基于IR2110 的三相逆變器控制策略與驅動電路設計

朱俊臻，康少華，王愛榮，周華鋒

(1.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津300161;2.軍事交通學院 軍事物流系，天津300161)

三相逆變器用于交流異步電動機調速控制。根據(jù)調速的靜、動態(tài)性能，逆變器的控制策略可簡單分為轉差頻率控制、矢量控制和直接轉矩控制［1］。其中，當對調速系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能要求較高時，轉差頻率控制不能滿足要求，而矢量控制和直接轉矩控制使得異步電動機機械特性以及動態(tài)性能達到足以和他勵直流電動機特性相媲美的程度［2］。由于異步電動機是一個多變量、強耦合、非線性系統(tǒng)，直接轉矩控制存在轉矩脈動較大的缺點［1-2］，所以本文運用異步電動機按轉子磁場定向的矢量控制策略，實現(xiàn)交流電動機磁通和轉矩的獨立控制［1］，并對逆變器驅動電路進行設計和實驗，以實現(xiàn)三相逆變器的矢量變頻控制。

1 控制系統(tǒng)概述

異步電動機矢量控制的基本思路，是將定子電流瞬時值分解為互不耦合的勵磁分量和轉矩分量，并建立起電動機動態(tài)電磁轉矩與這2 個分量的直接聯(lián)系，通過一系列坐標變化，轉化成為逆變器加載到交流電動機的三相電流分量，從本質上實現(xiàn)三相電流的解耦控制，使異步電動機能像他勵直流電動機一樣控制。矢量控制系統(tǒng)原理結構如圖1［3］所示。

圖1 轉差型矢量控制系統(tǒng)框圖

圖中，ASR 為速度調節(jié)器，ACRA—ACRC 為相電流調節(jié)器，BRT 為測速傳感器為給定的定子二相同步旋轉電流，為 給 定 的 定 子 二 相靜止電流，為給定的定子三相靜止電流，ω*為給定轉速，ω 為實際轉速，φs為磁場定向角。具體變換矩陣如下。

(1)定子軸系的二相靜止到二相同步旋轉(2S/2R)的電流變換矩陣方程為［3］

其中，φs的計算公式為［3］

(2)定子軸系的三相靜止到二相靜止(3S/2S)的電流變換矩陣方程為［3］

2 控制程序設計

結合對控制系統(tǒng)原理結構的理解，在設計控制程序時，主要考慮數(shù)據(jù)采集與處理、坐標變換、控制算法3 個模塊，控制程序流程如圖2 所示。

圖2 控制程序流程

3 逆變器驅動電路設計

逆變器驅動電路由邏輯信號處理電路和MOSFET 驅動電路2 部分組成。邏輯信號處理電路輸入、輸出分別是單片機PWM 信號和IR2110 控制信號;MOSFET 驅動電路實現(xiàn)弱電對強電的控制，驅動電路分通道設計，能有效避免強電對弱電產(chǎn)生干擾。逆變驅動電路框圖如圖3 所示。

3.1 邏輯信號處理電路

邏輯信號處理電路如圖4 所示。其功能是產(chǎn)生滿足MOSFET 驅動電路要求的時序信號，且對輸出信號進行互鎖保護。

圖3 逆變器驅動電路框圖

圖4 邏輯信號處理電路

單片機輸出的6 路信號PWM1—PWM6 經(jīng)過邏輯電路后產(chǎn)生各組IR2110 高低輸入端所需的控制信號INH 與INL。通過或非門74JC02 和或門74ALS32 進行邏輯運算，實現(xiàn)各組高低輸出信號之間的互鎖保護，使INH1 和INL1、INH2 和INL2、INH3 和INL3 不能同時為高電平。其中，IN1 路邏輯運算真值見表1。IN1 邏輯電路的輸入、輸出時序如圖5 所示。

表1 IN1 路邏輯運算真值

圖5 IN1 邏輯電路時序

3.2 MOSFET 驅動電路

MOSFET 驅動部分采用3 片IR2110 芯片，分別驅動上下橋2 對、共6 組MOSFET，構成對逆變器的直接控制電路(如圖6 所示)。

圖6 MOSFET 驅動電路

IR2110 是IR 公司推出的一種雙通道高壓、高速電壓型功率開關器件，具有獨立的高低端輸出驅動通道。柵極驅動電壓為10 ～20 V，邏輯電源電壓為5 ～20 V，懸浮通道用于驅動MOSFET 的高壓端電壓可以達到500 V［4］。本逆變電路的MOSFET 選用英飛凌的IPB025N10N，其漏源最大電壓為100 V，最大電流為180 A，導通電阻為2.5 mΩ，響應時間為34 ns［5］。

圖中，IR2110 供電電源VDD 為5 V，自舉電路電源VCC 為l5 V，數(shù)字地與模擬地串0 Ω 電阻共地，C2、C5、C8 為自舉電容，D1、D2、D3 為續(xù)流二極管，C1、C3、C4、C6、C7、C9 為濾波電容，D4、D5、D7、D8、D10、D11、D13、D14、D16、D17、D19、D20為鉗位保護二極管，防止加在MOSFET 柵極電壓超過允許范圍0 ～15 V。

就U1 所對應的電路而言，邏輯信號處理電路輸出的INL1、INH1 使U1 對應的高低端口(HO、LO)按照規(guī)則輸出高低電平，實現(xiàn)上下橋MOSFET交替導通。當INH1 =0、INL1 =1 時，U1 的LO 端產(chǎn)生高電平，使下橋臂組MOSFET 導通，此時VS接地，+15 V 經(jīng)過D1、C2、下橋臂組，接地給C2 充電;當INH1 =1、INL1 =0 時，上橋臂組MOSFET 導通瞬間，VS 端為高電壓，為了使MOSFET 飽和導通，C2 必須放電，此時C2 相當于電壓源，U1 的VB端是正極，VS 端是負極，為MOSFET 柵源間提供15 V 的開啟電壓。由此可見，上橋臂組的導通必須要以下橋臂組的導通為前提，給自舉電容充電。

4 實驗分析

根據(jù)上述電路分析，實驗重點對邏輯處理電路輸出INH1、INL1 和IR2110 的高低輸出端GH1、GL1 隨PWM1、PWM2 變化波形進行驗證，通過波形記錄儀測量得到波形如圖7、8 所示。

圖7 INH1、INL1 隨PWM1、PWM2 變化波形

圖8 GH1、GL1 隨PWM1、PWM2 變化波形

可以看出，邏輯處理電路輸出波形與本文設計時序圖對應關系一致，且動態(tài)響應迅速;同時IR2110 的高低輸出端波形也隨邏輯信號處理電路輸出波形同態(tài)變化。實驗證明，本控制策略可行，逆變器驅動電路運行穩(wěn)定，能夠達到設計要求。

［1］ 王仁峰.基于XC164 的異步電機矢量控制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)［D］.上海:上海大學，2007.

［2］ 陳伯時，陳敏遜. 交流調速系統(tǒng)［M］. 北京:機械工業(yè)出版社，2009.

［3］ 李華德，白晶.交流調速控制系統(tǒng)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2003:99-119.

［4］ International Rectifier Inc Products. IR2110/IR2113 data sheet［EB/OL］. ［2013-05-12］www.a//data.sheet.com.

［5］ Infineon Technologies AG. IPB025N10N data sheet［EB/OL］.［2013-06-12］］www.a//data.sheet.com.