同步电机驱动器的硬件设计及失效分析

发布时间：2020-06-30 03:19

【摘要】：随着环境和能源问题的日益凸显,许多国家致力于电动汽车产业的发展。作为电动汽车的电机驱动部件,电机驱动控制器的研究受到广泛的关注。通过对电机驱动器国内外研究概况的总结和其控制原理的研究,确定了本文的设计方案和研究内容,设计了一款适合纯电动汽车的高效节能的电机驱动器,并对其可靠性进行分析。本文主要从功率变换主电路、控制电路和驱动电路三个部分进行硬件分析。在功率变换主电路中,研究了逆变电路的工作原理,分析了母线电容对电压脉动和流过其纹波电流的影响;针对上电瞬间形成浪涌电流的问题,设计接触器与预充电电阻并联的预充电电路,提高驱动器的可靠性。在控制电路中,为了提高系统的效率和抗干扰能力,设计高速差分传输的CAN总线接口电路;基于旋变检测转子位置的原理,设计精简的旋变解码电路。在驱动电路中,从驱动能力的角度,加入乙类推挽电路;通过研究密勒电容引起IGBT的寄生开通的问题,采取适当的负栅极驱动电压;考虑IGBT的关断浪涌电压尖峰和开关损耗的折中关系,选择合适的栅极驱动电阻。通过采用以上技术,提高了电机驱动器的可靠性。从功率主回路的失效、功率模块的散热和电磁干扰三个方面对电机驱动器进行详细的失效分析。研究了IGBT关断过程中产生浪涌过电压尖峰的问题,在电路中加入吸收回路进行抑制和吸收,并设计过压、过载和短路失效保护电路以保证高压逆变电路在异常状况下能及时关断IGBT;基于对功率模块的损耗计算,设计可靠的散热系统和过温失效保护电路,提高系统的稳定性;通过对电机驱动系统复杂的电磁干扰环境进行分析并采取抑制措施,提高系统的鲁棒性。在Saber仿真软件环境下搭建电机驱动器中的主要驱动电路,验证了本课题设计的电机驱动器驱动电路的正确性,并搭建原理样机的实验装置,通过对电机驱动器关键单元的性能测试,验证了IGBT具有良好的开关特性以及设计的旋变解码电路的正确性。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM341
【图文】：

系统元,失效比,变流器,器件

图 1-1 变流器系统元器件的失效比重结果显示，在电子电路中，功率器件的故障率他器件。因此国内外对功率元器件的失效原因 IGBT 开关管。国内主要的研究有：文献[16]从其失效因素；文献[17]和[18]比较全面地讲述了[19]分析了 IGBT 过电压失效机理和失效模式，内的过电压击穿；文献[20]对大功率 IGBT 的电行了详细的分析，并通过计算得出了 IGBT 的 PSPICE 仿真详细地分析了 IGBT 的功耗。国IGBT 的热失效机理；文献[23]详细讨论了大功献[24]讨论了 IGBT 在短路情况下集电极电流的模块失效的同时，国内外很多学者展开了对电机并发现 EMI 问题是引起电机驱动系统失效的原

永磁同步电机,矢量控制,结构示意图

直接转矩控制通过把转矩作为闭环的控制对象，且固定定子的磁通方散的两点式输出控制 PWM 波对功率器件的开关[37]，而没有矢量控制杂，因而波动的电机参数对其控制性能影响不大，实现高精确控制与便其缺点也显而易见，在电机低速运行时，其转矩脉动大，而且在启动时机的初始磁链位置[2]；在高速区，对功率器件的开关频率不稳定、转矩问题，因此在本课题的电动汽车的应用上不会使用直接转矩控制。针对本课题中电动汽车永磁同步电机，其在控制上主要有以下特点：①加速踏板和制动踏板的开度所对应的电磁转矩；②负载特性比较复杂恒转矩负载；③控制策略需要兼顾电机的启动、加速、制动等运行状况汽车的永磁同步电机控制往往采用矢量控制技术，即对输出转矩的控制矩电流分量qi 和励磁电流分量di 的控制[38]，如图 2-1 所示。本课题根据运行速度区间使用矢量控制的不同方法：当速度低于基速时，为了提高和增加其输出转矩，采用 MTPA 控制策略；当速度高于基速时，为了运行的能力和加大调速区间，采用弱磁控制的方法。

【参考文献】