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1、PMSM permanent magnet synchronous motor永磁同步电机驱动电路的硬件研究对应的是BLDC：brushless DC motor 具有梯形波反电势的无刷直流电机优点： （1）PMSM起动牵引力大 （2）PMSM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； （4）PMSM发热小，因此电机冷却系统结构简单、体积小、噪声小 ； （5）PMSM允许的过载电流大，可靠性显著提高； （6）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； （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 润滑油、免维护； （9）
2、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； （10）由于电机采用了永磁体，省去了线圈励磁，理论可节能10% 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 、单轴转向架，使列车动力性能大大提高。交流电输 入及滤波变压器交流电压 采样交流电流 采集整流桥及 PFC电路IPM模块电机电流 采集主控芯片返回电路图AC_IN_LAC_Cin电源热敏电阻压敏电阻放电管 热敏电阻作用：电路后有大电 容，当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，即短掉热敏电阻压敏电阻相当于一个可
3、变电阻和电容并联（如 上），电容两侧电压不 能突变，所以可以有效 抑制干路的电压突变。 它的接入也是行业标准放电管：当电压过高时， 相当与短路滤波电容和电感：滤掉高频干扰单端反激式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
4、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点整流桥+PFC电路返回什么是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。
5、 因此PFC电路作用就是“提高功率因数” 有功功率、无功功率、总功率 、功率因数 举例： 总功率：电机供电电路中电流和电压乘积 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 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。PFC驱动电路整流桥IGBT 控制IGBT的推 挽输出 一对 三极管
6、接入电感储能大电容，给后面 的负载提供电能，电 感为其充电 二极管前后电压波形注释：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，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50Hz，二次谐波为100Hz，三次谐波则为150Hz。危害增加了发、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 信号输入错误输 出由于电容两侧电压不能突变和电感两侧电流不能突 变的作用IGBT突然开和关可以抬高P点电压以应电 机需要；由于D4二极管单向导通，电流波形如
7、左 图（尖峰式），会产生对系统有害的谐波。通过对 IGBT复杂PWM的控制把其变成与前面类似的正弦 波。即完成功率因数校正电流电压不 同步了采样电流 错误检测交流电压采集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-
8、C电压来反推出AC-Cin电流即可限压二极管防 止烧坏芯片逆变器整流后的直流电6路控制 信号错误输出过流保 护输入驱动电机 的三项交 流电三项交流 电的负端IPM：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，过流和过热等故障检测电路其中一个过流保护电路三项输出电流采集： 计算方法同前，通过运 放把采来的电压放大接 入AD采集，再反推出 采集电流驱动电源的 正负端子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
9、-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）IPM模块内部结构吸收电路用以控制关断浪涌电压 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 Preventio
10、n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IGBTTHE ENDBY liguangxu关于浪涌 a.关断浪涌 关断浪涌电压是在关断瞬间流过 IGBT 的电流时产生的瞬态高压。 当该IGBT 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 电源电源电压叠加并以浪涌形式加 在下臂IGBT 的两端，在极端情况 下可能造成IGBT损坏。b. 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 浪涌电压相似的浪涌电压。当下臂 IGBT 开通时，续流管电流转移到 下
11、臂 IGBT 而下降。而当恢复时， 线路中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 直接作用于变压器源 边，源边储存能量； 断开：复变产生相反 电压（电流不能突变 ），此时整流二极管 导通，能量通过电磁 作用耦合到副边，产 生正向电压注释页1IGBT 导通后的管压降与所加栅源电压有关,在漏源电流一 定的情况下, u GS越高, uDS就越低,器件的导通损耗就越小 。但是, u GS并非越高越好,一般不允许超过20V ,一旦发生 过流或短路,栅压越高,则电流幅值越高, IGBT 损坏的可能性 就越大。通常,综合考虑取+ 15V 为宜。 所以电路中用NPN PNP对管的推
12、挽输出来实现栅极的+15V 和0V的驱动转换。同时，栅极R38的接入保证输入信号消 失时栅极电压为0注释页2IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅 双极型晶体管，是由BJT(双 极型三极管)和MOS(绝缘栅 型场效应管)组成的复合全 控型电压驱动式功率半导 体器件。返回栅极电阻Rg的作用：1、消除栅极振荡 绝缘栅器件(IGBT、 MOSFET)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。2、转移驱动器的功率损耗 电
13、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 其温度上升很多注释页3返回IGBT 与强电网有直接电联系,因此 ,驱动器控制电路具有电隔离能力 可以保证设备的正常工作,同时又 可安全调试，但不应影响驱动信 号的正常传输。PWM通过驱动芯 片IR2127的隔离，使得输出段HO 使信号变为015V。对管和驱动芯 片也保证了IGBT出现损坏引起的 大电流不会影响到前面的电路驱动电阻Rg的选取 IGBT 的开关时间是由驱动器对IGBT 的输入电容 的充放电来控制, 增加门极输出电流,IGBT 开通时间和关断时间会相 应缩短,开关损耗也会降低, Rg主要是用来
14、限制门极输出的降值电流, Rg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到。) 可如下选取：IGBT额定电流(A)分别：50 100 200 300 Rg阻值范围()分别：1020 5.610 3.97.5 35.6 本作中IGBT所用的GW20NC60VD绝对最大额定Ic 为30（100）60A （25）注释页4返回3、为提高开关频率, Rg 取值应该 尽量小。但如果Rg 取值过小, 会 导致栅、射极之间的充放电时间 常数小, 开通瞬间电流较大, 从而 损坏IGBT;若Rg 取值过大, 虽然在 抑制dv/dt方面很有效果, 但增 加了IGBT的开关时间和开关损耗, 严重影响IGBT的性能和工作状态 。 因此必须统筹兼顾。
