Onlyisu3 系统硬件设计
图3.1为该系统硬件总体框图，整个系统由功率驱动电路、调理与保护电路、DSP控制电路及无刷直流电机本体四大部分组成。本节将分为两部分，即功率驱动硬件部分和数字控制硬件部分，阐述该系统的硬件设计。
图3.1 无刷直流电机系统硬件框图
3.1功率与驱动电路
本节先根据系统的特点，分析电路的拓扑选择，然后按照电路的三级结构，逐级说明其具体实现过程。
3.1.1 功率电路拓扑选择
该电路输入单相交流电（220V/50Hz），输出直接驱动无刷直流电机。电机前级需有三相逆变桥实现换相，由于电机频率较高，因而受三相逆变桥开关频率的限制，无法采用逆变桥PWM脉宽斩波控制实现调速控制。本功率系统结构选择“交流-直流-直流-交流”方式，即在逆变桥前级加入buck电路，采用buck调压调速方式控制该高速永磁无刷直流电机。功率电路结构框图如图3.2所示。
图3.2 功率电路结构框图
3.1.2 启动缓冲电路
图3.2中第一级采用二极管不控整流，再用大电容滤波后得稳定直流电压
。电路上电时，由于电容
两端电压不能突变，上电产生瞬间的大电流给其充电，该电流太大将造成
损坏。为此，电路中加入了启动缓冲电路。如下图3.3所示，上电时晶闸管
尚未导通，通过
串联回路给
充电，充电电流较小，
缓慢上升，电容受到保护。再利用电阻
、
对
分压采样，当
上升到约输入电压峰值的
时，采样电压
将超过设定的门限电压
，通过比较器后驱动光耦，从而触发晶闸管导通。晶闸管导通后，
被短路，电路进入正常工作状态。此后向后级供电的过程中，晶闸管一直导通，
、
的阻值非常大，不对后级产生影响。后级关断或电路掉电时，
关断，
为
提供放电回路。图中
由
经电阻分压得到，而
是由
模块电源获得。
图3.3 启动缓冲电路示意图
3.1.3 直流-直流变换
该环节实现调压调速功能，直接利用Buck变换器降压，但电机满载时该电路输出电流很大，所需输出滤波电感太大。为减小系统体积重量，采取Buck的交错并联结构，即将多个Buck电路并联，且各支路开关管交错导通，占空比相同。图2.5为三相交错并联Buck电路。
考虑后级逆变器损耗，设计本级输出额定电压150V，额定电流15A，每一支路额定电流5A。关键器件选型如下：
①功率开关管Q2、Q3、Q4
由于开关频率为50KHz，3个开关管选用的是Power MOSFET，流过开关管的平均电流最大值IQdm和瞬时电流最大值IQm分别为
开关管漏源电压峰值为
选用型号为IRFP460，漏极电流额定值13A(TC=100℃)，峰值80A，漏源电压额定500V。
②电感L1、L2、L3
设计时保证电感电流连续，考虑电机空载时支路电流最小值为Imin=1A，则
实际取电感1mH，额定平均电流5A。
③电容C2
在不考虑输入电压波动的情况下，输出电压波动小于10%，计算电容值为
实际上输入电压波动较大，选取滤波电容C2=680uF，确保输出电压稳定。
MOS管驱动电路核心器件采用带光耦隔离的驱动芯片HCPL-3120，该芯片具有驱动电流大，开关反应速度快等特点。驱动电路如图3.4所示，HCPL-3120内部结构如图3.5所示。
图3.4 驱动电路示意图 图3.5 HCPL-3120内部结构图
3.1.4 直流-交流变换
逆变环节由六只开关器件组成三相全桥，本电路采用三菱公司IPM模块PM25RLA120作为逆变部分的核心器件。该模块包含了六个IGBT、六个续流二极管、栅极驱动电路、逻辑控制电路以及欠压、过流、短路、过热等保护电路。模块的主电路部分共分为6个端子，即直流电压输入正、负极，三相交流电压输出端U、V、W，还有一个电机制动用Break端；控制部分共有19个端子，用于PWM信号（6路）与刹车制动信号（1路）输入、故障信号（4路）输出及驱动电源（4路×2），DSP生成的PWM信号需通过光耦隔离后输入。该智能模块的应用，减小了装置的体积，提高了系统的特性。由于PM25RLA120内部已经包含功率器件的驱动，使用时只需加光耦隔离和驱动电源。
