席 艷， 邵 達(dá)， 貢 亮

(1.煙臺(tái)職業(yè)學(xué)院，山東煙臺(tái)264001;2.上海交通大學(xué)，上海200240)

0 引言

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(Switched Reluctance Driver，SRD)由開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(Switched Reluctance Motor，SRM)與微機(jī)智能控制器兩部分組成，調(diào)速性能優(yōu)越，目前在很多領(lǐng)域大量使用。其中功率變換器在整個(gè)SRD系統(tǒng)中占有重要的地位，如何提高SRD性能是非常關(guān)鍵的問(wèn)題［1-3］。在設(shè)計(jì)中不僅要注意與SRM電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)相匹配，而且還要控制盡量簡(jiǎn)單、成本低、效率高等特點(diǎn)。本文基于12/8級(jí)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，以TMS320LF2407A DSP為邏輯控制與數(shù)值計(jì)算核心，設(shè)計(jì)了一套開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)功率保護(hù)電路。

1 功率變換器主電路的設(shè)計(jì)

目前SRM電機(jī)的功率變換器主電路［4-7］的設(shè)計(jì)有很多種，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題:①SRD功率變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);②主開(kāi)關(guān)器件的選擇及器件定額的估算。

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

理想的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)功率變換器主電路結(jié)構(gòu)應(yīng)滿(mǎn)足如下約束原則:①主開(kāi)關(guān)元件數(shù)量的最小化;②電源電壓主要施加于電動(dòng)機(jī)的相繞組;③迅速增加相繞組電流;④主電力電子器件的電壓標(biāo)稱(chēng)額定值與電動(dòng)機(jī)額定工礦匹配;⑤在繞組磁場(chǎng)共同增加時(shí)能向電源回饋能量;⑥實(shí)現(xiàn)相電流快速、精準(zhǔn)控制。

SRD系統(tǒng)的功率變換器電路結(jié)構(gòu)有多種，目前最常用的幾種功率變換器主電路主要有雙開(kāi)關(guān)型主電路、電容分壓型主電路、雙繞組型主電路、公共開(kāi)關(guān)型、H橋型主電路主電路。這些結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于去磁方式、能量回饋、元器件定額要求及適用場(chǎng)合均不同。本文采用三相SRD系統(tǒng)的主電路形式雙開(kāi)關(guān)型主電路(亦稱(chēng)三相不對(duì)稱(chēng)半橋型主電路)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。不對(duì)稱(chēng)半橋?qū)﹂_(kāi)關(guān)器件電壓容量要求較低，各相繞組電流可以分別施控，適合高電壓、大電容、任意相數(shù)的SRD系統(tǒng)，并且控制方式比較簡(jiǎn)單。

圖1 三相不對(duì)稱(chēng)半橋型主電路

1.2 器件選擇

(1)主開(kāi)關(guān)器件的選擇。IGBT絕緣柵雙極型晶體管兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，是近幾年國(guó)內(nèi)外選擇主開(kāi)關(guān)器件的主流器件。因此在實(shí)驗(yàn)中選擇IGBT作為構(gòu)成SRD功率變換器的主開(kāi)關(guān)器件。

(2)續(xù)流二極管的選擇。為減小功率變換器的開(kāi)關(guān)損耗，限制主開(kāi)關(guān)和續(xù)流二極管上的電流、電壓振蕩和電壓尖峰續(xù)流，二極管一般要求其反向恢復(fù)時(shí)間短、反向恢復(fù)電流小、具有軟恢復(fù)特性，因此選型為快速恢復(fù)二極管。

(3)關(guān)鍵部件電氣定額的選擇。在器件選擇時(shí)要考慮系統(tǒng)電壓定額、電流定額要求和容量大小等因素。主開(kāi)關(guān)器件的電壓額定值主要取決于外施的直流電源電壓Us，考慮到主開(kāi)關(guān)和續(xù)流二極管開(kāi)關(guān)過(guò)程中要能承受一定的瞬時(shí)過(guò)電壓，所選器件的電壓定額應(yīng)留有安全裕量，一般來(lái)說(shuō)，主開(kāi)關(guān)和續(xù)流二極管的電壓定額一般取其額定工作電壓的2～3倍。因?yàn)殚_(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)能力強(qiáng)，因此在確定主開(kāi)關(guān)器件電流定額時(shí)，只要考慮電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的一定過(guò)載倍數(shù)(一般選為1.2～1.4)。對(duì)于續(xù)流二極管而言，因其能承受較大的沖擊電流，一般也以有效值電流定額作為選型依據(jù)，通常取其最大工作電流的1.5～2倍。

2 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

工作在強(qiáng)電環(huán)境中的SRD驅(qū)動(dòng)電路由于外部干擾或者控制器出現(xiàn)故障等原因引起高電壓、大電流，很可能就此燒毀功率器件，甚至燒毀電機(jī)繞組，所以對(duì)功率電路和電機(jī)的保護(hù)是至關(guān)重要的。目前保護(hù)電路中用的比較多的是功率主回路的電壓、電流、過(guò)熱保護(hù)［8-10］，但是針對(duì)極易引起系統(tǒng)災(zāi)難性后果的驅(qū)動(dòng)電路掉電、主控芯片內(nèi)存擁塞指針紊亂等問(wèn)題仍缺乏行之有效的系統(tǒng)保護(hù)措施。因此，本文系統(tǒng)地對(duì)過(guò)壓保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、驅(qū)動(dòng)電路掉電保護(hù)、功率電路看門(mén)狗保護(hù)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)主回路可靠防護(hù)。

圖2所示為脈沖封鎖電路［11-12］單元。當(dāng)電路出現(xiàn)過(guò)壓(OV)、過(guò)流(OC)、DSP 故障(DSP ERR)、和驅(qū)動(dòng)電路掉電(LP18V)當(dāng)中的任何一種或幾種故障時(shí)，經(jīng)過(guò)74HC32或門(mén)電路輸出使能OE信號(hào)，這一信號(hào)接入74HC245芯片的19號(hào)管腳OE上，電路正常工作時(shí)OE沒(méi)有高電平輸入，PWM波輸出使IGBT正常導(dǎo)通工作，當(dāng)檢測(cè)到高電平加到OE上時(shí)，PWM輸出被封鎖，使得IGBT可靠截至，從而有效避免設(shè)備損壞，待及時(shí)排除故障后復(fù)位工作重新開(kāi)始。

圖2 脈沖封鎖電路

保護(hù)電路設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)如下。

2.1 過(guò)壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)

當(dāng)由于某種原因引起主回路電源電壓升高，超過(guò)了允許范圍，勢(shì)必會(huì)引起開(kāi)關(guān)管或電機(jī)定子繞組的損壞，因此必須對(duì)過(guò)電壓進(jìn)行檢測(cè)和保護(hù)(見(jiàn)圖3)。

圖3 過(guò)電壓保護(hù)電路

參考門(mén)限電壓信號(hào)接入引腳8，實(shí)時(shí)測(cè)量電壓信號(hào)接入引腳9中，如果主回路的電壓過(guò)高，則比較器LM339的輸出為高電平，將會(huì)產(chǎn)生一過(guò)壓信號(hào)(OV)至脈沖封鎖電路，迅速封閉脈沖輸出截至IGBT，實(shí)現(xiàn)過(guò)壓的保護(hù)，避免功率電路、電機(jī)損壞。

2.2 過(guò)電流保護(hù)電路設(shè)計(jì)

過(guò)電流保護(hù)電路［13-15］的主要作用是，防止電動(dòng)機(jī)繞組電流的峰值電流超過(guò)功率開(kāi)關(guān)元件額定值而造成的元件損壞。如圖4所示，當(dāng)電機(jī)的某一相繞組電流較大，達(dá)到比較器的設(shè)定值時(shí)，LM339輸出高電平電流的過(guò)流信號(hào)至脈沖封鎖單元，使脈沖信號(hào)禁止從而起到限流的作用。

圖4 過(guò)電流保護(hù)電路

2.3 驅(qū)動(dòng)電路掉電保護(hù)設(shè)計(jì)

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)由于電源電壓不穩(wěn)可能會(huì)使驅(qū)動(dòng)電路電源電壓降低或掉電，IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路是IGBT可靠、穩(wěn)定、高效運(yùn)行的基礎(chǔ)，IGBT驅(qū)動(dòng)電源掉電將會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行不能正常運(yùn)行，在主電路供電情況下會(huì)導(dǎo)致器件擊穿。功率電子部件驅(qū)動(dòng)電路掉電保護(hù)環(huán)節(jié)可以通過(guò)偵測(cè)IGBT驅(qū)動(dòng)回路電源狀態(tài)，對(duì)此類(lèi)關(guān)鍵性故障進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。驅(qū)動(dòng)電路掉電保護(hù)采用MAX813L芯片實(shí)時(shí)檢測(cè)電源故障，電源故障輸入端(PFI)連接待監(jiān)測(cè)的驅(qū)動(dòng)電路供電電源模塊，系統(tǒng)正常工作時(shí)該引腳電平為18 V。當(dāng)該端輸入電壓低于1.25 V時(shí)，電源故障輸出端(PFO)保持高電平，電源電壓變低或掉電時(shí)，輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?。利用這一特性，把驅(qū)動(dòng)電路電源信號(hào)接入(PFI)端，正常工作時(shí)電源電壓為18 V，電源電壓變低或掉電時(shí)，電源故障輸出端(PFO)由高電平變?yōu)榈碗娖?，?jīng)過(guò)一反相器后將故障信號(hào)(LP18VO)送至脈沖封鎖信號(hào)，及時(shí)將IGBT關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路掉電保護(hù)。電路如圖5所示。

圖5 驅(qū)動(dòng)電路掉電保護(hù)電路

2.4 功率電路看門(mén)狗保護(hù)設(shè)計(jì)

當(dāng)DSP控制器程序“跑飛”時(shí)，其IO端口處于不可控狀態(tài)，長(zhǎng)時(shí)間置高的PWM信號(hào)輸出會(huì)引起功率管一直導(dǎo)通，燒壞器件和電機(jī)。為了能夠在DSP控制器失控的情況下封鎖功率驅(qū)動(dòng)脈沖，設(shè)計(jì)帶進(jìn)位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器CD4060的功率回路限時(shí)保護(hù)電路，電路如圖6所示。CD4060由一振蕩器和14級(jí)二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器位組成，振蕩器的結(jié)構(gòu)采用晶振電路，CR為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器清零且振蕩器使用無(wú)效。DSP正常工作時(shí)，按照指定時(shí)間間隔清零CD4060計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)“喂狗”操作，因此PWM脈沖會(huì)一直輸出從而使得功率電路正常工作。當(dāng)DSP發(fā)生故障時(shí)，“喂狗”信號(hào)不能及時(shí)給復(fù)位端，則CD4060則輸出計(jì)數(shù)達(dá)限脈沖，產(chǎn)生DSP ERR信號(hào)至脈沖封鎖電路，該信號(hào)進(jìn)入脈沖封鎖電路禁止驅(qū)動(dòng)脈沖輸出，從而對(duì)功率部件及系統(tǒng)起到保護(hù)作用。

圖6 功率電路看門(mén)狗保護(hù)電路

3 結(jié)語(yǔ)

功率電路可靠性是SRD系統(tǒng)長(zhǎng)期無(wú)故障運(yùn)行的基礎(chǔ)，且功率電路成本在整個(gè)系統(tǒng)中占比遠(yuǎn)超控制電路，因此采用軟硬件結(jié)合、強(qiáng)弱電結(jié)合的技術(shù)，設(shè)計(jì)全方位、多層次、綜合冗余的功率回路保護(hù)電路是系統(tǒng)設(shè)計(jì)核心。本文以8/6極SRM為研究對(duì)象，使SRM電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)了連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)可調(diào)。實(shí)驗(yàn)證明該設(shè)計(jì)的各種保護(hù)電路有效，能自動(dòng)判斷過(guò)壓、過(guò)流、驅(qū)動(dòng)電路掉電、DSP跑飛等故障，并產(chǎn)生相應(yīng)措施保護(hù)SRM電機(jī)。

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