【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)學院 11 圖 3. 6 電流檢測電路 主功率和驅(qū)動電路 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)、場效應管 (MOSFET )、絕緣柵雙極晶體管 (IGBT )等。 電力晶體管的優(yōu)點是飽和壓降低、載流密度大，但是驅(qū)動電流較大。電力場效應管是用柵極電壓來控制漏極電流的，因此它的一個顯著特點是驅(qū)動電路簡單、驅(qū)動功率小、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、導通壓降大，適用于小功率電力電子裝置。由于功率場效應晶體管 (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 和跨導線性度高等顯著特點，因而在各類中小功率開關(guān)電路中得到了廣泛的應用 [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。純硬件原理樣機的主功率及其驅(qū)動電路根據(jù)系統(tǒng)總體設計方案采用 DCAC三相橋式逆變電路， V24 主功率電路如圖 。 因為電機 24VNU ? ， ? ，所以主功率開關(guān)器件 6~1 采用 IR 公司生產(chǎn)的快速MOSFET管 IRF121，參數(shù)如表 。 型號 額定電壓（ V） 額定電流（ A） 最高耐溫(℃ ) 內(nèi)阻（導通）（ 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 選用快速恢復二極管 ，額 定電流為 A3 ，額定電壓為 V40 ，恢復時間為 nS10 。對輸入端和輸出端接有感性元件時，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，以抑制電路斷開時產(chǎn)生的電弧對功率電路的影響。 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）要承擔部分的磁能損耗，且回路總電阻值小，能量損耗就慢，電機去磁就較慢（因為回路 電流在斷開電源時的大小是一樣的），當然，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，不會減輕線圈的損耗，使用二極管，能隔離 R 在線圈工作時的損耗。電阻和電容參數(shù)計算如下： fIC ??? ? 810)5~( （ ） df II ? dI 直流電流值。 由電機電流為 ? ， 24VNU ? ， 15WNP ? 可以計算 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)動電路 根據(jù)系統(tǒng)總體設計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)動芯片 IR2130作為六只開關(guān)功率管的驅(qū)動， IR2130的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 。 信號輸入發(fā)生器信號輸入發(fā)生器信號輸入發(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比較放大置位復位復位復位置位置位1H1L2H3H2L3L山東凱文科技職業(yè)學院 14 圖 IR2130 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 IR2130 的工作原理 正常工作時，當外部電路不發(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)動信號不發(fā)生欠壓情況時，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來的封鎖信號均無效。從脈沖形成部分來的六路脈沖信號，經(jīng)三個輸入信號處理器，按真值表處理后，變?yōu)榱?路輸出脈沖，其對應的驅(qū)動三路低電壓側(cè)功率 MOS管的信號，經(jīng)三路輸出驅(qū)動器放大后，直接送往被驅(qū)動功率器件的柵源極。 而另外三路高壓側(cè)驅(qū)動信號 1H 、 2H 、 3H 先經(jīng)集成于 IR2130內(nèi)部的三個脈沖處理和電平移位器 PGLS中的自舉電路進行電位變換，變?yōu)槿冯娢粦腋〉尿?qū)動脈沖，再經(jīng)對應的三路輸出鎖存器鎖存，并經(jīng)嚴格的驅(qū)動脈沖欠壓與否檢驗后，送到輸出驅(qū)動器進行功率放大，最后才被加到驅(qū)動的功率 MOS器件的柵源極。 IR2130的典型應用電路 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高于 時，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，保證六個被驅(qū)動的功率 MOS器件的柵源極迅速反偏而全部截止，保護功率管；另一方面，經(jīng) IR2130的 8腳輸出信號，封鎖脈沖形成部分的輸出或給出聲光報警。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)動功率器件全部截止而可得到可靠保護，并從 FAULT腳得到故障信號的結(jié)果。 IR2130的典型應用電路如圖 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負載最高 6 0 0 VD1D C 1 0 ～ 2 0 V上管驅(qū)動輸入下管驅(qū)動輸入過流保護輸出山東凱文科技職業(yè)學院 15 圖 IR2130 的典型應用電路 IR2130可用來驅(qū)動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)動電流為 mA250 ，而反向峰值驅(qū)動電流為 mA500 。它內(nèi)部設計有過流、過壓及欠壓保護、封鎖和指示網(wǎng)絡，使用戶可方便的用來保護被驅(qū)動的 MOS 門功率管，加之內(nèi)部自舉技術(shù)的巧妙運用使其可用于高壓系統(tǒng)，它還可對同一橋臂上下 2個功率器件的門極驅(qū)動信導產(chǎn)生 S?2 互鎖延時時間。它自身工作和電源電壓的范圍較寬 ( V20~3 )，在它的內(nèi)部還設計有與被驅(qū)動的功率器件所通過的電流成線性關(guān)系的電流放大器，電路設計還保證了內(nèi)部的 3 個通道的高壓側(cè)驅(qū)動器和低壓側(cè)驅(qū)動器可單獨使用，亦可只用其內(nèi)部的 3個低壓側(cè)驅(qū)動器 ，并且輸入信號與 TTL及 COMS電平兼容 [13][14]。功率驅(qū)動電路如圖 。 圖 IR2130 與單片機和 MOSFET 的接口驅(qū)動 圖 中， ??????? 50987651 RRRRRR ， WR 1/ ?? ， ?? KR 13 ，??1004R ； VFCCC 50/1221 ???? ； KVR 101? 。 注：未標明功率電阻為普通 。 2R 為電流采樣電阻，根據(jù)電機參數(shù) ? ，內(nèi)阻 ??，可選 W2/ ? 功率電阻。當電機正常工作時， 1R 上壓降非常小，不會導致母線電壓利用率降低，在正 /反轉(zhuǎn)快速變化時，轉(zhuǎn)速反接制動過程中將產(chǎn)生較大的瞬時電流，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D3Q1Q2Q3Q4Q5Q6功率模塊R9N M I山東凱文科技職業(yè)學院 16 關(guān)閉信號，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 ，當該電壓大于 IR2130 內(nèi)部設定的 保護值時，它會自動使 IR2130 輸出信號全部為低電平。大電流過后，系統(tǒng)自動解除封鎖，從而實現(xiàn)彈性保護。 1C 是自舉電容，為上橋臂功率管驅(qū)動的懸浮電源存儲能量，其容量取決于被驅(qū)動 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，而放電時其兩端電壓不低于欠壓保護動作值，當被驅(qū)動的開關(guān)頻率大于 KHz5 時，該電容值應不小于 F? ，且以瓷片電容為好。本設計選用 FV ?1/50 獨石電容。 1D 、 2D 、 3D 的作用防止上橋臂導通時的直流電壓母 線電壓到 IR2130 的電源上而使器件損壞，因此 1D 應有足夠的反向耐壓，當然由于 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 應選快速恢復二極管，按電機 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 信號與單片機連接，由單片機控制產(chǎn)生 PWM控制信號的輸入， FAULT與單片機外部中斷引腳連接，由單片機中斷程序來處理故障 [16]。 過流過壓保護電路 過流保護電路 在永磁直流伺服電動機調(diào)速系統(tǒng)中，電機起動時，主回路會流過很大的起動電流，此外因控制回路、驅(qū)動回路等誤動作、誤配線等，會