开关磁阻电机功率电路的设计和保护

2013-09-03席艳，邵达，贡亮

实验室研究与探索 2013年8期

席艳，邵达，贡亮

(1.烟台职业学院，山东烟台264001;2.上海交通大学，上海200240)

0 引言

开关磁阻电机调速系统(Switched Reluctance Driver，SRD)由开关磁阻电动机(Switched Reluctance Motor，SRM)与微机智能控制器两部分组成，调速性能优越，目前在很多领域大量使用。其中功率变换器在整个SRD系统中占有重要的地位，如何提高SRD性能是非常关键的问题［1-3］。在设计中不仅要注意与SRM电动机的结构相匹配，而且还要控制尽量简单、成本低、效率高等特点。本文基于12/8级开关磁阻电机，以TMS320LF2407A DSP为逻辑控制与数值计算核心，设计了一套开关磁阻电机功率保护电路。

1 功率变换器主电路的设计

目前SRM电机的功率变换器主电路［4-7］的设计有很多种，设计的关键问题:①SRD功率变换器的拓扑结构设计;②主开关器件的选择及器件定额的估算。

1.1 拓扑结构设计

理想的开关磁阻电机功率变换器主电路结构应满足如下约束原则:①主开关元件数量的最小化;②电源电压主要施加于电动机的相绕组;③迅速增加相绕组电流;④主电力电子器件的电压标称额定值与电动机额定工矿匹配;⑤在绕组磁场共同增加时能向电源回馈能量;⑥实现相电流快速、精准控制。

SRD系统的功率变换器电路结构有多种，目前最常用的几种功率变换器主电路主要有双开关型主电路、电容分压型主电路、双绕组型主电路、公共开关型、H桥型主电路主电路。这些结构的区别在于去磁方式、能量回馈、元器件定额要求及适用场合均不同。本文采用三相SRD系统的主电路形式双开关型主电路(亦称三相不对称半桥型主电路)，其拓扑结构如图1所示。不对称半桥对开关器件电压容量要求较低，各相绕组电流可以分别施控，适合高电压、大电容、任意相数的SRD系统，并且控制方式比较简单。

图1 三相不对称半桥型主电路

1.2 器件选择

(1)主开关器件的选择。IGBT绝缘栅双极型晶体管兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点，驱动电路简单，是近几年国内外选择主开关器件的主流器件。因此在实验中选择IGBT作为构成SRD功率变换器的主开关器件。

(2)续流二极管的选择。为减小功率变换器的开关损耗，限制主开关和续流二极管上的电流、电压振荡和电压尖峰续流，二极管一般要求其反向恢复时间短、反向恢复电流小、具有软恢复特性，因此选型为快速恢复二极管。

(3)关键部件电气定额的选择。在器件选择时要考虑系统电压定额、电流定额要求和容量大小等因素。主开关器件的电压额定值主要取决于外施的直流电源电压Us，考虑到主开关和续流二极管开关过程中要能承受一定的瞬时过电压，所选器件的电压定额应留有安全裕量，一般来说，主开关和续流二极管的电压定额一般取其额定工作电压的2～3倍。因为开关磁阻电动机的起动能力强，因此在确定主开关器件电流定额时，只要考虑电动机运行时的一定过载倍数(一般选为1.2～1.4)。对于续流二极管而言，因其能承受较大的冲击电流，一般也以有效值电流定额作为选型依据，通常取其最大工作电流的1.5～2倍。

2 保护电路的设计

工作在强电环境中的SRD驱动电路由于外部干扰或者控制器出现故障等原因引起高电压、大电流，很可能就此烧毁功率器件，甚至烧毁电机绕组，所以对功率电路和电机的保护是至关重要的。目前保护电路中用的比较多的是功率主回路的电压、电流、过热保护［8-10］，但是针对极易引起系统灾难性后果的驱动电路掉电、主控芯片内存拥塞指针紊乱等问题仍缺乏行之有效的系统保护措施。因此，本文系统地对过压保护、过电流保护、驱动电路掉电保护、功率电路看门狗保护进行综合设计，实现主回路可靠防护。

图2所示为脉冲封锁电路［11-12］单元。当电路出现过压(OV)、过流(OC)、DSP 故障(DSP ERR)、和驱动电路掉电(LP18V)当中的任何一种或几种故障时，经过74HC32或门电路输出使能OE信号，这一信号接入74HC245芯片的19号管脚OE上，电路正常工作时OE没有高电平输入，PWM波输出使IGBT正常导通工作，当检测到高电平加到OE上时，PWM输出被封锁，使得IGBT可靠截至，从而有效避免设备损坏，待及时排除故障后复位工作重新开始。

图2 脉冲封锁电路

保护电路设计细节如下。

2.1 过压保护电路设计

当由于某种原因引起主回路电源电压升高，超过了允许范围，势必会引起开关管或电机定子绕组的损坏，因此必须对过电压进行检测和保护(见图3)。

图3 过电压保护电路

参考门限电压信号接入引脚8，实时测量电压信号接入引脚9中，如果主回路的电压过高，则比较器LM339的输出为高电平，将会产生一过压信号(OV)至脉冲封锁电路，迅速封闭脉冲输出截至IGBT，实现过压的保护，避免功率电路、电机损坏。

2.2 过电流保护电路设计

过电流保护电路［13-15］的主要作用是，防止电动机绕组电流的峰值电流超过功率开关元件额定值而造成的元件损坏。如图4所示，当电机的某一相绕组电流较大，达到比较器的设定值时，LM339输出高电平电流的过流信号至脉冲封锁单元，使脉冲信号禁止从而起到限流的作用。

图4 过电流保护电路

2.3 驱动电路掉电保护设计

工业现场由于电源电压不稳可能会使驱动电路电源电压降低或掉电，IGBT驱动保护电路是IGBT可靠、稳定、高效运行的基础，IGBT驱动电源掉电将会使整个系统运行不能正常运行，在主电路供电情况下会导致器件击穿。功率电子部件驱动电路掉电保护环节可以通过侦测IGBT驱动回路电源状态，对此类关键性故障进行实时处理。驱动电路掉电保护采用MAX813L芯片实时检测电源故障，电源故障输入端(PFI)连接待监测的驱动电路供电电源模块，系统正常工作时该引脚电平为18 V。当该端输入电压低于1.25 V时，电源故障输出端(PFO)保持高电平，电源电压变低或掉电时，输出由高电平变为低电平。利用这一特性，把驱动电路电源信号接入(PFI)端，正常工作时电源电压为18 V，电源电压变低或掉电时，电源故障输出端(PFO)由高电平变为低电平，经过一反相器后将故障信号(LP18VO)送至脉冲封锁信号，及时将IGBT关断，从而实现驱动电路掉电保护。电路如图5所示。

图5 驱动电路掉电保护电路

2.4 功率电路看门狗保护设计

当DSP控制器程序“跑飞”时，其IO端口处于不可控状态，长时间置高的PWM信号输出会引起功率管一直导通，烧坏器件和电机。为了能够在DSP控制器失控的情况下封锁功率驱动脉冲，设计带进位二进制计数器CD4060的功率回路限时保护电路，电路如图6所示。CD4060由一振荡器和14级二进制串行计数器位组成，振荡器的结构采用晶振电路，CR为高电平时，计数器清零且振荡器使用无效。DSP正常工作时，按照指定时间间隔清零CD4060计数器，实现“喂狗”操作，因此PWM脉冲会一直输出从而使得功率电路正常工作。当DSP发生故障时，“喂狗”信号不能及时给复位端，则CD4060则输出计数达限脉冲，产生DSP ERR信号至脉冲封锁电路，该信号进入脉冲封锁电路禁止驱动脉冲输出，从而对功率部件及系统起到保护作用。

图6 功率电路看门狗保护电路

3 结语

功率电路可靠性是SRD系统长期无故障运行的基础，且功率电路成本在整个系统中占比远超控制电路，因此采用软硬件结合、强弱电结合的技术，设计全方位、多层次、综合冗余的功率回路保护电路是系统设计核心。本文以8/6极SRM为研究对象，使SRM电机的转速实现了连续运转可调。实验证明该设计的各种保护电路有效，能自动判断过压、过流、驱动电路掉电、DSP跑飞等故障，并产生相应措施保护SRM电机。

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