基于IPM模块的智能断路器电动底盘车控制电路设计.docx

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基于IPM模块的智能断路器电动底盘车控制电路设计

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唐英陈德凯杨春孟杨建荣周雪燕

【摘要】在当今社会经济与科学技术的不断发展之中，人们对于供电质量也有着越来越高的要求，因此在变电站之中，尤其是变电站的自动电力电子系统，更是对配电网络的底层开关有着更高的技术要求。基于这一情况，本文研究了一种基于IPM模块的智能断路器电动底盘车控制电路的设计，希望可以对变电站供电质量的提升有所帮助。

【关键词】变电站;IPM模块;智能断路器;电动底盘车;控制电路

前言

本次研究主要是为了与当今智能化的断路器发展相适应，对智能断路器电动底盘车的控制电路进行设计。在这一装置之中，主要应用的是IPM智能功率模块，以此对底盘车的电机功率起到驱动作用。同时也引进了电机电流的闭环控制技术以及PWM脉宽调控技术，让电机转速以及工作状态得到良好的监控与保护。

一、电动底盘车控制系统H桥电路的工作原理分析

在电动底盘车电机的工作过程中，主要是通过正反转的形式进行，所以在设计时，将H型双极性的可逆PWM驱动系统应用到了其中。这个系统之中主要有四个续流的二极管和四个开关管，通过单电源的形式进行供电。在这四个开关管之中，V1和V4组成一组，V2和V3组成另一组，在同一组中，开关管的导通或者是断开同步进行，不同组的通断则刚好相反。在每一个PWM的周期之中，如果控制信号Ui1处于高电平的状态，就会导通V1和V4，这时候的控制信号Ui2将处于低电平的状态，所以V2和V3也就会停止，电枢绕组所承受的是正向电压。如果控制信号Ui2处于高电平的状态，就会导通V2和V3，这时候的控制信号Ui1将处于低电平的状态，所以V1和V4也就会停止，电枢绕组所承受的是反向电压[1]。也就是说，在每一个PWM的周期之中，电枢电压都要经历一次正向的变化和一次反向的变化，这种变化也就是我们所说的“双极”。而电枢平均电压可以表示为：

U0=（-）US=（2-1）US=（2α-1）US。

通过以上的公式可以得出，在双极性可逆PWM的驱动过程中，占空比α对电枢绕组承受的平均电压起到决定性作用。在α为0的时候，U0=-US，此时的电机处于反转状态，而且转速达到最大。在α为0.5的时候，U0为0，此时的电机处于停止状态，但是此时依然有交变电流在电枢绕组之中流动，这样就会让电机产生一种高频振荡，这种振荡不仅有助于电机对负载静摩擦的克服，也可以让电机的动态性能得以有效提升[2]。

二、PWM在L292基础上的控制电路设计

L292属于意大利SGS公司所研发的第三代伺服控制专用的集成电路，拥有很多功能的单元电路都集成在了L292的芯片之中，所以，在设计过程中，仅仅在外部加上少数的一些元件，一个完整的电流环就可以顺利组成。只要电动底盘车与其操作的条件相符合，并且能够接收到相关的控制指令的情况下，CPU所发送出来的控制指令就会让L292之中产生两路有着相同频率的PWM波，这两路PWM波的波形又可以实现互补，在这两路PWM波的作用下，底盘车的电机也将开始工作。在这一过程之中，采样电阻会获得一个电枢电流的反馈信号，然后将这个反馈信号输送到L292的2脚以及14脚之中，通过片内的差分放大电路，这个反馈信号就可以被放大，并将检测到的电流输送到L292之中的6脚，与控制信号一同被输送到片内的运放反相端，这样就可以得出电机电流之中的误差信号，并将这个电流误差信号输送到电流环调节器之中，利用PID控制算法来进行调节，经过调节之后，就会生成一个对系统进行控制的信号，这个控制信号可以对PWM波的输出进行控制，这样就可以让电动底盘车得到有效的闭环控制。

三、IPM模块驱动电路的设计

相比较IGBT模块而言，IPM模块具有内置的驱动电路，可以实现短路保护、过流保护、欠压保护以及过热保护等，也可以实现报警信号的输出。这个系统主要应用的是日本富士IPM模块的芯片来驱动电机功率，在IPM模块的内部安装了六个IGBT，可以在450伏、30安的条件下工作，其功率保护器最大的开关频率可以达到60kHz[3]。驱动电路以及保护电路是IPM本身所具有的功能，所以通过这一模块的应用，可以让系统的硬件电路设计得以进一步简化，设计过程中，仅仅需要保障提供出的PWM信号满足驱动功率的需求，同時提供出驱动电路的电源，并提供出相应的电气隔离装置来防止干扰即可。

（一）IPM驱动电路的电源设计

在IPM模块的应用过程中，对于驱动电路的输出电压有着十分严格的要求，驱动电路的电压范围一定要控制在15V±10%，如果驱动电路的电源电压在13.5伏以下，IPM模块就会进行欠压保护，如果驱动电路的电源电压在16.5伏以上，IPM模块内部的一些部件就很可能被烧毁。同时，驱动电压也应该相互隔离，这样才可以有效防止地线噪声的干扰。在驱动电源之中，绝