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電機控制系統主電路及驅動電路的設計

文檔作者：陰麗華曾顯恒文檔來源：河南職業技術學院		點擊數：	更新時間： 2025年09月06日
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設計研究
汽1l實用技術
AUTOMOBILE APPLIED TEC}tNOLOGW
20l 4年第1 O JOj
20 l 4 N0．1 O
電機控制系統主電路及驅動電路的設計
陰麗華，曾顯恒
(河南職業技術學院，河南鄭州450000)
摘要：本文中選用的無刷直流電動機的電機本體采用星形連接的三相對稱繞組，同時功牢器件組成的逆變器為橋
式電路。文章主要敘述了控制系統的硬件電路設計過程。以EasyARM21O0開發板為核心的控制單7亡，士電路及驅
動單元行了闡述，并對硬件設計也作出了相應的解釋。
關鍵詞：主電路；功率器件；驅動電路；驅動板
中圖分類號：U463．6 文獻標識碼：A 文章編號：1 671—7988(201 4)1 O-79—03
Design motor control system of the main circuit and driver circuit
Yin Lihua，Zeng Xianheng
(Henan Vocational and Technical College，Henan Zhengzhou 450000)
Abstract：Motor body chosen in this article brushless DC motor using three phase windings star connected while power
device is composed of an inverter bridge circuit．The article describes the control system hardware circuit design process．In
EasyARM2 100 development board for the core of the control unit,the main circuit and the drive unit line described，and
hardw~e design also made corresponding explanation．
key words：The main circuit；Power De~ee；Drive circuit；Driver Board
CLC NO．：U463．6 Document Code：A Article ID：1671—7988(2014)10—79—03
GTR的通態壓降低、耐壓高、可承受大電流等優點。又兼有
- ‘‘ ． · L。
刖昌 多子器件MOSFET的開關速度快、熱穩定好、無 次擊穿、
對于控制系統的主電源來說，本系統采用的是直流供電，
在實際應用中的電動汽車使用的也是直流供電。本系統的直
流電源為300V，可以串聯蓄電池獲得，也可以經過交流電進
行整流獲得。系統主電路如圖1所示。
1、功率器件的選取
由于無刷直流電機PWM 調速時要求較高的開關頻率，
因此，對開關元件的驅動電路提出了如下要求：改善開關元
件的開關特性，減少開關時間；減少驅動功率，提高驅動效
率；對開關元件的過流提供快速、可靠的保護。
隨著電力電子器件的發展，快速關斷器件如門極可關斷
晶體管GTO、功率雙極型晶體管GTR、金屬氧化硅晶體管
MOSFET和絕緣柵雙極晶體管IGBT等相繼開發成功。其中
IGBT是集MOSEFT和GTR優點于一身。即具有少子器件
輸入阻抗高、驅動微功耗的長處。因此倍受青睞。尤其是
電機控制、中頻和開關電源以及要求快速、低損耗的領域發
展迅速。在大功率全橋變換中。IGBT作為功率開關元器件
是非常適合的。
圖1 系統主電路
IGBT 是一壓控器件。它所需的驅動電流與驅動功率非
常小，可直接與模擬或數字功能塊相接，不需加任何附加接
口電路而且轉換功率也大大提高。IGBT 的導通與關斷是l1J
作者簡介：陰麗華，就職于河南職業技術學院，研究方向車輛J：程。 柵極電壓 ￡來控制的。當己，GE人于開 電 己，G 時。IGBT
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2014年第1O期 陰麗華等： 電機控制系統主電路及驅動電路的設計 80
導通。當柵極和發射極間施加反向或不加信號時，使得IGBT
關斷。
奉研究選川FS400R12KF4為驅動器件，FS400R12KF4
基本參數：400A／1200V／6U。圖2為功率器件。
圖2 FS400R12KF4
2、IGBT驅動電路工作原理
本系統采用了EXB系列中的EXB841驅動模塊。圖3
為驅動模塊的外彤 。EXB841是日本富士公司提供的
300A／I200V高速型IGBT專剛驅動模塊。其最高工作頻率為
40kHz： 20V 電源供電，內部自己產生．5V的反偏電壓：
具有過流保護和軟關斷功能。
圖3 E×B841
圖4 EXB841系統框圖
從 4和 5看出，EXB84 上要由放大、過流保護、
5V基準電壓和輸出等部分組成。其中放大部分由TLP550、
、 、 和月，、C，、 JR 組成，TLP550起信號輸入和
隔離作州， 是中間級， 和 組成推挽輸出；短路過流
保護部分n1 、 、 ，和 、凡、凡、R 、心、cj、
7、 、 等組成，實現過流檢測幣¨延時保護功能。EXB841
的6腳通過快速恢復 極管接至IGBT的C極，檢測IGBT
的集射之間的通態電壓降的高低來判斷IGBT的過流情況加
以保護；5V電壓基準部分由R，fJ、 、G 組成，為IGBT驅
動提供．5V反偏壓。表1為EXB841的各端子。
表1 EXB841端子
端子編號 適用
l 用于反向偏置電源的平滑電容連接端子
-， 電源端子 (+2Ov)
3 驅動輸出端子
防止過電流保護電路誤動作的電容連接端子
4
(一般情況下無需外接電容)
5 過電流檢測輸出端子
6 集電極過電壓檢測端子
7、8 不連接
9 電源端子(0V)
1O 不連接
14 動信號輸入端子(一)
l5 驅動信號輸人端子(+)
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圖5 EXB841內部圖
(1)正常開通過程
當控制電路使EXB84l輸人端14和l5腳有10mA的電
流流過時，光耦TLP550導通，A點電位迅速下降至0V，使
、 截止： 截止使D點電位上升至20V，I：4導通 截
止，EXB841通過 及柵極電阻 ，向IGBT提供電流使之
迅速導通，IGBT 的 下降至3V， 與此同時，EXB841的
截止使+20V 電源通過尺3向電容 充電，使B點電位上
升，’占們由零上升到13V的時間為2．54,us，由于IGBT約
l 后已導通，I cE下降至3V左右，從而使EXB841的6
腳電位特制在8V左右，因此B點和C點電位小會充至13V，
而是充至8V，穩壓管VZ1的穩壓值為13V，IGBT正常開通
時不會被擊穿， 不通，E點電位仍為20V，二極管VD 截
止，不影響 ， 的正常．I=作。
(2)正常關斷過程
控制電路使EXB841輸人端l4，l5腳無電流流過，光耦
TLP550不通，A 點電位上升使 ， 導通； 導通使
截止， 導通，IGBT柵極電荷通過 迅速放電，使EXB841
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8l 汽車實用技術 2014年第lO期
的1腳電位迅速下降至0V，使IGBT可靠關斷， r， 迅速
上升，使EXB841的6腳“懸空”。與此同時 導通， 通
過V，史快放電，將B點和C點電位箱制在0V，使 ，仍不
通，后續電路不會動作，IGBT正常關斷。
(3)過流保護
設IGBT正常導通，則EXB841中 ，和 截止， 導
通， 截止，B點和C點電位穩定在8V左右， 不被擊穿，
不通，E點電位保持在20V，_I極管VD6截止。若此時發
， 短路，IGBT 承受人電流而退飽和， 上升很多，二極
管 截止，EXB841的6腳“懸空”，B點和C點電位由
8V上升， 上升 13V 時， 被擊穿， 導通， 通過
尺，和 放電，E點電位逐漸下降，二極管VD6導通使D 點
叱位也逐漸下降，從 使EXB841的3腳電位也逐步下降，
慢慢關斷IGBT
驅動電路驅動板的設計
3．1驅動板的電源電路
驅動模塊使蹦的供電電壓為20伏，而驅動板的供電為
24伏，內部需要加設電源電路，以此來穩定驅動模塊的供電
l乜壓。 先，[{{{妾口提供24伏的商流電壓，經過電容濾波，
冉使H|芯片7818將電壓降 18伏，岡為二個二極管D
D30、D3 和i電容的作J}J，電 被穩定為20．1伏左右。以此為
動板內的各驅動模塊供電。圖6所示。
斗 牛
圖6 驅動板電源電路
3I2驅動模塊的驅動電路
驅動電路的設計如圖7。
驅動電路的內部原理前面已繹敘述過了，在這里就不再
重復，需要說明的有以F幾點：
①驅動板內共有驅動這樣的驅動應用電路6個，分別用
來驅動功率器件內的6個IGBT；
②驅動信號來自處理器芯片的PWM 引腳或I／O引腳：
③本電路中IGBT柵極進行了保護設汁，Dl1和Dl2兩個
反向連接的穩壓管可以保證％E在．5V—+l5V之間；
④驅動芯片EXB841的6腳(集電極電壓監測端)輸出串
接一個穩壓管和二極管接到IGBT集電極。集電極電壓監測
端的主要作用是進行前面我們所講的過電流保護的。
— 』_—r — 一
— 衛
參考文獻
】5V
圖7 EXB841驅動電路
【l】PH1LIPS公司．LPC21 14／2124／2212／2214UserManualtN】．PH1LIPS
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【2】l：I：田苗．嵌入式系統設計與實例開發一基于ARM 微處理器與
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