IPM特点和光电编码器测速原理

IPM的一般特点
IPM与以往IGBT模块及驱动电路的组件相比具有如下特点
1．内含驱动电路。

设定了最佳的IGBT驱动条件，驱动电路与IGBT的距离很短，输出阻抗很低，因此，不需要加反向偏压力。

所需要电源为下桥臂
1组，上桥臂3组，共4组。

2．内含过电流保护（OC），短路保护（SC）。

由于是通过检测各IGBT集电极电流实现保护的，故不管哪个IGBT发生异常，都能保护，特别是下桥臂和对地短路的保护。

3．内含驱动电源欠电压保护（UV）。

每个驱动回路都具有UV保护功能。

当驱动电源电压Ucc小于规定值Uuv时，产生欠电压保护。

4．内含过热保护（OH）。

OH是防止IGBT，FRD（快恢复二极管）过热的保护功能。

IPM模块内部的绝缘基板上设有温度检测元件，检测绝缘基板温度TcOH（IGBT，FRD芯片异常发热后的保护动作比较慢）。

R-IPM进一步在各IGBT芯片内设有温度检测元件，对于芯片的异常发热能高速实现OH保护（TJOH）。

5．内含报警输出（ALM）。

ALM是向外部输出故障报警的一种功能，当OH 及下桥臂OC，TjOH，UV保护动作时，通过向控制IPM的微处理器输出异常信号，能切实停止系统。

6．内含制动电路。

和逆变桥一样，内含IGBT，FRD，驱动回路，保护回路，加上电能释放电阻可构成制动回路。

7．采用陶瓷绝缘结构，可直接装在散热器上，散热效果好，输入输出控制器端子并排一列，间距为标准2.54mm，用一个通用插件即可连接。

利用导
针，也很容易插入印刷电路板插头。

直流输入（P，N），制动单元输出（B）及变频输出（U，V，W）端子各自安排得很靠近，使主回路配线方便。

主接线端用M5螺钉，可以作为大电流连接，主接线端和控制端子都用螺钉或插件，不需要烙铁焊接，拆卸也很方便。

本设计中采用三菱PM20CSJ060 IPM。

该款智能功率模块是第三代高频IPM 产品。

采用绝缘基板工艺，内置优化后的栅级驱动和保护电路，适合用于频率高达20KHZ功率变换场合。

该IPM有如下特点：
.20A 600V的电流型IGBT
.过压保护值为400V
.驱动电压20V，输入信号电压20V
.功率器件结温为-20~150摄氏度
.完整的功率输出电路，直接连接负载
.内置栅极驱动电路
保护电路
.短路保护；
.过流保护；
.过温保护，内置温度探头；
.驱动电压欠压保护；
在DSP控制器和IPM之间，因为DSP是弱电部分，电压为5V，它驱动IPM 时信号不能直接加在引脚上。

这时为了更好的匹配两者，使用了光电耦合器，光电耦合器是连接控制信号和IPM模块的桥梁，其性能的好坏直接影响到控制品质的优劣。

同时，为了使IGBT安全动作，应保证结部的温度（Tj）不要超过Tjmax。

不仅是额定负载时，就是在过载等异常情况下，也必须低于Tjmax，在散热设计时要注意留有充分的余量。

这是因为在高于Tjmax温度下工作，芯片有热损坏的危险。

正常情况下芯片温度高于Tjmax，IPM就会发生保护动作，但如果温度急剧上升，有可能不保护。

4.2.1.3 PWM
理想的无刷直流电动机的感应电动势和电磁转矩的公式如下：
E=2/3πNpBlrω
Te=4/3πNpBlris
式中Np—通电导体数；
B—永磁体产生的气隙磁通密度；
l—转子铁心长度；
r—转子的机械角度；
ω—转子的机械角速度
is—定子电流
由以上两个公式可见，感应电动势与转子转速成正比，电磁转矩与定子电流成正比，因此无刷直流电动机与有刷直流电动机一样具有良好的控制性能。

在本系统中，无刷直流电动机中的三个位置间隔120度分布的霍尔传感器经整形隔离电路后分别与TMS320F240的三个捕捉引脚CAP1，CAP2，CAP3相连，通过产生捕捉中断来给出换相时刻，同时给出位置信息。

由于电动机每次只有两相通电，其中一相正向通电，另一相反向通电，形成一个回路，因此每次只需控制一个电流。

用电阻R作为电传感器，将其安放在电源对地端，就可方便地实现电流反馈。

电流反馈输出经滤波放大电路连接到TMS320F240的ADC输入端ADCIN00，在每一个PWM周期都对电流进行一次采样，对速度（PWM占空比）进行控制。

TMS320LF240DSP通过PWM1~PWM6
引脚经一个反相驱动电路连接到六个开关管，实现定频PWM 和换相控制。

电流环与速度环控制的直流无刷电机框图，其中速度参考值与速度反馈值比较后经过数字PI 调节器后当做电流参考值，与电流反馈值比较在经过数字PID 调节器后控制三相PWM 发生器，再经驱动放大后控制三相逆变器，从而控制直流方波无刷电机，要改变电机的转速，只须改变速度的参考值即可。

4.2.1.4光电编码器
光电脉冲编码器是一种数字式角度传感器, 它能将角位移量转换为与之对应的电脉冲进行输出,主要用于机械转角位置和旋转速度的检测与控制。

在以光电编码器构成的测速系统中，常用的测速方法有三种，即 “M 法”、“T 法”和“M/T 法”。

加速度值理论上只要根据上述方法测得的相邻两个速度点的速度差及其间隔时间即可计算得到。

常用的几种基于光电编码器的测速方法：
图4-1中列出了三种常用的基于光电编码器的测速方法，假定时钟频率为f ，光电编码器每转脉冲数为P 。

1M 和2M 分别是对编码器脉冲和时钟脉冲进行计数的计数值。

(b)T法：
图4-1 各种测速法原理图
⒈“M 法”测速
通过测量一段固定的时间间隔内的编码器脉冲数来计算转速，适用于高速场合。

如图1(a)所示；设在固定时间T 内测得的编码器脉冲数为1M ，则转速为：
P T M N 1
60= （1）
其相对误差：
11M M N N ∆=∆ （2）
⒉“T 法”测速
通过测量编码器两个相邻脉冲的时间
间隔来计算转速，适用于速度比较低的场合，当转速较高时其准确性较差。

由图1(b)可以得到：
260P M f
N = （3）
其相对误差：
22
222M M M M M N N ∆≈∆+∆=∆ （4）
⒊“M/T 法”测速
“M/T 法”则是前两种方法的结合,同时测量一定个数编码器脉冲和产生这些脉冲所花的时间，在整个速度范围内都有较好的准确性，但是对于低速，该方法需要较长的检测时间才能保证结果的准确性，无法满足转速检测系统的快速动态响应指标。

由图1（c ）有：
2160M M P f N ∙= （5）
式中1M 的值在测量前已经确定了，所以其相对误差为：
22
222M M M M M N N ∆≈∆+∆=∆ （6）
通常时钟频率f 远大于转角编码器的输出脉冲频率，因此上面各式中2M 也远大于1M 。

对比（2）、（4）、（6）式可以发现“M 法”测速主要适用于中高速段，随着速度降低1M 也减小，因而低速段的测速精度很差，但通过选取适当采样时间T 可以很容易地满足动态响应要求；“T ”法测速情况与此恰恰相反；“M/T 法”在整个速度范围都可以达到较高的测速精度，但是通常选取的1M 值大于1,在低速段的动态响应比“T ”法还慢。

4．提出一种基于光电编码器的新的测速方法
根据以上分析可知，“M/T 法”综合了“M 法”和“T 法”的优点，但低速段动态响应太慢，因此如果能够根据速度情况实时改变“M/T 法”中的1M 值，随着速度的降低减少1M 的值，就可以改善“M/T 法”在低速段测速动态响应慢的问题。

就是基于这个原理，通过相应的软硬件设计实现了一种高精度的测速方法。

其测速原理与相对误差的计算表面上和“M/T 法”没有区别，而实际上“M/T 法”的采样周期总是产生1M 个编码器脉冲的时间，随着转速升高，编码器脉冲频率
变大，采样周期逐渐变小，其相对误差增大了；而提出的测速方法由于1M的值可以随速度改变，在高速段增加1M值使得采样周期基本不变。

因而其相对误差也基本不变，在低转速段，1M值可降到1，满足系统的动态响应要求，而相对误差与“M/T法”相差很小。

采用这里提出的方法可以仅使用普通的编码器就可以获得很高的测速、测加速度精度，具有较大的应用价值。