1、PMSMpermanent magnet synchronous motor永磁同步电机驱动电路的硬件研究永磁同步电机驱动电路的硬件研究对应的是对应的是BLDC：brushless DC motor 具有梯形波反电势的无刷直流电机具有梯形波反电势的无刷直流电机第1页，共20页。优点：优点：（1）PMSM起动牵引力大起动牵引力大（2）PMSM本身的功率效率高以及功率因素高；本身的功率效率高以及功率因素高；（3）PMSM直驱系统控制性能好；直驱系统控制性能好；（4）PMSM发热小，因此电机冷却系统结构简单、体积小、噪声小；发热小，因此电机冷却系统结构简单、体积小、噪声小；（5）PMSM允许的过载电
2、流大，可靠性显著提高；允许的过载电流大，可靠性显著提高；（6）在高速范围中电机噪声明显降低；）在高速范围中电机噪声明显降低；（7）系统传动损耗明显降低，系统发热量小；）系统传动损耗明显降低，系统发热量小；（8）系统采用全封闭结构，无传动齿轮磨损、无传动齿轮噪声，免润）系统采用全封闭结构，无传动齿轮磨损、无传动齿轮噪声，免润滑油、免维护；滑油、免维护；（9）整个传动系统重量轻，簧下重量也比传统的轮轴传动的轻，单位）整个传动系统重量轻，簧下重量也比传统的轮轴传动的轻，单位重量的功率大；重量的功率大；（10）由于电机采用了永磁体，省去了线圈励磁，理论可节能）由于电机采用了永磁体，省去了线圈励磁，理论
3、可节能10%以上；以上；（11）由于没有齿轮箱，可对装向架系统随意设计：如柔式装向架、单）由于没有齿轮箱，可对装向架系统随意设计：如柔式装向架、单轴转向架，使列车动力性能大大提高。轴转向架，使列车动力性能大大提高。第2页，共20页。交流电输入交流电输入及滤波及滤波变压器变压器交流电压采交流电压采样样交流电流交流电流采集采集整流桥及整流桥及PFC电路电路IPM模块模块电机电流电机电流采集采集主控芯片主控芯片返回返回电路图电路图AC_IN_LAC_Cin第3页，共20页。电源电源热敏电阻热敏电阻压敏电阻压敏电阻放电管放电管热敏电阻热敏电阻作用：电路后有大电容，当作用：电路后有大电容，当电路接通时使
4、得其相当于短路，会产生电路接通时使得其相当于短路，会产生极大的电流。此时热敏电阻阻值增大缓极大的电流。此时热敏电阻阻值增大缓冲电流，当电容正常工作后继电器向下冲电流，当电容正常工作后继电器向下导通，即短掉热敏电阻导通，即短掉热敏电阻压敏电阻压敏电阻相当于一个可相当于一个可变电阻和电容并联（如变电阻和电容并联（如上），电容两侧电压不上），电容两侧电压不能突变，所以可以有效能突变，所以可以有效抑制干路的电压突变。抑制干路的电压突变。它的接入也是行业标准它的接入也是行业标准放电管放电管：当电压过高时，相当：当电压过高时，相当与短路与短路滤波电容和电感：滤掉高频干扰滤波电容和电感：滤掉高频干扰第4页，
5、共20页。单端反激式单端反激式变压器变压器瞬态抑制二极管使两极间的电压箝位于一个预定值，保护线路器件，免受各种浪涌脉冲的损坏。CE7,L5滤波防止输出脉动过大精密可调基准电源及阻容网络荣国R83 R84得到采样电压，与其自身的2.5V基准电压比较。若输出电压分压高于基准电压时，其阴极电位下降，作用于光耦，光耦副边电流增大当内部电阻R2接收到检测电流Is及反馈电流IFB后,2上的电压与内部0.23V的电压基准进行比较。高出时,过流比较器会输出一个停止工作信号给RS触发器以关断MOS管相反，当VIPer22A的反馈控制脚失馈时,即:IFB为0时,VIPer22A将满负荷工作。CE5充电以在需要时提
6、供反馈电流总结：从而比较器输出端的PWM信号对MOS管的开关控制实现对输出的稳定控制P点第5页，共20页。整流桥整流桥+PFC电路电路返回第6页，共20页。什么是PFC PFC的英文全称为“Power Factor Correction”，意思是“功率因数校正”，功率因数指的是有效功率与耗电总功率之间的关系，也就是有效功率除以耗电总功率的比值。基本上功率因数可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因素值越大，代表其电力利用率越高。因此PFC电路作用就是“提高功率因数”第7页，共20页。有功功率、无功功率、总功率有功功率、无功功率、总功率、功率因数、功率因数 举例：总功率：电机供电电路中电流和电压乘
7、积 有功功率：电机的机械输出功率 无功功率：电机为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率就称为无功功率 功率因数：有功功率/总功率显然电机的功率因数小于1，而类似于电熨斗的纯阻性发热设备功率因数为1第8页，共20页。原因原因 感性电路和容性电路中电流不能突变和电压不能突变，电压相位和电流的相位会有不同 如电路中的电压为零的时候，电流可能不为零，此时的电流可能会倒灌如电网，使电网产生额外的开销的同时也会对其造成损害。第9页，共20页。PFC驱动电路驱动电路整流桥整流桥IGBT控制控制IGBT的推的推挽输出挽输出 一对三一对三极管极管接入电感接入电感储能大电容，给后面储能大电容，给后面的负载提供电能
8、，电的负载提供电能，电感为其充电感为其充电二极管前后电压波形二极管前后电压波形注释：谐波注释：谐波在实际的供电系统中，由于有非线性负荷的存在，当电流流过与所加电压不呈线性关系的负荷时，在实际的供电系统中，由于有非线性负荷的存在，当电流流过与所加电压不呈线性关系的负荷时，就形成非正弦电流。任何周期性波形均可分解为一个基频正弦波加上许多谐波频率的正弦波。谐波频率是基频的整就形成非正弦电流。任何周期性波形均可分解为一个基频正弦波加上许多谐波频率的正弦波。谐波频率是基频的整倍数，例如基频为倍数，例如基频为50Hz，二次谐波为，二次谐波为100Hz，三次谐波则为，三次谐波则为150Hz。危害危害增加了发
9、、输、供和用电设备的附加损耗，使设备过热，降低设备的效率和利用率。增加了发、输、供和用电设备的附加损耗，使设备过热，降低设备的效率和利用率。PWM脉宽调制信脉宽调制信号输入号输入错误输出错误输出由于电容两侧电压不能突变和电感两侧电流不能突由于电容两侧电压不能突变和电感两侧电流不能突变的作用变的作用IGBT突然开和关可以抬高突然开和关可以抬高P点电压以应电点电压以应电机需要；由于机需要；由于D4二极管单向导通，电流波形如二极管单向导通，电流波形如左图（尖峰式），会产生对系统有害的谐波。通过左图（尖峰式），会产生对系统有害的谐波。通过对对IGBT复杂复杂PWM的控制把其变成与前面类似的正的控制把其
10、变成与前面类似的正弦波。即完成功率因数校正弦波。即完成功率因数校正电流电压不电流电压不同步了同步了采样电流错采样电流错误检测误检测第10页，共20页。交流电压采集220V 分压电阻防止电压过高通过集成运算放大器的虚短虚断计算，若没有下面的3.3V和GND的并联，ACVin为-1.6+1.6的正弦波，因为后面接了芯片的AD采集，而其只能采集0+3.3的范围，所以用接点处的+1.6V给其抬高至03.2V左右第11页，共20页。电流采集接到整流桥的负端采到的是整个直流回路的电流虽然采的是电流，但同样利用运放的虚短虚断原理计算出AC-C点电压=负8.2倍的AC-Cin的电压，然后通过芯片采集的AC-C
11、电压来反推出AC-Cin电流即可限压二极管防止烧坏芯片第12页，共20页。逆变器逆变器整流后的直流电整流后的直流电6路控制信路控制信号号错误输出错误输出过流保护过流保护输入输入驱动电机的三驱动电机的三项交流电项交流电三项交流电三项交流电的负端的负端IPM：智能功率模块，把功率开关器件和：智能功率模块，把功率开关器件和驱动电路集成在一起。内部有过压，过流驱动电路集成在一起。内部有过压，过流和过热等故障检测电路和过热等故障检测电路其中一个过流保护电路其中一个过流保护电路三项输出电流采集：三项输出电流采集：计算方法同前，通过运计算方法同前，通过运放把采来的电压放大接放把采来的电压放大接入入AD采集，
12、再反推出采集，再反推出采集电流采集电流驱动电源的正驱动电源的正负端子负端子第13页，共20页。其内部可以等效成如下其内部可以等效成如下IGBT的控制1.当Sa+导通,Sa-关闭时，ia正向导通2.当Sa-导通,Sa+关闭时，ia负向导通续流二极管1.不能让Sa+和 同时切换，电流突然变向伤电机2.当Sa+关闭，Sa-依然关闭时，电流依然可以通过续流二极管继续正向流通3.浪涌续流二极管：以一个臂为例通过六个IGBT的开关控制，可以输出极值为+-VBB三项交流电，以此驱动电机产生与正弦三项交流电相同的效果，从而调控转速（如右示意图）第14页，共20页。IPM模块内部结构模块内部结构吸收电路用以控制
13、关断浪涌电压和续流二极管恢复浪涌电压；压敏电阻同样起到稳定电压，吸收浪涌作用；低感电容跨接在交流电输出和VCC之间；二极管箝住瞬变电压保护电路，防止过压。UV欠压保护检测错误保护，内部三个保护模块，任意一个发出错误信号，场效应管漏极源极导通，FO输出低电平错误信号，同时Shoot Through Prevention得到信号关闭IGBT以保护温度保护过流保护保护贯穿预防：避免了两个栅极信号状态的同时贯通打开IGBT第15页，共20页。THE ENDBY liguangxu第16页，共20页。关于浪涌关于浪涌a.关断浪涌关断浪涌 关断浪涌电压是在关断瞬间流过关断浪涌电压是在关断瞬间流过IGBT
14、的电流时产生的瞬态高压。的电流时产生的瞬态高压。当该当该IGBT 关断时，负载电流不能立即关断时，负载电流不能立即变化，由上臂续流二极管导通。由于负变化，由上臂续流二极管导通。由于负载中电感的存在，其增加的电压载中电感的存在，其增加的电压 VP=LPdi/dt,这个电压与电源电源电压这个电压与电源电源电压叠加并以浪涌形式加在下臂叠加并以浪涌形式加在下臂IGBT 的两端，的两端，在极端情况下可能造成在极端情况下可能造成IGBT损坏。损坏。b.续流二极管的恢复浪涌续流二极管的恢复浪涌 当续流二极管恢复时会产生与关断浪当续流二极管恢复时会产生与关断浪涌电压相似的浪涌电压。当下臂涌电压相似的浪涌电压。
15、当下臂 IGBT 开通时，续流管电流转移到下臂开通时，续流管电流转移到下臂 IGBT 而下降。而当恢复时，线路中而下降。而当恢复时，线路中的寄生电感产生一个浪涌电压的寄生电感产生一个浪涌电压LPdi/dt.返回电流导通：直流电压直接电流导通：直流电压直接作用于变压器源边，源边作用于变压器源边，源边储存能量；断开：复变产储存能量；断开：复变产生相反电压（电流不能突生相反电压（电流不能突变），此时整流二极管导变），此时整流二极管导通，能量通过电磁作用耦通，能量通过电磁作用耦合到副边，产生正向电压合到副边，产生正向电压注释页注释页1第17页，共20页。IGBT 导通后的管压降与所加栅源电压有关导通后
16、的管压降与所加栅源电压有关,在漏源电流一定的情在漏源电流一定的情况下况下,u GS越高越高,uDS就越低就越低,器件的导通损耗就越小器件的导通损耗就越小。但是。但是,u GS并非越高越好并非越高越好,一般不允许超过一般不允许超过20V,一旦发生过流或短路一旦发生过流或短路,栅压栅压越高越高,则电流幅值越高则电流幅值越高,IGBT 损坏的可能性就越大。通常损坏的可能性就越大。通常,综合综合考虑取考虑取+15V 为宜。为宜。所以电路中用所以电路中用NPN PNP对管的推挽输出来实现栅极的对管的推挽输出来实现栅极的+15V和和0V的的驱动转换。同时，栅极驱动转换。同时，栅极R38的接入保证输入信号消
17、失时栅极电的接入保证输入信号消失时栅极电压为压为0注释页注释页2 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶，绝缘栅双极型晶体管，是由体管，是由BJT(双极型三极双极型三极管管)和和MOS(绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。功率半导体器件。返回第18页，共20页。栅极电阻栅极电阻Rg的作用：的作用：1、消除栅极振荡、消除栅极振荡 绝缘栅器件绝缘栅器件(IGBT、MOSFET)的栅射的栅射（或栅源）极之间是容性结构，栅极回路的寄生电感又是不可避免的，如果（或栅源）极之间是容性结
18、构，栅极回路的寄生电感又是不可避免的，如果没有栅极电阻，那栅极回路在驱动器驱动脉冲的激励下要产生很强的振荡，没有栅极电阻，那栅极回路在驱动器驱动脉冲的激励下要产生很强的振荡，因此必须串联一个电阻加以迅速衰减。因此必须串联一个电阻加以迅速衰减。2、转移驱动器的功率损耗、转移驱动器的功率损耗 电容电感都是无功元件，如果没有栅极电电容电感都是无功元件，如果没有栅极电阻，驱动功率就将绝大部分消耗在驱动器内部的输出管上，使其温度阻，驱动功率就将绝大部分消耗在驱动器内部的输出管上，使其温度上升很多上升很多注释页注释页3返回IGBT 与强电网有直接电联系与强电网有直接电联系,因此因此,驱驱动器控制电路具有电
19、隔离能力可以保证动器控制电路具有电隔离能力可以保证设备的正常工作设备的正常工作,同时又可安全调试，同时又可安全调试，但不应影响驱动信号的正常传输。但不应影响驱动信号的正常传输。PWM通过驱动芯片通过驱动芯片IR2127的隔离，使的隔离，使得输出段得输出段HO使信号变为使信号变为015V。对管。对管和驱动芯片也保证了和驱动芯片也保证了IGBT出现损坏引出现损坏引起的大电流不会影响到前面的电路起的大电流不会影响到前面的电路第19页，共20页。驱动电阻驱动电阻Rg的选取的选取 IGBT 的开关时间是由驱动器对的开关时间是由驱动器对IGBT 的输入电容的充放的输入电容的充放电来控制电来控制,增加门极输
20、出电流增加门极输出电流,IGBT 开通时间和关断时间会相应缩短开通时间和关断时间会相应缩短,开关损开关损耗也会降低耗也会降低,Rg主要是用来限制门极输出的降值电流主要是用来限制门极输出的降值电流,Rg可由下式确定可由下式确定:Rg=U/Ipeak，(Ipeak=(Vbat-Vceon)/Rcoil一般可以在驱动器数据文档中找一般可以在驱动器数据文档中找到。到。)可如下选取：可如下选取：IGBT额定电流额定电流(A)分别：分别：50 100 200 300 Rg阻值范围阻值范围()分别：分别：1020 5.610 3.97.5 35.6本作中本作中IGBT所用的所用的GW20NC60VD绝对最大额定绝对最大额定Ic 为为 30（100）60A（25）注释页注释页4返回 3、为提高开关频率、为提高开关频率,Rg 取值应该取值应该尽量小。但如果尽量小。但如果Rg 取值过小取值过小,会导致会导致栅、射极之间的充放电时间常数小栅、射极之间的充放电时间常数小,开开通瞬间电流较大通瞬间电流较大,从而损坏从而损坏IGBT;若若Rg 取值过大取值过大,虽然在抑制虽然在抑制dv/dt方面很方面很有效果有效果,但增但增加了加了IGBT的开关时间和开关损耗的开关时间和开关损耗,严重严重影响影响IGBT的性能和工作状态。的性能和工作状态。因此必因此必须统筹兼顾。须统筹兼顾。第20页，共20页。
