基于ipm的高压无刷直流电动机控制器

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1、基于lPM的高压无刷直流电动机控制器李新华1，庄百兴1，杨垂恭2(1．湖北工业大学，湖北武汉430068；2．台湾阪神电机有限公司)摘要：针对分立元件无刷电机控制器所存在的问题，文章研究了基于IPM的高压无刷电机控制器，讨论了该控制器中的几个关键问题，并给出了试验波形。试验表明，与分立元件控制器相比，IPM控制器的整体性能更加优良。关键词：高压无刷直流电动机；智能功率模块IPM；控制器0引言功率开关及其驱动器件的选择是高压无刷直流电动机(以下简称无刷电机，或BLDCM)控制器开发中的一个十分重要问题⋯。在开发电压300V(DC)、1．5～2．2kW无刷电机控制器过程中，笔者曾用

2、过MOSH玎开关器件和分立驱动元件电路，发现电机在负载运行时控制器的稳定性不太好，主要表现为：～是控制电路信号干扰比较严重，如用于检测无刷电机转子位置的霍尔信号常被干扰，导致无刷电机换相逻辑出错；二是整流桥前侧交流电流检测延时，过流保护电路不能及时动作，容易使开关器件损坏；三是MOSFET功率开关管门极驱动电路参数匹配不佳，驱动信号有过冲现象，开关管会有误动作，甚至损坏。此外，分立元件控制器体积较大，性价比不高，难以满足市场需求。与普通IGBT，或MOSFET器件相比，智能功率模块(IntelligentPowerModule，IPM)实现了智能化、模块化、复合化和功率集成，在

3、电力电子领域得到了越来越广泛的应用【2'3】。IPM由高速、低功耗的IGBT芯片和优选的门极驱动以及保护电路构成，具有开关速度快、功耗低、可靠性高等特点，是一种比较理想的无刷电机控制器开关器件。IPM模块中每个IGBT的驱动电路设计了最佳驱动条件，特别是其内置的驱动和保护电路可使控制器硬件电路更为简洁，可以缩短开发周期，提高故障下的自我保护能力；另一方面，目前高压大电流的MOSFET价格较高，一组6个MOSFET的价格比同容量IPM的高出40％左右。因此，选用IPM可以显著提高无刷电机控制器的性价比。日本三菱公司的PS21267IPM自带了驱动电路、高低电平转换电路，驱动欠压保

4、护电路、过流保护电路，其最大特点是在信号输入接口匹配3V，5V正逻辑驱动，而且与控制电路不需要采用光耦电气隔离，即可以和I／O输出电压3．3V的单片机或其它微处理单元(MicrochipUnit，MCU)直接相连，简化了控制器的硬件结构，同时降低了控制器的成本。需要注意，PS21267IPM的输入接口上都集成有一个下拉电阻，当使用限流电阻时要注意与集成的下拉电阻匹配，防止输入高电平电压不够而不能驱动。本文采用PS21267IPM开发的高压永磁无刷直流电动机控制器，与分立开关器件控制器相比，保护完善，性能稳定，结构紧凑，成本较低，完全满足设计要求。1系统组成基于PS21267IP

5、M的高压无刷电机控制器框图如图l所示。控制器采用单相220V交流供电，．95．经不控全波整流滤波后，得到峰值约310V的直流电压。三相桥式逆变器采用PS21267智能功率模块，该模块内集成了驱动电路。控制器的控制核心是C8051F310高速单片机，控制器对直流侧电压、电流进行检测，送控制单元处理。此外，控制器还具有速度闭环和显示等功能。图1基于IPM高压无刷电机控制器框图1．1电流检测与保护为了确保控制器始终工作在安全电流下，采用小阻值采样电阻检测直流侧电流，将采样电阻上的电压信号反馈到IPM的CIN脚，IPM内部IC进行过流、短路保护处理，在电机和控制器过流的情况下及时关断输

6、出，同时IPM输出故障信号FO给MCU，以便MCU监测IPM状态。可以通过改变IPM的CFO脚的对地电容值来调整自动故障解除时间，即IPM过流复位时间。1．2无刷电机转子位置检测采用开关型霍尔磁敏元件检测转子位置信号。该信号的用途有三，一是用于控制无刷电机换相；二是由MCU运算出电机的转速，并通过4位LED显示模块显示出来(显示电路转速显示刷新频率为1Hz)；三是通过频率，电压转换电路将电机连续运转时的～系列霍尔脉冲信号转换为电压信号反馈到速度给定，构成无刷电机速度闭环控制，速度闭环采用模拟PI调节器，系统精度高。1．3MCU控制核心MCU控制核心不仅要捕捉无刷电机的霍尔信号，

7、实现无刷电机的换相控制，还要处理外部的各种检测信号、进行电机转速运算以及驱动数码管显示等工作，因此需要高速MCU数字芯片。本文中采用的是C8051F310高速单片机，其中可编程计数器阵列(简称PCA)模块可以实时捕捉霍尔信号脉冲波形【4】。，2自举电容的选择PS21267IPM高端IGBT驱动设计为自举供电方式，高端IGBT导通时由自举电容给驱动电路提供电源。6路IGBT只需要单一的15V电源即可，大大简化了控制器的硬件结构。但无刷电机在低速，或者起动时，上臂IGBT因为没有换相会发生导通时