（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的智能电动执行器控制系统的研究.pdf

r e s e a r c ho fc o n t r o ls y s t e mo f in t e l lig e n te l e c t rica c t u a t o rb a s e do nd s p a b s t r a c t e l e c t r i ca c t u a t o ri sa l li m p o r t a n tp a r to fp r o c e s sc o n t r o ls y s t e m i ti s a l s oo n eo ft h ee s s e n t i a le q u i p m e n to ff a c t o r ya u t o m a t i z a t i o n a tp r e s e n t m o s to fd o m e s t i ce l e c t r i ca c t u a t o r sa r ec o n t r o l l e db ya n a l o gc i r c u i t s ，a n d t h e i rp r e c i s i o ni sl o w m a n ya d v a n c e di n t e l l i g e n te l e c t r i ca c t u a t o r sd e v e l o p e d b ys e v e r a lf a m o u sg l o b a lc o r p o r a t i o n sh a v eo c c u p i e do b rm a r k e t s oi ti s v e r yi m p o r t a n tt or e s e a r c ho u ro w nh i g h - p e r f o r m a n c ep r o d u c t s i n t e l l i g e n te l e c t r i ca c t u a t o r , w h i c hi s e m b e d d e db ya d v a n c e dm i c r o c o n t r o l l e r s ，c a l lm a k ec o m p l i c a t e ds e w oc o n t r o le a s yt or e a l i z e i ta l s oh a s f u n c t i o n si n c l u d i n gs e l f - d i a g n o s i sa n dp r o t e c t i o n ，c o n v e n i e n t p a r a m e t e r s e t t i n g ，o n l i n ed i s p l a ye t c t h i sp a p e rp r e s e n t sas c h e m eo ft h ec o n t r o ls y s t e mo fi n t e l l i g e n t e l e c t r i ca c t u a t o r i ns u c has y s t e m ，t m s 3 2 0 f 2 4 0 ，at y p eo fd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r , i su s e da sm i c r o - c o n t r o l l e ra n db l d c mi su s e da se x e c u t i n g m o t o r h i 曲p e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t ya r ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r o p o s e d s y s t e m i nt h i sp a p e r , t h eg e n e r a ld e s i g ns c h e m ei sg i v e n t h ew o r k i n gp r i n c i p l e a n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fb l d c ma r ei n t r o d u c e d t h ed e s i g ns c h e m e so f d r i v ec i r c u i t sa n dc o n t r o lc i r c u i t sa lep r o p o s e d a se m p h a s i z e dp a r to ft h e p a p e r , t h ec o n t r o ls t r a t e g i e sa n da r i t h m e t i ca r ca n a l y z e d t h e s es t r a t e g i e s i n c l u d eh o wt or e a l i z ep h a s ec h a n g e ，s t a r t ，b r a k ea n ds p e e dr e g u l a t i o no f b l d c ma n dh o wt oi m p l e m e n tp o s i t i o nc o n t r 0 1 e x p e r i m e n t a lr e s u l t sf r o m r e a lw o r k i n ga r ep r o p o s e dt ov a l i d a t ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o p o s e dm e t h o d s k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n te l e c t r i ca c t u a t o r , d s p , b l d c m ，s e r v oc o n t r o l 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密囹，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名： 滞蝽指导教师签名：撇 日期：矽埠t 月易日日期：劲。埠1 月l 乙日 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：泐1 年，月，易日 埠 基于d s p 的智能电动执行器控制系统的研究 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电动执行器在工业上的应用及其发展现状 电动执行器是工业过程控制中的重要设备，广泛应用于电力、冶金、化工、轻 工等工业部门。 电动执行器接收来自 调节器的模拟信号( 一般是给 4 - - 2 0 m a 电流信号) 或上位 机的数字信号，并将其转换 为电动执行器相应的输出 角位移( d ) 或直线位移 ( d k z ) 输出，去带动阀 门、挡板等动作，以实现对 图1 1 过程控制系统一般结构 f i g 1 - 1g e n e r a ls t r u c t u r eo fp r o c e s sc o n t r o ls y s t e m 各种过程参数的自动控制。电动执行器在过程控制系统中的作用如图1 1 所示。 电动执行器是由电动执行机构和调节机构两部分组成，其中将指令信号转换成 力或力矩的部分叫做电动执行机构；直接改变被调量的各种阀门和类似作用的机 构都称为调节机构。 电动执行机构通常可分为两种基本类型：电磁型和电机型。前者由电磁铁驱动， 后者则由电机驱动。相比之下，电机型的电动执行器使用更加灵活，性能也更优 越，是电动执行器研究和开发领域的重点。 我国自行研制的d d z 系列电动执行器存在着控制方式落后，可靠性不高的问 题，并且缺乏完善的保护和故障报警处理以及必要的通讯手段，这就使得现有的 电动执行器不便于调试和维护，也不能根据生产的实际需要进行参数的现场调整， 不便于实现数字化的分布式控制。 欧美国家在研制电动执行器的领域处于领先地位，一些公司推出的嵌入了微控 制器的智能电动执行器是最新一代的产品。智能电动执行器性能优越，占据了相 当的市场份额。这类电动执行器具有可靠性高、使用方便、通信功能强、诊断保 护功能完善、适应性广泛等优点。可以说，智能化已经成为电动执行器发展的趋 势。 从我国在该领域落后的现状考虑，研制我们自己的具有自主知识产权的智能电 动执行器具有非常重要的意义。这样可以节约大量外汇，提高我国的工业技术水 基于d s p 的智能电动执行器控制系统的研究 第一章绪论 平，使我国在过程控制领域的国际竞争中占有一席之地。 1 2 智能电动执行器的结构和特点 不。 通常把嵌入微处理器的电动执行器称为智能电动执行器，它的结构如图1 2 所 反馈值 设定值 图1 - 2 智能电动执行器的结构 f i g 1 - 2s 仃u c t u r eo fi m e l l i g e n ta c t u a t o r 智能电动执行器可以接受模拟位置设定信号( 通过a d ) 或数字位置设定信号 ( 通过通信接1 2 ) 。控制器根据位置设定值，控制电机带动减速机构把阀门定位到 指定的开度。与电机同轴的位置传感器经编码器后反馈给控制器，从而实现闭环 控制。同时，实际的位置值还必须反馈给调节器( 经d a ) 或上位机( 经通信接 口) 。 与普通型电动执行器相比，智能电动执行器具有如下特点： 便利的参数遥控设定功能电动执行器在投入正常使用前，必须对其内部的一 系列参数( 如行程、力矩等) 进行正确设定要完成这些工作，对于传统执行 器，需要人工一项一项地进行整定而智能电动执行器，则可以进行参数的遥 控设定。这不仅简化了设定的工作程序，而且还提高了设备运行的安全性，特 别是对那些要求防爆的场所尤为重要 丰富的在线显示功能普通型执行器在就地只能采用一些机械式的阀门开度 指示，不仅精度低，而且由于机械摩擦等原因，经常会导致不能正确指示，甚 至出现故障智能电动执行器采用数字式显示，不但可以准确显示阀门的开、 关状态和正常的阀门开度等，而且在参数设定或执行器有故障时，也能显示出 2 基于d s p 的智能电动执行器控制系统的研究第一章绪论 重要的信息 完善的自诊断及保护功能普通型执行器一般不具备在线自诊断功能，而智能 电动执行器的自诊断及保护功能是很强的，它可以在线诊断出伺服电机过载、 过热情况及电源异常状态等，还能自动识别三相电源的相位，当紧急情况时， 执行器可以保持当前位置或运行到预先设定的安全位置 先进的控制功能由于智能电动执行器嵌入了微控制器，所以它可以采用与控 制对象相适应的伺服策略，取得更好的控制效果。 1 3 本文的研究内容 本文研究的是基于d s p 的智能电动执行器的控制系统，该系统以d s p 芯片为 核心控制器，大体上可分为伺服电机、驱动电路、控制电路三大模块。 本文第二章介绍整个系统的设计思想和总体方案；第三章至第五章分别介绍系 统三个模块的相关设计问题；第六章详述控制策略及算法：第七章提供了实验结 果及分析；第八章是结论。 基于d s p 的智能电动执行器控制系统的研究第二章智能电动执行器控制系统的总体设计 第二章智能电动执行器控制系统的总体设计 2 1 系统的总体结构 本文研究的智能电动执行器控制系统结构如图2 1 所示。系统由三个主要的模 块组成，即伺服电机、驱动电路、控制电路。 图2 一l 系统总体结构框图 f i g 2 - ib l o c kd i a g r a mo f t h es y s t e m sg e n e r a ls t r u c t u r e 在本系统中，伺服电机采用了无刷直流电机。作为执行器的动力核心，电机的 特性在很大程度上决定了整个系统的工作性能。无刷直流电机具有体积小、重量 轻、效率高、惯量小和响应快等特点，同时还具有普通直流电机优良的机械特性 和控制特性。由于无刷直流电机没有机械换向装置，因而克服了电刷和换向器所 带来的一系列缺点，如噪声、电磁干扰、换向火花、电刷磨损等。 驱动电路包括整流模块、智能功率模块( i p m ) 、光电隔离电路、缓冲电路、 保护电路等，其中m m 是驱动电路的核心。i p m 将功率开关器件( i g b t ) 、驱动 电路和故障检测保护电路集成在一起，大大方便了用户的使用，并且提高了可靠 性。当负载发生异常或者使用不当而产生过电压、过电流、过热等故障时，i p m 会启动自我保护机制，关闭功率开关器件，并输出报警信号供控制器或相关保护 电路处理。 控制电路包括t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 芯片、状态显示电路、报警电路、红外遥控 电路、通信接口电路等。t m s 3 2 0 f 2 4 0 是t i 公司开发的基于电机和开关电源控制 的数字信号处理器，可以为高性能传动提供先进可靠的信号处理与控制。 - 4 基于d s p 的智能电动执行器控制系统的研究第二章智能电动执行器控制系统的总体设计 t m s 3 2 0 f 2 4 0 将数字信号处理的运算能力与面向电机的高效控制能力集于一体可 以方便地修改控制策略和控制参数。控制电路的其他部分完成参数设定、在线显 示、系统诊断保护等功能。具体体现智能电动执行器使用方便的优点。 以上是对系统结构的简要描述，下面的章节将会对各模块进行详尽的论述。 2 2 系统的性能指标 这次所开发的智能电动执行器具有国外二十世纪九十年代水平。它有如下一些 主要性能特点： ” 该执行器是机电一体化的产品，可以直接接收控制信号采用红外遥控设定力 矩、行程等参数，无需手动控制按键，既方便了系统的设定，避免了对执行器 的直接接触，又能适应恶劣的工况环境采用l e d 显示器，显示电动执行机构 的工作状态，主要是设定的参数及显示当前力矩和位置参数等 控制器采用t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 芯片作为控制系统的核心，处理系统内所有的控 制信号，包括对系统设定，采样、显示、报警、故障等信号的处理同时对智 能功率模块( i p m ) 提供控制信号( p w m 控制信号) ，控制i p m 的导通与关断， 以实现对无刷直流电机的控制 具有双向力矩保护功能，具有很好的伺服特性 该电动执行机构在突然失去电源的情况下，能保持在失电前的位置不动；失去 信号时( 指控制信号或反馈信号) ，能停在原来设定的位置( 全开、全关或原 来的位置) 对于上述两种情况，均有报警触点输出 该电动执行机构具有本地双向电动操作装置。 该电动执行机构具有本地远程控制状态的选择装置，并且具有设置的状态触 点输出 电动执行机构到达始、终端时，具有触点输出；具有双向过力矩的触点输出 具有远程通讯功能 另外，系统的伺服性能指标主要有以下几条： 电机的额定转速：疗= 1 5 0 0 r p m 电机轴端输出额定力矩：瓦= 1 0 n m 最低平稳转速：拧响= 1 0 0 r r a i n 全行程运行时间：l l o s 系统定位静差：l e 。l 全行程的0 5 5 甚fd s p 的智能电动执行器控制系统的研究 第= 章无月幢流电机 第三章无刷直流电机 无刷直流电机( b r u s h l e s sd cm o t o r ，以下简称b l d c m ) 是电力电子技术和 电机技术相结合的产物。b l d c m 没有传统直流电机的机械换向器结构，从而克 服了由此带来的一系列缺点，如噪声、电磁干扰、换向火花、电刷磨损等：同时 b l d c m 具有普通直流电机优良的调速特性。可以说，b l d c m 把交流异步电机 结构简单和直流电机机械特性好的优点集于一身。随着稀土永磁材料和电力电子 器件性能价格比的不断提高，b l d c m 在中小功率电机调速领域的应用越来越广 泛。本章讨论b l d c m 的工作原理和机械特性方面的相关问题。 3 1 无刷直流电机的结构和工作原理 3 1 1b l d c m 的结构 b l d c m 的结构原理如图3 1 所示。它主要由电机本体、位置传感器( p s ) 和电子开关线路三部分组成。 图3 一lb l d c m 的结构原理图 f i g3 1s t r u c t u r eo f b l d c m 图32b l d c , m 电机本体截面国 f i g3 - 2s e c t i o no f b l d c m b l d c m 的电机本体内部结构如图3 2 所示。一般的永磁式直流电机的定子由 永久磁钢组成，其主要的作用是在电机气隙中产生磁场。其电枢绕组通电后产生 反应磁场，由于电刷的换向作用，使得这两个磁场的方向在直流电机运行过程中 始终保持相互垂直，从而产生最大转矩。b l d c m 为了实现无刷换向，首先要求 把一般苴流电机的电枢绕组放在定子上把永磁磁钢放在转子上，这与传统直流 - 6 一 基于d s p 的智能电动执行器控制系统的研究第三章无刷直流电机 永磁电机的结构正好相反。但仅这样做还是不行的，因为用一般的直流电源给定 子上各绕组供电，只能产生固定磁场，它不能与运动中转子磁钢所产生的永磁磁 场相互作用，以产生单一方向的转矩来驱动转子转动。所以b l d c m 除了由定子 和转子组成电动机的本体以外，还要由转子位置传感器、控制电路以及功率逻辑 开关共同构成换相装置，使得b l d c m 在运行过程中定子绕组所产生的磁场和转 动中的转子磁钢产生的永磁磁场在空间上始终保持兀2 的电角度。 因此，所谓无刷直流电机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关 线路、永磁式同步电机以及位置传感器三者组成的“电动机系统 。 3 1 2b l d c m 的工作原理 为了更清晰地阐述b l d c m 的工 作原理，下面就以图3 1 所示的一极 对三相星型绕组半控桥电路为例，以 三个功率管v ，、v ：、v ，构成功率逻辑 单元。当位置传感器检测到转子永磁 体n 极中心转动到定子绕组a 相附近 1 2 0 。范围内时( 如图3 3 a 所示) ，打 开功率管v 。，电流流入绕组4 一， 该绕组电流同转子磁极作用后所产生 的转矩使转子按图3 3 a 的箭头方向( 顺 时针方向) 转动。同样，当转子磁极 转到图3 3 b 所示的位置时，关闭v 。， 打开v ，电流从绕组彳一彳断开而流 簿e aa ：勇o a ： 三回fco a 三母e a a r )d 图3 3b l d c m 旋转状态 f i g 3 - 3r o t a t i n gs t a t u so fb l d c m 入绕组b b ，使转子继续朝顺时针方向转动。当转子磁极转到图3 3 c 所示的位 置时，关闭v ：打开v ，使电流流入绕组c c ，于是驱动转子继续朝顺时针方 向旋转，并重新回到图3 3 a 所示的位置。 这样，根据位置传感器检测到的转子磁极的位置，控制v 。、v ：、v ，使得定子 绕组一相一相地依次馈电，实现各相绕组电流的换相。不难看出，在换相过程 中，定子各相绕组在工作气隙内所形成的旋转磁场是跳跃式的。这种旋转磁场在 3 6 0 0 电角度范围内有三种磁状态，每种磁状态持续1 2 0 0 电角度。各相绕组电流与 电机转子磁场的相互关系如图3 3 所示。图3 3 a 为第一状态，励为绕组a a 通电后所产生的磁动势。显然，绕组电流与转子磁场的相互作用，使转子沿顺时 针方向旋转；转子转过1 2 0 0 电角度后，便进入第二状态，这时绕组彳一彳断电， 而绕组b b 随之通电，即定子绕组所产生的磁场转过了1 2 0 0 ，如图3 3 b 所示， 7 基于d s p 的智能电动执行器控制系统的研究第三章无刷直流电机 电机转子继续沿顺时针方向旋转；在转过1 2 0 0 电角度，便进入第三状态，这是绕 组曰一b 断电，c c 通电，定子绕组所产生的磁场又转过了1 2 0 电角度，如图 3 3 c 所示；它继续驱动转子沿顺时针方向转过1 2 0 。电角度后就恢复到初始状态 了。这样周而复始，电机转子便连续不断地旋转。图3 - 4 示出了各相绕组得导通 顺序。 彳一a 口口耐 召一b + l 口 心譬 c c i 。口- 耐 o o1 2 0 0 2 4 0 03 6 0 0 图3 - 4 各相绕组的导通示意图 f i g 3 4c o n d u c t i n gl o g i co fp h a s ew i n d i n g s 以上所介绍的是b l d c m 驱动方式的一种，称为三相三状态，电机旋转过程 中定子绕组导通的状态只有三种，并且每种状态中只有一相绕组通电，持续1 2 0 0 电角度。实际上，还有其他驱动方式，如三相六状态方式。一般来说，状态数越 多，电机的起动性能和低速运转平稳性就越好。下面，就分析一下b l d c m 驱动 方法中应用得最广泛的三相六状态工作方式。 3 1 3 三相六状态工作方式 三相六状态工作方式中功率开关采 用全桥逆变器结构连接，如图3 5 。功 率器件的排列顺序采用如图所示的上桥 臂1 ，3 ，5 ，下桥臂4 ，6 ，2 的顺序。 按照一定的逻辑关系打开六个功率器 件，即可实现电机的正反转。 换相的逻辑如图3 6 所示，图中的 0 为电角度，按照图中的顺序打开相应 图3 5 三相全桥连接 f i g 3 - 5d i a g r a mo fh - b r i d g el i n k 的开关器件，即可实现无刷直流电动机的逆时针旋转，反之，可实现无刷直流电 动机的顺时针旋转。图中的a 、b 、c 为无刷直流电动机的转子位置传感器的波 形，它们为互差1 2 0 0 的方波。对于任何一个时刻，a 、b 、c 要么为低，要么为高， 一共有六种组合状态( a 、b 、c 没有全高或全低的状态) ，每种状态对应一种六 个功率器件的开关状态。比如当a 为高、b 为低、c 为低的时候，功率器件t 1 8 一 基于d s p 的智能电动执行器控制系统的研究 第三章无刷直流电机 和他导通。当功率器件t 1 和 t 2 导通时，电流从电源正极出 发，经过t 1 管流入a 相绕组， 再从c 相绕组流出，经1 2 管流 回电源。如果认定流入绕组的电 流所产生的转矩为正，那么从绕 组流出的电流所产生的转矩则为 负，它们合成的转矩疋如图3 7 a 所示，其大小为3 ，方向在 和一瓦的角平分线上。当电机 转过6 0 0 后，这时候a 为高、b 为高、c 为低，由换相逻辑有 t 1 、他导通变成配、t 3 导通。 这时，电流从t 3 管流入b 相绕 组，再从c 相绕组流出，经t 2 管流回电源，此时的合成的转矩 如图3 7 b 所示，其大小同样 i l l i ； l0 i l i i iii ， l 2 万 一4 1 c 5 万 ， 7 万 万z 万 3333 图3 - 6 换相逻辑 f i g 3 - 6p h a s es h i f tl o g i c 为历t ，但合成转矩的方向转过了6 0 。的电角度。图3 7 c 示出了全部合成转 矩的方向。由图可见，绕组产生了一个旋转转矩。 兄 乙乙l 瓦 瓦 图3 - 7 星型连接绕组两两通电时的合成转矩矢量图( 电角度) ( a ) t 1 ，t 2 导通时的合成转矩( b ) t 2 ，t 3 导通时的合成转矩 ( c ) 两两通电时合成转矩矢量图 f i g 3 - 7c o m p o s i t em o m e n tv e c t o ro fb l d c m ( a ) c o m p o s i t em o m e n tw h e nt 1 & t 2 a r ec o n d u c t e d ( b ) c o m p o s i t em o m e n tw h e n1 2 & t 3a r ec o n d u c t e d ( c ) a l lt h ec o m p o s i t em o m e n t 0 o o 0 o o 0 e o a b c n 他 基于d s p 的智能电动执行器控制系统的研究 第三章无刷直流电机 可以看出，这种工作方式有六种工作状态，每个状态占有6 0 。电角度，并且 在任何时刻都有两相绕组通电。 3 2b l d c m 的数学模型 不考虑电枢反应，气隙磁场分布近似为矩形波，平顶宽度为1 2 0 0 电角度； 三； = 言吾兰 兰 + 墨笔享 p 隆 + 圣 c 3 ， 式中p = 杀；、分别为电机a 、b 、c 三相绕组的电压，屯、i b 、 为相电流；e 。、e 。、e 。为三相绕组反电势；r 。、r 。、天。为各相绕组的等效电阻； 厶、厶、厶为各相绕组的等效电感：k 、k 、曲为绕组互感。 三； = 喜三曼 芝 + 壹兰 1 0 - ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) 1j 口 6 c p p 口 l + 1j 乙b0 -。l p 1j m m 基于d s p 的智能电动执行器控制系统的研究第三章无刷直流电机 三； = 蚕昙量 芝 + j m 吖上蔓 p 芝 + 三 理想的定子相电流和反电势波 形如图3 - 9 所示，相电流波形是方 波，幅值为i 。，反电势的波形为梯 形波，幅值为e 。 a b c 图3 8b l d c m 的等效电路 f i g 3 - 8e q u i v a l e n tc i r c u i to fb l d c m b l d c m 的电磁转矩方程为： 瓦：墨：e a i a + e b i b + e c i c 彩 ( 3 4 ) ( 3 - 5 ) 0 18 磊0 3 6 l 0 _ 5 4 b 0 。o ooo 。 图3 - 9 理想定子相电流和反电势波形 f i g 3 - 9w a v e f o r mo fi d e a lp h a s ec u r r e n t s a n db a c ke m f s ( 3 6 ) 其中，z 为电机的电磁转矩，国为电机转子角速度。由图3 - 9 可以求出 t ：= 2 e , i , # 仞 若定义k ，为反电势常数，即 e 。= k ，a , 1 则式( 3 6 ) 可写成 瓦= 2 k ，l 显然，b l d c m 的电磁转矩正比于相电流的幅值。 另外，b l d c m 的转速公式( 参见文献【1 0 】) 为 ( 3 - 7 ) ( 3 - 8 ) ( 3 - 9 ) 基于d s p 的智能电动执行器控制系统的研究 第三章无刷直流电机 门：u d - y d d r p k ( 3 1 0 ) 其中，刀为电机转速，k 为电机常数，为电机气隙合成磁通，p 为极对数，l 为电枢电流，为电枢电压，r 为电枢绕组电阻。 从式( 3 - 9 ) ( 3 一l o ) 可以看出，b l d c m 和普通直流电机的外特性基本相同， 即改变电枢电压进行调速，改变电枢电流调节转矩。b l d c m 具有很好的控制性 能也就体现在这里了。 1 2 - 基于d s p 的智能电动执行器控制系统的研究第四章驱动电路的设计 第四章驱动电路的设计 驱动电路的功能是将来自电源的功率变换成正确的形式供给电机，从而实现 电能到机械能的转换。本章讨论驱动电路的设计方案，包括驱动电路的拓扑结构、 电路保护问题及电流检测问题。 4 1 驱动电路的拓扑结构 驱动电路采用经典的整流、滤波、逆变结构，图4 1 是其拓扑图。 c 电流检测 d 7 电 压 检 测 je t 1 u 址 t 4 卒氍李 g o ： v r 可 - j 2 卜 t 6l d 6 o c o 广 口 。 互 图4 - 1 驱动电路拓扑图 f i g 4 - 1t o p o l o g yd i a g r a mo fd r i v ec i r c u i t 图中左边是整流模块，采用交流三相3 8 0 v 全桥整流方式。c 是滤波电容，需 要较大的耐压值和较大的电容量。电感l 用于消除电流尖峰，d 7 用于l 的续流。 右边虚线框内是智能功率模块i p m ，它内含大功率开关器件t 1 t 6 和与之相并 联的续流二极管d i d 6 ，并且按全桥逆变器的方式连接。主回路的电压、电流 检测的位置也在图中标出了。 当然，图4 - 1 仅仅是驱动电路的基本结构，其他诸如保护缓冲电路、光电隔 离电路等也是不可缺少的。 下面先介绍一下部分关键元器件的选取。 - 1 3 基于d s p 的智能电动执行器控制系统的研究第四章驱动电路的设计 4 2 驱动电路主要元器件的选取 4 2 1 整流桥 选择整流桥的依据是其额定电流j 帕和额定电压必须满足电机负载的工作 要求。已知电机额定负载时的电流为厶= 4 5 a ，据此确定 l d = ( 2 3 ) 旯肛，o = ( 2 3 ) 0 7 3 6 x 1 2 x2 x4 5 8 1 2 ( a )( 4 - 1 ) 式中系数( 2 3 ) 为安全裕量，系数a 为三相桥整流桥系数，系数为电机的过载 倍数。考虑滤波电容的充电电流影响，要有更大的电流裕量，选用，。d = 3 0 a 。 电压额定值的确定比较简单，只要满足 u o = ( 2 3 ) u = ( 2 3 ) 3 8 0 = 5 3 6 7 9 8 ( 、，)( 4 - 2 ) 选用u 。d = 1 2 0 0 v 。最终选用3 0 a j l 2 0 0 v 的三相整流桥模块p t 3 6 1 0 。 4 2 2 智能功率模块i p m 用于逆变的大功率器件可采用全控器件或半控器件。半控器件的典型产品为 晶闸管s c r ，可以控制它的导通，但不能控制其关断，只能在流过器件的电流过 零时自然关断。除了在一些大功率场合外，半控器件已基本上被全控器件代替。 全控器件不仅能够控制其导通，还能够控制其关断，典型的产品有g t o 、g t r 、 m o s f e t 、i g b t 、s i t 、s i t h 、m c t 等。m o s f e t 的优点是高速开关特性、栅 极电压控制和无二次击穿，但普通的m o s f e t 在高压大电流工作时导通电阻较 大，器件发热厉害，输出功率下降，使得目前单只m o s f e t 很难输出比较大的 功率。而双极型大功率晶体管g t r 在大电流导通时导通电阻很小，但却要求较 大的驱动功率，其开关速率也远不及m o s f e t 。绝缘栅双极晶体管i g b t 则是集 m o s f e t 的电压控制与g t r 的大电流、低导通电阻的特点于一体的新型复合场 控制器，它还保持了高速、低开关损耗、对温度不敏感等优点。相同芯片面积制 作的i g b t ，其最大的输出电流可比m o s f e t 的输出电流增加两倍以上。本系统 逆变用的功率器件选用i g b t 。 为了减少器件数目、提高可靠性、缩短开发时间，本系统采用基于i g b t 的 智能功率模块i p m ( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ) 。智能功率模块是一种把功率开 关器件和驱动电路集成在一起，内藏有过电压、过电流、短路和过热等故障检测 - 1 4 - 基于d s p 的智能电动执行器控制系统的研究第四章驱动电路的设计 电路和自动保护电路的功率模块。检测信号可以送c p u ，即使发生负载事故或使 用不当的情况，也可保证i p m 自身不受损坏。i p w 正以其可靠性高、用户使用方 便的特点赢得越来越大的市场，尤其适合制作驱动电机的变频器，是一种理性的 电力电子器件。i p w 的优点如下： 使用方便：i p m 内藏相关的外围电路，缩短了产品开发的时问；不需要对功 率开关器件采取防静电措施；大大减少了元件数目，体积缩小 强大的自我保护功能：功放部分使用内有电流检测的i g b t 模块，可以检测电 流异常，以进行保护，不需另加检测器，大大降低成本i p m 中的每一个i g b t 单元都设有各自独立的驱动电路和多种保护，能够实现过流、短路、过压、 控制电源欠压和过热等保护功能只要保护电路动作，即使有控制信号输入， i p m 的输入信号也被禁止同时输出报警信号 i p m 的损耗小：因为它采用了专门i c 对门极进行控制、保护，不需要考虑短 路和开关浪涌电压带来的裕量问题，实现了真正的高性能化。 根据电机的特性，本系统选用了三菱公司的智能功率模块p m 2 5 r s b l 2 0 ，其额 定电压为1 2 0 0 v ，额定电流为2 5 a 。p m 2 5 r s b l 2 0 内有六个并联有方向续流二极管 的i g b t ，可直接构成三相全桥逆变器；另外还有一个单独的i g b t ，可供电机制 动用。p m 2 5 r s b l 2 0 的使用方法如图4 - 2 所示。 为了防止强电与弱电的互相干扰，i p m 门极信号和控制电路之间需要接光耦 ( 图中的4 5 0 4 和p c 8 1 7 ) 以进行电气隔离。模块上下桥臂门极信号的电源和地也 要彼此独立，其中上桥臂的三个i g b t 需要三个独立的直流电源( 图中的+ v i i 、+ v v 、 + v - ) ，下桥臂的三个i g b t 可以共用一个直流电源( + v 。) 。p m 2 5 r s b l 2 0 的p 端和 n 端连到直流母线，u 、v 、w 为逆变输出端，直接接电机的三相绕组。 当门极控制端的控制信号为低电平，则相应的i g b t 导通。内藏的电流传感 器，检测各个桥臂的电流，当过电流时间大于t 耐的时候，i p m 输出报警信号关 断i g b t 。短路保护的原理与过电流保护相似，只是电流超过某一极限值时，立即 关断i g b t 。i p m 监测基板的温度，当过热时i p m 就会输出报警信号，并封锁输入 信号，对i g b t 进行软关断控制。温度下降到基板允许温度后，i p m 会停止输出报 警信号、重新接受输入控制信号。i p w 还监测直流控制电源电压，欠电压超过时 间，i p m 也会封锁输入、软关断i g b t , 当电源电压达到允许值时，i p m 重新接受 输入信号。各种故障发生时，i p m 就向外部c p u 发出报警输出信号f o ，并使内部 的1 5 kq 电阻接通，保护i p m 。上桥臂一共有3 个f 0 信号，下桥臂有一个f 0 ， 正常情况下为高阻态，当有保护信号的时候，f 0 变为低电平。按照图中的接法， p c 8 1 7 保护信号f o n 、f o 、f o v p 、f o u p 的正常输出为高电平，异常时为低电平，四 个信号可经过四输入与门送给c p u 。 我们在实验中注意到，i p w 虽然具有良好的保护性能，但若在使用中处 基于d s p 的智能电动执行器控制系统的研究第四章驱动电路的设计 理不当，亦会发生误导通，甚至损坏功率元件。 u n w p v p f o w u p 图4 - 2p m 2 5 r s b l 2 0 接线图 f i g 4 - 2c o n n e c t i o nd i a g r a mo fp m 2 5 r s b 12 0 4 2 3 电压传感器 电压传感器采用l v 2 5 p 型霍尔电压传感器，它采用磁检测器检测磁芯中次级 1 6 鉴十d s p 的智能电动执行8 控制系统的研究第四章驱动电路的设计 电流所产生的磁场 偿初级电流所产生的磁场的程度，使之在零磁通状态下工 作。这样，测量电压时强电与弱电是隔离的避免了用分压器测电阻方法带来的 电气干扰。它具有高度电绝缘 ( 2 5 0 0 v ) 、高过载容量、体积小、 v + 全密封、高可靠性等优点。它的误 差06 ，非线性度 02 ，响应时 间 4 0us 。它的连线图如图4 - 3 所 示。 v + 和v 一端分别接待测电源的正 负极：r 是初级电阻，r w 是测量电阻 放使用：m 端为测量输出端。 4 2 4 电流传感器 v 囊墨 图4 - 3 电压传感嚣接线图 f i g4 - 3c i r c u i to f v o l t a g es e n s o 1 5 v 的直流电压主要供给传感器内的运 电流传感器采用h d c 0 2 0 g 系列霍尔电流传感 一 器，它是应用霍尔效应原理的新一代电流传感器，能 在电隔离条件下测量直流、交流、脉冲及各种不规则 ， 波形的电流a 它的误差- - + 2 ，非线性度 1 ，响应时 十5 # 一o ：t p u t 间7us ，测量范围0 3 0 a 囝4 4 电流传感器 该传感器的使用非常简单，将待测电流从模块穿 f i g 4 - 4c u h e n ts e 。；。， 芯孔中穿入( 如图4 4 所示) ，即可从输出端测得电 流大小。当电流i 为0 a 时，输出为25 v ：当电流i 为2 0 a ，方向与图4 - 4 所示方 向一致时，输出为35 v ：当电流i 为2 0 a ，方向相反时，输出为15 v 。 4 3 驱动电路的保护问题 前面已经提到，m 对于过压、过流等异常情况都能采取一定的保护措施。 但是，这种保护功能并不是没有限制的，当电压、电流等参数超过定限度时仍 然会对i p m 产生损害。为此，一些附加的保护措施是必要的。本节将结合本系统 的具体情况讨论在电力电子领域中常用的功率器件的保护方法。 4 , 3 1 过压保护 功率半导体器件在正常工作时，所承受的最大峰值电压u 。与电滞电压、电路接 基于d s p 的智能电动执行器控制系统的研究第四章驱动电路的设计 线形式有关，它是选择功率器件额定电压的依据。在工作中，由于各种原因可能 出现管子所承受的电压超过u ，的短时过电压的情况，有可能导致功率开关的误 导通或造成永久性损坏。为使功率器件能可靠地工作，必须在线路中采取措施以 防止可能出现的过电压。 引起过电压的原因可能有以下几种： 操作过电压变流装置拉、合闸，快速直流开关的切断等经常性操作中的电 磁变化过程引起的过电压 浪涌过电压由雷击等偶然原因引起的从电网进入变流装置的过电压，其幅 度可能比操作过电压高。 关断过电压功率器件关断时，在反向阳极电压作用下电流下降至零后，由 于载流子的进一步释放，将短时形成较大的反向电流在存贮载流子释放完 时，此反向电流迅速衰减至零，此时很大的d i d t 将在线路感性负载上引起很 大的反电势，作用在功率器件上可能使管子击穿 在本系统中所遇到的过电压主要是i p m 的i g b t 在关断过程中的过电压。对 b l d c m 进行起动和调速时采用了p w m 控制策略，势必造成i g b t 频繁的开关 动作，从而会使i g b t 两端承受持续的过电压冲击，这对i g b t 是不利的，必须 采取有效的保护措施。 阻容保护电路( 如图4 5 所示) 是变流装置 中使用得最多的过压保护措施，它利用电容两端 电压不能突变的特性，可以有效地抑制电路中的 过电压。其基本原理是，并联于功率开关管t 两 端的电容c 大大延缓了关断时电压增长的速度。 图中的串联电阻r 是为了限制t 再次开通时电容 器经开关管的放电电流，但它同时也削弱了关断 图4 - 5 过电压保护 f i g 4 - 5o v e r - v o l t a g ep r o t e c t i o n 过程中电容c 的缓冲作用。为此，可在电阻两端并联一个二极管d 。在关断过程 中二极管d 导通，将电阻r 旁路，可以充分利用电容c 的缓冲作用；在开通过 程中，二极管反偏，不起作用，电阻r 则可起限制电容c 放电电流的作用。 4 3 2 过流保护 变流装置内部某一器件被击穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、外部 出现负载过载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败、交流电源电压 过高或缺相等原因，均可引起变流装置功率元件的电流超过正常工作电流，即出 1 8 - 基于d s p 的智能电动执行器控制系统的研究 第四章驱动电路的设计 现过电流。由于功率半导体器件的电流过载能力比一般电气设备差得多，因此必 须对变流装置进行适当的过电流保护。常用的过电流保护措施有如下几种： 交流进线电抗器或采用漏抗大的整流变压器，利用电抗限制短路电流这种 方法行之有效，但正常工作时有较大交流压降 电流检测装置，过流时发出信号过流信号一方面可以控制功率器件的触发 电路，使器件迅速关断过流信号另一方面也可控制过流继电器，切断电源 快速熔断器，快熔是防止功率器件过流损坏的最后一道防线，是交流装置中 应用最普遍的过流保护措施，可用于交流侧、直流侧和逆变器桥臂 本系统采用了在主回路加小电感的方法( 如图4 1 ) 抑制短时间的尖峰电流， 取得了明显得效果。另外，在i p m 电源输入侧串联了熔丝，能够在出现异常的上 下桥臂直通时起到及时切断电源保护i p m 的作用。 4 4 电流测量的问题 由第三章对b l d c m 特性的分析可知，b l d c m 的输出转矩和相电流的幅值 成正比，这种特性使得我们能够通过控制b l d c m 的相电流方便地调节输出转矩。 为此必