无刷直流电机调速系统中的电子换向器
无刷直流电机调速系统中的电子换向器
电力电子技术研究的内容包括三个方面：电力电子器件、变流电路和控制电路。电力电子变流技术在工业化领域有着广泛地应用。如电机拖动及其调速系统中都会用到变流技术，因此简单、实用、控制准确的触发和驱动电路就显得尤其重要。本文介绍由8098单片机控制的一种电子换向器在IGBT 逆变器中的应用，用于无刷直流电机的调速系统。
1系统硬件组成及其原理
本系统为转速电流双闭环调速系统，被控对象是无刷直流电机，如图1所示。
无刷直流电机是由一组变流器、一台同步电机和一个转子位置检测器组成。主电路由蓄电池, 电容以及IGBT 逆变器组成，如图2所示。但无刷直流电机中的变流器和一般变流器不同，它受控于转子位置检测器，是一个所谓“自控式逆变器”。无刷直流电机绕组中流过的电流和通常电机中所通过的电流不同。以三相Y 连接全控桥两两导通电路为例，所谓两两导通是指每一瞬间只有两个功率管道通，每隔1/6周期（60度电角度）换向一次，每次换向一个功率管，每一个功率管导通120度电角度。位置信号发生器既用来产生位置信号，又可输入8098进行测速和转向判别。
控制电路由8098单片机及其外围电路组成。控制系统将直流电变成三相可调的交流电, 实现调压调速。电流环是利用滞回比较器对电流进行跟踪控制。转速环则是由8098单片机实现转速的数字PI 调节以及电机运行状态的判别。
外围电路主要是由键盘电路、数模转换电路、EPROM(2764)、驱动输出电路等组成。由上述可知电机的调速系统应该是一个完整而又相对复杂的整体，由于篇幅有限，以下仅对逆变器的触发和驱动电路作比较详细地介绍。
2．电子换向器
根据三相桥式逆变器对触发脉冲的要求，PWM 电子换向器即是综合电流调节器输出的PWM 信号、电机转向、转矩等多种控制信号，产生逆变器开关触发信号的主要部件。本系统使用一片EPROM （2764）来实现控制逻辑。即将2764的地址线作为输入信号端，数据线作为输出信号端，预先将电机各种运行状态下的开关信号存入EPROM 中，对应不同的输入信号，输出相应的控制信号。电子换向器的电路图如图3所示。表1为电机正常工作的情况下，处于正转电动状态时的开关状态表。其中EPROM 地址线所输入的信号为：
A0：保护信号，“1”：正常运行，“0”：故障运行。
A1：电流调节器输出的PWM 信号，电流调节器在本系统中采用的是滞回调节器（两态调节器），对电机定子电流进行直接跟踪控制，即将电流给定值和电流反馈的实时采样值输入到比较器，有滞回比较器调节开关元件的导通关断时间，从而调节电流大小，“1”：高电平。“0”：低电平。
A2：转矩信号（电动、制动信号），“1”：电动状态，“0”：制动状态。
A3~A5：转子位置信号（PAPBPC ）。
A6：限速回馈制动信号，“1”正常，“0”制动。
A7：紧急停机信号，“1”正常，“0”停机。
A8：转向信号，“1”正转，“0”反转。
图中，与非门4049、非门7406以及和它相连的电阻组成的电路的作用是完成电平之间的匹配。
3．驱动电路
IGBT 是集MOSFET 的电压激励和GTR 的大电流低导通电阻等优点于一体的器件，其驱动电路采用IGBT 的专用驱动模块EXB841，其驱动电路如图4所示。系统正常工作时，当PWM 信号为高电平时，EXB841的14脚变低电平，在15脚和14脚之间有电流流过，3脚和11脚间输出+15V电压，开通IGBT 。当IGBT 过流时，EXB841的6脚通过快速二极管D1检测到C 点电位升高，3脚输出电压逐步降低，慢速关断IGBT 。若延时后过流仍未消失，则认为是真短路，5脚变低电平，使光耦工作，输出封锁信号去封锁PWM 脉冲，使IGBT 完全关断。驱动电路中的“GND”所指地为驱动电路地，为了安全，图中驱动电路和控制电路通过光耦个离开了，所以驱动电路和控制电路不共地。
结束语：
实验证明用EPROM 实现电子换向功能，使设计的电路结构简单、集成度高、抗干扰能力强、工作可靠、成本低廉，且便于和单片机接口实现数字控制。