高可靠性永磁交流伺服電機(jī)驅(qū)動器
尚 波 王 炎(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 150001)
1引言
永磁交流伺服系統(tǒng)又稱為無刷伺服系統(tǒng)，由永磁交流伺服電動機(jī)和伺服驅(qū)動器兩部分組成。其中永磁交流伺服電動機(jī)一般由電動機(jī)本體、電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極位置檢測器和無刷測速發(fā)電機(jī)構(gòu)成；而伺服驅(qū)動器通常是采用脈寬調(diào)制逆變器和具有電流環(huán)為內(nèi)環(huán)、速度環(huán)為外環(huán)的多閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖1所示為一種比較典型的矩形波電流驅(qū)動的永磁交流伺服系統(tǒng)的原理框圖。該系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)子磁極位置檢測器實時檢測電機(jī)定、轉(zhuǎn)子磁場的相對位置，控制伺服驅(qū)動器的功率開關(guān)按一定順序?qū)ǎ援a(chǎn)生所需的電磁轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)伺服驅(qū)動，其外特性與直流伺服系統(tǒng)相似。由于永磁交流伺服電動機(jī)采用電子換向代替普通直流電機(jī)的機(jī)械式換向，沒有電刷和機(jī)械換向器，具有比較高的可靠性，可以在惡劣的環(huán)境中長期運行而無需維護(hù)，其應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。為了進(jìn)一步發(fā)揮永磁交流伺服電機(jī)具有高可靠性這一優(yōu)勢，在進(jìn)行伺服驅(qū)動器的設(shè)計過程中，不僅要努力提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)，也要充分注意其可靠性問題。在永磁交流伺服驅(qū)動器中影響可靠性的關(guān)鍵在于功率開關(guān)電路，為此采用ipm（智能功率開關(guān)模塊）設(shè)計了一種新型的高可靠性永磁交流伺服電機(jī)pwm功率驅(qū)動電路。
2 pm20cea060智能功率開關(guān)模塊
pm20cea060是日本三菱公司為滿足用戶對逆變器用功率開關(guān)高性能、多功能、高可靠性等方面的要求而開發(fā)的一種新型集成化智能功率模塊。這種功率模塊為三相六單元結(jié)構(gòu)，內(nèi)部集成有相應(yīng)的功率輸出單元、功率開關(guān)驅(qū)動電路及故障檢測保護(hù)電路，其一個橋臂的等效結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
pm20cea060的主要特點是：
a．功率輸出單元系采用額定電壓為600vnc.額定電流為20a的igbt，具有開關(guān)響應(yīng)速度快、基極驅(qū)動電流小、耐負(fù)載能力強、不需實施防靜電措施等優(yōu)點，適于構(gòu)成1. 5kw以下電機(jī)的高性能功率驅(qū)動器。
b．驅(qū)動電路和保護(hù)電路均集成在功率模塊中，使以往的單功能元件變成了多功能的系統(tǒng)元件，大大提高了可靠性和操作性能。
c．驅(qū)動電路只需+ 15vdc的供電電源，無需提供負(fù)電源。供電電流在滿負(fù)載時只需40ma，簡化了驅(qū)動電路電源的設(shè)計。
d．模塊內(nèi)帶有過流、短路、過熱及驅(qū)動電路電源電壓等保護(hù)功能。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)上述故障時，保護(hù)電路關(guān)斷igbt單元，并輸出故障信號，以確保動率模塊安全工作。
可見采用pm20cea060集成化智能功率模塊設(shè)計永磁交流伺服電機(jī)的功率驅(qū)動電路不僅能有效地提高系統(tǒng)的可靠性，而且為系統(tǒng)降低成本，實現(xiàn)小型化打下了基礎(chǔ)。
3 ipm構(gòu)成的交流伺服電機(jī)功率驅(qū)動器
3.1 ipm與控制電路的接口
本文所設(shè)計的采用pm20cea060構(gòu)成的電機(jī)功率驅(qū)動電路應(yīng)用于lkw永磁交流伺服系統(tǒng)中，其直流母線電壓為300vdc，由三相220v交流電直接整流得到。為避免功率側(cè)的高電壓對控制電路造成損壞，采用高速光電耦合器6n136進(jìn)行隔離。由于pm20cea060采用的是壓控型igbt功率器件，且模塊內(nèi)集成有基極驅(qū)動電路，所需的驅(qū)動電流很小，6n136可直接提供，無需進(jìn)行放大，如圖3所示。為避免功率模塊上、下橋臂瞬時直通造成損壞，該接口電路中設(shè)計有延遲導(dǎo)通功能，通過調(diào)整電阻r的阻值，可改變延遲時間，系統(tǒng)中設(shè)定為6μs。驅(qū)動電路供電電源采用模塊式dc-dc變換器15s15/80提供，這種方式具有隔離性能好、體積小、可靠性高的優(yōu)點。對pm20cea060的故障保護(hù)是通過兩方面實現(xiàn)的：
①當(dāng)功率模塊內(nèi)的故障檢測電路發(fā)現(xiàn)過流、短路、道熱或驅(qū)動電源電壓下降時，便自動起動內(nèi)部的保護(hù)電路關(guān)斷功率輸出單元，實現(xiàn)有效的保護(hù)。
②如果故障出現(xiàn)在下橋臂的功率輸出單元，模塊的fo端輸出一個不小于20μs的低電平脈沖，經(jīng)光耦4n25及鎖存器送入系統(tǒng)的控制電路，進(jìn)行故障顯示及整個系統(tǒng)的故障保護(hù)處理。通過上述處理，簡化了功率驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)，不僅提高了系統(tǒng)的性能，更重要的是有效地提高了功率驅(qū)動電路的可靠性。
3.2 pwm調(diào)制電路
所設(shè)計的永磁交流伺服電機(jī)功率驅(qū)動電
