模塊 。選用低電感的聚丙烯無極電容器、與 IPM 相匹配的快速緩沖二極管及無感泄放電阻器。 6 IPM 在單相全橋逆變器中的應用 圖 17所示的單相全橋逆變電路主要由逆變電路和控制電路組成。逆變電路包括逆變全橋和濾波電路 ,其中逆變全橋完成直流到交流的變換．濾波電路濾除諧波成分以獲得需要的交流電 ?？刂齐娐吠瓿蓪δ孀儤蛑虚_關管的控制并實現(xiàn)部 (機電一體化只能大流量電動執(zhí)行機構 ) 12 分保護功能。 圖 17 單相全橋逆變電路 圖中的逆變全橋由 4 個開關管和 4 個續(xù)流二極管組成 ,工作時開關管在高頻條件下通斷．開關瞬間開關管電壓和電流變大 ,損耗大 ,結溫升高 ,加上功率回路寄生電感、振蕩及噪聲等．極易導致開關管瞬間損壞 ,以往常用分立元件設計開關管的保護電路和驅動電路 ,導致電路龐大且不可靠。 筆者采用一對 PM200DSA060 雙單元 IPM 模塊分別代替圖中 Vl、 D V D2組合和 V D v D4 組合構成全橋逆變電路 ,利用 DSP 對 IPM的控制 ,完成了中頻率 20kW、 230V 逆變器的設計和調試 ,采用了如上所述的驅動電路、中的緩沖電路和基于 DSP 控制的軟件 IPM保護電路。設計實踐表明：使用 IPM 可簡化系統(tǒng)硬件電路、縮短系統(tǒng)開發(fā)時間、提高可靠性、縮小體積 ,提高保護能力。 第四節(jié) 位 置檢測電路 位置檢測電路 的 位置檢測電路是執(zhí)行機構的重要組成部分，它的功能是提供準確的位置信號。關鍵問題是位置傳感器的選型。在傳統(tǒng)的電動執(zhí)行機構 中多采用繞線電位器、差動變壓器、導電塑料電位器等。繞線電位器壽命短被淘汰。差動變壓器由于線性區(qū)太短和溫度特性不理想而受到限制。導電塑料電位器目前較 (機電一體化只能大流量電動執(zhí)行機構 ) 13 為流行，但它是有觸點的，壽命也不可能很長，精度也不高。筆者采用的位置傳感器為脈沖數(shù)字式傳感器，這種傳感器是無觸點的，且具有精度高、無線性區(qū)限制、穩(wěn)定性高、無溫度限制等特點。 第五節(jié) 電壓及電流檢測 檢測電壓、電流主要是為了計算電機的力矩，以及變頻器輸出回路短路、斷相保護和逆變模塊故障診斷。由于變頻器輸出的電流和電壓的頻率范圍為 0～50Hz，采用常規(guī)的電 流、電壓互感器無法滿足要求。為了快速反映出電流的大小，采用霍爾型電流互感器檢測 IPM輸出的三相電流，對于 IPM 輸出電壓的檢測采用分壓電路。 圖 18 IPM輸出電流和電壓檢測 IPM 的主要特點 ： IPM 是將主開關器件、續(xù)流二極管、驅動電路、過電流保護電路、過熱保護電路和短路保護電路以及驅動電 源不足保護電路、接口電路等集成在同一封裝 (機電一體化只能大流量電動執(zhí)行機構 ) 14 內，形成的高度集成的智能功率集成電路。它的主要特點體現(xiàn)在控制功能、保護功能和接口功能方面。 (1)驅動電路 ： 在 IPM內部設置了高性能的驅動電路，具有出現(xiàn)故障后自動軟關斷 IGBT 的功能，同時，由于結構緊湊，驅動電路與 IGBT 之間距離極短，抗干擾能力強，輸出阻抗又很低，不需要加反偏壓，簡化了驅動電路電源，僅需提供 1 組下橋臂的公共電源和 3組上橋臂的獨立 “ 浮地 ” 電源。 (2)欠電壓保護每個驅動電路都具有欠電壓 (W)保護功能。無論什么原因，只要驅動電路電源電壓認 c 低于欠電壓 閡值 yuv 時間超過 10ms， IPM 就會關斷，同時輸出一個故障報警信號。 (3)過熱保護 ： UM 內部絕緣基板上設有溫度傳感器，當溫度超過過熱斷開闊值時， IPM內部的保護電路就會阻止門極驅動信號，不接受控制輸入信號，直至過熱現(xiàn)象消失，保護器件不受損壞，同時輸出過熱故障信號。當溫度下降到過熱復位網值時，電路自動恢復正常工作。 (4)過電流、短路保護 ： IPM 中的 IGBT 電流傳感器是射極分流式，采樣電阻上流過的電流很小，但與流過開關器件上的電流成正比例關系，從而取代了大功率電阻、電流互感器、霍爾電流傳感器等電流檢測 組件。如果 UM中任意一 IGBT的 C 極電流大于過電流動作電流時間超過 10LLs 時， UM 將軟關斷，并且輸出過電流報警信號。 (5)制動電路 :IPM 中設有 IGBT 組成的制動電路。當 UM接收到制動信號后，通，接在制動端 BN 的制動電阻吸收電能，制動電路工作。 (6)使用方便制動電路中的 IGBT 導 UM 采用陶瓷絕緣結構，直接安裝在散熱板上；直流輸入 (P、 N)、制動單元輸出 (B)和變頻輸出端子直接用螺釘連接；輸入、輸出控制端子并排成一列，可用通用插座連接。所以主接線端子和控制端子都可直接拆卸，不需烙鐵焊接，非常方便。 (機電一體化只能大流量電動執(zhí)行機構 ) 15 第六節(jié) 通訊接口 為了實現(xiàn)計算機聯(lián)網和遠程控制，選用 MAX232 作為系統(tǒng)的串行通訊接口，MAX232 內部有兩個完全相同的電平轉換電路，可以把 8031 串行口輸出的 TTL 電平轉換為 RS－ 232 標準電平，把其它微機送來的 RS－ 232 標準電平轉換成 TTL電平給 8031，實現(xiàn)單片機與其它微機間的通訊。 MAX232 簡介： 使 MAX232芯片是美信公司專門為電腦的 RS232標準串口設計的單電源電平轉換芯片 ,用 +5v 單電源供電。 圖 19 MAX232 芯片 結構 引腳介紹： 第一部分是電荷泵電路 :由 6腳和 4 只電容構成。功能是產生 +12v 和 12v 兩個電源，提供給 RS232串 口電平的需要。 第二部分是數(shù)據轉換通道 :由 1 1 1 14 腳構成兩個數(shù)據通道。 其中 13腳（ R1IN）、 12 腳（ R1OUT）、 11腳（ T1IN）、 14腳（ T1OUT）為第一數(shù)據通道。 8 腳（