CN101834558A

CN101834558A - 交流异步电机矢量控制器

Info

Publication number: CN101834558A
Application number: CN200910260251A
Authority: CN
Inventors: 万晓凤; 黄菊花; 肖京; 胡海林; 吴建平
Original assignee: Nanchang University
Current assignee: Nanchang University
Priority date: 2009-12-28
Filing date: 2009-12-28
Publication date: 2010-09-15

Abstract

一种交流异步电机矢量控制器，包括控制芯片、驱动电路、三相逆变电路、霍尔传感器、放大滤波电路，其特征是在控制芯片与驱动电路之间接入PWM输出硬件互锁电路，并将驱动电路的IGBT过流信号反馈给PWM输出硬件互锁电路；在电流采样电路的放大滤波电路的输出端并接定子电流过流信号产生电路，并将定子电流过流信号反馈给PWM输出硬件互锁电路；在IGBT模块的底部加一个温度传感器，其信号输入至控制芯片的A/D端口，并由控制芯片的通用输入输出端口控制散热风扇的运转。本发明能有效地实现对IGBT模块欠压保护、电流过流保护，实现IGBT软关断及电机定子电流过流的保护功能。

Description

交流异步电机矢量控制器

技术领域

本发明属于动力装置领域，特别涉及电动汽车交流异步电动机矢量变频调速系统IGBT模块的保护。

技术背景

交流异步电机矢量控制器主要组成部分为：电动机、逆变器以及电池组这三大部分。IGBT模块的内部结构为逆变桥，即逆变器的核心，其使用寿命的长短直接影响到整个控制器的使用寿命，且IGBT模块的费用占逆变器的三分之二。

在设计IGBT驱动电路时有以下几个难点：

1)由于IGBT模块长时间工作时，会发出大量的热量，而引起IGBT过热损坏。

2)栅极正向驱动电压的大小将对电路性能产生重要影响，必须正确选择。当正向驱动电压增大时，IGBT的导通电阻下降，使开通损耗减小；但若正向驱动电压过大则负载短路时其短路电流IC随UGE增大而增大，可能使IGBT出现擎住效应，导致门控失效，从而造成IGBT的损坏；若正向驱动电压过小会使IGBT退出饱和导通区而进入线性放大区域，使IGBT过热损坏。

3)一般来说，IGBT在10μS内最大可承受2倍的额定电流，但是经常承受过电流会使器件过早老化，故IGBT过流时，采用软关断方法使栅极电压在2μS-5μS的时间内降至零电压，由于瞬时封锁栅极电压会使di/dt很大，在IGBT两端产生很高的尖峰电压，极易损坏IGBT。

4)在变频器运转时，当电机定子电流出现过流时，不仅会影响电机的使用寿命甚至是将电机烧坏，也将对IGBT模块的使用寿命造成影响。

因此，IGBT的驱动和保护电路是电路设计的难点和重点。为解决这个问题，国内外IGBT厂家开发出众多IGBT驱动模块。然而，国内大多数厂家的模块系列价格便宜但是软关断，电流过流和电压欠压保护功能不齐全；而国外的模块系列功能齐全，往往价格高昂。而应用Agilent公司的HCPL-316J门极驱动光耦结合TMS320LF2407A组合为一种可靠的IGBT驱动电路，为驱动电路的可靠工作提供了保护，软关断，电流过流和电压欠压保护功能齐全，而且价格比较低廉。

发明内容：

本发明的目的是提出一种实现对IGBT模块欠压保护、电流过流保护，实现IGBT软关断及电机定子电流过流的保护功能的技术方案。

本发明是通过以下技术方案实现的。参见附图1

在控制芯片(TMS320LF2407A)与驱动电路之间接入PWM输出硬件互锁电路(附图4)，并将驱动电路的IGBT过流信号反馈给PWM输出硬件互锁电路；在电流采样电路的放大滤波电路的输出端并接定子电流过流信号产生电路(附图5)，并将定子电流过流信号反馈给PWM输出硬件互锁电路；PWM输出硬件互锁电路再产生一保护信号，输入至控制芯片的PDPINTB端口。在IGBT模块的底部加一个温度传感器，其信号输入至控制芯片的A/D端口，并由控制芯片的通用输入输出端口控制散热风扇的运转。

本发明所述的PWM输出硬件互锁电路(参见图4所示)由芯片GAL16V8D、电阻R1、R2、R3、电容C1组成。芯片的管脚1依次连接R2、R1再接地，R2、R1连接端连接到控制芯片(TMS320LF2407A)的PDPINTB端口；芯片的管脚2通过R3连接到3.3V电源，其管脚10、11连接后接地，管脚20接5V电源，并通过C1接地，管脚1与管脚19连接。

本发明所述的定子电流过流信号产生电路(参见附图5所示)由滑动变阻器R1、R2，电压比较器U1A、U1B组成。两滑动变阻器串联，串联后一端接3.3V电源，另一端接地；滑动变阻器R2输出端连接比较器U1A正向输入端，滑动变阻器R1输出端连接比较器U1B负向输入端；U1A负向输入与U1B正向输入并联，并与经过放大滤波及电压偏置后定子电流信号VI连接；U1A与U1B输出并联。

本发明对IGBT模块实现三重保护：

(1)IGBT模块过热保护，由于IGBT模块长时间工作时，会产生大量的热量，为防止IGBT过热而损坏，在IGBT模块的底部加一个温度传感器，通过实时检测温度变化，来控制散热风扇的运转，以保护IGBT模块。

(2)IGBT模块欠压保护及过流保护，本发明采用Agilent公司的HCPL-316J构成的IGBT的驱动及保护电路，完成对IGBT模块的驱动、欠压保护、过流保护并实现对IGBT模块软关断。(附图3)

(3)在变频器运转时，当电机定子电流出现过流时，不仅会影响电机的使用寿命甚至是将电机烧坏，而且对IGBT模块的使用寿命造成影响。当定子电流过流时，定子电流过流信号产生电路将产生一低电平有效的报警信号；而当IGBT模块过流时，HCPL-316J也将产生一个过流保护信号。两个信号送入PWM输出硬件互锁电路操作后，送入TMS320LF2407A事件管理器外部中断引脚，完成本发明的第三重保护。

TMS320LF2407A事件管理器外部中断程序流程(如附图6所示)为：进入中断后保护现场→关PWM输出→查询故障种类→屏蔽PDPINT中断→恢复现场→退出中断。

控制芯片(TMS320LF2407A)对IGBT模块的底部温度的控制流程(如附图2所示)为：对IGBT模块的底部温度进行检测，高于48℃时，开启冷却风扇；低于38℃时，关闭冷却风扇；高于70℃时报警，输出转矩减半；温度继续上升高于80℃时5秒内封锁控制器输出；转矩减半后温度下降到65℃，系统恢复5秒后正常。

附图说明

图1为矢量控制器结构示意图。

图2为IGBT模块温度保护流程图。

图3为IGBT模块驱动电路图。

图4为PWM输出硬件互锁电路图。

图5为定子电流过流信号产生电路图。

图6为TMS320LF2407A事件管理器外部中断流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

实施例。

本实施例如图1所示，控制器包括控制芯片TMS320LF2407A、PWM输出硬件互锁电路、驱动电路、三相逆变电路、电机、霍尔传感器、放大滤波电路、定子电流过流信号产生电路、温度传感器、风扇等。控制芯片TMS320LF2407A通过PWM端口，依次与PWM输出硬件互锁电路、驱动电路、三相逆变电路、电机连接；霍尔传感器通过提取电机定子电流后，通过放大滤波电路连接至控制芯片TMS320LF2407A的A/D端口，放大滤波电路同时通过定子电流过流信号产生电路连接至PWM输出硬件互锁电路；温度传感器置于IGBT模块的底部其信号输入至控制芯片的A/D端口，并由控制芯片的通用输入输出端口控制散热风扇的运转。

点火信号控制三相逆变电路启动，启动后控制器将油门给定信号将分解成两个相互垂直而且独立的直流信号励磁电流分量及转矩分量，然后通过控制芯片TMS320LF2407A计算合成6路PWM信号控制三相逆变电路。电流反馈信号经坐标变换后，连同速度反馈信号一起传送到控制器，对直流控制信号进行修正。

温度传感器将IGBT模块的底部温度传递给控制芯片，控制器作如下处理：高于48℃时，开启冷却风扇；低于38℃时，关闭冷却风扇；高于70℃时报警，将输出转矩减半；温度继续上升高于80℃时5秒内封锁控制器输出；转矩减半后温度下降到65℃，系统恢复5秒后正常。流程图如附图2所示。

本实施例的驱动电路采用Agilent公司的HCPL-316J构成的IGBT的驱动及保护电路，以完成对IGBT模块的驱动、欠压保护、过流保护并实现对IGBT模块软关断。

驱动芯片HCPL-316J内部集成了集电极发射极电压欠饱和检测电路及故障状态反馈电路，为驱动电路的可靠工作提供了保护。通过控制芯片TMS320LF2407A产生PWM控制信号，送入HCPL-316J经过隔离放大后，输出控制两个MOS管通断，通过两个MOS管通断控制IGBT开启所需正电压以及关断所需负电压的产生。同时，HCPL-316J还集成了两种保护功能，欠压保护和过流保护，并且还有软关断功能。在过流保护时将输出驱动信号封锁，输出一个低电平有效的报警信号。欠压保护在故障消失后可自动恢复正常，而恢复过流保护则需将HCPL-316J重新复位。由于各种尖峰干扰的存在，为避免频繁的保护影响开关电源的正常工作，设立了盲区。在延迟时间内，如果过流信号消失，则驱动器认为这种过流不属于真正的短路，无需中断电源的正常工作，从而恢复原来的驱动电平。如果过流信号继续存在，则将进入软关断的进程。软关断开始后，驱动器封锁输入PWM信号，即使PWM信号变成低电平，也不会立即将输出拉到正常的负电平，则继续软关断过程。本实施例延迟时间设置在6μS。

HCPL-316J脚1、脚6接2407引脚出来的FAULT信号，经过电容C2与地相连；脚2经过电阻R6接2407引脚出来的VH信号；脚3接+5V电源；脚4、脚8接地；脚5经过电阻R5与+5V电源相连，保持高电平，通过外部的接触器相连；脚9、脚10经过二极管D3与-9V电源相连；脚11经过二极管D2都与+15V电源相连；脚12、脚13与Q1、Q2的控制脚2相连；脚14经过二极管D1和电阻R1与IGBT集电极相连；脚16与+15V和-9V的共地相连，作为基准电压；如附图3所示。

当VH输入为低电平时，HCPL-316J引脚11输出为高电平，使得Q1导通，Q2截至，UPOUT输出为+15V，IGBT模块导通；当VH输入为高电平时，HCPL-316J引脚11输出为低电平，Q2导通，Q1截止，UPOUT输出为-9V，IGBT模块关断。当IGBT欠压时，即13引脚上电压小于13V时，欠压锁定激活，输出一直保持低电平，封锁IGBT模块，以免在过低的栅射电压下IGBT模块误导通烧毁；当13引脚上电压大于13V时，退出保护。当IGBT模块在导通时发生过流，由于IGBT模块的固有特性，Vce急剧升高，超过IGBT模块的Uce保护电压7V，即P1端电压超过7V，则HCPL-316J输出低电平，关断IGBT模块，同时FAULT脚输出低电平报警信号，FAULT脚一直保持低电平信号，直到HCPL-316J重新复位。

当IGBT模块出现过流故障或者电机定子电流过流时，会分别产生两路报警信号，IGBT模块过流时，驱动芯片HCPL-316J产生低电平有效报警信号，并送入PWM输出硬件互锁电路的GAL16V8D引脚2，如附图4所示；定子电流过流时，定子电流大于V1时，比较器U1A输出为低电平；当定子电流小于V2时，比较器U1B输出为低电平时，如附图5所示。当定子电流大于V1或者小于V2时比较器输出一个低电平信号，即定子电流绝对值大于一定值后，比较器会输出一个低电平信号比较器电路，也会给出一个低电平有效的报警信号，送入GAL16V8D引脚3，如附图4所示。两路报警信号经过逻辑器件进行与操作后得到一个低电平信号，连接到TMS320LF2407A事件管理器B的功率驱动保护中断引脚PDPINTB，保护中断引脚PDPINTB为低电平，TMS320LF2407A封锁PWM输出，以保护IGBT模块不被毁坏，TMS320LF2407A分析出故障原因，并发送故障代码，接着屏蔽中断，引脚PDPINTB为高电平，TMS320LF2407A解除封锁PWM输出，PWM正常输出，保护中断流程图如附图6所示。

Claims

1.一种交流异步电机矢量控制器，包括控制芯片、驱动电路、三相逆变电路、霍尔传感器、放大滤波电路，其特征是在控制芯片与驱动电路之间接入PWM输出硬件互锁电路，并将驱动电路的IGBT过流信号反馈给PWM输出硬件互锁电路；在电流采样电路的放大滤波电路的输出端并接定子电流过流信号产生电路，并将定子电流过流信号反馈给PWM输出硬件互锁电路；在IGBT模块的底部加一个温度传感器，其信号输入至控制芯片的A/D端口，并由控制芯片的通用输入输出端口控制散热风扇的运转。

2.根据权利要求1所述的控制器，其特征是所述的PWM输出硬件互锁电路由芯片GAL16V8D、电阻R1、R2、R3、电容C1组成，芯片的管脚1依次连接R2、R1再接地，R2、R1连接端连接到控制芯片LF2407A的PDPINTB端口；芯片的管脚2通过R3连接到3.3V电源，其管脚10、11连接后接地，管脚20接5V电源，并通过C1接地，管脚1与管脚19连接。

3.根据权利要求1所述的控制器，其特征是所述的定子电流过流信号产生电路由滑动变阻器R1、R2，电压比较器U1A、U1B组成。两滑动变阻器串联，串联后一端接3.3V电源，另一端接地；滑动变阻器R2输出端连接比较器U1A正向输入端，滑动变阻器R1输出端连接比较器U1B负向输入端；U1A负向输入与U1B正向输入并联，并与经过放大滤波及电压偏置后定子电流信号VI连接；U1A与U1B输出并联。