基于IPM的三相無刷直流電機控制系統(tǒng)的設計

IPM用的隔離光耦要求上升沿延時tPLH0．8μs，下降沿延時tPLH tPHL0．8 μ s，共模抑制比CMR>10kV／μs，因此選用HCPL4504型高速光耦，且為了提高光耦的轉換速度，在光耦輸入端接1只0．1 μ F的退耦電容。
3．1．1 一路上橋臂驅動電路
以圖2中其中一路上橋臂為例來說明驅動電路工作原理，其中VUPI為電源+15V， VUPC為電源地，UP為驅動控制信號的輸入端。由DSP輸出的一路上橋臂PWM信號和VCC分別接高速光藕HCPL4504的3、2管腳，當PWM信號為低電平時，HCPL4504的5、6將會導通，從而使控制信號輸入IPM模塊UP端，控制相應橋臂的IGBT導通。其中每個開關管的控制電源端采用獨立隔離的穩(wěn)壓15V電源，且接1只10 μ F的退耦電容器以濾去共模噪聲。R15根據HCPL4504光耦輸入電流要求(25mA)選取為200 Ω。R16根據IPM驅動電流選取，且盡可能小以避免高阻抗IPM拾取噪聲，另一方面又要足夠可靠地控制IPM，本系統(tǒng)選為4．7k Ω。C9為2號端與地間的0．1 μF濾波電容(上橋臂其它兩路連接電路與其類似)。
一般IPM需用四路獨立電源來防止內部上下橋路發(fā)生直通短路，其中上橋臂每個IGBT需要一個單獨的隔離電源供電，共需3組；而下橋臂3個IGBT共用l組隔離電源供電。
3．1．2 三路下橋臂驅動電路
圖2中IPM模塊的三路下橋臂可由一路公共電源統(tǒng)一供電，VNI與VNC分別接電源的+15V與地。由DSP產生的三路PWM2、PWM4、PWM6信號輸入IPM的UN，VN，WN端，分別控制其下橋臂對應的IGBT開關管的通斷。
3．2 IPM緩沖電路設計
由于IPM在高頻開關過程和功率回路寄生電感等疊加產生的di／dt，dv／dt和瞬時功耗，給器件以較大的沖擊，易損壞器件。設置緩沖電路(即吸收電路)就是改變器件的開關軌跡，控制各種瞬態(tài)過電壓，降低器件開關損耗，保護器件安全運行。

圖3為常用的大功率IPM緩沖電路。R，C，VD值的選取原則為：一般電阻電容值按經驗數據選取，如PM200DSA060電容值為0．47～2 μ F，耐壓值是IGBT的1．1～1．5倍，電阻值10～20Ω，電阻功率為
式中：f為IGBT工作頻率；U為IGBT工作峰值電壓；C為緩沖電路與電阻串聯(lián)的電容。但RC時間常數應設計為開關周期的1／3，即τ=T/3＝1／(3f)。二極管選用快恢復二極管。為保證緩沖電路的可靠性，可以根據功率大小選擇已封裝好的如圖3所示的專用緩沖電路。
3．3 IPM的保護電路
在以DSP芯片為核心的控制系統(tǒng)中，利用DSP事件管理器中功率驅動保護引腳(PDPINT)中斷實現(xiàn)對IPM的保護。通常1個事件管理器產生的多路PWM可控制多個IPM工作，其中每個開關管均可輸出FO信號。圖4為IPM模塊故障信號輸出原理圖。三路上橋臂的故障信號和一路下橋臂的故障信號經過一個7407的OC門之后再經過一個上拉電阻就可直接輸入DSP的PDPINT引腳。正常工作時，所有的FO信號均為高電平，從而PDDPINT也為高電平，一旦任何一路橋臂有故障發(fā)生，則PDPINT變?yōu)榈碗娖剑瑥亩|發(fā)DSP的電源保護中斷，使其所有的PWM輸出引腳均呈高阻狀態(tài)，起到對IPM模塊的保護作用。

4 檢測模塊的設計
4．1 位置檢測和速度計算
位置檢測不但用于換相，而且還用于產生速度控制量。本系統(tǒng)的位置信號是通過3個霍爾傳感器得到，每個霍爾傳感器都會產生180°脈寬的輸出信號。3個霍爾傳感器的輸出信號互差120°相位差。這樣在每個機械轉中共有6個上升或下降沿，正好對應著6個換相時刻。將DSP設置為雙沿觸發(fā)捕捉中斷功能，就能獲得這6個時刻，再通過DSP的捕捉口檢測電平狀態(tài)，就可以判斷是哪個霍爾傳感器的什么沿觸發(fā)的捕捉中斷，確定了換相信息，就可以實現(xiàn)正確換相。位置信號還可以用于產生速度控制量，每個機械轉有6次換相，測得兩次換相的時間間隔，就可以計算出兩次換相間隔間的平均角速度。