（微电子学与固体电子学专业论文）功率系统集成中变频调速控制策略的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 大规模集成电路技术的飞速发展，以及数字电路、微处理器的标准化程度的提 高，为功率系统集成的发展打下了坚实的基础。电机调速在电力电子应用领域占有 十分重要的地位，促进了电机调速控制系统的集成模块的研究，特别是在中、小功 率应用领域。因此，功率系统集成中交流调速的控制方法的研究和实现，可为通用 变频器的系统集成提供一条切实可行的途径。 功率模块中控制电路的单芯片化实现可以极大地促成系统的集成并降低各种电 磁干扰。以t i 公司的2 0 0 0 系列d s p 为代表的新一代电机专用控制芯片，正是为交 流调速领域的全数字化、集成化方向发展提供更快、集成度更高的核心控制器。 控制策略上分析了常规的正弦脉宽调制( s p w ) 和电压空间矢量( s v p 删) ，阐 述了两种脉宽调制方法的一般理论，并推导出两种脉宽调制算法的计算步骤，比较 结果表明s v p w m 的直流利用率更高、易于数字控制。因此，把s v p w m 作为本课题交 流调速所采用的控制方案，并建立其数学模型。在m a t l a b s i m u l i n k 软件平台上， 用其模块库来仿真s v p 删的模型，利用矢量控制的算法和实验参数进行仿真实验， 根据实验结果优化参数和模型。 以s e e d - d e c 2 8 1 2 高速控制板为核心，根据交一直一交的拓扑结构，设计了异步电 机控制板和功率驱动板，包括核心控制芯片的选择以及应用，并在此硬件平台上进 行实验，实验数据表明硬件电路的设计是成功的。 根据所提出的控制方案，详细编写了系统中各子模块程序，描述了利用 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 实现s v p w m 算法的方法和整个操作流程。并用c 语言设计了相应的 控制软件，实验数据表明，此算法可以得到满意的控制脉冲输出。 关键词：电压空间矢量控制脉宽调制建模仿真交流调速d s p 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fv l s ia sw e l la st h ei m p r o v i n gs t a n d a r d i z a t i o no fd i g i t a l c i r c u i ta n dm i c r o - p r o c e s s o rl a i dd o w nt h es o u n df o u n d a t i o nf o rp o w e rs y s t e mi n t e g r a t i o n m o t o rd r i v es y s t e mp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei np o w e re l e c t r o n i ca p p l i c a t i o nf i e l d ，t h u s a t c r a c t sg r e a ta t t e n t i o nt ot h es y s t e mi n t e g r a t i o no nm o t o rd r i v e ，e s p e c i a l l yo nm e d i u ma n d s m a l lp o w e ra p p l i c a t i o n s t h er e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fc o n t r o ls t r a t e g yo na c s p e e d - a d j u s t i n gi np o w e rs y s t e mi n t e g r a t i o nc a np r o v i d eaf e a s i b l ew a yt oi m p l e m e n t s y s t e mi n t e g r a t i o no f g e n e r a li n v e r t e r i n t e g r a t i n gs p e c i a l i z e df u n c t i o nb l o c k si no n ec h i pc a l lg r e a t l yp r o m o t et h es y s t e m i n t e g r a t i o na n de l i m i n a t em a n yk i n d so fe l v l i t h en e wg e n e r a t i o no fs p e c i a l i z e dc h i pf o r e l e c t r i c a lm a c h i n e ，s u c ha s2 0 0 0s e r i e sf r o mt ic o r p o r a t i o n , p r o v i d e st h ef a s t e r , m o r e i n t e g r a t e dc o r ec o n t r o l l e rf o rt h et o t a ln u m e r a l i z a t i o na n di n t e g r a t i o ni nt h ea r e ao fa c s p e e da d j u s t i n g t h ec o n t r o ls t r a t e g ya n a l y z e dt h er e g u l a rs i n ep u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s p w m ) a n d t h es p a c ev o l t a g ep u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s w w m ) ，e x p r e s s e dt h eg e n e r a lt h e o r i e so f t w o p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n m e t h o d s ，a n d i n f e r r e d t h e c o m p u t a t i o n f o r m u l a s o f t w o p u l s e w i d t hm o d u l a t i o na l g o r i t h m s t h ec o n t r a s tr e s u rs h o w e dt h a tt h es v p w mh a sah i g h e r u t i l i z a t i o nr a t i oo fd c ，a n di t se a s i e rt od i g i t a l l yc o n t r 0 1 t h e r e f o r e ，s v p w mi sa d o p t e d a st h ec o n t r o ls o l u t i o no na c s p e e d a d j u s t i n ga n dc o r r e s p o n d i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l w a s e s t a b l i s h e d w i t hm a t l a b s i m u l i n kp l a t f o r ma n di t sm o d u l el i b r a r y , t h es v p w m m o d u l ei se m u l a t e db a s e do nv e c t o rc o n t r o la l g o r i t h ma n de x p e r i m e n tp a r a m e t e r , a n d o p t i m i z e dt h em o d u l ea n dp a r a m e t e r sb a s e do nt h er e s u l t a s y n c h r o n o u se l e c t r i c a lm a c h i n ec o n t r o lb o a r da n dp o w e rd r i v e rb o a r d ，i n c l u d i n gt h e s d e c t i o na n da p p l i c a t i o no fc o r ec o n t r o lc h i p ，w e r ed e s i g n e dw i t hs e e d - d e c 2 8 1 2 1 1 i 曲s p e e db o a r db a s e do dt h et o p o l o g yo fa c d c a c c o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n tw a s c o n d u c t e do nt h i sh a r d w a r ep l a t f o r m ，a n dt h er e s u l ts h o w e dt h a td e s i g no fh a r d w a r e i l 华中科技大学硕士学位论文 c i r c u i tw a ss u cc e s s f u l i b a s e do i lt h ec o n t r o ls o l u t i o np r e s e n t e d ，p r o g r a m so f e a c hs u b m o d u l e si nt h es y s t e m w a sd e v e l o p e d t h es v p w m i m p l e m e n t a t i o n 、i t ht m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s pa n dt h ew h o l e o p e r a t i o nf l o ww e r ee x p r e s s e d t h ei m p l e m e n t a t i o no fs v p w m w a sa n a l y z e di nd e t a i l ， a n dc o r r e s p o n d i n gc o n t r o ls o f t w a r ew a sd e v e l o p e di ncp r o g r a m m i n gl a n g u a g e t h e a l g o r i t h mc a ng e ts a t i s f a c t o r yc o n t x o lp u l s eo u t p u tw a v e f o r ma st h ee x p e r i m e n tr e s u r s h o w e d k e yw o r d s ：s p a c ev o l t a g ep u l s ew i d t hm o d u l a t i o n p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nv a r i a b l e - f r e q u e n c y a d j u s t a b l e - s p e e dd s p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在 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：参1 胁 日期：泓憎年年月乒日 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，即：学校有权 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。 本人授权华中科技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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 ， 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 日期：御锌4 ，月 参1 毒峪 牟日 指导教师签名：锵乏举 日期：坼月日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 自从1 9 5 7 年第一只晶闸管( s c r ) 的诞生以来，电力电子技术己发展成为综合电 力、电子和控制技术为一体的边缘交叉学科，成为本世纪重要的支柱技术之一。电 力电子技术涉及电力电子器件、电力电子电路、控制理论、电子学、集成电路等多 个专业领域，其应用也已发展成与人们的生活密不可分。 电力电子器件作为电力电子技术的基础和源头，近几十年来人们围绕着新型器件 的研发和应用，进行了大量、系统的工作。从最初的电流控制型器件到现在的电压 全控型器件，使得功率开关管的驱动电路大大简化，从而使得驱动电路和功率开关 管集成在同一芯片或模块中成为可能。随着新材料和工艺研究的深入，集先进的表 面贴装技术、大规模集成电路、多芯片模块m c m ( m u l t i c h i pm o d u l e ) 技术于一体 制作的电力电子模块i p e m ( i n t e g r a t e dp o w e re l e c t r o n i c sm o d u l e s ) 成为新型器件研 究的焦点f 1 】 2 】。功率电子器件制造公司已推出了多种智能型功率器件和模块，主要有 i p m 、t o p s w i t c h 和c o o l s e t t m 等。他们内部均集成有高性能控制芯片以及各种自保 护功能。其中m m 是一种智能功率模块，现在市场上也有很多口m 器件是通过封装 形式来代替模块，其价格相对比较便宜。从电力电子器件的发展历程，我们可以看 出电力电子器件正在向高耐压、大电流、小的正向内阻、智能化的电压控制型器件 发展。 这些新型功率器件的驱动、保护技术以及利用这些器件构成的各种功率变换的拓 扑，包括软开关技术，功率因数校正( p f c ) 及其控制技术等经过这几年的发展日趋 成熟。电力电子装置正向着容量更大和更小两个方向发膨3 】【4 】， 大容量方面以高压 直流输电和柔性交流输电为代表，小容量方面以家电、通讯设备、办公自动化等设 备中的电源为代表。采用软开关技术具有独特的优越性能，可以减少甚至完全消除 变换器中开关元件在开关过程中的损耗，而无需多余的缓冲吸收电路，同时由于开 关频率不再受开关损耗的限制，可以提高开关器件的工作频率，减少开关器件的散 热体积，提高变换器工作的效率和可靠性。软开关技术发展的必然趋势是采用数字 华中科技大学硕士学位论文 化信号处理控制技术。大规模集成电路( v l s i ) 技术的飞速发展，各种先进的微控 制器、d s p 、可编程逻辑器件的出现，使得高性能的智能化的控制技术也越来越多地 渗透到现代电力电子系统的装置中【5 】【6 j 。人们希望能发展标准化、模块化、智能化的 电力电子产品。 1 1 功率系统集成技术的发展 正是大规模集成电路技术的飞速发展，大大提高了模拟、数字电路，微处理器的 标准化程度，扩展了他们的容量和功能，提高了他们的速度和大规模生产的适应性， 降低了制造成本，从而促进了当今计算机、通讯和电子技术的日新月异的发展。可以 想象，相类似地发展功率系统集成技术，采用一种标准化、模块化的、可编程的系统 可以加速系统级水平的设计和系统性能的精确仿真，从而可以极大地提高电力电子产 品的标准化、模块化、智能化和生产自动化程度，从而使电力电子系统真正成为现代 工业生产自动化大系统中的一个名副其实的智能部件f 7 。同时随着科技的不断进步， 人们对现代功率系统的高功率密度、高效率、高可靠性、低成本、低污染( 即所谓“三 高、二低”) 的性能也提出了越来越高的要求，开发功率系统集成技术成为一条十分 重要的途径田加】。 将电力电子开关器件与电力电子变换器控制系统中的某些信息电子电路环节( 如 工作状态和运行参数的检测、驱动信号的生成和处理，缓冲、故障保护和自诊断等) 制作为一个整体，则称为功率集成电路p i c ( p o w e r i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 。通过 集成，可以将现有电力电子装置设计过程中遇到的元器件、电路、控制、电磁、材 料、传热等方面的技术难点和主要设计工作封装在模块中，从而可以提高系统装置 的可靠性，缩小系统装置的体积，简化应用系统的设计。 根据其传递功率的大小，它们既可以用混合集成工艺，集成在同一块硅片上( 通 常小于1 0 0 瓦) ，构成一个独立完整的小功率、标准化的智能功率系统( 又称s m a r t p o w e r 或p o w e r s o c ) 。也可以将若干片智能功率系统裸芯片或控制裸芯片( 包括c p u 、 d s p 芯片等) 以及表面贴装元器件，采用厚膜技术集成在同一块导热性能和绝缘性能 华中科技大学硕士学位论文 良好的基板上( 通常小于几百瓦) ，并封装成一个模块形式，构成一个独立完整的中、 小功率、标准化的智能功率系统( 又称为集成化电力电子系统标准模块) 。当需要传 递更大的功率( 如达到几千瓦) 时，就可以将若干块集成化的电力电子系统标准模块， 以及分立的大功率元器件和标准通信接口构成一个独立完整的较大功率、标准化的 分立的智能功率模块。 交流变频调速是电力电子技术应用的最大领域之一。据统计，全世界有将近6 0 的发电量是通过交流电动机消耗的。所以，如何实现电机运行控制的高效节能化具 有重大的现实意义”1 1 2 1 。2 1 世纪将充分利用计算机技术与电力电子技术相结合，实 现电机的优化运行，实现大面积节能。为了达到这个目的，必须大力研究集成化的 电机控制系统，其核心就是研究控制模块中的控制芯片技术和控制算法的最优化。 以嵌入式处理器来构成控制系统，并利用厚膜技术封装成功率模块形式，是当前实 现整个系统集成化的一个重要手段。电力电子发展的最终目标就是实现功率级的s o t ： ( s y s t e mo nc h i p ) 。 1 2 交流变频调速控制领域的概况和发展趋势 交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术，既要处理巨大电能的 转换( 整流、逆变) ，又要处理信息的收集、变换和传输，因此它的共性技术必定分 成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子 器件的应用技术问题，后者要解决( 基于现代控制理论的控制策略和智能控制策略的) 硬、软件开发问题( 在目前状况下主要是全数字控制技术) 【1 3 】。 1 2 1 全数字化控制系统 随着计算机技术的发展，无论是在生活还是在工业生产过程当中，人们对数字 化信息的依赖程度越来越高。如果说计算机是大脑，网络是神经，那么电机传动系 统就是骨骼和肌肉，它们之问的完美结合才是现代产业发展的方向。为了使交流调 速系统与信息系统紧密结合，同时也为了提高交流调速系统自身的性能，必须使交 流调速系统实现全数字化控制。 华中科技大学硕士学位论文 由于单片机控制简单、价格低，其性能不断提高，具有丰富的软、硬件资源， 已经在交流调速系统中得到了较多地应用，尤其在通用开环交流调速系统中应用更 加广泛。 由于交流电机控制理论的不断发展，控制策略和控制算法也日益复杂，比如扩 展卡尔曼滤波参数辨识【4 】【1 5 】、快速傅立叶变换( f f ! r ) 0 6 1 、状态观测器控制、模型参 考自适应控制”】、滑模控制“8 】、人工神经网络1 9 】1 2 0 1 等各种控制和算法都应用到了交 流电机的矢量控制、直接转矩控制以及无速度传感器控制当中。由于单片机对大量 数据的处理或者浮点运算的能力有限，从而使得数字信号处理器( d s p ) 芯片在全数 字化的高性能交流调速系统中找到了施展身手的舞台。比如t i 公司最近推出的 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 系列产品，是在f 2 4 x 的基础上开发的高性能3 2 位定点芯片，大大地提高 了处理能力，成为全数字化交流调速系统的首选。 1 2 2p w m 技术 p 咖控制是交流调速系统的控制核心，任何控制算法的最终实现几乎都是阻各种 p w m 控制方式完成的，尤其是微处理器应用于p w m 技术并使之数字化以后，控制方法 不断更新，从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦：从 效率最优，转矩脉动最少，再到消除噪音等，p w m 控制技术的发展经历了一个不断创 新和不断完善的过程。到目前为止，还有新的方案不断提出，进一步证明这项技术 的研究方兴未艾。其中，空间矢量p 删技术以其电压利用率高、控制算法简单、电流 谐波小、易于数字化等特点在交流调速系统中得到了广泛的应用。 1 2 3 高性能调速系统 对于传统的v f 恒定、速度开环控制的通用变频调速系统和滑差频率速度闭环控 制系统，基本上解决了异步电机平滑调速的问题。然而，当生产机械对调速系统的 动静态性能提出更高要求时，上述系统还是比直流调速系统略逊一筹。原因在于其 系统控制的规律是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式出发，推导出稳态值控 制，完全不考虑过渡过程，系统在稳定性、起动及低速时转矩动态响应等方面的性 能尚不能令人满意。考虑到异步电机是个多变量、强耦合、非线性的时变参数系 4 华中科技大学硕士学位论文 统，很难直接通过外加信号准确控制电磁转矩，但若以转子磁通这一旋转的空间矢 量为参考坐标，利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的变换，则可以把定子电流中 励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立开来，进行分别控制。这样，通过坐标 变换重建的异步电机模型就可等效为一台直流电动机，从而可以像直流电动机那样， 进行快速的转矩和磁通控制即矢量控制。 和矢量控制不同，直接转矩控制1 2 1 1 摒弃了解耦的思想，取消了旋转坐标变换， 简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转 矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。尽管矢量控制与 直接转矩控制使交流调速系统的性能有了较大的提高，但是还有以下一些领域有待 研究田l ： ( 1 ) 磁通的准确估计或观测 ( 2 ) 无速度传感器的控制方法 ( 3 ) 电机参数的在线辨识 ( 4 ) 极低转速包括零速下的电机控制 ( 5 ) 电压重构与死区补偿策略 ( 6 ) 多电平逆变器的高性能控制策略 ( 7 ) 二次型性能指标的最优控制和双位模拟调节器控制 ( 8 ) 滑模变结构控制 ( 9 ) 状态观测器和卡尔曼滤波器参数辨识 ( 1 0 ) 模型参考自适应系统 1 3 本课题的研究背景与主要研究工作 随着电力电子技术的飞速发展和我国经济可持续发展的要求，正如v l s i 发展 一样，当前的电力电子技术正向模块化、智能化的方向发展，当然还有它的大功率、 高频化的目标。从上个世纪8 0 年代中期开始，各种电力电子集成技术，如p i c 和i p m 等已经在国外开始发展，并且得到了广泛的认可。加之现在数字信息技术的飞速发 华中科技大学硕士学位论文 展，更有利于电力电子换流技术向集成化，标准化方向发展。一个标准的、模块化 的、可编程的系统有利于加速系统级水平的设计，可极大的提高电力电子产品的生 产周期和生产自动化程度，从而使电力电子技术真正成为现代工业生产自动化大系 统中的一个智能部件。 如前文所述，交流调速系统在电力电子技术应用中的重要地位，我国对于变频 器的需求量也越来越大。由于我国的变频器产业起步比较晚，基础差，而国外的传 统变频器工艺已经非常成熟，所以每年都要花大量外汇从国外进口变频器，所以开 发经济的变频器对我国的变频器产业乃至整个国民经济的发展都有非常重要的意 义。鉴于此，我们进行一种新型变频器的研制。d s p 是近几年发展很快的一种专用微 处理器，由于它具有快速乘法和累加等特性指令，和普通微处理器相比更适合高动 态、实时控制。t i 公司最近推出的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是一款片内集成电机外围控制器件 的3 2 位定点数字信号处理器，它通过提供高性能的处理能力有效地降低了研发时间， 有望在工业变频调速领域大量应用。本课题将致力于基于此d s p ( t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) 的 高性能、易于应用的交流变频调速器的控制策略研究。由于直接采用最新型的芯片， 可望达到一个较高的开发起点。 目前，有广泛应用价值的是恒压频比的开环控制、转差闭环控制、矢量控制、直接 转矩控制和近些年来的电压空间矢量控制。由于本课题是对t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片的初步研 究尝试，研究重点放在其应用价值上，控制策略主要采用恒压频比的电压空间矢量开环 控制。研究任务主要有： ( 1 ) 交流变频调速器典型主电路的设计。以功率开关二极管组成三相全桥整流电路， 以i g b t 为功率器件组成高频逆变电路。 ( 2 ) 以t i 公司生产的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 为控制器核心，合众达公司生产的 s e e d - d e c 2 8 1 2 开发板为基础，进行控制电路设计。 ( 3 ) 以i r 公司的i 死2 1 3 6 芯片作为功率驱动电路核心，设计相应的驱动和保护电路。 ( 4 ) 用c 语言编写系统控制算法。 ( 5 ) 调试系统的软硬件实现变频器的初步运行。 华中科技大学硕士学位论文 2 交流变频调速系统的硬件设计 2 1 系统总体框架 图2 1 系统框图 图2 - 1 示出了系统整体结构。整个系统主要由主电路、电源管理模块、d s p 控制 器、驱动保护电路以及人机界面五个部分组成。其中主电路主要完成交一直一交的电 压变换，电源管理模块为控制电路和驱动保护电路提供合适的工作电压，驱动保护 电路则是为功率开关管提供合适栅极电压和过电流、过电压、过温等故障保护，人 机界面是为了方便用户使用。 2 2 系统主电路设计 2 2 1 主电路基本原理介绍 如图2 2 所示，主电路采用典型的交直交电压源型通用变频器结构。由于是小 功率交流电机的变频调速研究，所以输入级采用单相桥式不控整流电路，将2 2 0 v 交 流电压变成直流，给逆变器提供直流母线电压。因为二极管不控整流电路的输出直 华中科技大学硕士学位论文 流电压平均值不能调节，所以实验阶段我们在输入级加入了一个调压器来调节交流 电压幅值。 图2 - 2 主电路原理图 在整流电路中输出电压是脉动的，y l = 5 b ，在逆变部分产生的脉动电流和负载变 化也使得直流电压产生脉动，为了将其中的交流成分尽可能的滤除掉，使之变成平 滑的直流电，必须在其后加上一个低通滤波电路。这里采用常规的电容滤波电路， 在整流输出端并入大电容。 整流二极管电压额定值u w 、电流额定值l m 及i g b t 额定电压e p 、额定电 流，c 分别由如下式子给出。 u u a cx , 2 x k r ( 2 1 ) j ，= 2 l ( 2 屯) u 鲫= 0 0 髓p + u 癌k u( 2 3 ) = 压x l 5x14x厶2丽a2x15xlaxp ( 2 4 ) 式中u c 为2 2 0 v 输入交流电压，k ，为电压波动系数，为安全系数，a u 。 为线路杂散电感引起的尖峰电压，日为母线电压，为过电压保护系数，为过电 压安全系数，。为逆变器输出电流，p 为逆变器最大输出功率。 按照上述设计原理，交流输入电压为市电2 2 0 v ，整流电路为单相桥式。电路的 华中科技大学硕士学位论文 主要元器件参数：逆变桥i g b t 开关管为i r g 4 i b c 3 0 k d ，整流二极管取8 0 0 v s a 的整 流二极管。 2 2 2 驱动电路结构设计 驱动电路的作用是将控制电路输出的脉冲放大到足以驱动功率开关管，所以单 从原理上来讲，驱动电路主要起开关功率放大作用，即脉冲放大器。但其重要性在 于功率开关管的开关特性与驱动电路的性能密切相关，同样的功率开关，采用不同 的驱动电路将得到不同的开关特性，设计优良的驱动电路能改善功率开关管的开关 特性，从而减小开关损耗，提高整个系统的效率及功率器件工作的可靠性。因此， 驱动电路的优劣直接影响变换器的性能。根据开关工作频率而优化设计驱动电路就 显得越发重要，驱动电路的最佳驱动特性应该具有以下特点【捌： ( 1 ) 功率开关管开通时，驱动电路提供的栅极电流应有快速的上升沿，以加速 开通过程，从而减小开通损耗。 ( 2 ) 功率开关管开通期间，驱动电路在任何情况下都能保证功率管处于饱和导 通状态，使得功率管的导通饱和压降较低，以保证低的导通损耗，为了减小关断时 问，希望功率管在关断前处于临界饱和状态。 ( 3 ) 关断瞬间，驱动电路应使漏极电流迅速下降以减少下降时间。 ( 4 ) 驱动电路损耗要小，电路尽可能简单可靠，还要采取必要的隔离措施。实 际驱动电路设计中，上述要求不可能全部满足，有些要求需要折中处理。要根据整 个系统的性能、指标、功率和工作频率等设计合适的驱动电路。 2 2 2 1ir 2 13 6 芯片介绍 在功率变换装置中，根据主电路的结构，其功率开关器件一般采用直接驱动和 隔离驱动两种方式。采用隔离驱动方式时需要将多路驱动电路、控制电路、主电路 互相隔离，以免引起灾难性的后果。隔离驱动可分为电磁隔离和光电隔离两种方式。 光电隔离具有体积小，结构简单等优点。 本文选用国际整流器公司( i n t e m a t i o n a lr e c t i f i e r ，简称瓜) 生产的i r 2 1 3 6 驱动器， 它兼有光耦隔离( 体积小) 和电磁隔离( 速度快) 的优点，适合中小功率变换装置的驱 华中科技大学硕士学位论文 动器件【3 0 l 。 i r 2 1 3 6 三相逆变器驱动器集成电路集成了6 个m o s f e t 或i g b t 高电压栅极驱 动器，能兼容c m o s 输出或l s t t l 输出，提供低至3 3 v 的逻辑，其可输出的最大 正向峰值驱动电流为1 2 0r na ，而反向峰值驱动电流为2 5 0 m a 。此外，此集成电路 支持坚固耐用的设计，提供高达5 0 v n s 的d v d t 耐量和较低的d i d t 驱动电流，防止 噪音干扰。它的性能超过光耦或变压器，支持高频工作，死区时间低至2 5 0 n s ，一般 接通关断时问为4 0 0 n s 。同时，它的内部集成有过流、欠压、防直通等保护功能和 e n 使能端，使用户能够可靠地保护被驱动的功率管，外部的r c 网络经过延时能够 自动清除过流故障，且当故障发生时，可通过f a u l t 端口声光报警。 它是专为2 k w 或以下的1 1 0 v 至3 6 0 v 输入逆变器设计，适用于交流感应、无刷 直流或开关磁阻电机驱动。 图2 3 ，图2 - 4 分别是i r 2 1 3 6 管脚图和其内部框图。 图2 - 31 1 2 1 3 6 管脚分布 v b i v b 3 是悬浮电源连接端，通过自举电容为三个上桥臂功率管的驱动器提 供内部悬浮电源，v s l v s 3 是其对应的悬浮电源地端。 h i n l h i n 3 、l i n l l i n 3 逆变器上桥臂和下桥臂功率管的驱动信号输入端， 华中科技大学硕士学位论文 低电平有效。 i t r i p 过流信号检测输入端，可通过输入电流信号来完成过流或直通保护。 e n 为使能端，低电位封锁全部输出。r c i n 过电流延时复位端。 h 0 1 h 0 3 、l 0 1 l 0 3 逆变器上下桥臂功率开关器件驱动器信号输出端。 f a u l t 过流、直通短路、欠压保护输出端，该端提供一个故障保护的指示信号。 它在芯片内部是漏极开路输出端，低电平有效。 v c c 、v s s 芯片供电电源连接端，v c c 接正电源，而v s s 接电源地。c o m 为功率 电路参考地。 图2 - 4i r 2 1 3 6 内部结构框图 2 2 2 2 驱动电路工作原理介绍 如图2 - 5 所示，2 2 0 v 交流电经单相桥式不控整流电路d 4 整流和滤波电容c 6 滤 波后，给三相i g b t 逆变电路提供3 1 0 v 左右的直流电压，在驱动电路i r 2 1 3 6 的输入 端输入一定的触发脉冲，将在其相应输出端产生驱动脉冲，从而驱动逆变电路的i g b t 华中科技大学硕士学位论文 开关管，在逆变电路的输出端o u t i - - o u t 3 输出所要求的交流电压。 正常工作时，输入i r 2 1 3 6 的6 路触发脉冲经输入信号处理器处理后变为6 路输出 脉冲，驱动下桥臂功率管的信号l i n l - - l i n 3 经输出驱动器功放后，直接送往被驱动 功率器件z 4 一z 6 。而驱动上桥臂功率管z l - z 3 的信号h i n l - - h i n 3 先经集成于i r 2 1 3 6 内部的3 个脉冲处理器和电平移位器中的自举电路进行电位变换，变为3 路电位悬浮 的驱动脉冲，再经对应的3 路输出锁存器锁存并经严格的驱动脉冲欠电压与否检验之 后，送到输出驱动器进行功放后才加到被驱动的功率管。逆变电路发生过流，即由 r 8 4r i o 、r l l 组成的电流检测电路检测到的信号高于0 5 v 时，则i r 2 1 3 6 内部的电流 比较器迅速翻转，促使故障逻辑处理单元输出低电平，则封锁3 路输入脉冲信号处理 器的输出，使i r 2 1 3 6 的输出全为低电平，保护功率管；同时i r 2 1 3 6 的f a u l t 脚变为低 电平，该信号接发光二极管d 1 4 进行故障报警。同样若发生i r 2 1 3 6 的工作电源欠压， 则欠压检测器迅速翻转，也会进行类似动作。外部传输延迟通过r ll 和c 5 组成的r c 网 络连至r c i n 后，过流故障将自动清除。 图2 _ 5 驱动电路原理图 华中科技大学硕士学位论文 当i r 2 1 3 6 驱动上桥臂功率管的自举电源工作电压不足时，则该路的驱动信号检 测器迅速动作，封锁该路的输出，避免功率器件因驱动信号不足而损坏。当用户脉 冲形成环节输出发生故障，逆变器同一桥臂上2 个功率器件的输入信号同时为高电 平，则i r 2 1 3 6 输出的2 路门极驱动信号全为低电平，从而可靠地避免桥臂直通现象 发生。 2 2 2 3 白举电路设计 i r 2 1 3 6 是通过图2 5 中的c l 、c 2 、c 3 和d 1 、d 2 、d 3 组成的自举电路 2 42 7 1 来可 靠地驱动高压侧i g b t 栅极器件。如图2 - 5 所示，v b s ( i r 2 1 3 6 v b 和v s 管脚之间的电 压差) 给集成电路高端驱动电路提供电源。该电源电压必须在l o 2 0 v 之间，以确保 i r 2 1 3 6 能够完全地驱动i g b t 栅极器件。i r 2 1 3 6 驱动集成电路具有v b s 欠压保护， 当v b s 电压下降到一定值时，将关闭高端驱动输出，这保证了i g b t 不会在高功耗下 工作。v b s 电源是悬浮电源，附加在v s 电压上( v s 通常是一个高频的方波) 。这种自 举技术的好处是简单、低廉。电路的工作原理如下，当v s 被拉到地时( 通过下端器 件或负载，视电路结构而定) ，1 5 v v c c 电源通过白举二极管( d ) 给自举电容( c ) 充电。 因此给v b s 提供一个电源。 ( 1 ) 自举电容参数的确定 自举电容应该提供的最小电荷： 瓯= 2 9 + 垒f 盟+ 虢- i - 垒等( 2 - 5 ) 式中皱为高端器件栅极电荷；厂为i g b t 开关工作频率；屯，( 。) 为自举电容漏电流； ，( 椭对为高端驱动i c 的静态电流：甄为每个周期内，电平转换电路中的电荷要求。 自举电容必须能够提供这些电荷，并且保持其电压。否则v b s 将会有很大的电 压纹波，并且可能会低于欠压值v b s u v ，使高端无输出并停止工作。在设计时，c 。电 容的电荷应是最小值的二倍，最小电容值可以由( 2 - 6 ) 式计算， 华中科技大学硕士学位论文 一拦第掣 。， 式中为自举二极管正向压降；为低端器件导通压降：吃为直流电源电压。 i ，= 级x ， ( 2 7 ) 式中鼠由( 2 5 ) 式确定，f = 1 5 k h z 。 2 3 高速d s p 控制板 2 3 1t m s 3 2 0 f 2 8 12d s p 简介1 3 s - 3 8 1 t i 公司推出的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 数字信号处理器是该公司最新推出的d s p 芯片，是目 前国际市场上最先进、功能最强大的3 2 位定点d s p 芯片之一。它既有数字信号处理能 力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能。同时其对c 语言的高编译效率， 使得软件开发周期大大缩短。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 片内资源如图2 6 所示： 从图2 - 6 可以了解到t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 的资源和性能： 其c p u 是一种低功耗的3 2 位定点数字信号处理器，其运行速度1 5 0 m i p s ( 每秒 执行1 5 亿条指令) ；单周期完成3 2 3 2 乘法运算，使计算密集型的控制算法更有效； 快速、灵活的中断管理，有效地缩短中断响应：3 个3 2 位通用定时器，可为多个控制 华中科技大学硕士学位论文 循环提供时间基准；8 级流水线，单周期完成任何存储器单元的读修改写操 作，3 2 位寄存器改善控制算法的效率；实时2 t a g 调试缩短开发周期；与f 2 4 x l f 2 4 0 x 源代码兼容，对c 语言编译效率高达8 0 一9 0 。 ( 捌es e 锄r i 哆 图2 - 6t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 内部资源框图 f 2 8 1 2 含有1 2 8 k x1 6 位大容量片上f l a s h ，f l a s h 访问可加密，1 2 8 位密码保 护用户程序；可从片上r a m 和f l a s h 中快速执行程序，采用f l a s h 加速技术为 1 0 0 - 1 2 0 m i p s ，关键代码在片上r a m 执行时为1 5 0 m i p s ；支持1 m x1 6 位外部存储空间。 丰富且功能强大的外设模块，其中包括：事件管理器e v a 和e v b ，含有：1 6 个 p w m 输出，p w m 最高分辨率为6 6 7 n s ，1 0 个1 6 位比较器和4 个通用定时器；快速灵活的 1 2 位、1 6 通道a d c ，1 2 5 m p s 数据吞吐率( 8 0 n s 流水线转换时间，2 0 0 n s 单次转换时间) ； 及其它丰富的片内集成外设：2 通道的s c i 模块、s p i 模块、e c a n 2 o b 模块、m c b s p 模 块等。 华中科技大学硕士学位论文 2 3 2c c s 调试环境例 4 0 l c o d ec o m p o s e rs t u d i o ( c c s ) 是t i 公司推出的一个集成性d s p 软件开发工具。由 于目前d s p 的发展趋势是更复杂，更新速度更快，d s p 的应用也向多处理、多通道发 展，变得越来越复杂。同时对开发效率的要求也越来越高。对于开发者，想在有限 的开发周期内充分利用d s p 器件的每+ g l p s ，c c s 作为开发工具，无疑是非常有效的。 c c s 内部集成了以下软件工具： c 2 0 0 0 代码产生工具( 包括c 2 0 0 0 的c 编译器、汇编优化器、汇编器和连接器) 软件模拟器( s i m u l a t o r ) 实时基础软件d s p b i o s “ 实时分析( r e a l t i m ea n a l y s i s ) 和数据可视化软件 c c s 开发环境的主界面如图2 7 所示，在c c s 下，开发者可以对软件进行编辑、调 试、代码性能测试( p r o f i l e ) 和项目管理等工作。除此之外，它还提供了实时分析 和数据可视化功能，安装相对应的插件后，可以进行输出目录文件的烧写。 2 3 3s e e d - d e c 2 8 12d s p 控制板h 1 1 s e e d d e c 2 8 1 2 是合众达公司针对电机、电力等工业控制领域应用而设计的控制 板，如图2 - 8 所示。 该板采用f 2 8 1 2 作为c p o ，集成s r a m 、p 踟、u a r t 、d a 等外设。其中： 外扩了一个6 4 x 1 6 位的s r a m ： 该板上使用了一片d a c 7 7 2 4 做模拟量输出，因此s e e d - d e c 2 8 1 2 共有4 通道、 1 2 位分辨率、l o u s 建立时间的d a 输出，输出的模拟信号范围为i o v ： 2 路s c i 进行收发驱动，接口标准r s 2 3 2 r s 4 2 2 r s 4 8 5 可配置： 标准化的扩展总线等。 6 华中科技大学硕士学位论文 图2 - 7c c s 开发环境 图2 - 8s e e 帅e c 2 8 1 2 开发板原理图 1 7 华中科技大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章主要介绍了本系统的硬件拓扑电路设计，包括功率开关电路、整流电路、 驱动电路的设计以及核心控制板的选型。其中详细分析了驱动芯片和控制芯片的选 型以及驱动芯片的外围电路设计原则。简要介绍了合众达公司的s e e d d e c 2 8 1 2 开发 板的硬件结构和t i 公司的c c s 2 0 0 0 开发环境。 华中科技大学硕士学位论文 3 1 引言 3 交流调速系统的控制策略 根据电机学原理，交流异步电动机的转速可由下式表示【2 8 】 以：业( 1 一。) ：婴坐( 1 一。) 忍口