异步电机直接转矩控制系统研究_

1、第四章异步电机直接转矩驱动系统硬件设计4.1 驱动系统概述驱动板的功率容量设计为1KW,输入交流单相220V,输入电压范围AC110V280V,电流最大值4A,输出三相交流的最大工作频率为20KHz。整个驱动系统做在一块PCB上,主要包括功率变换主电路、检测电路、硬件保护电路、辅助电源系统这四个部分,提供的输入接线口有:两相交流输入、电机编码器信号输入和PWM控制信号输入三个,输出接线口有:驱动电机的U、V、W三相、ADC采集输出和隔离后的电机编码器信号输出三个。结构如下图4.1所示。 图4.1 驱动电路板结构4.2 功率变换主电路功率变换主电路的功能就是为交流电机的运行提供能量,我们采用交流

2、-直流-交流的变换方式,即先将两相输入市电220V经整流滤波成260V左右的直流,再将该直流按要求逆变成交流输送给电机,驱动其运转24。1 整流部分35整流采用集成的整流芯片,IR公司的KBJ2510,两相扁桥。其主要电气参数如下表表4.1 KBJ2510最大额定值 V RRM (V V RMS (V V DC (V I F (A 1000 700 1000 25其中V RRM -反向重复峰值电压; V RMS -均方输入电压;V DC -最大直流阻断电压;I F -最大正向平均整流电流;为了抑制共模干扰,在整流桥输入端加入一对电磁线圈和一个CBB 电容,同时为了防止短路而损坏系统,此处选用自

3、恢复保险丝与传统的熔断保险丝串联使用。2 滤波部分35对于整流后的滤波电路,此处采用LC 滤波电路,滤波电容的大小由以下公式确定:L r pp I C f V (4-1其中:C -所需滤波电容大小;I L -总的负载电流; Fr -整流波形的频率; V PP -输出波纹电压的峰-峰值;计算时取输出直流母线电源的波纹率为7%,则V PP =(2643087%=(18.521.6V ,取V PP =20V ,电流取3A ,那么可计算出滤波电容大小为:347725020C =F ,实际电路中取C =660F ,采用两个330F 并联的接法,耐电压值450V 。电感的设计就是根据要求的电感值、输出功率

4、及工作频率等来计算电感的铁心尺寸及绕组参数。其基本要求就是电感值L 满足要求,通过最大电感电流时铁心不饱和,线圈绕得下。此处电感量取经验值330m H,由于通过最大电流为4A ,选取直径0.8mm 的铜制漆包绕线,考虑到功率和工作频率,选择铁氧体磁心,经绕制试验,可在内径为15mm ,外径25mm ,宽13mm 的标准环形磁心上绕下漆包线使之满足电感量要求。3 逆变部分逆变部分是将直流电源按要求逆变成所需的交流,输给电机。本设计采用集成功率模块(IPM,它是向第四代器件功率集成电路(PIC的过渡产品,是微电子技术和电力电子技术相结合的产物。它不但提供一定的功率输出能力,而且具有逻辑、控制、传感

5、、检测、保护和自诊断等功能,具有以下特点:(1开关速度快,驱动电流小,控制驱动更为简单;(2采用了隔离技术,散热更加均匀,体积更加紧凑;(3集成度高,它在片内集成了驱动电路、保护电路、甚至光耦,大大缩短开发时间;(4内含电流传感器,可以高效迅速地检测出过电流和短路电流,能对功率芯片给予足够的保护,故障率大大降低;(5保护功能丰富,如电流保护、电压保护、温度保护等一应俱全,实现了信号处理、故障诊断、自我保护等多种智能功能,既减小了体积、减轻了重量,又提高了可靠性;(6由于在器件内部电源电路和驱动电路的配线设计上做到优化,所以浪涌电压、门极振荡、噪声引起的干扰等问题能有效得到控制;(7很高的性价比

6、,IPM的售价已经逐渐接近IGBT,而采用IPM后的开关电源容量、驱动功率容量的减小和器件的节省以及综合性能的提高等因素使得IPM构成的变频器性价比已经高于IGBT构成的变频器,有很好的经济性。表4.2 IRAMX16UP16A极限工作状态参数参数描述最大值单位V BUS最大直流母线电压 450V CES最大IGBT导通电压 600VIoTc=25相电流均方值 10IoTc=100相电流均方值 4.5I PK最大相电流峰值(t p100s15AF P最大PWM载波频率 20KHz P d每相最大功耗 10W V ISO绝缘电压(I min 2000V RMST C工作壳温 -20+100 本设

7、计采用IR公司生产的专用于电机驱动的集成功率模块(IPMIRAMX16UP60A,其极限工作状态参数如上表4.2所示。IPM的动态工作性能是很关键的指标,也是它优于分散式IGBT模式的一个重要因数。IRAMS10UP60A的动态电气特性如下表 4.3所示(Vcc=VBS =VBIAS=15V,IO=1A,VD=9V,PWMin=2KHz,TA=25:IRAMX16UP60A由六个IGBT管和控制芯片及保护电路组成,内置过温/过流保护,具有短路保护能力和欠压锁定功能,提供了高水平的保护和故障安表4.3 动态电气特性符号定义典型值单位T ON 从输入到输出的导通延迟时间470 nsT OFF 从输

8、入到输出的关断延迟时间615 nsD T 死区时间300 nsI/T TRIP I TRIP到6个开关关断的时间750 nsT FCLTRL I TRIP到6个开关恢复的时间9 ns全能力:(1低的di/dt门极驱动器,具有较好的噪声抑制性,开关管高频工作时能耗低;(2集成了门极驱动器和自举二级管,电路连接简单:只需要把V+连接到DC的高压端,Le1、Le2和 Le3连接到DC上的低压端,电机的三相分别接到U、V和W。6路从控制器来的PWM信号分别接到1521脚的对应位置并选择合适的电容就可以控制U、V、W的输出;(3带死区控制的控制方式防止上下两个IGBT同时导通。当电路出现过流或者过压时,会自动关闭;(4提供了温度和电流检测的引脚。4.3 检测电路在交流异步电机的直接转矩控制中需要用到功率变换电路的直流母线电压和电机两相定子电流,另外还要设计电机速度编码器与控制芯片DSP之间的接口电路。1 直流母线