李宏1彭毅2
1)西安石油大学，(710065) 2)解放军某部队
摘要介绍了一种60kW无刷直流电动机调速装置，它的主电路应用绝缘栅控双极型晶体管IGBT，控制脉冲形成单元由无刷直流电动机驱动控制芯片MC33035完成，IGBT的驱动电路应用HL402A，保护电路设计较完善，文中不但详细介绍了该电动机调速器各主要部分的组成和工作原理，而且给出了其实用效果。 关键词无刷直流电动机调速装置，驱动电路，控制脉冲，电流传感器，保护电路
1.引言
电动机作为各种生产机械或旋转机械的拖动单元，获得了极为广泛的应用，据统计发达国家发电量的50%~70%消耗于电动机，我国发电量的65%被电动机消耗，尽管电动机发明已有一百多年的历史，但从大的方面仍可将其分为交流电动机和直流电动机两大类，他励直流电动机具有调速性能好，调速范围宽，励磁与电枢电压可独立控制，调速精度高等交流电动机无法比拟的优点。至今仍有一定量的应用，但其致命缺点是存在换向火花，电刷维护工作量大，体积大，运行噪音大，交流电动机具有体积小，运
行噪音小，不存在换向器及电刷等优点，但由于其旋转磁场与定子电压极难精确的解耦控制，尽管应用了许多诸如矢量控制的方法，其调速性能仍然较直流电动机要差，为了充分发挥直流电动机与交流电动机两者的共同优点，而扬弃它们各自的不足，随着稀土材料制造技术的日新月异，各种新型的电动机不断涌现，其中发展极为迅速的是无刷直流电动机，无刷直流电动机是一种永磁的交流同步电动机，结构与交流电动机十分类似，但由于受生产量等因素的影响，它的成本还相对较高，特别是其调速控制器的容量还无法做到与交流电动机变频调速及普通直流电动机调速装置那样大，限制了其应用的快速发展，本文介绍我们最近研制的一种60kW无刷直流电动机调速装置。
2.系统基本构成和工作原理
60kW无刷直流电动机调速装置由主电路、驱动电路、控制脉冲形成电路、信号检测电路、保护电路、*本项目受某国防科技基金资助操作电路、报警及显示电路、给定及闭环调节电路，工作电源电路九大功能块组成，限于篇幅，本文仅介绍其主要核心单元的工作原理。
2.1主电路
60kW无刷直流电动机调速装置主电路原理如图1所示，图中三相380V输入电压A、B、C通过交流接触器KM1后经快速熔断器FU1—FU3及电抗器L1提供给三相二极管整流桥整流成直流，经电容滤波后由三相逆变桥按控制单元输出的控制脉冲逆变为无刷直流电动机工作需要的三相六状态交流电压，完成
对直流无刷电动机的控制，图中主接触器KM1用来在正常运行时对主电路进行合分控制，在故障时其用来分断主电路，起集中保护作用，电抗器L1用来滤除无刷直流电动机调速过程中因逆变器或斩波器中IGBT在通断工作时引起的高频尖峰电流脉冲，防止过高的尖峰电流脉冲进入电网干扰接于同电网的其他设备的正常稳定运行。快速熔断器FU1—FU3用来进行过流或短路保护，电阻R1、R2和接触器MK为软起动环节，该环节用来防止起动时因电容两端电压不能突变对三相整流桥中二极管模块的冲击，该环节的工作原理为：在启动合闸过程中，由于电容两端电压较低，主控制单元中的切换电路输出为低电平，继电器MC不动作，接触器MK线包不得电，其触头断开，滤波电容C1—C8通过电阻R1和R2充电，当C1与C6上的电压充到一定值时，主控制单元中的切换控制电路输出为高电平，继电器MC动作，接触器MK线包得电，其触头闭合短接掉电阻R1和R2，软起动过程完成。电阻R3、R5与R4、R6起均压作用，使串联的电解电容不
图1 60kW无刷直流电动机调速装置主电路原理图
因内阻差别过大引起不均压而承受过电压损坏。霍尔电流传感器HCT1—HCT4用来进行电流取样，一则为主控制单元中的电流闭环调节器提供反馈信号，二则为主控制单元中的过流及短路保护环节提供实际工作电流的检测取样信号，图中霍尔电压传感器HLV用来为主控制单元中的过压保护和软启动切换单元以及防止被控制电动机发电运行时，母线电压过高时能耗制动单元投入工作提供实际直流电压的检测取样信号。压敏电阻RV1---RV3与电容CY1—CY3起抑制尖峰过电压作用，既防止主电路斩波器及逆变器中的IGBT 工作换流时因回路中分布电感引起的Ldi/dt尖峰过电压耦合到电网，又可防止外部供电电网因同网别的设备投入运行或切除引起的尖峰过电压进入无刷直流电动机调速器而击穿或损坏主电路中的有关器件。串于主电路中的电流互感器CT1—CT3进行电流取样，供电流表显示运行时各相的电流，电流互感器CT11—CT33检测交流输入电流，为防止三相二极管整流桥相间及滤波用电解电容过流或短路保护提供电流取样信号，IGBT1---IGBT6组成标准的三相桥式逆变电路，他们用来将直流回路的平直直流电压逆变为标准的无刷直流电动机调速所需要的三相六状态交流电压，每个IGBT模块旁并联的电容(C9—C11)起尖峰过电压保护，防止尖峰过电压击穿IGBT模块, 三相IGBT逆变器输出与无刷直流电动机定子绕组之间串联的电抗器L2用来滤除逆变器输出交流电压中的高次谐波，降低高频幅射对用户测量设备的干扰，并减少尖峰过电压对无刷直流电动机定子绕组的危害。主电路中剩余的IGBT7用来与制动电阻一起构成能耗制动单元，该单元的作用有两点：一是当无刷直流电动
机为电动运行时，在应用本调速装置中的逆变器进行变频减速时，由于系统惯性，无刷直流电动机为发电运行，通过三相逆变桥中续流二极管的整流作用，向电容C1—C8充电使主电路直流母线电压升高，为防止主电路中直流母线电压过高而威胁IGBT及电容的安全，通过主控制单元的控制作用，使IGBT7导通，让制动电阻消耗掉一部分能量，从而保证主电路正负母线间的电压在一定的范围之内；另一方面，若由于负载或别的其他原因，无刷直流电动机一直为发电运行时，通过主控制单元的控制作用，使IGBT7导通，让制动电阻消耗掉一部分能量，构成闭环控制，使无刷直流电动机运行在闭环斩波调速的状态。
图2 控制脉冲形成电路的原理图
2.2控制脉冲形成电路
控制脉冲形成电路应用了美国MTROLA公司生产的专用无刷直流电动机驱动控制芯片MC33035，有关该芯片的内部结构及工作原理和各引脚功能的详细分析与介绍可参文献［1］，本文仅给出其应用电路原理图如图2所示，图中三路位置信号SA、SB、SC来自信号检测电路的输出，而转速调节信号UK来自双闭环调节器的输出，由于MC33035引脚19、20、21输出的三路PWM脉冲信号中可直接驱动主电路三相逆变器中的高端PNP型达林顿晶体管或P沟道MOSFET或IGBT，而图1给出的三相逆变器中六个IGBT均为N沟道，所以在图2中应用了3只NPN的晶体管对MC33035输出的驱动三相逆变器中三路高端信号进行倒相，以使其与N沟道IGBT的工作更趋一致。图中接于MC33035引脚10与引脚8之间的电阻和电容决定了PWM脉冲的占空比与工作频率，当闭环调节器输出的控制电压UK较低，即被控电动机转速较低时，MC33035输出为六路带调制的PWM脉冲信号，而当UK值较大，即被控电动机转速较高时，MC33035输出为六路不带调制的方波信号，这种设计使加到电动机定子侧的谐波含量得到了极大的减小，改善了电动机的工作波形，图SH、Ln、OI、OT、On 分别为短路过流过热及超速保护电路的输出，因DRV 端为末级驱动单元提供工作电源，所以IC9A与晶闸管VT1组成控制电源丢失保护环节。
2.3驱动电路
无刷直流电动机调速装置中应用了三相桥式逆变器，其IGBT驱动性能的好坏是其能否长期可靠稳定运行的关键所在。本装置中选用了由陕西高科电力电子有限责任公司生产的IGBT专用厚膜集成驱动电路HL402实现IGBT的驱动，驱动电路的原理电路如图3所示，系统中共用了7个与此相同的驱动单元。
图3 应用HL402B驱动IGBT的原理电路示图
2.4信号检测与处理电路
为了保证被控制电动机的调速精度和性能，既不但要求对电动机的位置进行精确检测，同时要求对电动机转速信号进行准确测量，另一方面，为使故障时保护电路迅速准确的动作，更需要对本电动机调速器的运行电压和电流及时进行检测和反馈，这便是信号检测与处理电路的工作，本系统中电压与电流的检测应用霍尔电压与电流传感器，而转速信号及位置信号的检测应用在电动机轴上安装光电编码器的方法，考虑到一般使用场合电动机的安装位置距离控制调速器相对较远，为防止干扰，三路位置信号及转速反馈信号相对较远，为防止干扰，三路位置信号及转速反馈信号均通过光电耦合器隔离再整形的方法进行，由于光电编码器输出位置信号对应电动机转速每转仅一个脉冲，频率相对较低，而转速光电编码盘的反馈信号对应电动机转速每转为500个脉冲，脉冲频率相对较高，所以选用了不同的光耦合器，图4给出了转速及位置信号的隔离与处理电路。图中LM331与运算放大器A 一起构成高精度频率电压变换器，用来将经过隔离与处理后的转速脉冲信号变换为电压信号作为转速反馈提供给给定与闭环调节回路中的转速闭环调节器，图中555电路用作施密特触发器，这种用法可极大的提高控制电路的抗干扰性能，使位置信号和转速反馈信号免受干扰的影响。
a)
b)
图4 信号检测与处理电路原理图
a) 转速信号隔离与处理电路b) 位置信号隔离和处理电路
2.5给定与闭环调节电路
为保证调速性能的平滑稳定，本调速装置的控制部分增加了给定积分器，并构成了内环为电动机定子电流外环为电动机转速的双闭环调速系统，有关这部分电路原理的详细分析和具体电路图此处从略。
2.6保护电路
保护电路性能的好坏，对无刷直流电动机调速装置能否长期可靠的运行，具有十分重要的意义，本调速装置设计有整流桥过流与短路，逆变器输出过流与短路，直流正负母线短路，电动机过热，电动机
转速反馈丢失，电动机转速超速，输入交流电压缺相，主电路冷却系统故障，控制电源欠压等保护功能，具有完善的保护性能，有关这部分电路的详细工作原理及分析限于篇幅此处从略。
3.实用效果
上述无刷直流电动机调速系统的控制电路与方案，已成功的用于我们研制的四套60kW无刷直流电动机调速系统中，拖动负载为风机类负载，选用西门子公司生产的400A/1200V双单元IGBT模块，电动机冷却方式为水冷，其最高转速为8500rpm，光电编码
盘选用每转输出500个转速反馈的光电脉冲和6个分别对应三相位置的三相方波脉冲信号(（每相每转2个脉冲），经实测电动机可以在1000~8500rpm的范围内平滑恒转矩调速，其调速精度达0.5%，各种保护功能灵敏可靠，其效果十分令人满意。
4.结论
无刷直流电动机因为永磁电动机，具有体积小，效率高，可运行转速高等优点，必将成为电动机发展的一个主流方向，文中介绍的无刷直流电动机调速方案具有保护功能完善，驱动电路及控制脉冲形成电路简单等优点，理论分析和实用效果均证明了其可行性与合理性和应用的可靠性，务需赘述，其应用前景将是十分广阔的!
参考文献
[1] 李宏. 电力电子设备用器件及集成电路应用指南，第二
分册电力半导体器件及驱动集成电路. 北京：机械工业出版社,2001年10月
[2] 谭建成. 电机控制专用集成电路. 北京：机械工业出版
社,1998
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