電動(dòng)車用永磁同步電機(jī)MOSFET驅(qū)動(dòng)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

周康，王偉炳，巢靖，鄧孝華，葉欣，李倩

（南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院，江蘇 南京 210000）

電動(dòng)汽車具有環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加速快、成本低、維護(hù)方便、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，隨著電動(dòng)汽車的飛速發(fā)展，它已成為汽車行業(yè)中不可或缺的一部分[1]。

近年來(lái)微電子、電力電子、新型電機(jī)控制理論和稀土永磁材料飛速發(fā)展，加速了永磁同步電動(dòng)機(jī)的推廣和應(yīng)用。這一電機(jī)具有體積小、損耗低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足節(jié)能環(huán)保的要求[2]。其高效率、高功率密度、轉(zhuǎn)矩／慣性比高、無(wú)轉(zhuǎn)子損耗的特點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于各種工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制之中[3]，且非常適合用作電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

任何電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩都是由主磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的。永磁同步電機(jī)里電樞磁場(chǎng)和永磁磁場(chǎng)空間上相差90度電角度時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩最大。目前的交流電機(jī)控制方法有恒壓頻比控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等，本文設(shè)計(jì)的MOSFET驅(qū)動(dòng)硬件系統(tǒng)可采用以上控制方法。

本文基于TMS320F28335DSP設(shè)計(jì)了永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)MOSFET驅(qū)動(dòng)硬件系統(tǒng)。其中硬件部分包括74LCX244T緩沖放大器、HCPL－4504高速隔離光耦、CD4049UBC反向緩沖器、IR2101功率驅(qū)動(dòng)器等電路的設(shè)計(jì)。隨之進(jìn)行了永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)MOSFET驅(qū)動(dòng)硬件由軟件程序控制電機(jī)的實(shí)驗(yàn)，得到的驅(qū)動(dòng)波形和電流波形驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的可行性。

1 硬件系統(tǒng)原理圖

1．1 IR2101 驅(qū)動(dòng)電路

整個(gè)設(shè)計(jì)中最重要的一環(huán)是IR2101上管驅(qū)動(dòng)電源自舉電路，它由快恢復(fù)二極管FR107、10UF儲(chǔ)存電荷電容及0．1UF濾波電容組成，如圖1所示。三相的另外兩相與圖1相同[4]，三相的下橋臂MOSFET都與15V電源的公共地COM相連，三相的上橋臂MOSFET都與各自舉電容的地相連，工作時(shí)由自舉電容進(jìn)行供電。通過(guò)HO、LO控制右側(cè)MOSFET，注意兩個(gè)MOSFET源極的不同，上管柵、源極分別與HO、VB相連，下管的柵、源極分別與LO、COM相連。VS獨(dú)立于COM端。HIN高電平時(shí)，VB、HO導(dǎo)通，HIN低電平時(shí)，HO、VS導(dǎo)通。IR2101輸入和輸出是同相的，LIN高電平時(shí)，LO輸出為高，LIN低電平時(shí)，LO輸出為低。Q1導(dǎo)通時(shí)，儲(chǔ)能電容C7處于放電狀態(tài)，電流流向如紅線所示；Q2導(dǎo)通時(shí)，C7處于充電狀態(tài)，電流流向如綠線所示。對(duì)于D1，必須是快恢復(fù)二極管，因此選用FR107，其耐壓等級(jí)達(dá)到了1000V，因?yàn)樯瞎軐?dǎo)通時(shí)D1陰極對(duì)地電壓為三相逆變直流側(cè)高電壓與10UF儲(chǔ)存電荷電容電壓之和，而其陽(yáng)極對(duì)地電壓為15V，反向電壓基本等于逆變直流電壓，因此必須具有高的反向耐壓等級(jí)。

圖1 IR2101的外部接線原理圖

圖1中其它元件的作用：Vcc給IR2101供電，是15V驅(qū)動(dòng)電源；R33為10Ω限流電阻；D2保證柵極低電平時(shí)快速放電，選用1N4148高速開(kāi)關(guān)二極管；R21、R24為33Ω的電阻，用于抑制柵極電壓振蕩。

1．2 緩沖器電路

由DSP手冊(cè)可知[5]，DSP的輸出除了Group2部分，其他輸出的能力只有“±4mA”，達(dá)不到驅(qū)動(dòng)要求，因此需要通過(guò)緩沖器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。本設(shè)計(jì)選用八輸入三態(tài)同相緩沖器74LCX244T，輸出可以達(dá)到“±24mA”，得到的電流由 DRI輸出，給到HCPL－4504高速光耦，如圖2所示。圖中OE1和OE2為使能端，下拉到低電平使能。VCC的電壓范圍為2．0V－3．6V，本設(shè)計(jì)的3．3V供電是滿足要求的。

圖2 （a）74LCX244T外部接線圖；（b）7柱接線端子

DSP最小系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)接線端子如圖2（b）所示，三態(tài)緩沖器的輸入電壓與PWM的輸出電壓一致。7個(gè)接線端子把DSP的信號(hào)傳送給緩沖器74LCX244T。

1．3 HCPL－4504（三相）

HCPL－4504是高速光電耦合芯片，用以實(shí)現(xiàn)精確的光電信號(hào)轉(zhuǎn)換。主要作用是隔離（光隔離），將DSP的弱電信號(hào)和主電路（電機(jī)）部分的強(qiáng)電信號(hào)隔離開(kāi)來(lái)。HCPL－4504功能如圖3所示，當(dāng)左側(cè)DRI1為高電平導(dǎo)通時(shí)，右側(cè)VO口對(duì)地接通，輸出電壓被下拉至0V。當(dāng)左側(cè)DRI1為低電平時(shí)，右側(cè)三極管不通，輸出處電壓被上拉至15V，VO與Vcc一致，如圖4所示。

圖3 HPCL－4504的功能

圖4 HPCL－4504的外部接線原理圖

圖4中C1選用0．1uf的電容，起濾波作用；R3的作用是給2，3兩個(gè)引腳提供正向?qū)妷海x用阻值為1K的電阻；根據(jù)HCPL－4504的工作特性，輸入二極管的導(dǎo)通電流設(shè)定為IF＝12mA，則R6由下式計(jì)算：

式中：VF為輸入二極管的導(dǎo)通壓降典型值

1．4 CD4049UBC

因?yàn)镠CPL－4504驅(qū)動(dòng)能力弱，上升沿下降沿不夠陡峭，不利于MOSFET快速開(kāi)通。且其輸出與輸入是反相的，采用反相器可以獲得和輸入PWM同相的信號(hào)。本設(shè)計(jì)選用兼有緩沖、整形和保證信號(hào)邏輯一致作用的CD4049UBC反相緩沖器，其內(nèi)部原理圖如圖5所示。

圖5 CD4049UBC的內(nèi)部原理圖

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及實(shí)驗(yàn)波形

2．1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

永磁同步電機(jī)MOSFET驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖6所示，圖中包括了三相MOSFET驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、TMS320F28335DSP最小系統(tǒng)、霍爾電流傳感器，驅(qū)動(dòng)功率為750W、轉(zhuǎn)速3000轉(zhuǎn)／分鐘的永磁同步電機(jī)（80－024－30F）、磁粉制動(dòng)器負(fù)載（型號(hào)FZ－25－D），轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器（JC0）以及仿真器（XDS100V2 EMULATOR）。

圖6 永磁同步電機(jī)MOSFET驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2．2 PWM 輸出波形

TMS320F28335DSP輸出的一路PWM波形如圖7（a）所示；圖7（b）為 HCPL－4504 的輸出信號(hào)，可以看出其上升沿過(guò)長(zhǎng)；圖7（c）為CD4049UBC的輸出波形，其上升沿和下降沿都很陡峭，有利于快速開(kāi)通和關(guān)斷MOSFET；圖7（d）為電機(jī)電流波形。

圖7 （a）TMS320F28335DSP輸出的PWM波形；

3 結(jié)論

本文基于TMS320F28335DSP設(shè)計(jì)了永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)MOSFET驅(qū)動(dòng)硬件。其中包括三相逆變電路單電源供電的IR2101驅(qū)動(dòng)MOSFET電路；匹配合適驅(qū)動(dòng)能力的74LCX244T緩沖器電路；隔離控制和主電路的HCPL－4504高速光耦電路；保證PWM信號(hào)與驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位一致且具有緩沖和整形作用的CD4049UBC反相緩沖器。最后可由軟件部分控制永磁同步電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的可行性。本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于：3個(gè)IR2101驅(qū)動(dòng)6個(gè)MOSFET只需要用到一個(gè)公共電源（15V），即一個(gè)電源就能實(shí)現(xiàn)三相逆變驅(qū)動(dòng)。