基于IPM的永磁同步电机功率驱动电路设计

寇浩宇

（中国电子科技集团第二十研究所，西安 710068）

随着电力电子技术、传感器技术以及电机控制理论的不断发展，高性能永磁同步电机交流伺服系统在许多高科技领域得到了广泛应用[1-2]，如机床、航天航空、雷达与各种武器装备系统等。在伺服系统设计过程中，高性能功率驱动电路设计关系到整个控制系统的优劣。近年来，随着微电子技术和功率电力电子技术的飞速发展，出现了一些高性能、高集成度的功率驱动器件。本文将智能功率模块（Intelligent Power Module，IPM）引入驱动控制设计，以永磁同步电机为对象，分析了主电路拓扑结构、检测电路及保护电路等，并在此基础上研究和探讨了功率驱动电路 设计[3]。

1 功率驱动电路设计

IPM主拓扑结构如图1所示。内部封装6个绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）进行单独控制，具有功率容量大、电流大的特点，保护功能完善，具备三相过流、母线过流及过温保护功能。当发生故障时，故障信号输出端会输出故障信号，内部会对外部控制信号进行光耦隔离。该结构采用隔离电压供电，输入6路脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）方波工作频率高，导通压降低，损耗小。实际使用时，伺服控制系统还需要辅助外围保护和检测电路，主要包括相电流、母线电压、故障信号检测电路以及过压泄放保护电路，以提高可靠性[4-5]。

图1 IPM内部主拓扑结构

1.1 信号检测电路

1.1.1 母线检测电路

通过220 V整流得到母线直流电压（Vias Voltage Direct Current，VDC），由于存在工作或输入异常产生的过压情况，需要设置过压的阈值，使用电阻式分压电路来调解母线直流电压，以适应数字信号处理（Digital Signal Process，DSP）0～3 V的输入电压。采用高输入阻抗的光隔离放大器隔离处理母线电压，通过隔离放大器后利用电阻R9限流后输送给DSP的模拟数字转换器（Analog to Digital Converter，ADC）模块进行母线电压检测，如图2所示。

图2 母线检测电路

1.1.2 相电流及母线电流检测电路

用霍尔电流传感器进行三相电流和母线电流检测，将相电流及母线电流转换为电压信号，设计如图3所示的U相电流检测电路。通过精密电阻分压，并依次进行滤波和电压转换，以转换成DSP和ADC模块所接收的0～3 V电压信号。

图3 U相电流检测电路

1.1.3 故障检测电路

设计的故障检测电路需要将IPM的三相过流、母线过流及过温的15 V故障信号反馈给DSP。当IPM工作异常时，在故障输出端口会产生故障电平信号。将故障信号通过三极管进行驱动，经光耦隔离后转换成DSP所需的3.3 V电压。以U相电流为例，输入/输出（Input/Output，I/O）信号如图4所示，能够完成故障检测。

1.2 泄放保护电路

当输入电压长时间过高或者处于电机制动状态时，由于整流电路是不可控桥式整流，直流侧的电能将不能返回电网，会使电容两端电压升高，危及器件安全。为避免过压故障烧毁功率器件，设计如图5所示的母线泄放电路，以保护控制系统。母线电压信号由电阻式分压电路处理后，先通过比较器设计滞回比较电路，并设定泄放及关断阈值。当电机制动所产生的泵升电压或者其他原因引起电压过高时，通过光耦打开IGBT将母线电流泄放在功率电阻R4上。当电压小于关断阈值时，关断IGBT完成泄放保护工作。

1.3 电源解决方案

永磁同步电机的伺服系统是一个强弱电混合的电路系统，电路模块较多。电路要求由相互隔离的直流电源进行供电，为保证功率驱动电路正常工作，需要利用隔离模块进行电源转换。先将整流滤波后的母线电压经过隔离的交 流/直 流 转 换 器（Alternating Current/Direct Current， AC/DC）转换为24 V直流电压，再将24 V直流电压进行二次AC/DC隔离转换，分别为IPM提供4路隔离15 V电压，以为U、V、W三相上桥臂以及下桥臂隔离驱动模块供电。数字5 V电压用于数字接口电源转换，模拟5 V电压用于运放等模拟电路，模拟15 V电压用于母线检测隔离放大电路和滞回比较电路。

图4 故障检测电路

图5 母线泄放保护电路

2 结语

综上所述，本文介绍了一种永磁同步电机功率驱动电路的设计方法，详细阐述了以IPM为核心，包含外围信号检测电路和保护电路的硬件设计思路。本文设计的硬件电路具有可靠性高、集成度高的特点，在电机控制领域具有较为广泛的实用价值。