北京永光高特微電機有限公司
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無刷直流電動機集成化驅動電路設計

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.zgdlzj.com瀏覽數:96994


   摘要:介紹了基于PS21963平臺用尤刷直流電動機集成化驅動及電流采樣電路沒計方案,進行了相應的實驗研究。結果表明,電路結構簡單,輸人輸出線性度高,浪涌電壓抑制能力強精密穩定跟蹤平臺伺服控制系統可靠性高,部件體積小,結構更緊湊,系統更簡單。

l引  言

   機載天線、雷達、導彈導引頭等設備中,微波接收器、紅外攝像系統、激光測距儀等儀器都安裝在穩定跟蹤平臺上,它能隔離載體的振動,克服載體姿態變化對跟蹤系統的影響,從而在控制指令的驅動下,完成對閂標的捕獲、跟蹤及測量。平臺驅動電路的作用是把運動控制器的控制指令轉換為功率信號傳輸給電機,使電機拖動平臺實現姿態的精確變換。顯然,驅動電路是平臺運行性能優劣的關鍵技術之一。采用傳統分立元件沒計的驅動電路,體積大、結構復雜、可靠性低,難以適應現代武器裝備智能化、模塊化和精密化的發展要求。

2 PS21963簡介

   智能功率模塊(IPM)是一種體積小、驅動能力強,內部設計了功率管、功率驅動電路、多種保護電路的集成功率放大模塊,它不僅可減小系統的體積以及開發時間,而且減少了系統發生故障的可能性,顯著提高系統的可靠性,充分體現了集成功放外圍電路簡單、性能穩定町靠、控制功能全面的特點。IPM一般由IGBT芯片、續流二極管和控制HVIC(耐高壓IC)組成。它具有大功率晶體管的高電流密度、低飽和電壓和耐高壓的優點,以及場效應晶體管的高輸入阻抗、高開關頻率和低功率損耗的優點。同時在IPM內部集成了邏輯、控制、檢測和保護電路,是模塊化、復合化和功率集成電路(PIC)的典范。

   PS21963智能功率模塊是三菱電機開發的第四代小型智能功率模塊。PS21963智能功率模塊的主要特點:

   (1)三相輸出電路搭載三菱第5代平面型IC—BT功率芯片,實現更低損耗。

   (2)采用自舉電路結構,可實現單電源驅動。

   (3)內置有IGBT驅動電路和欠壓保護、短路保護、過流保護和過熱保護等保護功能電路。

   (4)由于PS21963模塊內置了專用HVIC(600V),采用高電平驅動方式,并在各輸入端內置有一個下拉電阻,不需要任何光耦或變壓器等隔離電路和任何上拉或下拉電阻,可從DSP或單片機直接接收控制信號。

   (5)輸入接口電路采用高電平驅動邏輯,消除了舊產品低電平驅動方式對電源投入和切斷時的時序要求,增強了模塊自保護能力。

3 PS21963設計的無刷直流電動機驅動電路

3.1精密穩定跟蹤平臺

   精密穩定跟蹤平臺伺服控制系統是由兩臺直流無刷電動機拖動雙軸控制平臺實現穩定跟蹤目標的要求。電機是帶Hall元件的永磁無刷直流電動機,功率為300W、電壓70V、電流5A。平臺控制系統的主要任務是:實現對上位機和系統反饋信號的調理、傳輸和采集,并以一定的控制算法對平臺的兩個電機進行控制,拖動平臺實現姿態變換。

   平臺伺服控制系統由四部分組成:無刷直流電動機、PS21963智能功率模塊、運動控制器以及信號采集與反饋環節。其中PS21963智能功率模塊構成了集成化驅動電路;運動控制器主要以DSP為核心構成;信號采集與反饋環節主要由光纖陀螺實行角速度反饋、Hall元件實現位置反饋(電機自帶)、電流采樣電阻實現電流反饋等。圖l為精密穩定跟蹤平臺伺服系統原理框圖。

   圖l平臺伺服系統原理框圖

3.2驅動電路設計

   由于PS21963智能功率模塊是高度集成的功率IC,故其外圍電路非常簡單。圖2為基于PS21963智能功率模塊的驅動電路原理圖。

    圖2基于PS21963的驅動電路原理罔

3.3電流采樣電路設計

 圖3  電機電流采樣電路設計

   電流采樣電路的作用是對電機電流進行同步監控,構成電流環,實現閉環控制。電流采樣電路的設計就是用低壓器件去測量和控制電機高壓、強電流的模擬量。本文是通過主回路中串聯電阻的方法來實現的,具體電路如圖3所示。該電路包括了電流取樣、電平轉換和隔離電路。R1是O.1Ω、5 W采樣電阻,串聯在主電路中,用來檢測主電路的電流,將電流信號轉化成電壓信號,再由AD620組成的放大電路對電壓信號放大根據電機額定工作電流大小,調節反饋電位計POT1可改變AD620的放大倍數。R2和電容C1、C2組成RC濾波電路,IS0124是線性光耦,對采樣的信號隔離,以減少主電路對控制電路的干擾,Z1、Z2的作用是使輸出信號保持在0~5 V之間,適應DSP的輸入信號需要。

3.4設計注意事項

   雖然基于PS21963的驅動電路簡單,但是驅動電路是功率電路,需要經受大電流、電壓的考驗,容易產生電磁干擾和誤動作等現象,設計必須全面考慮。

3. 4 .1電流采樣電阻的接線

   如果電流采樣電阻和PS21963之間的引線過長,線路電抗引起的浪涌電壓有可能會破壞PS21963內部IC。因此,電流采樣電阻和PS21963之間的布線應盡可能短(小于20mm),如圖4所示。

    圖4電流采樣電阻接線

3.4 .2控制信號輸入連接

首先,PS21963模塊的F。輸出系集電極開放型端口,此端口輸出必須經一個10 kΩ電阻上拉到+5V電源;第二,PS21963模塊的輸入端RC退耦容量隨應用系統的PWM控制方式和配線不同而變化,要合理選擇;第三,PS21963模塊的輸入IC內置3.3kΩ(min)的下拉電阻,如果在輸入端插入噪聲抑制電阻,請注意PS21963的輸入電平閾值滿足規格的要求。如圖5所示。

 圖5 控制信號輸入連接電路

3.4.3緩沖電路設計

   為了最大程度濾除浪涌電壓,緩沖電容一般被安裝在圖6中②的位置上,但是緩沖電容的充放電電流(配線自感和緩沖電容的諧振電流)會在采樣電阻上流動,當配線自感很大時,有可能產生由充放電電流過大而引起短路保護的誤動作現象。當在采樣電阻的外側(位置①)加緩沖電容時,A處的配線應盡可能短,如圖6中③所示的那樣設置。

3.4 .4其他設計注意事項

 圖6 電源輸入緩沖電路

   首先,外部保護電路的時間常數R1C1(圖2中) 應設定在使IGBT能在1.5~2μs以內關斷。關斷時間可能隨著布線的不同而多少有些變化;其次,所有電容都應盡量靠近PS21963端子;第三,為了防止浪涌破壞,平滑電容與P和N1之間的引線應盡可能短,推薦在P和N1端子之間加約0.1~0.22μF的吸收電容;第四,為了保護HVIC和LVIC免受浪涌電壓的損壞,推薦在控制電源管腳間(VNl一VNC,VPI—VNC)各加入一個穩壓二極管(24 V/1

W);最后,圖2中A、B、C處的配線長短對IGBT的動作有很大影響,所以配線應盡可能短。

4測試結果

   在實驗室里,我們對設計制成的電路板進行了測試測試條件為:電壓為70 V(DC),負載電機為300 W無刷直流電動機,負載電流為5 A,PWM頻率為l kHz用示波器CHl通道檢測Up的PWM波形,CH2通道檢測IPM的U相輸出波形,結果如圖7所示

    圖7 PWM輸入和IPM輸出波形關系圖

   實驗結果表明,基于PS21963的集成化驅動電路,不但電路結構簡單,而且電路輸入輸出線性度高,抑制浪涌電壓的能力強,波形失真不明顯。從整個穩定平臺系統的運行情況來看,控制效果良好,可靠性高。

   本方案具有很強的實用價值,也具有推廣性和借鑒性,可以為交流調速系統、直線電機控制、開關磁阻電機控制、USP等的研究提供參考。

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