步进电机驱动器中IGBT保护电路及保护方法

摘要

步进电机驱动器中IGBT保护电路及保护方法，涉及电机技术领域，解决现有电机驱动器中对IGBT的保护存在判断准确性低，电路过流容错时间短，IGBT使用寿命短以及可靠性差等技术问题。包括控制电路、过流保护电路、电流互感器、栅极驱动、栅极驱动、IGBT、栅极电阻、栅极稳压二极管以及三极管。控制电路与栅极驱动及三级管基极连接，栅极驱动通过栅极电阻与IGBT栅极连接，三极管集电极与稳压二极管阴极连接，稳压二极管阳极与IGBT栅极连接，电流互感器串联在电机线圈中，电流互感器的输出端与过流保护电路的输入端连接，过流保护电路输出端与控制电路连接。本发明降低了过流电流的保护次数，提高驱动器的工作效率。

说明书

技术领域

本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种步进电机驱动器中IGBT过流保护 方法及保护电路。

背景技术

IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)是步进电机 驱动器中常见的一种电子器件，用于驱动器电路的PWM(Pulse-Width Modulation，脉宽调变)功率转换。在工作中，当步进电机驱动器PWM功率转 换电路内部电流换向以及步进电机制动或反转的时候，步进电机内部感性元件 会释放反向电流，造成IGBT内的电流急剧增加，一旦电流值超出IGBT的安全 工作区，则会造成IGBT损坏，此时需要步进电机驱动器对IGBT进行保护性关 闭。

目前，IGBT的保护方法主要是使用延迟检测。当保护电路检测到IGBT中 电流过大时，由于延迟设计并不在第一时间动作，而是过流时间满足预设值后， 保护电路对控制电路发送保护信号对IGBT进行保护，这样可以排除IGBT在安 全工作区内暂时性的电流波动，避免步进电机驱动器频繁关闭。

但是，由于在标准栅极电压驱动下，IGBT的抗过流时间较短，保护电路也 只能在很短的时间内进行检测与保护，并且在这段时间内IGBT的di/dt值变化 很大，导致保护电路判断的准确性较低。另外，由于步进电机转速以及负载惯 量等不同因素的影响，IGBT工作时的过流时间以及过流电流的幅值也会有很大 的不同，当出现较大的过流电流时，即使保护电路做出反应，过流电流也会在 很短时间内超出IGBT的安全工作区，这样即便没有导致IGBT当场损坏，也会 降低IGBT的使用寿命和可靠性。

发明内容

本发明为解决现有电机驱动器中对IGBT的保护存在判断准确性低，电路过 流容错时间短，IGBT使用寿命短以及可靠性差等技术问题。提供一种步进电机 驱动器中IGBT保护电路及保护方法。

步进电机驱动器中IGBT保护电路，包括控制电路、过流保护电路、电流互 感器、第一栅极驱动、第二栅极驱动、IGBTT1～T4、栅极电阻R1～R4、栅极稳 压二极管D1～D4以及三极管Q1～Q4；所述控制电路与第一栅极驱动第二栅极驱 动以及三级管Q1～Q4的基极连接；

所述第一栅极驱动分别通过栅极电阻R1和R2与IGBTT1和IGBTT2的栅 极连接，第二栅极驱动通过栅极电阻R3和R4与IGBTT3和IGBTT4的栅极连 接；

所述三极管Q1～Q4的集电极与稳压二极管D1～D4的阴极连接，稳压二极 管D1～D4的阳极与IGBTT1～T4的栅极连接；

所述IGBTT1～T4与步进电机线圈构成H型PWM功率转换电路，电流互 感器串联在步进电机线圈中，电流互感器的输出端与过流保护电路的输入端连 接，过流保护电路的输出端与控制电路连接。

步进电机驱动器中IGBT保护电路的保护方法，该方法针对步进电机驱动器 内部的PWM功率转换电路的电流换向以及步进电机制动或反转，产生的过流电 流的保护，该方法由以下步骤实现：

步骤一、通过串联在步进电机线圈上的电流互感器采集IGBTT1～T4中流过 的电流；

步骤二、当电流互感器采集到高于预设值的电流时，过流保护电路向控制 电路发出过流电流信号，控制电路检测到所述过流电流信号后，通过降压电路 将IGBTT1～T4的栅极驱动电压降低；

步骤三、判断步骤二中所述的过流电流信号是否存在，如果否，则控制电 路将IGBTT1～T4的栅极驱动电压恢复到正常值；如果是，执行步骤四；

步骤四、判断所述过流电流信号是否持续到预设的时间值，如果是，则控 制电路将IGBT关闭；如果否，则控制电路将IGBTT1～T4的栅极驱动电压恢复 到正常值。

步进电机驱动器中IGBT保护电路的保护方法，针对步进电机发生制动或反 转时，产生过流电流的保护，采用下述方法实现：

步骤A、步进电机正常工作时，控制电路记录设定的步进电机转速值和电 流值，并对记录的转速与电流值进行计算，获得当前步进电机线圈中的反馈电 流值；

步骤B、当控制电路接收到步进电机的制动或反转信号时，将步骤一中获得 的反馈电流值与预设的阈值电流进行比较，如果所述的反馈电流值高于阈值电 流，则控制电路控制关闭IGBTT1～T4。

本发明的有益效果：本发明所述的IGBT保护电路，降低了步进电机驱动器 对短时间内较小过流电流的保护次数，提高步进电机驱动器的工作效率；本发 明降低了短时间内较大过流电流对IGBT的冲击次数，提高了IGBT的寿命与稳 定性。

附图说明

图1为本发明的实施例所提供的IGBT保护电路的示意图。

具体实施方式

具体实施方案一，本方案具体针对第一类过流电流进行保护。如图一所示， 本方案主要包括控制电路1、过流保护电路2、电流互感器3、第一栅极驱动4、 第二栅极驱动5、IGBTT1～T4、栅极电阻R1～R4、栅极稳压二极管D1～D4以及 三极管Q1～Q4。其中控制电路1与第一栅极驱动、第二栅极驱动及三级管Q1～Q4 基极连接，第一栅极驱动、第二栅极驱动通过栅极电阻R1～R4与IGBTT1～T4 栅极连接，三极管Q1～Q4集电极与稳压二极管D1～D4阴极连接，稳压二极管 D1～D4阳极与IGBTT1～T4栅极连接，IGBTT1～T4与步进电机线圈构成H型 PWM功率转换电路，电流互感器3串联在电机线圈中，电流互感器3的输出端 与过流保护电路2的输入端连接，过流保护电路的输出端与控制电路1连接。

通过以上电路的配置设计，包括对第一类过流电流和第二类过流电流的保 护方法，且所述第一类的过流电流值低于第二类的过流电流值；对于第一类过 流电流，其主要产生的原因包括步进电机驱动器内部PWM功率转换电路的电流 换向，以及步进电机制动或反转，针对第一类过流电流的保护方法为：

步骤一：在IGBT正常工作时，控制电路1控制第一栅极驱动4、第二栅极 驱动)对IGBTT1～T4进行开关，电流互感器3对流过步进电机线圈的电流进行 监测，并将电流波形转换为电压波形输出至过流保护电路2与预设电压值进行 对比；

步骤二：当步进电机线圈中流过超出正常范围的电流时，电流互感器3向 过流保护电路2发送超出正常范围的电压波形，过流保护电路2在检测到该电 压后向控制电路1发送保护请求至控制电路1，控制电路1控制三极管Q1～Q4 导通，使稳压二极管D1～D4导通，对IGBTT1～T4的栅极进行降压保护操作；

步骤三：若该过流信号持续时间超过预设的过流保护时间，则控制电路控 制栅极驱动关闭IGBT，对IGBT进行保护性关断。

在本发明实施例中，当监测到IGBT中的电流过流后，IGBT的栅极电压会 被降低，使IGBT的V_ce(Collector-EmitterSaturationVoltage，集电极-发射极 饱和压降)提高，提高IGBT的V_ce可以延长IGBT自身抗过流时间，同时也延 长了过流保护电路对过流电流的反应时间，降低了对过流保护电路的反应要求， 提高了对过流判断的准确性。

本实施方式中所述的栅极稳压二极管D1～D4和三极管Q1～Q4组成降压电 路。步骤三所述的高于正常范围的电流设定为高于额定电流的1.5～3倍。

针对第二类过流电流，其主要产生的原因包括步进电机的制动或反转，针 对第二类过流电流的保护方法为:

步骤A、当步进电机正常工作时，控制电路1记录设定的步进电机转数值 以及电流值，并对记录的参数进行计算，得出瞬时线圈中的可能的反馈电流值；

步骤B、当控制电路接收到制动或反转信号时，对计算得出的可能的反馈电 流与预设的阈值电流进行比较，若高于阈值电流，则控制电路直接关闭IGBT。

本实施方式中所述预设的阈值电流根据采用的驱动电机型号的不同而设 定。预设的阈值电流根据电机的型号不同而设定，一般为额定电流值5～8倍。

具体实施方案二，本实施方式为对第二类过流电流进行保护的具体实施例： 步进电机在工作时，由于线圈是感性元件，会存储一定的反馈能量，当步进电 机制动或反转时，反馈能量可以按下式计算：

$E_{rev}=-104.7\frac{J_{Ges}{n}_N}{K_T}\left(\frac{K_E{n}_N}{2}+\frac{I^2{R}_a^2}{2K_E{n}_N}{\mathrm{IR}}_a\right)---\left(1\right)$

式中J_Ges为步进电机总惯量，n_N为电机转速，K_T为电机转矩系数，K_E为电 机反电动势系数，I为制动电流，R_a为步进电机线圈内阻，在步进电机转动时R_a可表示为：

R_a＝ωL+r＝9.549n_NL+r(2)

式中ω为步进电机的角速度，ω＝9.549n_N，L为步进电机线圈电感量，r为 电机线圈静态内阻；

设电源的最高电压为U_s·max，则：

U_s·max＝U_s+U_F(3)

式中U_s为电源的额定工作电压，U_F为反馈能量引起的泵升电压；

又有电源电路储能公式：

$E=\frac{1}{2}{\mathrm{CU}}^2---\left(4\right)$

式中C为电源电路中总电容量；

由(4)式可得：

$\frac{1}{2}{\mathrm{CU}}_{s·max}^2=\frac{1}{2}{\mathrm{CU}}_s^2-E_{rev}---\left(5\right)$

再由(1)、(2)、(3)、(5)式可得，反馈能量在步进电机线圈中引起的电 流为：

$I_{rev}=\frac{\sqrt{U_s^2+\left|\frac{2E_{rev}}{C}\right|}}{R_a}=\frac{\sqrt{\frac{209.4J_{Ges}{n}_N}{K_{T}C}\left[\frac{K_E{n}_N}{2}+\frac{I^2{(9.549n_{N}L+r)}^2}{2K_E{n}_N}+{\mathrm{IR}}_a\right]+U_s^2}}{9.549n_{N}L+r}---\left(6\right)$

由(6)式可见，当系统参量一经确定，I_rev的值与步进电机转速n_N、总负载 惯量J_Ges以及制动电流I有关；

再考虑到[1]式为抛物线函数，当制动电流I无限变小时，E_rev达到最大值， 即：

$E_{rev·max}{|}_{I\approx 0}=-\frac{52.3J_{Ges}{n}_N^2{K}_E}{K_T}---\left(7\right)$

则反馈能量在步进电机线圈中引起的峰值电流I_rev·max为：

$I_{rev·max}=\frac{\sqrt{U_S^2+\frac{104.6J_{Ges}{n}_N^2{K}_E}{K_{T}C}}}{9.549n_{N}L+r}---\left(8\right)$

由(8)式可见，当系统参量一定时，反馈能量在步进电机线圈中引起的峰 值电流I_rev·max仅与步进电机总负载惯量J_Ges与转速n_N有关，该电流代表了步进电机 在制动以及反转的过程中由步进电机内部感性元件释放总负载惯量J_Ges自零加 速到转速n_N时所存储能量的过程。

在PWM控制高转速n_N电机的场合，I_rev·max尤为突出(8)式中可以看出，n_N为平方项)，虽然可以通过多种方式监测到该电流后控制电路进行保护，但若总 负载惯量J_Ges或转速n_N达到一定值后，当步进电机制动或反转时，I_rev会在很短间 内超出IGBT的安全工作区，保护电路很难做出反应，即便过流电流没有当场损 坏IGBT，也会对IGBT的寿命与稳定性造成影响。

在本发明实施例中，通过监测步进电机总负载惯量J_Ges与转速n_N的数值， 一旦J_Ges与n_N两个参量中的至少一个超过预设值时，一旦控制电路接收到制动或 反转信号后，立即控制栅极驱动关闭IGBT，减少保护反应时间，降低较高过流 电流对IGBT寿命以及可靠性的影响。