小功率開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫博城，王 艷，殷天明

(北京交通大學(xué)，北京 100044)

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小功率開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫博城，王 艷，殷天明

(北京交通大學(xué)，北京 100044)

針對低速電動車使用的小功率開關(guān)磁阻電動機(jī)，設(shè)計(jì)了對應(yīng)的驅(qū)動系統(tǒng)。采用不對稱半橋結(jié)構(gòu)作為主電路，應(yīng)用鋁基板散熱方案，解決了主開關(guān)器件功率MOSFET的散熱問題。針對控制電路和驅(qū)動電路的要求，設(shè)計(jì)了輔助開關(guān)電源。基于IR2110設(shè)計(jì)了MOSFET的驅(qū)動電路，給出了自舉回路和過電流保護(hù)電路的計(jì)算和設(shè)計(jì)方法。同時(shí)，基于數(shù)據(jù)采集卡PCI-6220和LabVIEW設(shè)計(jì)了一套開關(guān)磁阻電動機(jī)測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)在低速電動車和觀光車等特種車輛上實(shí)踐成功，并在貴州新能源汽車基地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

開關(guān)磁阻電動機(jī)；不對稱半橋電路；MOSFET驅(qū)動電路；反激式開關(guān)電源；IR2110；LabVIEW

0 引 言

目前低速電動車在應(yīng)用時(shí)面臨輸出轉(zhuǎn)矩不夠、爬坡能力不強(qiáng)的問題，尤其是在貴州地區(qū)，以山區(qū)為主，道路坡度較大，更對低速電動車的普及帶來較大困難。且低速電動車控制器空間有限，難以設(shè)計(jì)水冷系統(tǒng)，對散熱提出了更高要求。為解決以上問題，本文設(shè)計(jì)了基于不對稱半橋結(jié)構(gòu)的小功率開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，并采用鋁基板散熱方案，有效地解決了輸出轉(zhuǎn)矩小和散熱問題。并設(shè)計(jì)了基于DPA425R芯片的反激式開關(guān)電源，取代了傳統(tǒng)的基于UC3842芯片的開關(guān)電源，在降低紋波的同時(shí)，大幅壓縮了體積，更適于低速電動車的控制器。

1 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 功率變換器主電路及散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

開關(guān)磁阻電動機(jī)功率變換器的形式多種多樣，其中不對稱半橋電路最為簡單明了，同時(shí)結(jié)合開關(guān)磁阻電動機(jī)各相繞組相互獨(dú)立的特點(diǎn)，避免了上下橋臂直通的危險(xiǎn)。不對稱半橋電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 不對稱半橋電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1中，Us為電池組電壓，Cs為電源濾波電容，當(dāng)上下橋臂主開關(guān)管VT1，VT4同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，電源Us加至繞組兩端，產(chǎn)生相電流，促使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)上下橋臂主開關(guān)管VT1，VT4同時(shí)關(guān)斷時(shí)，繞組產(chǎn)生反向電動勢，使續(xù)流二極管VD1，VD4導(dǎo)通，繞組電流經(jīng)過VD1，VD4將能量回饋到電池組上[1-3]。

本設(shè)計(jì)應(yīng)用于低速電動車，車載電池電壓為60 V，主電路器件和續(xù)流二極管的耐壓值需滿足：

對于主開關(guān)器件功率MOSFET，有效值定額是決定器件選型的最主要參數(shù)。對續(xù)流二極管而言，因其能承受較大的沖擊電流, 故也把有效值電流定額作為選型依據(jù)。功率變換器中所用續(xù)流二極管必須正向?qū)ê头聪蚪刂咕哂锌旎謴?fù)特性。已知開關(guān)磁阻電動機(jī)額定電流：

因?yàn)殚_關(guān)磁阻電動機(jī)起動電流小, 因此在確定電流定額時(shí), 只要考慮到電動運(yùn)行時(shí)的一定過載倍數(shù)(一般選為1.2～ 1.4倍)。MOSFET有效值電流定額[4]：

結(jié)合成本散熱等因素考慮，本設(shè)計(jì)選擇IRFS4010為主開關(guān)管，該MOSFET有較大的導(dǎo)通電流和較小的熱阻。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)主開關(guān)工作頻率在2 kHz左右，會產(chǎn)生較大的開通損耗并且通斷大電流時(shí)發(fā)熱較為嚴(yán)重，為解決功率電路散熱問題，本文采用了鋁基板散熱的方案，結(jié)合IRFS4010源級通流時(shí)等效導(dǎo)通面積大的封裝特點(diǎn)，可將產(chǎn)生的熱量通過鋁基板及時(shí)傳導(dǎo)至散熱片，配合散熱片在汽車高速行駛時(shí)通過的風(fēng)力自然快速降溫，從而很好地解決了發(fā)熱問題，在實(shí)際汽車運(yùn)行過程中，MOSFET表面溫度能穩(wěn)定在60°，能保證MOSFET安全運(yùn)行。

1.2 反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)需要輔助開關(guān)電源給控制部分和驅(qū)動部分供電。輸入為48 V車載電源供電，開關(guān)電源可以正常工作的范圍為36～60 V。控制部分主要是對IC供電，需要+5 V,+15 V,-15 V;驅(qū)動部分主要給功率變換器MOSFET及其驅(qū)動電路和過電流保護(hù)電路供電，該路電源需要和控制部分的各路電源不共地。本設(shè)計(jì)開關(guān)電源輸出功率為47 W。

反激式開關(guān)電源結(jié)構(gòu)簡單并能提供高效的直流輸出，具有較強(qiáng)的自動均衡各路輸出的能力，但是輸出電壓有較大紋波，負(fù)載精度不高，因此輸出功率受到限制，本設(shè)計(jì)所需輔助電源功率較小，非常適合采用這種結(jié)構(gòu)[5-6]。本設(shè)計(jì)以PI公司單片電源控制芯片DPA425R為主控芯片，芯片集成度高，外圍簡單，在低壓小功率電源中應(yīng)用較多。其工作頻率在300 kHz與400 kHz間可選，有利于減小濾波器件容量。

初步使用了PI Expert及PIXls軟件進(jìn)行了基本設(shè)計(jì)及優(yōu)化，并以AP法對變壓器容量及其他基本參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。

為了防止電源電壓輸出在輕載或空載時(shí)電壓升高，在各路電壓輸出端并聯(lián)1 kΩ的虛擬負(fù)載電阻。實(shí)驗(yàn)證明這樣的配置增加了輸出電壓的穩(wěn)定性。

經(jīng)驗(yàn)證，本文所設(shè)計(jì)開關(guān)電源體積較小，結(jié)構(gòu)緊湊，輸出電壓紋波在2%～4%，在電動汽車運(yùn)行時(shí)仍能正常輸出穩(wěn)定電壓。圖2是本設(shè)計(jì)開關(guān)電源電路圖。圖中，+15 V(C),-15 V(C)及+5V (C)為控制電路電源;+15 V(D)為驅(qū)動電路電源。

圖2 反激式開關(guān)電源

1.3 RCD吸收回路

在RCD吸收回路中，R的能量損耗和C的大小呈正比，C的值應(yīng)選小來降低損耗，但過小的C會削弱吸收效果，因此要綜合考慮C的取值，設(shè)關(guān)斷時(shí)流過C的電流為峰值電流的80%，電壓上升時(shí)間為MOSFET的關(guān)斷時(shí)間。

吸收回路要求在每次MOSFET關(guān)斷前將C中的電荷釋放到5%以下，由此確定散熱電阻R的阻值：

吸收回路的功率：

圖3為電機(jī)在500 r/min、負(fù)載轉(zhuǎn)矩為50 N·m、斬波電流峰值為210 A時(shí)MOSFET的DS電壓波形。

圖3 DS電壓波形

從圖3中可以看出，在電流峰值達(dá)到210 A時(shí)，MOSFET的DS電壓只有很小的尖峰，峰值電壓為65 V，尖峰值只有母線電壓的10%左右，說明RCD吸收回路和濾波電容有效地起到了吸收關(guān)斷過電壓的作用。

1.4 基于IR2110的驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

根據(jù)不對稱半橋電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了基于IR2110的MOSFET 驅(qū)動電路。該芯片體積小(DIP14)、集成度高(可驅(qū)動同一橋臂的兩路)、響應(yīng)速度快(典型值Ton=120 ns，Toff=94 ns)、驅(qū)動能力強(qiáng)、內(nèi)設(shè)欠壓封鎖，非常適合本設(shè)計(jì)的要求。上橋臂三組不共地的主開關(guān)管采用自舉回路供電，下橋臂三組共地的開關(guān)管共用一路電源供電，這樣僅需三片IR2110和一路電源就能實(shí)現(xiàn)對功率電路的驅(qū)動，在降低成本的同時(shí)提高了可靠性[7]。

在該芯片的外圍電路中，確保自舉回路能否正常工作尤為關(guān)鍵，自舉電容C171的取值要根據(jù)所驅(qū)動MOSFET的特性來選擇。MOSFET開通時(shí)，需要在極短的時(shí)間內(nèi)向門極提供足夠的柵電荷。假定在器件開通后，自舉電容兩端電壓比器件充分導(dǎo)通所需要的電壓(10 V，高壓側(cè)鎖定電壓為8.7/8.3 V)要高；再假定在自舉電容充電路徑上有1.5 V的壓降(包括VD1的正向壓降)；最后假定有1/2的柵電壓(柵極門檻電壓VTH通常3～5 V)因泄漏電流引起電壓降。綜合上述條件，此時(shí)對應(yīng)的自舉電容可用下式表示：

本文所使用的主開關(guān)MOSFET為IRFS4010，其充分導(dǎo)通時(shí)所需要的柵電荷Qg=150 nC(可由特性曲線查得)，VCC=15 V，那么C171=0.066 μF。

圖4 IR2110驅(qū)動電路

在此取C1=0.22 μF，耐壓為35 V的鉭電容。

在不對稱半橋電路中，上下MOFET保持同步開通關(guān)斷狀態(tài)，因此IR2110的HO、LO輸出同樣的電平信號。

圖5是驅(qū)動電路在正常工作時(shí)IR2110的輸入信號和輸出到MOSFET門極的驅(qū)動信號，能看出IR2110輸出了準(zhǔn)確有效的觸發(fā)脈沖。

圖5 IR2110輸入輸出信號

1.5 主電路過電流保護(hù)電路設(shè)計(jì)

因?yàn)殚_關(guān)磁阻電動機(jī)在負(fù)載較大時(shí)采用電流斬波控制，而電流采樣和控制電路較為復(fù)雜，運(yùn)算時(shí)間較長，在低速時(shí)，由于電機(jī)的旋轉(zhuǎn)電動勢壓降很小，相電流上升很快，為了避免過大的電流脈沖對功率器件以及電機(jī)造成損壞，必須采取保護(hù)措施。本設(shè)計(jì)基于MOSFET的VI特性曲線，利用了IR2110的快速保護(hù)功能，設(shè)計(jì)了過電流保護(hù)電路，如圖6所示。在當(dāng)DS電壓超過預(yù)設(shè)值時(shí)，說明主電路電流

圖6 過電流保護(hù)電路

超過預(yù)期斬波電流，比較器輸出高電平，IR2110閉鎖二路輸出脈沖，使開關(guān)管迅速關(guān)斷。經(jīng)驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)起到了保護(hù)作用，提高了系統(tǒng)的可靠性[8]。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為檢測本系統(tǒng)的可靠性，本文采用NI的數(shù)據(jù)采集卡PCI-6220配合LabVIEW，設(shè)計(jì)了一套電機(jī)測試平臺系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集電機(jī)運(yùn)行時(shí)的繞組電流、扭矩、轉(zhuǎn)速、功率等參數(shù),并進(jìn)行分析記錄[9-10]。圖7為測試平臺監(jiān)測電機(jī)在繞組電流達(dá)到210 A斬波時(shí)的電機(jī)各相參數(shù)。

圖7 電機(jī)測試平臺檢測界面

測試系統(tǒng)表明，本文在通過大電流時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，三相電流平衡，并能提供較大扭矩，符合低速電動車應(yīng)用要求。

3 實(shí)踐應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化

本設(shè)計(jì)在完成了各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后，裝配到車載電池電壓為608 V的低速電動汽車上進(jìn)行車載試驗(yàn)，經(jīng)驗(yàn)證裝配有本系統(tǒng)的電動汽車各項(xiàng)符合設(shè)計(jì)要求[4]。

目前本設(shè)計(jì)已在貴州畢節(jié)新能源汽車基地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，目前以成功應(yīng)用于家用小型電動車和旅游觀光車上，性能良好。

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Design of the Drive System for Low-Power Switched Reluctance Motor

SUNBo-cheng，WANGYan，YINTian-ming

(Beijing Jiaotog University，Beijing 100044，China)

The drive system for the low power switched reluctance motor for the low-speed electric vehicles was designed. The drive system was based on asymmetric half-bridge structure, and used aluminum plate cooling solution to solve the power MOSFET switching cooling problem. Assisted switching power supply was designed to meet the demands of control system and drive system. The power MOSFET use IR2110 to drive, and the bootstrap circuit and over-current protection circuit was designed to assure its stability. In the meantime, a special switched reluctance motor test system was also designed by PCI-6220 and LabVIEW. This system is successful applied in low-speed electric vehicles and tourist cars and other special vehicles, and achieve industrialization in the Guizhou New Energy Vehicles Base.

switched reluctance motor; symmetric half-bridge structure; MOSFET drive system; flybackswitching power supply; IR2110; LabVIEW

2015-04-15

TM352

A

1004-7018(2016)01-0068-03

孫博城(1989-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動、開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動技術(shù)。