波形发生器原理及BSG电机逆变电源电路设计

应用技市 机械研究与应用 波形发生器原理及张家宁，张钊 (上海汽车集团股份有限公司乘用车分公司，上海200000) 摘要：介绍了三相在此基础上针对；以以在很大程度上缩短了开发周期。 关键词：图分类号：献标识码：B 文章编号：10064414(2010)04015204 SG iao，01804 is in SG SG e of to 引 言 近几年来，由于嵌入智能芯片的双极型功率开关 器件使高频弦脉宽调 制)技术在电机调速中得到了广泛应用。对于三相 波形发生器，也产生较理想的芯片；例如英国的集成电路特点为与微处理器 接口方便，内置波形设 置完成后可以独立产生三相有当输 出频率或幅值等需要改变时才需微处理器的干预，微 处理器只需少量的时间实施控制，因而有能力对整个 系统进行检测、保护和控制等措施。基于充电单元效果良好，且具有电路设计简单、功能齐 全、性能价格比高、可靠性高等优点。 2 1 皮带传 动起、停电机，是用在并联方式的混合动力汽车上。 其运用，由于储能设备(电池或超级电容)容量有限， 需要在运行过程中对电能流向进行有效的管理；同时 要求变频器(逆变器)的工作效率足够高，以保证在 精确的电能管理下进行高效的变频能量转换；惟有如 此方可延长车辆运行里程，减少电池充电频率，并从 根本上节约运行成本。 22变频器工作方式简叙 图1为以清楚的 说明电机的工作原理。假设第一时刻让，电流通过；下一时刻让流通过13和人电机，从后将 和电流通过 而形成旋转磁场，使图1中的二极管(续流二极管)，是用来解决感 性负载自感电动势而设置的。不过由于该二极管的 存在，对来了好 处，它至少简化了电路设计。可利用它，让奇数率：1，2，3)单边截止，而偶数功率模块 ，2，3)按循环导通，组成回路，则电机发电出的电就可以通 过偶数电周期示意图 如图2所示，充电的强度可通过程序方式，即通过改 变输出电压(占空比)方式来实现；当然此时调谐脉冲 的时序必需严格界定，可实现有效充电。 订 n 姐0 奉 上 量 ! 图1 稿日期：201007一者简介：张家宁(1958一)，男，江苏镇江人，工程师，主要从事汽车试验认证方面的工作。 152 充电周期 、 ： 机械研究与应用 图2充电周期示意 图3电压调谐波形 23实际工作波形特征 (I)电压波形图3为目前常规使用制下的相输出电压波形，载波为非等间隔设置；通 过改变占空比的方式，形成等效的正弦波脉冲。 (2)电流波形 图4为实际的驱动电流波形。 图中线形不平整为脉冲工作方式伴随出现的高次谐 波，而该谐波出现的位置总是与载波和基频有关。 (3)载波与型电压驱动功率模块，系高速开关器件，虽为目前 较为理想的功率器件，但仍存在导通时的延时和关断 时的电流拖尾；开关延时和电流拖尾的存在意味着损 耗，如果载波频率过高，将增加功率的损耗；另外，高 的载波频率，不仅可以得到较理想的正弦波，而且可 以减少高次谐波和电机工作噪声。 O) 噍 ) 仙s” 图4电流波形 图5管脚定义 3 制开关管的通断，将得到一组等幅而不等宽的矩形 脉冲波形并使其逼近正弦电压波形，如图3和图7所 示。该方法有模拟方法和数字方法两种，其中模拟方 法的电路比较复杂，且有温漂现象，会影响精度，降低 系统的性能。数字方法则是按照不同的数字模型用 计算机算出各切换点并将其存人内存，然后通过查表 及必要的计算生成此数字方法受内存 影响较大，且与系统精度之间存在着矛盾。而使用 频率范围 宽、精度高，并可与微处理器进行接口，关键是能够完 成外围控制功能，所以可实现智能化。 应用技求 31 引脚 排列如内部结构如图5、6所示。主要引脚有两类，一 类是与微处理器的接口和控制引脚；另一类是冲输出和控制引脚。复用总线，用于从微处理器接受地址与数据信息。 W)、S)、S)3个引脚为制模式，S)管 脚变为高电平时，D(上的状态。如果检测结果为低电平，则采 用果检测结果为高电平， 则采用电平有 效；控制线可使接口片共享同一组总线。 分别驱动三相逆变器的6个功率 开关器件。于表明输 出是否被封存，低电平有效。号输入端，当输人为高时，将迅速锁存在低电平状态，且只有在解除。时钟信号输入端。接地端。 R 地址发生嚣l 6内部结构 32 7为使用波形发生器芯片形成的，其载波频率可确定；其生成原理是由三角波和 用触发器的翻转点或电位回差。 由于调制波形关于90。，180。，270。对称，故波形 90。的波形瞬时幅值，采样问隔0 】53 ll 冲廷时=脓冲珏时一一脉冲廷时 脉冲取消冲取消 城峙 一 嗍 应用技求 机械研究与应用 23。，9O。内共384组8位采样值存人个 采样值线性的表达正弦波的瞬时值，通过相位控制逻 辑，组成0。360。的完整波形。该调制波与载波比 较产生三相6路双极性经脉冲 宽度取消电路，将脉冲宽度小于取消时间的脉冲去 掉，再经脉冲延时将电路引人死区时间，保证在转换 瞬间高、低端功率开关不会出现共同导通现象。 图7中24位初始化暂存寄存器，用来设置输出 波形参数，例如载波频率，最小脉宽，脉冲取消时间计 数器置“0”等。设置好后，运行中不能更改；24位控 制寄存器，用来调整改变调制波频率，幅值，输出关 闭，过调制选择，开机关机等(如图8所示，写指令数 据和写控制寄存器约束参数)。上述设置和调整均 通过微处理器或微控制器发出指令，数据先存人三个 8位暂存寄存器l，后通过传送给24位初始化寄存器和24位控制寄存器。 初始化或调整时，”，如图8所示。 图7波形发生原理图 控制，并与外配的微处理器接口，该接口总线可自 动适应英特尔和摩托罗拉两种总线格式及工作时序 的能力。电路启动运行后，当高电时，内部检测电路锁存检测 结果为高电平则自动进人英特尔模式，若检测结果为 低电平，则选择摩托罗拉模式工作，总线连接和定时 信息相对所用微处理器而言，此过程在每次为高电平时都要进行，实际中模式选择可由使用者 设定。 33 用适 用于英特尔和摩托罗拉两种总线格式，接口通用性 好，编程容易，操作简单、快捷、方便；应用常用的 对称的双边采样法产生形产生数字 化，无时漂，无温漂稳定性好；在外接时钟频率为 125实现静音运 行；在实际运用中可与单片机公用一个晶振；调制 频率范围宽，精度高(12位)，输出正弦波频率可达 154 4现高频率高精度控制及光滑的变频；最小 脉宽和死区时间通过软件设置完成，既节约了硬件成 本，又使修改灵活方便；在电路不变的情况下，通 过修改控制暂存器参数，将改变逆变器性能指标。驱 动不同负载或工作于不同工况，包括对充电强度的适 时控制；通过检测序自适 应延时，使 可通过调制达到输出频率为0直流电，实现电机的“直流插入制动”；独立封锁 端可瞬时封锁输出然事件的发生。 写控制寄存 嚣约束参数 图8程序框图 4变频器工作电路设计问题 41 瓶120V； 谐波抑制器由电感和电容组成的，开关电源提供不同 工作电路和芯片的电压规范；电流传感器，互感和霍 尔；电压采样电路可检测电瓶容量；电片机(5波形发生器(模拟开关 (光偶隔离驱动器(激励和 波形处理芯片(或非门(斯 密特反向触发器(42 1) 晶 器周期，增强型 8051内核，40引脚速度比普通8051快812倍，加 机械研究与应用 应用技市 密性强，强抗干扰，超低功耗，在系统可编程。 号，以实现对充电过程的输出波形相续的定位。 图9 低功耗设计： 空闲模式，掉电模式(可由外部中断唤醒)；10片内写次数 512字节片内芯片内能；系统可编程在应用可编程，无 需编程器仿真器；通道，4路当4路D通道捕获比较单元(可用来实现4个定时器或4个外部中 断(支持上升沿下降沿中断)；4个兼容普通8051的定时器1，4路时器；硬件看门狗(高速；全双工异步串行口(兼容普通8051的 串口；先进的指令集结构，兼容普通8051指令集。 4组8个8位通用工作寄存器(共32个通用寄存 器)，有硬件乘法除法指令；通用I 4O 脚)，复位后为：准双向H弱上拉(普通8051传统I， 0口)。 可设置成四种模式：准双向上拉，推挽强 上拉，仅为输入高阻，开漏。每个I0口驱动能力均 可达到20整个芯片最大不得超过120(2)接口电路说明 27为数据口，3 7、31分别与R、S、责发送数据 给1、3；模拟通道 11、12和13接受电流采 样信号。一接受；32 30输出控 制模拟开关使现充电。的输 出控制13取出，通过比较10 5o# 1 图11 50 x 。，10) 43变频器驱动电路 其内部集成集电极发射极电压欠饱和检测电路及故 障状态反馈电路，为驱动电路的工作提供了可靠保 障。其特性为兼容I隔离，故障状 态反馈；“软”饱和检测及欠压锁定保 护；过流保护功能；宽工作电压范围(1530V)；用户 可配置自动复位、自动关闭。耦合器结合实现得和检测结构紧凑，成本低且易于实现，同时满足了 宽范围的安全与调节的需要。 5变频器设计中需解决的技术问题 (1)电路模块化设计可使电路简化，工作状态稳 定，调试简便，减少了设计周期。因此采用单片机+ 波形发生器+光电隔离的控制电路形式，为编程带来 极大方便，因为其回避载波频率、v小脉 宽、死区、电路保护等方面编成和调试困难。 (2)体积和散热在车上变频器的体积不可能 做的很大，加上发动机热辐射影响，散热效果就显得 很重要。对于电子器件不能耐高温的情况，除自然风 冷以外，可以考虑单独水循环强制冷却，并在温度超 限时适时启用。 (3)系统匹配为达到电机工作系统高效率，同 (下转第158页) 155 应用技市 机械研究与应用 (2)电子元器件发热 由于电子元器件一般为 标准封装器件，为了满足绝缘以及相当的抗老化要 求，封装材料散热性能相对较差，而电子元器件发热 不仅会降低产品使用寿命，极端情况下还会发生烧 毁、爆炸，从而降低整个系统的使用安全系数。为了 解决这个问题，含有功率器件的产品必须要采取增加 散热片等散热措施，结果增加了产品体积，就要拿固 态接触器来说，产品的体积并不比传统接触器小，其 主要原因是散热片占到近12的体积。 (3)环境污染问题 制使用铅、镉、汞、六价铬、多溴联苯和多溴二苯 醚，而在电子产品中，铅被广泛用于焊锡，印刷电路板 上含有铅和镉，平板显示器(液晶显示器)也含有汞， 当这些产品达到使用期限时，将产生一定的电子垃 圾。处理不当，将会对人体产生不可逆转的危害。目 前我国的正规电子垃圾的处理企业相对较少，相关的 法律法规实施有待加强。 4 总 结 目前智能化低压电器元件产品的开发仍处于较 低阶段，仍然有许多问题需要进一步探讨、解决。由 于机电一体化技术在低压电器元件产品的应用能有 效集成产品功能，解决产品与整个工业系统的双向通 信问题，满足网络对机电一体化设备进行远程控制的 要求，具有更高的自动化特性，可以使人在更舒适的 环境中工作，因而将机电一体化技术广泛应用于低压 电器元件中，使产品具有智能化、模块化是是必然的 发展方向。随着中华人民共和国国务院令第551号 废弃电器电子产品回收处理管理条例的实施及我 国工业化进程的发展，废弃电器电子产品的处理和电 子元器件品质都将得到有效保障，这些都将为国产低 压电器元件产品机电一体化的发展奠定良好的基础。 参考文献： 1美树生译机电一体化系统设计M北 京：机械工业出版社，2005 向外移动40保安全检测功能的正常发 挥如图3所示。 出 宾战为改造前 图3本体定位改造 厂光电开关 外穆403其它辅助设备的改造 依据本体、迁车台等的改造情况，对各设备就地 控制箱、接线箱的安装位置、电缆牵引路线等依据就 地实际改造情况相应进行了移动，以利于就地人员更 方便的工作。 3结语 该工程改造投用以来，运行平稳，在遇到62等混编车列时再无须对系统进行手自切换，更无 须进行人工就地操作，提高了系统的安全性，同时也 极大的提高了系统的工作效率，减少了火车压车时 间，为企业经济效益的提升做出了贡献。 参考文献： 1 国电太原第一热电厂300设备M北京：中国电力出版社，2009 时满足要将电压匹 配、电流匹配和转矩匹配；因此须要做大量的实