一种基于实时仿真控制器的两电平驱动装置的制作方法

1.本发明属于电源、电力电子技术领域，尤其涉及一种基于实时仿真控制器的两电平驱动装置。


背景技术：

2.目前主流的驱动器均采用数字信号处理器dsp(digital signal processing)/arm(advanced risc machine)/fpga(field programmable gate array)作为控制核心，可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块ipm(intelligent power module)为核心设计的驱动电路，ipm内部集成了驱动电路，同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路，在主回路中还加入软启动电路，以减小启动过程对驱动器的冲击。而功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电；经过整流好的三相电或市电，再通过三相正弦pwm（pulse width modulation）电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机，功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是交-直-交整流逆变（ac-dc-ac）的过程，进而进行单一电机的控制。
3.对于驱动器通常有如下技术要求：1、输入电源要求：3相交流0~380v；2、逆变要求：支持ac-dc-ac整流逆变功能，dc-ac逆变功能；3、采样要求：母线电压采样、输出电流采样、温度采样；4、保护要求：输出电流过流、母线过压、过温、过载保护。
4.然而现有驱动器存在的多个技术问题是：1、输入电源要求单一；2、采样路数极少；3、拓扑结构单一、不通用，无法满足普遍客户的要求；4、 dsp/arm/fpga程序固化、使用者不能进行二次开发。因此，急需开发一种新型的满足现有技术要求的驱动器。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供一种基于实时仿真控制器的两电平驱动装置，以解决现有驱动器不满足技术要求的问题。
6.为解决上述技术问题，一方面，本发明实施例提供了一种基于实时仿真控制器的两电平驱动装置，包括：处理板，所述处理板上设有调理电路，所述调理电路用于对输入的脉冲宽度调制信号进行调理处理；以及，驱动板，所述驱动板与所述处理板连接，所述驱动板上设有驱动模块和功率模块，所述驱动模块用于对调理处理后的所述脉冲宽度调制信号进行升压处理，所述功率模块用于对升压处理后的所述脉冲宽度调制信号进行逆变处理并产生可变电流信号和/或可变电压信号；其中，所述驱动模块的最大驱动电流为2.5a；所述功率模块的最大开关频率为20 khz。
7.根据本发明的一实施方式，所述驱动模块包括驱动芯片，所述驱动芯片的型号为
acpl-332j。
8.根据本发明的另一实施方式，所述驱动模块还包括与所述驱动芯片连接的推挽电路，所述推挽电路用于对所述驱动芯片接收的所述脉冲宽度调制信号进行推挽升压处理。
9.根据本发明的另一实施方式，所述驱动模块包括两路推挽电路。
10.根据本发明的另一实施方式，所述驱动板的直流侧主电路结构为交-直-交结构或直-交结构，所述驱动板的逆变侧采用的拓扑结构为单相半桥、单相全桥、两电平三相半桥、两电平三相全桥、五电平三相半桥、五电平三相全桥、三相三桥臂以及三相四桥臂中的任意一种。
11.根据本发明的另一实施方式，所述功率模块为英飞凌pim模块。
12.根据本发明的另一实施方式，所述驱动板上还设有采样模块，所述采样模块包括4路电压采样和5路电流采样。
13.根据本发明的另一实施方式，所述基于实时仿真控制器的两电平驱动装置还包括电磁兼容板，所述电磁兼容板分别与所述驱动板和所述处理板连接。
14.根据本发明的另一实施方式，所述基于实时仿真控制器的两电平驱动装置还包括转接板，所述处理板通过所述转接板与实时仿真控制器连接。
15.另一方面，本发明实施例还提供了一种驱动系统，包括上述所述的基于实时仿真控制器的两电平驱动装置以及与所述基于实时仿真控制器的两电平驱动装置连接的待驱动设备。
16.本发明的有益效果：本发明实施例的基于实时仿真控制器的两电平驱动装置中输入的脉冲宽度调制信号经过处理板的调理电路处理后送到驱动板上的驱动模块升压至预设电压值后再送入到功率模块进行逆变处理，经功率模块的处理后产生可变的电流电压信号，从而用于控制待驱动设备。另外，本实施例中驱动模块的最大驱动电流为2.5a，功率模块的最大开关频率为20 khz。因此，本发明实施例的基于实时仿真控制器的两电平驱动装置结构简单，具有较高的开关频率和较高的驱动电流，且基于实时仿真控制器使得使用者能进行二次开发，能够解决了现有驱动器不满足技术要求的问题。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1是本发明的基于实时仿真控制器的两电平驱动装置的一个实施例的示意框图；图2是本发明的基于实时仿真控制器的两电平驱动装置的驱动板的一个实施例的示意框图；图3是本发明的基于实时仿真控制器的两电平驱动装置的驱动板的一个实施例的三相半桥主电路结构图；图4是本发明的基于实时仿真控制器的两电平驱动装置的另一个实施例的示意框图；
图5是本发明的基于实时仿真控制器的两电平驱动装置的电磁兼容板的一个实施例的拓扑结构图；图6是本发明的基于实时仿真控制器的两电平驱动装置的母线电容板的一个实施例的拓扑电路图；图7是本发明的驱动系统的一个实施例的示意框图。
具体实施方式
19.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.参见图1所示，本发明实施例提供了一种基于实时仿真控制器的两电平驱动装置100，包括：处理板1，处理板1上设有调理电路10，调理电路10用于对输入的脉冲宽度调制信号（pwm）进行调理处理；以及，驱动板2，驱动板2与处理板1连接，驱动板2上设有驱动模块20和功率模块21，驱动模块20用于对调理处理后的脉冲宽度调制信号进行升压处理，功率模块21用于对升压处理后的脉冲宽度调制信号进行逆变处理并产生可变电流信号和/或可变电压信号；其中，驱动模块20的最大驱动电流为2.5a；功率模块21的最大开关频率为20 khz。
21.本发明实施例的基于实时仿真控制器的两电平驱动装置中输入的脉冲宽度调制信号经过处理板的调理电路处理后送到驱动板上的驱动模块升压至预设电压值后再送入到功率模块进行逆变处理，经功率模块的处理后产生可变的电流电压信号，从而用于控制待驱动设备。另外，本实施例中驱动模块的最大驱动电流为2.5a，功率模块的最大开关频率为20 khz。因此，本发明实施例的基于实时仿真控制器的两电平驱动装置结构简单，具有较高的开关频率和较高的驱动电流，且基于实时仿真控制器使得使用者能进行二次开发，能够解决了现有驱动器不满足技术要求的问题。
22.在一些实施中，本发明实施例的驱动模块20包括驱动芯片201，驱动芯片201的型号为acpl-332j。本实施例中驱动芯片即驱动光耦为acpl-332j，该芯片具有如下优点：支持1000khz以上脉冲信号；具有高达100kv/μs的出色共模瞬态抑 (cmti)，这样可避免嘈杂环境中的错误栅极驱动器故障；支持高达5a的轨到轨输出电流，这样即无需输出缓冲器电路；具有集成的故障安全igbt和mosfet诊断，保护和故障报告功能；提供最小的传播延迟和出色的时序偏差。该芯片的高峰值输出电流和宽工作电压范围消除了对输出缓冲电路的需求，使设计人员能够为电机驱动器和功率逆变器实施经济高效的栅极驱动器解决方案。
23.在一些实施中，参见图2所示，本发明实施例的驱动模块20还包括与驱动芯片201连接的推挽电路202，推挽电路202用于对驱动芯片201接收的脉冲宽度调制信号进行推挽升压处理。本实施例中驱动电路使用推挽电路，该电路优点是：在一般推挽电路中，比如输出级，电路的工作是把输入信号放大；而完成电路工作，但一般推挽电路用同级性元件（晶体管或电子管）为了实现输出级元件轮流导通，必须激励大小相等，相位相反的两个信号，
即所谓的倒相问题，完成倒相可用电路，可用电感原件（变压器）但这无不增加了电路的复杂性，可靠性。互补电路可克服用单极性原件出现的上述问题。电路工作时双极性原件轮流导通，亦可省去倒相或简化电路，这样电路的稳定性可相应提高。比如当输入信号为正时，双极性中的npn管导通pnp由于极性自动截止，当电路输入信号为负时，pnp管导通npn管截止。不管信号如何变化都能自动完成导通于截止而完成电路工作。推挽电路结构简单，开关变压器磁芯利用率高，推挽电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小。
24.在一些实施中，参见图2所示，本发明实施例的驱动板2还包括驱动电源22，驱动电源22的型号为：qa151m。本实施例中驱动电源使用qa151m，该电源优点为：电源转换效率高，高达83%；隔离电压高6000vdc，超小隔离电容3.5pf，可持续短路保护；其内部采用了两路独立输出后共接模式，可以更好的为功率模块的开通与关断提供能量，同时具有输出短路保护及自恢复能力。
25.在一些实施例中，本发明实施例的驱动模块包括两路推挽电路。本实施例中功率模块驱动采用两路双路推挽电路进行扩流，加以配合优良的散热设计，可以实现以较小的温升获得高达4a的驱动能力。
26.在一些实施中，本发明实施例的功率模块21为英飞凌pim模块。本实施例中功率模块igbt全部采用全球第一infineon品牌，最大承受电压1200v，电流根据功率等级来选配，igbt开关频率高达20khz。
27.本发明实施例的基于实时仿真控制器的两电平驱动装置可以三相四桥臂驱动板，主要实现ac-dc-ac逆变功能、温度采样、4路输出电流采样、3路输出电压采样、1路母线电压采样、1路母线电流采样、8路pwm推挽升压至15v输出；既能实现三相电机控制、也能实现三相四桥臂电网控制；使用了安华高avago公司最新推出的驱动芯片acpl-332j，该驱动芯片具有高性能，驱动电流达到2.5a，具有电源欠压、短路保护功能等特点，以及金升阳公司的驱动电源qa151m，同时使用推挽电路，使功率模块具有较高的开关频率，从而控制两电平驱动装置输出电流更逼真正弦波波形、电机控制效果更好。
28.在一些实施中，本发明实施例的驱动板2的直流侧主电路结构为交-直-交结构或直-交结构，驱动板的逆变侧采用的拓扑结构为单相半桥、单相全桥、两电平三相半桥、两电平三相全桥、五电平三相半桥、五电平三相全桥、三相三桥臂以及三相四桥臂中的任意一种。本实施例的基于实时仿真控制器的两电平驱动装置可支持多种拓扑结构。
29.在一些实施中，参见图2所示，本发明实施例的驱动板2上还设有采样模块23，采样模块23包括3路负载电压采样、4路负载电流采样、3路入网电压采样、4路入网电流采样，多路编码器采样，3路数字输入采样以及3路数字输出采样。本实施例的两电平驱动装置具有更多更丰富的采样信号路数。
30.本发明实施例的驱动板上还设有信号电平转换模块、弱电信号隔离模块、缓冲继电器模块、整流模块、母线电容滤波模块、母线均压模块、制动模块、多路电源模块、有源米勒钳位模块以及功率模块短路保护模块等。
31.综上，本发明实施例的驱动板主要功能包括：1、将弱电的数字信号转变成模拟信号，并进行调理放大传递给被控对象；2、将工频交流电源或直流电源逆变成各种频率的交流电源提供给被控对象，从而实现
电源的电力变换功能，进一步实现调压调频调流调速等功能；3、功率器件普遍采用以智能功率模块ipm、pim、igbt、碳化硅sic为核心设计的驱动电路，但ipm内部集成了驱动电路，同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路，在主回路中还设计了软启动电路或缓冲电路，减小启动过程对驱动器的冲击，以防止瞬间电流过大，母线电容形成短路引起炸机；功率驱动单元首先通过三相全桥不控整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电，再通过三相正弦pwm电压型逆变器来控制被控对象，功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是ac-dc-ac的过程；整流单元（ac-dc）主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路；4、驱动板直流侧主电路采用交-直-交结构ac-dc-ac和直-交结构dc-ac；驱动板逆变侧可采用三相半桥，参见图3所示；5、支持多种输入电压等级：交流单相220v/三相220v/三相380v输入，直流0~600v输入；6、支持功率等级：额定输出功率（电流）：2kw、15kw、30kw及55kw等等；7、支持多种拓扑结构：单相全桥，两电平三相半桥三桥臂及四桥臂，两电平三相全桥等多种拓扑结构；8、功率模块igbt全部采用全球第一品牌英飞凌pim模块，最大承受电压1200v，电流根据功率等级来选配，开关频率高达20khz；9、母线电压支持额定直流电压dc600v，最高720v（过压阈值）；10、过载能力目前最大支持3倍过载（过载时间1秒）；11、电压采样模块(共4路)：支持相电压与线电压采样（可选），母线电压1路，驱动板输出电压3路；精度0.5%，响应时间小于40us，频率200hz；12、电流采样模块(共5路)：母线电流1路，驱动板输出电流4路；精度0.5%，响应时间小于1us，频率100khz；13、保护功能：母线过压、驱动器输出电流过流、过温保护、制动功能等等；14、功率模块的驱动芯片采用avago品牌，具有高性能，驱动电流达到2.5a，电源欠压、短路保护功能等特点；15、dcdc电源模块采用mornsun品牌，具有输出电源的纹波小，噪声小，发热低等特点；16、霍尔电压/电流传感器采用zx品牌，能在电气隔离条件下准确的测量直流、交流、脉冲及各种不规则波形的电压/电流；17、保护电路采用ti品牌新推出dq触发器组成的保护电路，具有响应灵敏、功耗低等特点。
32.18、支持多种电机控制：交流异步/同步电机、永磁同步电机、交流伺服电机、直流无刷/有刷电机、交流/直流直线电机、定制电机等等；广泛应用于新能源汽车，电机对托系统、伺服工控等等领域；19、支持并网控制：实现单相并网逆变功能，三相并网逆变功能；广泛应用风电，光伏，储能系统，ups系统，有源滤波，谐波治理，无功补偿，三相不平衡等等领域。
33.20、电路板全部采用6层板设计，具有抗干扰能力强，信号可靠性高、emc电磁兼容功能强等特点。
34.本发明实施例中处理板的主要功能是将采集的电流、电压、编码器等信号进行调理，及时处理故障保护及故障复位，间接控制数字输入输出信号等功能。
35.处理板由多个模块组成，具体为：1、调理电路即采样信号调理模块（电压、电流、温度等等）：霍尔电压/电流传感器采用zx品牌，能在电气隔离条件下准确的测量直流、交流、脉冲及各种不规则波形的电压/电流；电压采样模块(共10路)：母线电压1路，驱动器输出电压3路，入网电压3路，负载电压3路；精度0.5%，响应时间小于40us，频率200hz；电流采样模块(共13路)：母线电流1路，驱动器输出电流4路，入网电流4路，负载电流4路；精度0.5%，响应时间小于1us，频率100khz；2、数字输入模块di：3路高速隔离输入（双向），最大频率50khz；3、数字输出模块do：3路高速隔离输出，最大频率50khz，电流3a/ac250v，1a/dc30v；4、多路电源模块（3.3v，5v， 15v，-15v，24v）：精度及线性稳压度1%；采用mornsun品牌，具有输出电源的纹波小，噪声小，发热低等特点；5、编码器采集模块与信号调理模块：支持多种编码器类型：单端/差分增量式（5v/24v）、绝对式、旋变、霍尔、光栅尺编码器等等；支持编码器数字/模拟信号输出，支持高分辨率/精度的编码器（比如2500线/3600线/5000线等等）；6、保护模块（过压、过流、过温等等）：保护电路采样lm293比较器与ti品牌新推出dq触发器组成的保护电路，具有响应灵敏、功耗低等特点，母线过压、驱动器输出电流过流、过温保护、制动功能等；7、故障复位模块：复位电路采用ti品牌新推出dq触发器组成的保护电路，具有响应灵敏、功耗低等特点，8、支持4对互补pwm信号输出。
36.9、电路板全部采用6层板设计，具有抗干扰能力强，信号可靠性高、emc电磁兼容功能强等特点。
37.在一些实施中，参见图4所示，本发明实施例的两电平驱动装置100还包括电磁兼容板3，电磁兼容板3分别与驱动板2和处理板1连接。
38.本实施例中电磁兼容板emc主要功能为：1、抑制电网噪声和驱动器产生高频谐波及开关电源所产生的噪声和高频谐波，主要是为了减少和抑制驱动器所产生的电磁干扰，满足欧标en61000级标准；2、emc电磁兼容板拓扑结构使用，可以当作单独l滤波器和一级lc和两级lc滤波器，参见图5所示；3、emc电磁兼容板技术参数：1）额定输入电压：三相ac 0~380v；2）额定输出电压：三相ac 0~380v；3）额定输出功率(电流)：15kw(25a)；4）器件配置：x安规电容，y安规电容，压敏电阻，放电管，共模电感；5）电感l参数：20mh；6）工作频率：50/60hz；
7）温度范围：-25℃～ 85℃；8）温升：《 30℃；9）耐压测试：1分钟；10）线—线之间的浪涌surge电压：2kv；11）线—地之间的浪涌surge电压：2kv；12）线—线之间的群脉冲eft电压：4kv；13）线—线之间的群脉冲eft电压：4kv；14）电路板全部采用6层板设计，具有抗干扰能力强，信号可靠性高、emc电磁兼容功能强等特点。
39.在一些实施中，参见图4所示，本发明实施例的基于实时仿真控制器的两电平驱动装置100还包括转接板4，处理板1通过转接板4与实时仿真控制器连接。
40.在一些实施中，参见图4所示，本发明实施例的基于实时仿真控制器的两电平驱动装置100还包括母线电容板5，母线电容板5分别与处理板1和驱动板2连接。
41.本实施例中母线电容板主要功能为：1、在开源驱动器中，交流电源或直流电源作为输入电源，都需要通过直流母线连接到驱动器的逆变侧，由于逆变桥从母线电容获得有效值或高峰值脉冲电流，会在母线支路上产生高脉冲电压尖峰，这使得逆变桥难以承受高峰值尖峰电压，因此需要选择母线电容板进行平滑滤波后再输出给逆变桥；2、在功率管igbt开关导通时，可以使母线电压平滑，使得驱动器的母线电压保持平稳；3、将功率管igbt的电感参数尽可能降到最小，并削弱母线的峰值电压；4、吸收驱动器母线电容上的高脉冲电流；5、防止逆变桥过充电电压以及瞬时电压对驱动器的影响；6、加入均压电路，防止驱动器故障时因母线电容上下两端的电压不平衡导致驱动器炸机；7、设计了母线电压起始充电电路，主要在母线电压稳定建压之前，先在充电回路串联限流电阻，等电压稳定后再将限流电阻去除，防止上电瞬间由于直流母线上的电解电容很大、根据电容的电压电流公式、电容电压不能突变、电容电流可以突变、r=0，充电时间t=0、充电电流很大、相当于短路、烧坏整流桥及电源。
42.8、母线电容板技术参数：a. 额定输入电压：直流dc600v，最大720v；b. 额定输入电流：60a；c. 电容参数：单个电容450v，1500uf；采样串并联方式进行扩容，最多支持四组；d. 配置安规电容：y电容（容值4700pf）；薄膜电容；e. 温度范围：-25~85；f. 温升：小于30；g. 均压电阻参数：2kv高压电阻，阻值150k，采样串并联方式进行扩阻值；h. 电路板全部采用6层板设计，具有抗干扰能力强，信号可靠性高、emc电磁兼容功能强等特点。
43.另一方面，参见图7所示，本发明实施例还提供了一种驱动系统，包括上述的基于
实时仿真控制器的两电平驱动装置100以及与基于实时仿真控制器的两电平驱动装置100连接的待驱动设备200。
44.参见图7所示，本实施例中驱动系统还包括控制器300，其中控制器300可以为实时仿真控制器。
45.本实施例中驱动系统应用于各种电机控制的场合以及电网控制，例如：1、钢铁：轧机、辊道、风机、泵、起重机、钢包车、转炉倾动等；2、轧钢制线：拉线机、卷绕机、鼓风机、泵、起重机械、定长剪切、自动送料等；3、电力：锅炉鼓用鼓风机、给水泵、离心混料机、传送带、扬水发电站、飞轮等；4、石油：输油泵、电潜泵、注水泵、抽油机等。5、造纸业：造纸机、泵、粉碎机、风机、搅拌机、鼓风机等。
46.上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本发明的保护之内。