北京永光高特微电机有限公司
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无刷直流电动机集成化驱动电路设计

来源:北京永光高特微电机有限公司作者:李利网址:http://www.yggtwdj.cn浏览数:94646


   摘要:介绍了基于PS21963平台用尤刷直流电动机集成化驱动及电流采样电路没计方案,进行了相应的实验研究。结果表明,电路结构简单,输人输出线性度高,浪涌电压抑制能力强精密稳定跟踪平台伺服控制系统可靠性高,部件体积小,结构更紧凑,系统更简单。

l引  言

   机载天线、雷达、导弹导引头等设备中,微波接收器、红外摄像系统、激光测距仪等仪器都安装在稳定跟踪平台上,它能隔离载体的振动,克服载体姿态变化对跟踪系统的影响,从而在控制指令的驱动下,完成对闩标的捕获、跟踪及测量。平台驱动电路的作用是把运动控制器的控制指令转换为功率信号传输给电机,使电机拖动平台实现姿态的精确变换。显然,驱动电路是平台运行性能优劣的关键技术之一。采用传统分立元件没计的驱动电路,体积大、结构复杂、可靠性低,难以适应现代武器装备智能化、模块化和精密化的发展要求。

2 PS21963简介

   智能功率模块(IPM)是一种体积小、驱动能力强,内部设计了功率管、功率驱动电路、多种保护电路的集成功率放大模块,它不仅可减小系统的体积以及开发时间,而且减少了系统发生故障的可能性,显著提高系统的可靠性,充分体现了集成功放外围电路简单、性能稳定町靠、控制功能全面的特点。IPM一般由IGBT芯片、续流二极管和控制HVIC(耐高压IC)组成。它具有大功率晶体管的高电流密度、低饱和电压和耐高压的优点,以及场效应晶体管的高输入阻抗、高开关频率和低功率损耗的优点。同时在IPM内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路,是模块化、复合化和功率集成电路(PIC)的典范。

   PS21963智能功率模块是三菱电机开发的第四代小型智能功率模块。PS21963智能功率模块的主要特点:

   (1)三相输出电路搭载三菱第5代平面型IC—BT功率芯片,实现更低损耗。

   (2)采用自举电路结构,可实现单电源驱动。

   (3)内置有IGBT驱动电路和欠压保护、短路保护、过流保护和过热保护等保护功能电路。

   (4)由于PS21963模块内置了专用HVIC(600V),采用高电平驱动方式,并在各输入端内置有一个下拉电阻,不需要任何光耦或变压器等隔离电路和任何上拉或下拉电阻,可从DSP或单片机直接接收控制信号。

   (5)输入接口电路采用高电平驱动逻辑,消除了旧产品低电平驱动方式对电源投入和切断时的时序要求,增强了模块自保护能力。

3 PS21963设计的无刷直流电动机驱动电路

3.1精密稳定跟踪平台

   精密稳定跟踪平台伺服控制系统是由两台直流无刷电动机拖动双轴控制平台实现稳定跟踪目标的要求。电机是带Hall元件的永磁无刷直流电动机,功率为300W、电压70V、电流5A。平台控制系统的主要任务是:实现对上位机和系统反馈信号的调理、传输和采集,并以一定的控制算法对平台的两个电机进行控制,拖动平台实现姿态变换。

   平台伺服控制系统由四部分组成:无刷直流电动机、PS21963智能功率模块、运动控制器以及信号采集与反馈环节。其中PS21963智能功率模块构成了集成化驱动电路;运动控制器主要以DSP为核心构成;信号采集与反馈环节主要由光纤陀螺实行角速度反馈、Hall元件实现位置反馈(电机自带)、电流采样电阻实现电流反馈等。图l为精密稳定跟踪平台伺服系统原理框图。

   图l平台伺服系统原理框图

3.2驱动电路设计

   由于PS21963智能功率模块是高度集成的功率IC,故其外围电路非常简单。图2为基于PS21963智能功率模块的驱动电路原理图。

    图2基于PS21963的驱动电路原理罔

3.3电流采样电路设计

 图3  电机电流采样电路设计

   电流采样电路的作用是对电机电流进行同步监控,构成电流环,实现闭环控制。电流采样电路的设计就是用低压器件去测量和控制电机高压、强电流的模拟量。本文是通过主回路中串联电阻的方法来实现的,具体电路如图3所示。该电路包括了电流取样、电平转换和隔离电路。R1是O.1Ω、5 W采样电阻,串联在主电路中,用来检测主电路的电流,将电流信号转化成电压信号,再由AD620组成的放大电路对电压信号放大根据电机额定工作电流大小,调节反馈电位计POT1可改变AD620的放大倍数。R2和电容C1、C2组成RC滤波电路,IS0124是线性光耦,对采样的信号隔离,以减少主电路对控制电路的干扰,Z1、Z2的作用是使输出信号保持在0~5 V之间,适应DSP的输入信号需要。

3.4设计注意事项

   虽然基于PS21963的驱动电路简单,但是驱动电路是功率电路,需要经受大电流、电压的考验,容易产生电磁干扰和误动作等现象,设计必须全面考虑。

3. 4 .1电流采样电阻的接线

   如果电流采样电阻和PS21963之间的引线过长,线路电抗引起的浪涌电压有可能会破坏PS21963内部IC。因此,电流采样电阻和PS21963之间的布线应尽可能短(小于20mm),如图4所示。

    图4电流采样电阻接线

3.4 .2控制信号输入连接

首先,PS21963模块的F。输出系集电极开放型端口,此端口输出必须经一个10 kΩ电阻上拉到+5V电源;第二,PS21963模块的输入端RC退耦容量随应用系统的PWM控制方式和配线不同而变化,要合理选择;第三,PS21963模块的输入IC内置3.3kΩ(min)的下拉电阻,如果在输入端插入噪声抑制电阻,请注意PS21963的输入电平阈值满足规格的要求。如图5所示。

 图5 控制信号输入连接电路

3.4.3缓冲电路设计

   为了最大程度滤除浪涌电压,缓冲电容一般被安装在图6中②的位置上,但是缓冲电容的充放电电流(配线自感和缓冲电容的谐振电流)会在采样电阻上流动,当配线自感很大时,有可能产生由充放电电流过大而引起短路保护的误动作现象。当在采样电阻的外侧(位置①)加缓冲电容时,A处的配线应尽可能短,如图6中③所示的那样设置。

3.4 .4其他设计注意事项

 图6 电源输入缓冲电路

   首先,外部保护电路的时间常数R1C1(图2中) 应设定在使IGBT能在1.5~2μs以内关断。关断时间可能随着布线的不同而多少有些变化;其次,所有电容都应尽量靠近PS21963端子;第三,为了防止浪涌破坏,平滑电容与P和N1之间的引线应尽可能短,推荐在P和N1端子之间加约0.1~0.22μF的吸收电容;第四,为了保护HVIC和LVIC免受浪涌电压的损坏,推荐在控制电源管脚间(VNl一VNC,VPI—VNC)各加入一个稳压二极管(24 V/1

W);最后,图2中A、B、C处的配线长短对IGBT的动作有很大影响,所以配线应尽可能短。

4测试结果

   在实验室里,我们对设计制成的电路板进行了测试测试条件为:电压为70 V(DC),负载电机为300 W无刷直流电动机,负载电流为5 A,PWM频率为l kHz用示波器CHl通道检测Up的PWM波形,CH2通道检测IPM的U相输出波形,结果如图7所示

    图7 PWM输入和IPM输出波形关系图

   实验结果表明,基于PS21963的集成化驱动电路,不但电路结构简单,而且电路输入输出线性度高,抑制浪涌电压的能力强,波形失真不明显。从整个稳定平台系统的运行情况来看,控制效果良好,可靠性高。

   本方案具有很强的实用价值,也具有推广性和借鉴性,可以为交流调速系统、直线电机控制、开关磁阻电机控制、USP等的研究提供参考。

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