（微电子学与固体电子学专业论文）智能功率驱动系统集成.pdf

摘要 本文主要研究了应用于交流变频调速领域中的智能功率驱动系统，进一步介 绍了整个系统的设计原理和研制过程。在设计过程中，采用了便于集成化的设计 方法，并考虑了控制电路单片集成和各部分之间二次集成的可行性。 系统控制采用了硬件实现的方式，充分发挥了硬件电路响应速度快、可调频 率范围宽的特点。采用a p w m 调制技术，克服了常规三角波调制固有的缺点，提 高了系统输出性能，对于脉宽调制技术来说，这也是种新的探索。 文中所设计的系统由控制电路、驱动电路、故障保护电路和功率主回路组成。 控制电路可以产生三相六路脉宽调制波，用以控制半导体开关器件的导通和关断。 驱动电路相当于逻辑控制电路和功率执行电路之间的接口。故障保护电路对系统 的电压、电流、温度等参数进行检测，并由故障处理电路来完成对系统的保护。 功率主回路能够把工频输入转化成直流电压，通过控制信号把直流电压变成相应 的交流输出。 最后用p s p i c e 软件对所设计的电路进行了仿真，并用分立元件做成线路板对 控制部分电路功能进行了验证，仿真和实验结果显示本文所设计的智能功率驱动 系统性能良好，具有较好的应用前景和市场前景。 关键词：脉宽调制变频调速a p w m 功率驱动故障保护 a b s t r a c t t h ep r e s e n tp a p e rp r o b e si n t ot h ei n t e l l e c t u a lp o w e rd r i v es y s t e ma p p l i e dt ot h e f i e l do ff r e q u e n c yc o n v e r s i o n a n dh e r ew e r e p r e s e n t e d i t s d e s i g np r i n c i p l e s a n d d e v e l o p m e n tp r o c e s s ，i nw h i c ht h ed e s i g nm e t h o de a s yt or e a l i z e i n t e g r a t i o nw a s a d o p t e d a n dt h ef e a s i b i l i t yo fs e c o n di n t e g r a t i o nw a st o o ki n t oc o n s i d e r a t i o n t h ew h o l es y s t e mw a sm a i n l ym a d eu po fc o n t r o l c i r c u i t ，d r i v ec i r c u i t ，e r r o r p r o t e c t i o nc i r c u i t ，a n dp o w e rc i r c u i t c o n t r o lc i r c u i tw a sc o m p o s e do fi n p u ts i g n a l s e t u p ，v o l t a g e c o n t r o l l e d o s c i l l a t o r y c i r c u i t ，t h r e e - p h a s e d s i n - w a v e g e n e r a t o r , a n d a p w mm o d u l a t o r t o g e n e r a t et h r e e - p h a s e ds i g n a l w h o s ep u l s ew i d t hh a sb e e n m o d u l a t e dw a st h ec h i e ff u n c t i o no ft h ec o n t r o lc i r c u i t t h e a m p l i f i e da n dd e l a y e d s i g n a lf r o mc o n t r o lc i r c u i tw o u l db ec a r r i e do u tb yt h ed r i v ec i r c u i t c h e c kc i r c u i t si n t l l ed r i v ec i r c u i tc a nc h e c kt h ec u r r e n ta n dv o l t a g eo ft h ep o w e rc i r c u i t t h ee r r o r p r o t e c t i o nc i r c u i tc o n s i s t so fe r r o rs a m p l i n gc i r c u i ta n de r r o rd i s t r i b u t i o nc i r c u i t ，c a r l c h e c ks e v e r a lp a r a m e t e r so ft h ew h o l e s y s t e ms u c h a sv o l t a g e ，c u r r e n t ，t e m p e r a t u r e ，a n d s oo n t h ep o w e rc i r c u i t ，m a i n l ym a d eu po fc o m m u t a t ec i r c u i t ，m i d d l ep a r to fd c c i r c u i t ，a n di n v e r t e rc i r c u i t ，w o u l df u l f i l lt h ef u n c t i o no fc o m m u t a t i n g ，f i l t e r i n g ，a n d i n v e r t i n g t h es y s t e mw o u l db ec o n t r o l l e db yh a r d w a r e ，u n d e rt h i sm o d e ，w h i c hw o u l dr u n f a s t e rt h a nt h a tc a r r i e do u tb ys o f t w a r e a n dt h ew h o l es y s t e mc a nw o r ka taw i d e f r e q u e n c yr a n g e a tt h e s a m et i m e ，t h ea p w mt e c h n o l o g yw a s a d o p t e d i nt h e r e s e a r c h i n gp r o c e s s t h u s ，t h e i n h e r e n tl i m i t a t i o no fp u l s e - w i d t h - m o d u l a t i o n b y t r i a n g l e w a v ec o u l d b e o v e r c o m e d ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo f t h ew h o l es y s t e mi m p r o v e d i tw o u l ds h e dan e w l i g h tt ot h et e c h n o l o g yo f p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n l a s tb u tn o tt h el e a s tas i m u l a t i o nb yt h ee d as o f t w a r ep s p i c ew a sm a d e t h e f u n c t i o nt e s to nt h ec o n t r o lc i r c u i th a sb e e nd o n eb ym a k i n gi ti n t op c b t h er e s u l t s s h o wt h a tt h es y s t e md e s i g n e di nt h i sd i s s e r t a t i o nc a nr u nw i t hap r o p e rp e r f o r m a n c e ， t h a ti st os a y , i tc a nb ea p p l i e dt oa n dw o u l dh a v ea g o o dp r o s p e c t i nt h em a r k e t k e y w o r d s ：p u l s e - w i d t h m o d u l a t i o ns p e e d - c o n t r o lb yf r e q u e n c yc o n v e r s i o n a m o d u l a t i o np o w e rd r i v ee r r o rp r o t e c t i o n 笪二空丝迨 i 第一章绪论 1 1功率电子技术的发展现状 现代功率电子技术是利用现代功率半导体器件对电能进行变换、控制、开关 的技术。他是一门融微电子技术、自动控制理论、计算机应用等于一体的新兴的 边缘学科。 功率电子技术始于7 0 年代，从改造传统产业起家，以节能和节约原材料为动 力，在开关技术基础上，经过2 0 多年的飞速发展，现已以大容量、高电压、高频 率、高性能、小尺寸的面貌出现在各个工业生产领域和生活、办公设备之中。它 广泛的应用于电力、冶金、矿山、化工、通讯、交通运输、机械、轻工、国防、 办公设备和家用电器等领域，发挥了巨大的作用。 传统产业改造：节能、节材料；新技术、信息化 0 高效率、小型化、轻重量；大容量、高精度、多功能； | 低噪音、低干扰：高可靠性、高可用性、高维修性；易操作、低成本 山 器件一猷断化、高频化、智能化h 装置 高压大电流 它励到自励 高频快速 低频到高频 低功耗易驱动 模拟到数字 复合化、智能化模块 直流到交流 1 g t o 大容量、快速化 1 自换相技术成熟 2 g t r 成熟、模块化 2p w m 技术发展 3 m o s f e t 飞速发展 3 交流调速覆盖工业领域 4 双极复合器件大发展 4 功率电子装置大容量化 5 功率i c 进入市场 5 高频电源出现 6i g b t 、m c t 试制成功 6 高频谐振电源 7 智能功率模块取得突破 图1 1 功率电子技术的发展动向 国际上，8 0 年代功率电子技术得到了飞跃的发展，其应用已经扩展到从航空 航天到家用电器的一切经济和生活领域，成为国民经济的重要的高科技产业和改 造传统产业的新兴技术。 社会的进步和技术发展不断向功率电子技术提出新的要求。6 0 年代功率电子 技术以晶闸管为主要器件，其特点是省工和长寿命。7 0 年代功率电子技术进入逆 变器时代，并将节能放在了首位。 8 0 年代功率电子技术发展到了自关断器件时代，其技术要求是小型、快速和 高精度。8 0 年代是国际功率电子技术的发展时代，概括起来是自关断化、高频化， 智能功率驱动系统集成 同时开始步入智能化。9 0 年代是高频功率电子技术时代，目前已朝智能功率电子 技术时代发展。发展动向如图1 1 所示。 随着微电子技术的发展，各种大功率半导体器件不断出现，从而使电子技术 进入强电领域。经过几十年的发展，大功率半导体器件的容量提高了近一万倍， 工作频率大大提高，这使得电子技术可以在强电领域发挥更大的作用。微电子技 术、自动控制理论和功率半导体器件的应用结合后，便逐渐形成了功率电子技术 这一门新兴的边缘学科。 功率电子技术是从改造传统产业起家的，这是由于功率电子技术满足了省工、 高效、长寿命、高性能和产业自动化等要求。早期的功率半导体整流器淘汰了机 械整流器和水银整流器。又使直流传动向交流传动发展；斩波器又使电力牵引进 入了新时代，而最近的磁悬浮列车也是在g t o 诞生之后才变为现实的；交流调速 的发展已经引起了传动技术的变革；功率电子技术又使直流输电进入了一个新时 代，成为扬水电站等储能调功的技术基础。 节能和节约原材料是推动功率电子技术进步的另一动力。国际能源危机、资 源匮乏和不平衡要求节能设备具有高效率、低功耗、高性能。采用功率电子器件， 电气设备频率提高到4 0 0 h z ，体积可缩小1 0 2 0 倍，节约材料4 0 8 0 以上， 功率电子装置一般节电1 0 4 0 ，风机、水泵采用交流调速每年节电可达4 0 0 亿度以上，相当于4 0 台2 0 千万瓦机组的发电量，发达国家7 5 以上的电能要经 过这种变换和控制后使用。我国目前只有3 0 左右，因此急需发展功率电子技术。 功率电子技术是“八五”、“九五”期间国家重点发展技术。目前，智能功率模块 已被列为国家级科技攻关项目。 各种高新技术不断促进功率电子技术的发展。反过来，功率电子技术的发展 又促进其它高新技术的发展。功率电子技术是信息产业和传动产业之间的桥梁， 信息设备发出控制指令，功率电子设备按指令控制加工设备。机电一体化技术的 发展，促进了功率电子侍服技术和功率电子传动技术。 8 0 年代后期，功率电子技术不只停留在开关技术上，为适应小型化、低成本 和市场竞争的需要，功率电子技术向着智能化方向发展了。当前主要表现为功率 电子装置采用了两种智能化器件。 ( 1 ) 一种是单片智能化器件，它将功率半导体器件和保护、诊断、控制等集 成在一个硅片内，即是功率i c 片，也称智能功率芯片s p i c ( s m a r t p o w e r i n t e g r a t e d c i r c u i t ) 。 、 ( 2 ) 另一种是智能功率模块i p m ( i n t e l l e c t u a lp o w e r m o d u l e ) ，它是把功率半导 体器件、各种保护电路、控制电路、诊断电路、封装成模块。智能功率模块的发 展，使得功率电子装置朝轻( 重量轻) 、小( 体积小) 、高( 高效率、高可靠性、 高性能) 、精( 高精度、多功能、智能化) 方向发展。 笪二雯堑堡3 1 2智能功率集成电路的发展 功率集成电路简称p i c ( p o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i t 】，它是至少包含一个半导体功 率器件和一个独立功能电路的单片集成电路。近年来已经发展成为除单极型、双 极型和复合型器件之外的第四大类功率电子器件。功率集成电路是微电子技术和 功率电子技术相结合的产物，是控制机构和执行机构的接口部分。目前己能作到 在一个芯片上集成多种功率器件及控制电路。 功率集成电路分两类： ( 1 ) 高压集成电路。简称h v i c ( h i g hv o l t a g ei n t e g r a t e dc i r c u i t ) ，是高 耐压功率电子器件与控制电路的单片集成。 ( 2 )智能功率集成电路，简称s p i c ，是功率电子器件与控制电路、保 护电路以及传感器电路等的多功能集成。 智能功率集成电路的智能化主要表现爱三个方面： ( 1 )功率控制功能，包括功率器件和驱动电路。 ( 2 )接口功能，能接受并传递控制信号。 ( 3 )保护和诊断功能，当出现过流、过电压、欠压或过热等非正常运 行状态时，能测取相关信号并进行相应调整，是功率器件能够工 作在安全工作区范围内。 众所周知，电机在工农业生产、国防装备、科学研究、第三产业及日常生活 中都大量使用。随着现代技术的进步，特别是电力电子技术、微机应用和自动控 制理论的进展，电机在其实际应用中。已由过去简单的起、停控制和提供动力为 目的的应用，上升到对其速度、位置、转矩等精确的控制，是被驱动的机械运动 符合理想的要求。特别是在工业自动化、办公室自动化和家庭住宅自动化方面都 使用大量的控制电机，几乎都采用电力电子器件进行微机控制。在这种情况下， 原先的“电气传动”己发展到“运动控制”的新阶段。 用来控制电机运动的电子控制驱动系统，包括前级微功率控制电路部分和末 级的功率驱动部分。前级控制电路容易实现集成化。他们通常是模拟一数字混合 集成电路。对于小功率系统，末级驱动电路已集成化，称之为功率集成电路。如 果将高电压、大电流、大功率的多个半导体开关器件做在同一个芯片上，甚至同 时还包括检测、控制、保护等功能电路，就称之为智能功率集成电路。有些更大 的功率集成电路把整个控制器和驱动器都集成在一起，用一片集成电路就能控制 一台甚至多台电机。由分立单元电路向专用集成电路发展，不但给电机控制带来 极大方便、体积减小、成本降低、性能改善、调整简便，而且可大大提高系统的 可靠性和抗干扰能力，从而深受整机制造商的欢迎。因此，作为专用集成电路 智能功率驱动系统集成 ( a s i c ) 的一个重要方面，功率集成电路已经引起各国知名半导体厂家的重视， 竞相研制开发自己的功率驱动专用集成电路。一方面供本公司内部电子整机配套 使用，另一方面供应国际市场，例如，美国的m o t o r o l a 、n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 、 t e x a si n s t r u m e n t 、g e ，德国的s i e m e n s ，荷兰的p h i l i p s ，日本的三菱、松下、东芝、 三洋等著名公司。 电器运动控制体现了电力电子技术、微电子技术、传感器技术、自动控制技 术和计算机应用技术的最新发展成就。由于计算机技术和传感器技术的应用，使 系统具有的智能化的特点，故又称智能运动控制( i n t e l l i g e n tm o t i o nc o n t r 0 1 ) 。作为 一门多学科交叉的技术，每种技术出现的新进展都是它向前迈进一步，其技术进 步也是日新月异的。 为了适应电子机械高性能、小型化、低成本和高可靠性的要求，从8 0 年代初 开始，各国半导体厂商不断开发各种功率集成电路，并己在许多领域得到越来越 广泛的应用。功率集成电路使电力电子技术和微电子技术的结合，它将半导体功 率器件与驱动、逻辑、控制、检测、自诊断、保护电路集成在同一个芯片上或同 一个混合模块内，使功率驱动具有了智能，所以又叫智能功率集成电路( s m a r t p o w e ri c 或i n t e l l i g e n tp o w e ri c ) 。甚至有专家预言，功率集成电路的出现，表明 科技发展步入第二次电子革命的边缘。 1 3本文研究的内容和意义 本文着眼于实用技术，并兼顾发展趋势，以智能功率驱动系统在交流变频调 速领域中的实际应用为核心，说明整个系统的设计原理和研制过程。在对整个系 统的设计中，采用了便于集成化的设计方法，考虑了各部分之间二次集成的可能 性。 在脉宽调制波产生的方式上选择了硬件实现的方式，为充分发挥硬件电路实 现脉宽调制速度快的优点，又在调制方式上采用了a p w m 调制技术。对脉宽调制 技术来说，这是一种新的探索，进一步提高了系统输出频率，并避免了常规三角 波调制中固有的缺陷。 智能功率驱动系统由系统控制电路、驱动电路、故障保护和功率主回路等几 部分组成。其中系统控制电路最主要的作用是产生三相六路经过脉宽调制的控制 信号，然后通过这六路控制信号对驱动电路进行控制，再由驱动电路完成对功率 开关器件的控制。控制电路主要由输入信号设置、压控振荡器、三相正弦波发生 器和a p w m 调制器构成。驱动电路负责对控制部分送来的控制信号进行放大、延 时等处理，并设置了部分电流检测电路。故障保护电路由采样电路和处理电路组 成，可以对整个系统的电流、电压、温度等各种参数进行检测，并判断其是否超 釜二童堑鲨5 出额定允许范围，若超出安全范围，就关断功率主回路中的半导体功率器件，以 保护系统在发生故障的情况下不至于损坏。功率主回路由整流、直流中间环节和 逆变器组成，主要是完成对输入电压的整流、滤波和逆变。 1 4本文中所涉及的基本原理 1 4 i正弦波调制p w m 原理 早期的变频调速采用晶闸管作为主要开关器件，用矩形波模拟正弦波，其性 能指标不高：幅值和频率分开调节：装置笨重庞大，妨碍了他的推广。 1 9 6 4 年，原联邦德国学者率先提出正弦波脉宽调制技术( s p w m ) ，用于交流 电动机调速，大大提高了性能指标，使谐波含量大为减少，效率提高，运转平稳， 噪声降低，受到了广泛的重视。 正弦波调制p w m 习惯上简写成s p w m 。它的基本思想是：保持输出脉冲幅 值不变，用调解脉冲宽度和间隔的方式来实现其平均值接近正弦。将此脉冲电压 加到电机上，所得到的电流波形接近于正弦波。 现在本文仅以单项为例简要介绍s p w m 的原理( 如图1 4 1 所示) ，用一个频 率和幅值都是固定的三角波与一个频率和幅值都会变化的正弦波相比较，当三角 波与正弦波相交时，输出脉冲就翻转一次，这样由于正弦波的变化，输出脉冲就 会像图1 4 l 中输出的脉冲波形一样带上了正弦波的频率和幅值信息。这样通过改 变正弦波的频率和幅值，就可以控制输出电压的频率和幅值( 指的是它的基波) 。 图1 4 1s p w m 原理图 s p w m 技术在7 0 年代和8 0 年代获得了迅速发展，很多人为此付出了不少心 血，提出了各种各样的实现模式，至今仍方兴未艾。单相s p w m 控制主要用于单 智能功率驱动系统集成 相交流逆交器和u p s 中，三相s p w m 控制主要应用于以下几个领域： ( 1 )交流电机变频调速系统。三相交流电动机的调压、调频、调速系 统，供给三相异步电动机的三相电流要基本上保持正弦，以减少 电机的发热，其主要逆交开关电路( 三楣全桥) 要用三项正弦波 调制的p w m 脉冲来驱动。 ( 2 )三相有源功率因数校正( p f c ) 。为了提高功率变换器的功率因数， 用三相有源p f c 电路来代替传统的三相可控全波整流电路。三相 有源p f c 电路有时也要用三相正弦波p w m 脉冲来控制。 ( 3 )三相有源逆变系统。为了减少谐波对电网的污染，并提高功率因 数，可以用三相正弦波调制的p w m 脉冲来控制三相有源逆变器 主开关电路的工作，使得回送到电网上的电流近似正弦。主要用 于交流电动机能量回馈系统、电力调节装置等。 ( 4 )三相u p s 。用三相正弦波调制的p w m 脉冲来控制三相逆变器主 开关电路，可以蓄电池中的直流电变成三相正弦波电压，供给负 载，以减4 , i 1 波电压对负载的影响。 最新的每一部电动机变频调速装置几乎都采用了s p w m 技术，与之配合的逆 变桥采用了全控型的高速开关器件，如 g t r 、功率m o s f e t 、g t o 晶闸管、i g b t ， 调频与调压均在逆变桥完成，大大简化了电路。 从硬件方面说，产生s p w m 控制信号有三种方法： ( 1 ) 采用微处理机 ( 2 ) 采用专用大规模集成电路 ( 3 ) 采用微处理机和专用大规模集成电路相结合 采用微处理机的好处是灵活，功能强，易于保密；不足之处是开发周期较长， 通用性较差。采用专用大规模集成电路的优点是使用简单，省去了很多编写软件 的麻烦，开发周期短；缺点是使用时较为“死板”，难以完成更多的功能。 1 4 2恒压频比控制方式 异步电动机变频调速时要求主磁通不变 异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为： n l = 6 0 f i n 。 其中： 1 3 l 同步转速( r m i n ) f l 定子频率，也就是输入电源的频率( h z ) n + 一磁极对数 墨二童鳖鲨! 异步电动机的轴转速为： n = n l ( 1 一s ) = 6 0 f i ( 1 一s ) n d 其中： s 异步电动机的转差率 s = ( r l i n ) n l 由上面的公式可以看出，如果保持转差率s 不变，改变电源的供电频率“可 以改变电机同步转速n l ，从而改变电动机的转速。这就是所谓的变频调速技术。 任何电动机的电磁转矩部是磁通和电流相互作用的结果。若主磁通。减小 了，铁心利用不够充分，在同样的转子电流下，电动机产生的电磁转矩会变小， 使得电动机的负载能力降低，如果负载转矩依然不变，势必引起定、转子过流， 也会产生过热；主磁通中。若是增大了，会使电动机的磁路饱和，导致励磁电流急 剧增加，功率因数降低，严重时甚至会使绕组过热并烧坏电机。因此，我们希望 在对异步电动机变频调速时，保持电动机的主磁通中。为一个不变的额定值。电动 机的主磁通o 。是由励磁电流产生的，二者之问的关系是由绕组的磁化特性决定 的。 那么如何才能保持主磁通。不变昵? 由电机理论可以得知，三相异步电动机 定子每相的有效电动势为： e i = 4 4 4 f l k i n l 中， 其中； e l 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值( v ) f 1 定子输入频率( h z ) n l 定子每相绕组匝数 k n l 基波绕组系数 由。每极磁通量( w b ) 出上式可见主磁通中。是由e 。和f i 共同决定的，如果要保持主磁通中。不变， 只需要让e t 和f i 的比值保持不变即可。但由于感应电动势e l 难以直接控制，通常 在实际应用中忽略定予漏阻抗的电压降，近似认为定子相电压u 1 ( u 1 = i z ，z 认为 是定子绕组的阻抗，包括绕组线圈的体电阻和漏磁电抗) 就等于感应电动势e i ： u “e i = 4 4 4 f , 川k l 中。 因此，在实际变频调速应用中保持u 。和f i 的比值不变，就可以近似的维持主 磁通中。不变，从而实现恒磁通调速。在低频时，会带来较大误差，需要进行定子 漏阻抗压降补偿。 智能功率驱动系统集成 基于上述原因，在变频调速的基本方式下，改变输入电源频率的同时必须改 变输入电源的幅值，所以又称为v v v f ( v a r i a b l e v o l t a g e v a r i a b l ef r e q u e n c y ) 控制。 本文所设计的变频调系统就是采用上述控制方式( 如图1 4 2 所示) 。 在额定功率以下调速时，随着输入频率的提高，输出电压也提高，两者之间 的比值接近为一个定值。此时电动机工作状态是恒转矩输出。为消除低频时定子 漏阻抗的影响，为系统设置了一个 初始电压，相当于为电动机设定了 一个初始转速，这样也比较符合实 际中电动机应用的情况。 在额定功率以上调速时，由于 输入电压因电源电压不变而不能 再增加，所以在输入电压频率提高 的时候，输出电压并不能继续上 升，此时输出电压为一个恒定值， 系统工作状态是恒功率输出。 强l4 2v ，f 示意图 第一二章系统设计 第二章系统设计 2 1整体电路 智能功率驱动系统由功率部分和控制部分组成，本文设计的系统则是由控制 电路、驱动电路、故障保护电路和功率部分组成。如图2 1 1 所示，功率主回路又 可分为整流电路、直流中间环节和逆变器三部分。 交 流 输 入 整流部分i直流中间环节 l 逆变器 f j 7 电流采琶l l 一 口广 l 一 【 谢 j 童j 童 ： 占 ： ii 故障检测i 泄放管 tt 十十十十 故 驱动电路 瞳 保 lff 。、 ff 。、 f护 电 路 控制电路 相 交 流 输 出 图2 1 l 整体电路衙图 整流电路的作用是把输入的两相( 或三相) 交流电转换成直流。图2 1 l 中整 流电路是采用全波不可控整流方式，这种整流方式具有功率因数高、对电网干扰 小的特点。 直流中间环节主要由滤波电容、采样电路和吸收回路组成。滤波电容减小直 流电压的波动，使直流更加平滑，并能较好的抑制浪涌电压，吸收尖峰电压的能 量，有时也叫储能电容。采样电路对功率部分电路的电压、电流进行采样，将采 样信号送到故障保护电路中处理，故障保护电路判断系统是否发生欠压、过压、 智能功率驱动系统集成 过流、过热等故障，同时把故障信息传给控制电路和驱动电路，以便控制电路和 驱动电路能够在系统发生故障时做出保护命令和动作。吸收回路由一只吸收电阻 和一只开关管组成。当系统停车或反转时，由于惯性的作用，电动机不能立即停 下来，电动机有时会变成发电机，此时所产生的能量和储能电容中的能量都需要 释放出来，这时泄放管打开，电流从吸收电阻中消耗掉。 逆变器由六只半导体功率开关器件构成，其拓扑结构为三相全桥。显然，控 制三相全桥中六只功率器件的开启和关断，就可以对输出进行控制。系统输入电 源是两相( 或三相) 交流电，经整流滤波后转变成直流电压，再经过逆变器逆变， 变成按正弦规律变化的方波。因为电动机负载是感性元件，逆变器输出的方波电 压在负载上积分，其电流成为正弦波，改变逆变器中六只半导体功率开关器件的 控制脉冲，就可以改变输出正弦波，改变控制脉冲基波的电压和频率，显然可以 改变输出正弦波的幅值和频率，这样刚好满足我们对电动机变频调速的需要。 控制电路的作用是产生三相s p w m 脉冲，用来控制逆变器中六只功率器件的 开启和关断，从而使逆变器接负载后的输出电流为正弦波。控制电路还可以对故 障信号进行处理，在故障保护发生时切断控制输入信号，并终止s p w m 脉冲的输 出，使系统不再工作，一直到故障信号解除为止。 驱动电路的作用是把控制电路产生的三相六路s p w m 脉冲信号变成能够驱动 半导体功率开关器件的电压或电流信号。驱动半导体功率开关器件的信号需要有 一定的强度，电压值必须达到或超过半导体功率开关器件的开启电压，电流值也 压有足够的强度不能太小，这样才能驱动半导体功率开关器件。驱动电路的作用 就是把控制电路输出信号经过放大等处理，使之有足够的强度来驱动功率开关器 件。 系统工作时，不可避免的会产生过流、过电压、欠压、过热等故障，这主要 是由于输入电压波动或器件可靠性不高引起的。为保护系统不受损坏，必须要有 保护电路，作为智能化的系统还应当具有故障诊断和处理能力。图2 1 1 中的故障 保护电路就是为此而设计的。当系统发生过电压、过流、欠压或过热等故障时， 故障保护电路会关断功率器件的开关信号，并送出故障信号，控制电路受到故障 信号后就会切断输入控制信号，不再产生s p w m 脉冲，并且在其输出端也把s p w m 脉冲信号变成低压电平。当驱动电路接收到故障信号时也会立即切断输出驱动信 号，同时也产生故障报警信息，送给控制电路处理。 第二章系统设计 2 2控制电路 系统控制电路是整个系统中最重要的环节，也是整个系统的心脏部分，控制 电路设计的好坏，将直接影响系统性能。其最主要作用是产生三相六路s p w m 脉 冲信号，通常产生s p w m 的方式有两种：软件编程控制方式和硬件实现方式。本 文采用的是硬件直接实现方式，用硬件实现具有工作频率范围宽、响应速度快等 优点。但其缺点也很明显，就是调试很麻烦，灵活性也较差。如果把硬件电路集 成起来，其调试麻烦的缺点就不复存在了。 系统控制电路由输入软启动器、绝对值运算器、电压一频率转换器、三相正 弦阶梯波发生器、i f 弦波直流电平和幅值调节电路、a p w m 调制电路、换向控制、 延时互锁设置和故障保护等电路组成( 如图2 2 1 所示) 。 输 入 信 号 三 相 输 出 图2 2 1 控制电路结构简图 系统输入信号是一个0 1 2 v 的电压信号。这个信号在闭环控制中，应该是一 个采样得到的，再根据系统要求经过变换之后反馈回来的。本文所设计的系统是 开环控制，这个信号就是从外面输入的一个电压信号。输入信号一般是用户给定 的一个信号，通常是电压信号，当然在闭环控制的系统中，这个输入信号就是后 面采样回来的反馈信号。系统控制部分正是根据输入的这个控制信号来产生相应 的三相六路s p w m 脉冲信号，去控制功率部分半导体功率开关器件的导通或关断， 从而实现对整个系统的控制。 在系统控制信号的电压加到控制输入端时，总是希望经过一个相对较缓的变 换过程再到达我们要求的电压值，关断和变化时也都希望如此。因为如果电压信 号增长过快，反应到电动机的输入电压上就是输入频率增长很快，就是说电动机 的升速会很快，有时如果电动机的负载惯性较大，会发生电动机转速比同步转速 智能功率驱动系统集成 慢得多，使得转子线圈快速切割磁力线，转子感应电动势和电流会迅速提高，产 生再生电压，从而会导致系统电压和电流超过安全允许的范围。为避免这种现象 的发生，必须对电动机的起动、关断和变化的速度进行设定，本文为此设计了输 入部分的软启动装置和故障保护的输入端 故障保护电路是由一个多输入与非门电路和一只半导体模拟开关器件组成。 当多输入与非门电路的任意一个输入信号为低电平时，其输出都是高电平，此时 模拟开关k 闭合，输入控制信号经过一只小阻值电阻和地相接，由于该电阻的阻 值很小，相当于把输出短路，系统不再工作，也就是故障保护电路发挥作用了。 输入信号有可能是正电压也有可能是负电压，控制信号要把该电压变成频率 信号却只能对正电压或负电压进行变换。这样我们可以把输入信号经过软启动后 就送入绝对值运算器，把信号变换成同一种电平。本文中选用的压控振荡器式电 压平衡式电路，需要输入负电压信号。绝对值运算器的作用就是把输入的电压信 号转换成负电压信号，以便于电压一频率转换器( 即压控振荡器) 能够把它转换 成频率信号。 系统每次启动时，都要先给电容c 。充电，这就相当于每一个控制信号都是从 零开始增加，一直到电容充满才稳定下来。积分时间是由电阻和积分电容c 。决 定的，改变电阻和电容的参数，就可以改变软启动时间。详细介绍请见第三章3 1 节。 输入电压信号经过压控振荡器进行电压一频率变换，可以得到输出最小频率 0 0 8 h z 、最高频率1 2 3 k h z 、最窄脉冲宽度为1 4 5 u s 。输出为0 6 9 5 v 5 3 0 4 v 方波， 此输出可以满足下一级正弦阶梯波发生器中计数器时钟脉冲的要求。 对于脉宽调制来说，理想的基波信号是可变频的正弦波。产生可变频的正弦 波有很多种方法，在本文中采用的是一种扭环形计数器式可变频三相正弦阶梯波 发生器。从压控振荡器输出的信号是一个频率随输入电压变化的脉冲信号，三相 正弦波发生器的作用是将此脉冲信号变换成三相( 相位两两相差1 2 0 。) 正弦波， 其基本原理将在下一章详细介绍。 三相正弦波发生器虽然能产生两两相差1 2 0 。的三相正弦波，但是对于每一路 正弦波来说，其幅值和直流电平不一定符合a p w m 的要求，所以还需要对这三路 正弦波的直流电平和幅值进行调解。然后我们用这三相正弦阶梯波来代替正弦波， 送到a p w m 调制器中对其进行调制，再经过分相和延时互锁设置，产生三相六路 s p w m 脉冲。这就是我们用来控制逆变器中功率器件的开关信号，这个信号品质 的好坏将直接影响整个系统的性能。 有时候，我们驱动的电动机需要经常反转，这