【文章內(nèi)容簡介】 μ FC20 .1 μ FC11 0 3761U 2 BLM 3 3 9R1R21 0 K 2R41 0 KR62 0 0 ΩR51 0 0 ΩC40 .1 μ FC50 .1 μ FD W 1+ 5 VP 0 . 9R31 0 K V C CR70 .1 Ω /1 WIa山東凱文科技職業(yè)學(xué)院 11 圖 3. 6 電流檢測電路 主功率和驅(qū)動(dòng)電路 主功率電路 經(jīng)過前面的探討，系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制法來控制電機(jī)的端電壓。構(gòu)成直流斬波器的開關(guān)器件過去用的較多的是普通晶閘管，它們本身沒有自關(guān)斷能力，因而限制了斬波器的性能 。目前斬波器大都采用既能控制其導(dǎo)通又能控制其關(guān)斷的全控型器件，如功率晶體管 (GTR)、可關(guān)斷晶閘管 (GTO)、場效應(yīng)管 (MOSFET )、絕緣柵雙極晶體管 (IGBT )等。 電力晶體管的優(yōu)點(diǎn)是飽和壓降低、載流密度大，但是驅(qū)動(dòng)電流較大。電力場效應(yīng)管是用柵極電壓來控制漏極電流的，因此它的一個(gè)顯著特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路簡單、驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度快、工作頻率高，但是電力 MOSFET的電流容量小、耐壓低、導(dǎo)通壓降大，適用于小功率電力電子裝置。由于功率場效應(yīng)晶體管 (Power MOSFET)是一種單極型電壓控制器件，具有開關(guān)速度快、高頻特性好、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、無二次擊穿問題、安全工作區(qū)寬 和跨導(dǎo)線性度高等顯著特點(diǎn)，因而在各類中小功率開關(guān)電路中得到了廣泛的應(yīng)用 [17]。 因此本控制系統(tǒng)使用功率 MOSFET作為功率開關(guān)器件。功率開關(guān)器件的選取非常關(guān)鍵，如果選擇的功率管容量、耐壓過大，則將大幅增加控制系統(tǒng)的成本 。如果功率管的耐壓及電流容量偏小，則在工作過程中經(jīng)常無端出現(xiàn)管子燒毀的現(xiàn)象。純硬件原理樣機(jī)的主功率及其驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案采用 DCAC三相橋式逆變電路， V24 主功率電路如圖 。 因?yàn)殡姍C(jī) 24VNU ? ， ? ，所以主功率開關(guān)器件 6~1 采用 IR 公司生產(chǎn)的快速M(fèi)OSFET管 IRF121，參數(shù)如表 。 型號(hào) 額定電壓（ V） 額定電流（ A） 最高耐溫(℃ ) 內(nèi)阻（導(dǎo)通）（ Ω ） 電容（ pF） 最大電流（ A） 最大功率（ W） 山東凱文科技職業(yè)學(xué)院 12 表 IRF121 參數(shù)表 圖 主功率電路 續(xù)流二極管 選用快速恢復(fù)二極管 ，額 定電流為 A3 ，額定電壓為 V40 ，恢復(fù)時(shí)間為 nS10 。對(duì)輸入端和輸出端接有感性元件時(shí)，如控制接觸器的線圈等，則在它們兩端并聯(lián)續(xù)流二極管（直流電路）和阻容吸收電路，以抑制電路斷開時(shí)產(chǎn)生的電弧對(duì)功率電路的影響。 RC 吸收回路的 R 值越大，線圈兩端的電壓越高，要考慮線圈的絕緣水平是否工作在安全區(qū)； R的值越小，線圈（內(nèi)電阻）要承擔(dān)部分的磁能損耗，且回路總電阻值小，能量損耗就慢，電機(jī)去磁就較慢（因?yàn)榛芈?電流在斷開電源時(shí)的大小是一樣的），當(dāng)然，電容器的取值也致關(guān)重要，電容器能否吸收線圈中的磁能。這樣分析，電容只是在線圈工作過程中，起隔離直流（能減去吸收回路中 R的損耗）作用，不會(huì)減輕線圈的損耗，使用二極管，能隔離 R 在線圈工作時(shí)的損耗。電阻和電容參數(shù)計(jì)算如下： fIC ??? ? 810)5~( （ ） df II ? dI 直流電流值。 由電機(jī)電流為 ? ， 24VNU ? ， 15WNP ? 可以計(jì)算 FC ?~0 4 )5~( 8 ???? ? （ ） IRF121 60 8 5 600 32 400 D1I N 5 8 2 2Q1I R F 1 2 1D4I N 5 8 2 2Q4I R F 1 2 1D2I N 5 8 2 2Q2I R F 1 2 1D5I N 5 8 2 2Q5I R F 1 2 1D3I N 5 8 2 2Q3I R F 1 2 1D6I N 5 8 2 2Q6I R F 1 2 1M1M4M2M5M3M6D C 2 4 V321M1B L D C MR11 K / 1 WD7I N 4 0 0 4C15 0 V /0 .1 μ F山東凱文科技職業(yè)學(xué)院 13 選用 VF 50/ ? 電容。 電阻的選擇： ~)4~2( ??? fIR 選用 K1 電阻 。 電阻功率選擇： 2/)10)2(( 122 RfPP cfvR ????? ?? （ ） )~(2UPfv ? ， cf 為晶閘管或 MOSFET頻率。 U為電壓的有效值。則 WP R 12/)1 0 0 010])2~(242[( 122 ???????? ? 選用 WK1/1 的電阻。 功率驅(qū)動(dòng)電路 根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案選用美國國際整流器公司最新開發(fā)的高性能集成六路輸出 MOS 門極驅(qū)動(dòng)芯片 IR2130作為六只開關(guān)功率管的驅(qū)動(dòng)， IR2130的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 。 信號(hào)輸入發(fā)生器信號(hào)輸入發(fā)生器信號(hào)輸入發(fā)生器脈沖發(fā)生器電平移位脈沖發(fā)生器電平移位脈沖發(fā)生器電平移位封鎖邏輯故障邏輯鎖存器鎖存器鎖存器放大放大放大放大放大放大過壓檢測+－1HIN2HIN3H I N1LI N2L I N3L I NF A U L TCCVI T R I PC A OCASSV?1VB1VS1HO2VB2HO2VS3VS3HO3VB1LO2LO3LOSOV比較放大置位復(fù)位復(fù)位復(fù)位置位置位1H1L2H3H2L3L山東凱文科技職業(yè)學(xué)院 14 圖 IR2130 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 IR2130 的工作原理 正常工作時(shí)，當(dāng)外部電路不發(fā)生過電流，直通故障，且 IR2130的工作電壓源不欠壓，以及脈沖處理電路和電平移位器 PGLS輸出高壓側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)不發(fā)生欠壓情況時(shí)，則從封鎖邏輯 CLEAR故障邏輯處理單元 FAULT及欠電壓檢測器 LVD和 UVDR來的封鎖信號(hào)均無效。從脈沖形成部分來的六路脈沖信號(hào)，經(jīng)三個(gè)輸入信號(hào)處理器，按真值表處理后，變?yōu)榱?路輸出脈沖，其對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)三路低電壓側(cè)功率 MOS管的信號(hào)，經(jīng)三路輸出驅(qū)動(dòng)器放大后，直接送往被驅(qū)動(dòng)功率器件的柵源極。 而另外三路高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)信號(hào) 1H 、 2H 、 3H 先經(jīng)集成于 IR2130內(nèi)部的三個(gè)脈沖處理和電平移位器 PGLS中的自舉電路進(jìn)行電位變換，變?yōu)槿冯娢粦腋〉尿?qū)動(dòng)脈沖，再經(jīng)對(duì)應(yīng)的三路輸出鎖存器鎖存，并經(jīng)嚴(yán)格的驅(qū)動(dòng)脈沖欠壓與否檢驗(yàn)后，送到輸出驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行功率放大，最后才被加到驅(qū)動(dòng)的功率 MOS器件的柵源極。 IR2130的典型應(yīng)用電路 一旦外電路發(fā)生過電流或直通，即電流檢測單元送出的信號(hào)高于 時(shí)，則 IR2130 內(nèi)部的比較器迅速翻轉(zhuǎn)，促使故障邏輯輸出單元 FAULT 輸出低電平，一則封鎖三路輸入脈沖處理器 ISG的輸出，使 IR2130的輸出全為低電平，保證六個(gè)被驅(qū)動(dòng)的功率 MOS器件的柵源極迅速反偏而全部截止，保護(hù)功率管；另一方面，經(jīng) IR2130的 8腳輸出信號(hào)，封鎖脈沖形成部分的輸出或給出聲光報(bào)警。若發(fā)生 IR2130的工作源欠電壓，則欠壓檢測器 UVD迅速翻 轉(zhuǎn)，同以上分析一樣，可得到被驅(qū)動(dòng)功率器件全部截止而可得到可靠保護(hù)，并從 FAULT腳得到故障信號(hào)的結(jié)果。 IR2130的典型應(yīng)用電路如圖 所示： V B 1 .2 .3H O 1 .2 .3V s 1 .2 .3L 0 1 .2 .3V C CH I N 1 . 2 .3 .L I N 1 .2 .3 .F A U L TI T R I PC A OC A V s sV s oI R 2 1 3 0C3R1R2R4R5C4R3V R 2V R 1C2C1負(fù)載最高 6 0 0 VD1D C 1 0 ～ 2 0 V上管驅(qū)動(dòng)輸入下管驅(qū)動(dòng)輸入過流保護(hù)輸出山東凱文科技職業(yè)學(xué)院 15 圖 IR2130 的典型應(yīng)用電路 IR2130可用來驅(qū)動(dòng)工作在母電壓不高于 V600 的電路中的功率 MOS門器件，其可輸出的最大正向峰值驅(qū)動(dòng)電流為 mA250 ，而反向峰值驅(qū)動(dòng)電流為 mA500 。它內(nèi)部設(shè)計(jì)有過流、過壓及欠壓保護(hù)、封鎖和指示網(wǎng)絡(luò)，使用戶可方便的用來保護(hù)被驅(qū)動(dòng)的 MOS 門功率管，加之內(nèi)部自舉技術(shù)的巧妙運(yùn)用使其可用于高壓系統(tǒng)，它還可對(duì)同一橋臂上下 2個(gè)功率器件的門極驅(qū)動(dòng)信導(dǎo)產(chǎn)生 S?2 互鎖延時(shí)時(shí)間。它自身工作和電源電壓的范圍較寬 ( V20~3 )，在它的內(nèi)部還設(shè)計(jì)有與被驅(qū)動(dòng)的功率器件所通過的電流成線性關(guān)系的電流放大器，電路設(shè)計(jì)還保證了內(nèi)部的 3 個(gè)通道的高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器和低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器可單獨(dú)使用，亦可只用其內(nèi)部的 3個(gè)低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器 ，并且輸入信號(hào)與 TTL及 COMS電平兼容 [13][14]。功率驅(qū)動(dòng)電路如圖 。 圖 IR2130 與單片機(jī)和 MOSFET 的接口驅(qū)動(dòng) 圖 中， ??????? 50987651 RRRRRR ， WR 1/ ?? ， ?? KR 13 ，??1004R ； VFCCC 50/1221 ???? ； KVR 101? 。 注：未標(biāo)明功率電阻為普通 。 2R 為電流采樣電阻，根據(jù)電機(jī)參數(shù) ? ，內(nèi)阻 ??，可選 W2/ ? 功率電阻。當(dāng)電機(jī)正常工作時(shí)， 1R 上壓降非常小，不會(huì)導(dǎo)致母線電壓利用率降低，在正 /反轉(zhuǎn)快速變化時(shí)，轉(zhuǎn)速反接制動(dòng)過程中將產(chǎn)生較大的瞬時(shí)電流，從而在 1R 上產(chǎn)生較大的壓降。 TRIP 為欠壓、 過流輸入V c c1H I N 12H I N 23H I N 34L I N 15L I N 26L I N 37F A U L T8I T R I P9C A 010C A 11V s s12V s o13L 0 314L 0 215L 0 116NC17V S 318H 0 319V B 320NC21V S 222H 0 223V B 224NC25V S 126H 0 127V B 128U1I R 2 1 3 0R2V R 1C1D21 2 VR3D1C2C3R5R6R1R7R8R4P 6 .1P 6 .0P 6 .3P 6 .2P 6 .5P 6 .4單片機(jī)D3Q1Q2Q3Q4Q5Q6功率模塊R9N M I山東凱文科技職業(yè)學(xué)院 16 關(guān)閉信號(hào)，通過變阻器 1VR 可調(diào)節(jié)系統(tǒng)過流臨界值的大小， 1VR 可選普通的 WK ，當(dāng)該電壓大于 IR2130 內(nèi)部設(shè)定的 保護(hù)值時(shí)，它會(huì)自動(dòng)使 IR2130 輸出信號(hào)全部為低電平。大電流過后，系統(tǒng)自動(dòng)解除封鎖，從而實(shí)現(xiàn)彈性保護(hù)。 1C 是自舉電容，為上橋臂功率管驅(qū)動(dòng)的懸浮電源存儲(chǔ)能量，其容量取決于被驅(qū)動(dòng) 功率器件的開關(guān)頻率、占空比以及充電回路電阻，必須保證電容充電到足夠的電壓，而放電時(shí)其兩端電壓不低于欠壓保護(hù)動(dòng)作值，當(dāng)被驅(qū)動(dòng)的開關(guān)頻率大于 KHz5 時(shí)，該電容值應(yīng)不小于 F? ，且以瓷片電容為好。本設(shè)計(jì)選用 FV ?1/50 獨(dú)石電容。 1D 、 2D 、 3D 的作用防止上橋臂導(dǎo)通時(shí)的直流電壓母 線電壓到 IR2130 的電源上而使器件損壞，因此 1D 應(yīng)有足夠的反向耐壓，當(dāng)然由于 1D 、 2D 、 3D 與 1C 、 2C 、 3C 串聯(lián)，為了滿足主電路功率管開關(guān)頻率的要求， 1D 、 2D 、 3D 應(yīng)選快速恢復(fù)二極管，按電機(jī) 24VNU ? ，可選 IN4148開關(guān)二極管，耐壓為 V100 。 1R 和 2R 是 IGBT的門極驅(qū)動(dòng)電阻，一般可采用 10到幾十歐。 IR2130的 3~1 HINHIN 、 3~1 LINLIN 作為功率管的輸入驅(qū)動(dòng) 信號(hào)與單片機(jī)連接，由單片機(jī)控制產(chǎn)生 PWM控制信號(hào)的輸入， FAULT與單片機(jī)外部中斷引腳連接，由單片機(jī)中斷程序來處理故障 [16]。 過流過壓保護(hù)電路 過流保護(hù)電路 在永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，電機(jī)起動(dòng)時(shí)，主回路會(huì)流過很大的起動(dòng)電流，此外因控制回路、驅(qū)動(dòng)回路等誤動(dòng)作、誤配線等，會(huì)