專利名稱：交流異步電機(jī)矢量控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于動(dòng)力裝置領(lǐng)域，特別涉及電動(dòng)汽車交流異步電動(dòng)機(jī)矢量變頻調(diào)速系統(tǒng)IGBT模塊的保護(hù)。
背景技術(shù)：
交流異步電機(jī)矢量控制器主要組成部分為電動(dòng)機(jī)、逆變器以及電池組這三大部 分。IGBT模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為逆變橋，即逆變器的核心，其使用壽命的長短直接影響到整個(gè)控 制器的使用壽命，且IGBT模塊的費(fèi)用占逆變器的三分之二。在設(shè)計(jì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路時(shí)有以下幾個(gè)難點(diǎn)1)由于IGBT模塊長時(shí)間工作時(shí)，會(huì)發(fā)出大量的熱量，而引起IGBT過熱損壞。2)柵極正向驅(qū)動(dòng)電壓的大小將對電路性能產(chǎn)生重要影響，必須正確選擇。當(dāng)正向 驅(qū)動(dòng)電壓增大時(shí)，IGBT的導(dǎo)通電阻下降，使開通損耗減??；但若正向驅(qū)動(dòng)電壓過大則負(fù)載 短路時(shí)其短路電流IC隨UGE增大而增大，可能使IGBT出現(xiàn)擎住效應(yīng)，導(dǎo)致門控失效，從而 造成IGBT的損壞；若正向驅(qū)動(dòng)電壓過小會(huì)使IGBT退出飽和導(dǎo)通區(qū)而進(jìn)入線性放大區(qū)域，使 IGBT過熱損壞。3) 一般來說，IGBT在10 μ S內(nèi)最大可承受2倍的額定電流，但是經(jīng)常承受過電流 會(huì)使器件過早老化，故IGBT過流時(shí)，采用軟關(guān)斷方法使柵極電壓在2 μ S-5 μ S的時(shí)間內(nèi)降 至零電壓，由于瞬時(shí)封鎖柵極電壓會(huì)使di/dt很大，在IGBT兩端產(chǎn)生很高的尖峰電壓，極易 損壞IGBT。4)在變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)電機(jī)定子電流出現(xiàn)過流時(shí)，不僅會(huì)影響電機(jī)的使用壽命甚 至是將電機(jī)燒壞，也將對IGBT模塊的使用壽命造成影響。因此，IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路是電路設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。為解決這個(gè)問題，國內(nèi)外 IGBT廠家開發(fā)出眾多IGBT驅(qū)動(dòng)模塊。然而，國內(nèi)大多數(shù)廠家的模塊系列價(jià)格便宜但是軟 關(guān)斷，電流過流和電壓欠壓保護(hù)功能不齊全；而國外的模塊系列功能齊全，往往價(jià)格高昂。 而應(yīng)用Agilent公司的HCPL-316J門極驅(qū)動(dòng)光耦結(jié)合TMS320LF2407A組合為一種可靠的 IGBT驅(qū)動(dòng)電路，為驅(qū)動(dòng)電路的可靠工作提供了保護(hù)，軟關(guān)斷，電流過流和電壓欠壓保護(hù)功能 齊全，而且價(jià)格比較低廉。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種實(shí)現(xiàn)對IGBT模塊欠壓保護(hù)、電流過流保護(hù)，實(shí)現(xiàn)IGBT軟 關(guān)斷及電機(jī)定子電流過流的保護(hù)功能的技術(shù)方案。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。參見附圖1在控制芯片(TMS320LF2407A)與驅(qū)動(dòng)電路之間接入PWM輸出硬件互鎖電路(附 圖4)，并將驅(qū)動(dòng)電路的IGBT過流信號反饋給P麗輸出硬件互鎖電路；在電流采樣電路的放 大濾波電路的輸出端并接定子電流過流信號產(chǎn)生電路(附圖5)，并將定子電流過流信號反 饋給PWM輸出硬件互鎖電路；PWM輸出硬件互鎖電路再產(chǎn)生一保護(hù)信號，輸入至控制芯片的PDPINTB端口。在IGBT模塊的底部加一個(gè)溫度傳感器，其信號輸入至控制芯片的A/D端口， 并由控制芯片的通用輸入輸出端口控制散熱風(fēng)扇的運(yùn)轉(zhuǎn)。本發(fā)明所述的PWM輸出硬件互鎖電路(參見圖4所示)由芯片GAL16V8D、電阻R1、 R2、R3、電容Cl組成。芯片的管腳1依次連接R2、R1再接地，R2、R1連接端連接到控制芯片 (TMS320LF2407A)的PDPINTB端口 ；芯片的管腳2通過R3連接到3. 3V電源，其管腳10、11 連接后接地，管腳20接5V電源，并通過Cl接地，管腳1與管腳19連接。本發(fā)明所述的定子電流過流信號產(chǎn)生電路(參見附圖5所示)由滑 動(dòng)變阻器R1、 R2，電壓比較器U1A、UlB組成。兩滑動(dòng)變阻器串聯(lián)，串聯(lián)后一端接3. 3V電源，另一端接地； 滑動(dòng)變阻器R2輸出端連接比較器UlA正向輸入端，滑動(dòng)變阻器Rl輸出端連接比較器UlB 負(fù)向輸入端；UlA負(fù)向輸入與UlB正向輸入并聯(lián)，并與經(jīng)過放大濾波及電壓偏置后定子電流 信號VI連接；UlA與UlB輸出并聯(lián)。本發(fā)明對IGBT模塊實(shí)現(xiàn)三重保護(hù)(I)IGBT模塊過熱保護(hù)，由于IGBT模塊長時(shí)間工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，為防止 IGBT過熱而損壞，在IGBT模塊的底部加一個(gè)溫度傳感器，通過實(shí)時(shí)檢測溫度變化，來控制 散熱風(fēng)扇的運(yùn)轉(zhuǎn)，以保護(hù)IGBT模塊。(2) IGBT模塊欠壓保護(hù)及過流保護(hù)，本發(fā)明采用Agi 1 ent公司的HCPL-316J構(gòu)成的 IGBT的驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路，完成對IGBT模塊的驅(qū)動(dòng)、欠壓保護(hù)、過流保護(hù)并實(shí)現(xiàn)對IGBT模塊 軟關(guān)斷。(附圖3)(3)在變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)電機(jī)定子電流出現(xiàn)過流時(shí)，不僅會(huì)影響電機(jī)的使用壽命甚 至是將電機(jī)燒壞，而且對IGBT模塊的使用壽命造成影響。當(dāng)定子電流過流時(shí)，定子電流過 流信號產(chǎn)生電路將產(chǎn)生一低電平有效的報(bào)警信號；而當(dāng)IGBT模塊過流時(shí)，HCPL-316J也將 產(chǎn)生一個(gè)過流保護(hù)信號。兩個(gè)信號送入PWM輸出硬件互鎖電路操作后，送入TMS320LF2407A 事件管理器外部中斷引腳，完成本發(fā)明的第三重保護(hù)。TMS320LF2407A事件管理器外部中斷程序流程(如附圖6所示)為進(jìn)入中斷后 保護(hù)現(xiàn)場一關(guān)PWM輸出一查詢故障種類一屏蔽PDPINT中斷一恢復(fù)現(xiàn)場一退出中斷?？刂菩酒?TMS320LF2407A)對IGBT模塊的底部溫度的控制流程(如附圖2所示) 為對IGBT模塊的底部溫度進(jìn)行檢測，高于48°C時(shí)，開啟冷卻風(fēng)扇；低于38°C時(shí)，關(guān)閉冷卻 風(fēng)扇；高于70°C時(shí)報(bào)警，輸出轉(zhuǎn)矩減半；溫度繼續(xù)上升高于80°C時(shí)5秒內(nèi)封鎖控制器輸出； 轉(zhuǎn)矩減半后溫度下降到65°C，系統(tǒng)恢復(fù)5秒后正常。


圖1為矢量控制器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為IGBT模塊溫度保護(hù)流程圖。圖3為IGBT模塊驅(qū)動(dòng)電路圖。圖4為PWM輸出硬件互鎖電路圖。圖5為定子電流過流信號產(chǎn)生電路圖。圖6為TMS320LF2407A事件管理器外部中斷流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
進(jìn)一步說明本發(fā)明。
實(shí)施例。本實(shí)施例如圖1所示，控制器包括控制芯片TMS320LF2407A、PWM輸出硬件互鎖電 路、驅(qū)動(dòng)電路、三相逆變電路、電機(jī)、霍爾傳感器、放大濾波電路、定子電流過流信號產(chǎn)生電 路、溫度傳感器、風(fēng)扇等。控制芯片TMS320LF2407A通過PWM端口，依次與PWM輸出硬件互 鎖電路、驅(qū)動(dòng)電路、三相逆變電路、電機(jī)連接；霍爾傳感器通過提取電機(jī)定子電流后，通過放 大濾波電路連接至控制芯片TMS320LF2407A的A/D端口，放大濾波電路同時(shí)通過定子電流 過流信號產(chǎn)生電路連接至PWM輸出硬件互鎖電路；溫度傳感器置于IGBT模塊的底部其信號 輸入至控制芯片的A/D端口，并由控制芯片的通用輸入輸出端口控制散熱風(fēng)扇的運(yùn)轉(zhuǎn)。點(diǎn)火信號控制三相逆變電路啟動(dòng)，啟動(dòng)后控制器將油門給定信號將分解成兩個(gè)相 互垂直而且獨(dú)立的直流信號勵(lì)磁電流分量及轉(zhuǎn)矩分量，然后通過控制芯片TMS320LF2407A 計(jì)算合成6路PWM信號控制三相逆變電路。電流反饋信號經(jīng)坐標(biāo)變換后，連同速度反饋信 號一起傳送到控制器，對直流控制信號進(jìn)行修正。溫度傳感器將IGBT模塊的底部溫度傳遞給控制芯片，控制器作如下處理高于 48°C時(shí)，開啟冷卻風(fēng)扇；低于38°C時(shí)，關(guān)閉冷卻風(fēng)扇；高于70°C時(shí)報(bào)警，將輸出轉(zhuǎn)矩減半；溫 度繼續(xù)上升高于80°C時(shí)5秒內(nèi)封鎖控制器輸出；轉(zhuǎn)矩減半后溫度下降到65°C，系統(tǒng)恢復(fù)5 秒后正常。流程圖如附圖2所示。本實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)電路采用Agilent公司的HCPL-316J構(gòu)成的IGBT的驅(qū)動(dòng)及保護(hù) 電路，以完成對IGBT模塊的驅(qū)動(dòng)、欠壓保護(hù)、過流保護(hù)并實(shí)現(xiàn)對IGBT模塊軟關(guān)斷。驅(qū)動(dòng)芯片HCPL-316J內(nèi)部集成了集電極發(fā)射極電壓欠飽和檢測電路及故障狀態(tài) 反饋電路，為驅(qū)動(dòng)電路的可靠工作提供了保護(hù)。通過控制芯片TMS320LF2407A產(chǎn)生PWM控 制信號，送入HCPL-316J經(jīng)過隔離放大后，輸出控制兩個(gè)MOS管通斷，通過兩個(gè)MOS管通斷 控制IGBT開啟所需正電壓以及關(guān)斷所需負(fù)電壓的產(chǎn)生。同時(shí)，HCPL-316J還集成了兩種保 護(hù)功能，欠壓保護(hù)和過流保護(hù)，并且還有軟關(guān)斷功能。在過流保護(hù)時(shí)將輸出驅(qū)動(dòng)信號封鎖， 輸出一個(gè)低電平有效的報(bào)警信號。欠壓保護(hù)在故障消失后可自動(dòng)恢復(fù)正常，而恢復(fù)過流保 護(hù)則需將HCPL-316J重新復(fù)位。由于各種尖峰干擾的存在，為避免頻繁的保護(hù)影響開關(guān)電 源的正常工作，設(shè)立了盲區(qū)。在延遲時(shí)間內(nèi)，如果過流信號消失，則驅(qū)動(dòng)器認(rèn)為這種過流不 屬于真正的短路，無需中斷電源的正常工作，從而恢復(fù)原來的驅(qū)動(dòng)電平。如果過流信號繼續(xù) 存在，則將進(jìn)入軟關(guān)斷的進(jìn)程。軟關(guān)斷開始后，驅(qū)動(dòng)器封鎖輸入PWM信號，即使PWM信號變 成低電平，也不會(huì)立即將輸出拉到正常的負(fù)電平，則繼續(xù)軟關(guān)斷過程。本實(shí)施例延遲時(shí)間設(shè) 置在6 μ S。HCPL-316J腳1、腳6接2407引腳出來的FAULT信號，經(jīng)過電容C2與地相連；腳2 經(jīng)過電阻R6接2407引腳出來的VH信號；腳3接+5V電源；腳4、腳8接地；腳5經(jīng)過電阻 R5與+5V電源相連，保持高電平，通過外部的接觸器相連；腳9、腳10經(jīng)過二極管D3與-9V 電源相連；腳11經(jīng)過二極管D2都與+15V電源相連；腳12、腳13與QU Q2的控制腳2相 連；腳14經(jīng)過二極管Dl和電阻Rl與IGBT集電極相連；腳16與+15V和-9V的共地相連， 作為基準(zhǔn)電壓；如附圖3所示。當(dāng)VH輸入為低電平時(shí)，HCPL-316J引腳11輸出為高電平，使得Ql導(dǎo)通，Q2截至，UPOUT輸出為+15V，IGBT模塊導(dǎo)通；當(dāng)VH輸入為高電平時(shí)，HCPL-316J引腳11輸出為低電 平，Q2導(dǎo)通，Ql截止，UPOUT輸出為-9V，IGBT模塊關(guān)斷。當(dāng)IGBT欠壓時(shí)，即13引腳上電壓 小于13V時(shí)，欠壓鎖定激活，輸出一直保持低電平，封鎖IGBT模塊，以免在過低的柵射電壓 下IGBT模塊誤導(dǎo)通燒毀；當(dāng)13引腳上電壓大于13V時(shí)，退出保護(hù)。當(dāng)IGBT模塊在導(dǎo)通時(shí) 發(fā)生過流，由于IGBT模塊的固有特性，Vce急劇升高，超過IGBT模塊的Uce保護(hù)電壓7V，即 Pl端電壓超過7V，則HCPL-316J輸出低電平，關(guān)斷IGBT模塊，同時(shí)FAULT腳輸出低電平報(bào) 警信號，F(xiàn)AULT腳一直保持低電平信號，直到HCPL-316J重新復(fù)位。
當(dāng)IGBT模塊出現(xiàn)過流故障或者電機(jī)定子電流過流時(shí)，會(huì)分別產(chǎn)生兩路報(bào)警信號， IGBT模塊過流時(shí)，驅(qū)動(dòng)芯片HCPL-316J產(chǎn)生低電平有效報(bào)警信號，并送入PWM輸出硬件互 鎖電路的GAL16V8D引腳2，如附圖4所示；定子電流過流時(shí)，定子電流大于Vl時(shí)，比較器 UlA輸出為低電平；當(dāng)定子電流小于V2時(shí)，比較器UlB輸出為低電平時(shí)，如附圖5所示。當(dāng) 定子電流大于Vl或者小于V2時(shí)比較器輸出一個(gè)低電平信號，即定子電流絕對值大于一定 值后，比較器會(huì)輸出一個(gè)低電平信號比較器電路，也會(huì)給出一個(gè)低電平有效的報(bào)警信號，送 入GAL16V8D引腳3， 如附圖4所示。兩路報(bào)警信號經(jīng)過邏輯器件進(jìn)行與操作后得到一個(gè)低 電平信號，連接到TMS320LF2407A事件管理器B的功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷引腳PDPINTB，保護(hù) 中斷引腳PDPINTB為低電平，TMS320LF2407A封鎖PWM輸出，以保護(hù)IGBT模塊不被毀壞， TMS320LF2407A分析出故障原因，并發(fā)送故障代碼，接著屏蔽中斷，引腳PDPINTB為高電平， TMS320LF2407A解除封鎖PWM輸出，PWM正常輸出，保護(hù)中斷流程圖如附圖6所示。
權(quán)利要求
一種交流異步電機(jī)矢量控制器，包括控制芯片、驅(qū)動(dòng)電路、三相逆變電路、霍爾傳感器、放大濾波電路，其特征是在控制芯片與驅(qū)動(dòng)電路之間接入PWM輸出硬件互鎖電路，并將驅(qū)動(dòng)電路的IGBT過流信號反饋給PWM輸出硬件互鎖電路；在電流采樣電路的放大濾波電路的輸出端并接定子電流過流信號產(chǎn)生電路，并將定子電流過流信號反饋給PWM輸出硬件互鎖電路；在IGBT模塊的底部加一個(gè)溫度傳感器，其信號輸入至控制芯片的A/D端口，并由控制芯片的通用輸入輸出端口控制散熱風(fēng)扇的運(yùn)轉(zhuǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其特征是所述的PWM輸出硬件互鎖電路由芯片 GAL16V8D、電阻R1、R2、R3、電容C1組成，芯片的管腳1依次連接R2、R1再接地，R2、R1連接 端連接到控制芯片LF2407A的PDPINTB端口 ；芯片的管腳2通過R3連接到3. 3V電源，其管 腳10、11連接后接地，管腳20接5V電源，并通過C1接地，管腳1與管腳19連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其特征是所述的定子電流過流信號產(chǎn)生電路由滑動(dòng) 變阻器R1、R2，電壓比較器U1A、U1B組成。兩滑動(dòng)變阻器串聯(lián)，串聯(lián)后一端接3. 3V電源，另 一端接地；滑動(dòng)變阻器R2輸出端連接比較器U1A正向輸入端，滑動(dòng)變阻器R1輸出端連接比 較器U1B負(fù)向輸入端；U1A負(fù)向輸入與U1B正向輸入并聯(lián)，并與經(jīng)過放大濾波及電壓偏置后 定子電流信號VI連接；U1A與U1B輸出并聯(lián)。
全文摘要
一種交流異步電機(jī)矢量控制器，包括控制芯片、驅(qū)動(dòng)電路、三相逆變電路、霍爾傳感器、放大濾波電路，其特征是在控制芯片與驅(qū)動(dòng)電路之間接入PWM輸出硬件互鎖電路，并將驅(qū)動(dòng)電路的IGBT過流信號反饋給PWM輸出硬件互鎖電路；在電流采樣電路的放大濾波電路的輸出端并接定子電流過流信號產(chǎn)生電路，并將定子電流過流信號反饋給PWM輸出硬件互鎖電路；在IGBT模塊的底部加一個(gè)溫度傳感器，其信號輸入至控制芯片的A/D端口，并由控制芯片的通用輸入輸出端口控制散熱風(fēng)扇的運(yùn)轉(zhuǎn)。本發(fā)明能有效地實(shí)現(xiàn)對IGBT模塊欠壓保護(hù)、電流過流保護(hù)，實(shí)現(xiàn)IGBT軟關(guān)斷及電機(jī)定子電流過流的保護(hù)功能。
文檔編號H02P21/00GK101834558SQ20091026025
公開日2010年9月15日 申請日期2009年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月28日
發(fā)明者萬曉鳳, 吳建平, 肖京, 胡海林, 黃菊花 申請人:南昌大學(xué)