林家泉 ，程緒宇 ，趙 卉 ，皮 駿

（1.中國民航大學(xué) 航空自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300；2.中國人民解放軍93303部隊(duì)，沈陽 110000）

直流-交流變換是電能變換的主要形式之一，通過對(duì)電力電子開關(guān)器件的控制，實(shí)現(xiàn)電能的電力變換[1-2]。隨著電力電子技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展，變頻技術(shù)廣泛應(yīng)用于變頻調(diào)速系統(tǒng)、不間斷電源和各種電力電子裝置中，具有高效節(jié)能的經(jīng)濟(jì)意義[3-4]。

變頻技術(shù)中的各種控制算法，如脈寬調(diào)制技術(shù)、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)等研究都需要有經(jīng)濟(jì)實(shí)用的直流-交流變頻裝置作為硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[5]。

本文設(shè)計(jì)了基于東芝公司MG25Q6ES42 IGBT模塊的DC-AC變頻裝置，給出了硬件電路原理圖，在此平臺(tái)上進(jìn)行了異步電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)具有有效性和可行性，對(duì)變頻器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件主要包括IGBT驅(qū)動(dòng)電路、PWM信號(hào)檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路、母線電壓檢測(cè)電路、故障報(bào)警電路、死區(qū)電路等。三相交流到直流部分由六個(gè)電力二極管構(gòu)成整流電路實(shí)現(xiàn)，測(cè)速由碼盤采樣后直接送給DSP處理器，DSP采用的型號(hào)是TMS320LF2407，其 30M 條指令/s（30MIPS）的處理速度，使TMS320LF2407 DSP可提供遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)16位微處理器的性能。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)Fig.1 Experiment system configuration

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

IGBT廣泛應(yīng)用于小體積、低噪聲、高性能的電源、通用變頻器、伺服控制、不間斷電源等裝置中。本系統(tǒng)的IGBT選用的型號(hào)為東芝公司的MG25Q6ES42，其容量規(guī)格為1200 V/25 A。

驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的要求是能向IGBT提供適當(dāng)?shù)恼驏艠O電壓和反向柵極電壓。正向柵極電壓是IGBT的開通電壓，一般為+15 V。在IGBT關(guān)斷期間，應(yīng)給處于截止?fàn)顟B(tài)的IGBT加一反向柵極電壓，使IGBT在柵極出現(xiàn)開關(guān)噪聲時(shí)仍能可靠截止。反向柵極電壓一般取-5V。

本設(shè)計(jì)中采用EXB841驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片可用于驅(qū)動(dòng)小于1200V/300A的IGBT。EXB841內(nèi)部有過流保護(hù)電路和過流保護(hù)輸出端子，單電源+20 V供電，為IGBT提供+15 V/-5 V的開通/關(guān)斷電平，如圖2所示。

EXB841 管腳（2）：驅(qū)動(dòng)模塊工作電源+20V；管腳（3）：輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)；管腳（5）：過流保護(hù)輸出，過流時(shí)經(jīng)光耦輸出過流信號(hào) Pi；管腳（6）：集電極電壓監(jiān)測(cè)；管腳（14）：驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入（-）；管腳（15）：驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入（+）。

圖2 IGBT驅(qū)動(dòng)電路Fig.2 IGBT driving circuit

圖3 PWM信號(hào)檢測(cè)電路Fig.3 Detecting circuit for PWM signals

2.2 檢測(cè)及故障報(bào)警電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)IGBT的6路信號(hào)是由DSP經(jīng)運(yùn)算后發(fā)出的，為防止IGBT的同一橋臂上下兩管發(fā)生直通，需對(duì)控制同一橋臂的兩路PWM信號(hào)檢測(cè)，檢測(cè)電路如圖3所示。DSP發(fā)出的6路PWM信號(hào)經(jīng)光耦TLP559隔離后，變?yōu)檩敵鲂盘?hào)O1—O6。其中O1、O2對(duì)應(yīng)A相橋臂控制，O3、O4對(duì)應(yīng)B相橋臂控制，O5、O6對(duì)應(yīng)C相橋臂控制。當(dāng)對(duì)應(yīng)同一橋臂的兩路信號(hào)都為低電平0時(shí)，此時(shí)為故障信號(hào)，兩路信號(hào)作為或非門SN74LS02的輸入，SN74LS02的輸出為高電平1，然后經(jīng)或非門SN74LS260、SN74LS14發(fā)出報(bào)警信號(hào)Ppwm，DSP將封鎖IGBT；當(dāng)信號(hào)O1-O6為正常工作信號(hào)時(shí)，信號(hào)被送入死區(qū)生成電路，然后去驅(qū)動(dòng)IGBT。

系統(tǒng)選用HNC025A霍爾電流傳感器進(jìn)行電流檢測(cè)，HNC025A是利用霍爾效應(yīng)和磁平衡原理的一種多量程電流傳感器，能測(cè)量直流、交流及各種脈沖電流。工作原理是初級(jí)電流產(chǎn)生的磁通量與霍爾電壓經(jīng)放大產(chǎn)生的次級(jí)電流通過次級(jí)線圈產(chǎn)生的磁通量相平衡。次級(jí)電流精確地反映初級(jí)電流。

式中：Ip為初級(jí)電流；Np為初級(jí)匝數(shù)；Is為次級(jí)電流；Ns為次級(jí)匝數(shù)。

HNC025A霍爾電流傳感器的參數(shù)如表1所示。

表1 電流傳感器參數(shù)Tab.1 Parameters of current sensor

數(shù)字信號(hào)處理器DSP的引腳輸入電壓范圍不允許超過+3.3 V，通過圖4，將電機(jī)電流的幅值變換成電壓信號(hào)送入DSP處理器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，讀出瞬時(shí)電流值，然后進(jìn)行運(yùn)算。本系統(tǒng)中，霍爾電流傳感器初級(jí)和次級(jí)線圈的匝數(shù)選為1/1000，經(jīng)檢測(cè)變換，電機(jī)的實(shí)際電流與送入DSP的電壓信號(hào)之間的理論對(duì)應(yīng)關(guān)系為：電流+25 A轉(zhuǎn)換成+3.3 V；電流0A轉(zhuǎn)換成+1.65 V；電流-25A轉(zhuǎn)換成0 V。

圖4 電流檢測(cè)電路Fig.4 Circuit for current sampling

直流母線過電壓、欠壓檢測(cè)電路如圖5所示，經(jīng)過電阻分壓輸入到電壓比較器LM339輸入端，當(dāng)直流母線電壓高于電壓上限，電壓比較器LM339輸出低電平，經(jīng)過光電耦合器U1輸出過壓信號(hào)Puh。同理，當(dāng)直流母線電壓低于電壓下限，光電耦合器U2輸出欠壓信號(hào)PuL。

圖5 母線電壓檢測(cè)電路Fig.5 Detecting circuit for busbar vo ltage

故障報(bào)警電路如圖6所示，檢測(cè)到的PWM直通報(bào)警信號(hào)Ppwm、過流信號(hào)Pi、過壓信號(hào)Puh、欠壓信號(hào)PuL經(jīng)與非門、觸發(fā)器、光耦送給DSP。并發(fā)出封鎖信號(hào)OE，封鎖PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖6 故障報(bào)警電路Fig.6 Circuit for ma lfunction a larm

2.3 死區(qū)電路設(shè)計(jì)

為防止同一橋臂上下兩管的直通，在硬件上設(shè)計(jì)了死區(qū)電路，對(duì)信號(hào)的電平跳變進(jìn)行延時(shí)，死區(qū)電路如圖7所示，死區(qū)電路是利用電容充放電來完成的。當(dāng)輸入端由低變高時(shí)，通過電容充電延時(shí)，輸出在電容充電后才變?yōu)楦?，?dāng)輸入端由高變低時(shí)，電容上儲(chǔ)存的電能經(jīng)由快速恢復(fù)二極管迅速放電。死區(qū)時(shí)間的大小由電阻和電容共同決定。這里二極管選用肖特基二極管1N5818。

信號(hào)O1-O6經(jīng)反相緩沖器74LS240送入死區(qū)延時(shí)電路，經(jīng)一片74LS240取反，信號(hào)變成U1-U6，信號(hào)U1-U6將作為IGBT驅(qū)動(dòng)芯片EXB841的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入。系統(tǒng)的控制芯片是TMS320LF2407，這款芯片是為滿足運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。把一個(gè)高性能的DSP內(nèi)核與微處理器的片內(nèi)外設(shè)集成為一個(gè)芯片。其目前已成為傳統(tǒng)的微控制單元和昂貴的多片設(shè)計(jì)的一種廉價(jià)替代產(chǎn)品。

圖7 死區(qū)電路Fig.7 Dead time circuit

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本系統(tǒng)的有效性，將三相異步電機(jī)作為控制對(duì)象，進(jìn)行PWM驅(qū)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)，電機(jī)型號(hào)為112YR，額定功率：1.1 kW，額定電壓為380 V，定子額定電流為3.9A。異步電機(jī)拖動(dòng)同軸連接的直流發(fā)電機(jī)組，直流發(fā)電機(jī)電樞回路串入電阻，勵(lì)磁線圈接成他勵(lì)形式，對(duì)直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流進(jìn)行切換，當(dāng)接通勵(lì)磁電流時(shí)模擬加負(fù)載。異步電動(dòng)機(jī)的給定轉(zhuǎn)速800 r/min。圖8是異步電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到800 r/min穩(wěn)定運(yùn)行后，突加負(fù)載，電機(jī)轉(zhuǎn)速的響應(yīng)曲線。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，響應(yīng)速度較快。

圖8 突加負(fù)載響應(yīng)曲線Fig.8 Response curve when load increasing

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了基于MG25Q6ES42 IGBT模塊的變頻器硬件系統(tǒng)，包括IGBT驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路、故障報(bào)警電路、死區(qū)電路。給出了硬件電路的原理圖，對(duì)硬件的原理進(jìn)行了分析。在此平臺(tái)上進(jìn)行了異步電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)具有有效性和可行性，對(duì)變頻器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

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