[發明專利]三相交流電機用基于大功率運放的線性功率驅動控制器

有效

• 申請號: 201210202310.2
• 申請日: 2012-06-15
• 公開（公告）號: CN102751924A
• 公開（公告）日: 2012-10-24
• 發明（設計）人: 郭宏;白磊;錢浩;孫澤東
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: H02P6/08
• 分類號: H02P6/08;H02P6/16
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

一、技術領域

本發明涉及一種三相交流電機用基于大功率運放的線性功率驅動控制器，它主要應用于小功率場合，屬于電動機自動控制技術領域。

二、背景技術

高精度伺服電動機的功率驅動電路主要有兩種實現方式：脈寬調制方式（Pusle?Width?Modulation，PWM）和線性功率放大方式。目前，因脈寬調制方式具有功率損耗小、效率高、易于全數字控制驅動等優點，在電動機功率驅動中得到廣泛采用。

但是高頻的調制開關動作嚴重污染了電磁環境，影響伺服系統中的傳感器、信號轉換和調理電路等的正常工作；脈寬調制方式在電機繞組電流中引入了開關頻率次諧波，使得伺服電動機系統產生一系列寄生效應；同時在電動機處于低速輕載工作時，該諧波更為明顯，斬波控制繞組電流容易出現斷續的情況；為了防止功率橋上下橋臂功率管直通加入的死區保護，使得正弦電流在過零點附近會產生明顯的波形畸變，引起電機側的力矩波動，從而進一步限制了功率驅動器輸出電流品質和電機的低速性能的進一步提高。對于經常工作在低速輕載狀態下的伺服系統來說，這些由于驅動器引起的波動力矩會嚴重影響到控制性能。

目前，抑制脈寬調制方式驅動器引起的波動力矩的方法多為：通過估算死區時間進行前饋補償和電流閉環的方法。但由于估計誤差和電流環帶寬的限制，這些方法往往難以滿足高精度伺服系統的需要。

與PWM驅動方式相比，線性功放具有線性度好、紋波小、對外界干擾小等優點，但是發熱量大、效率較低，故主要應用在小功率場合。而傳統的線性功率驅動器由大量分立的功率器件組成，可靠性低、功率損耗大、設計和調試困難大。采用集成功率器件組成的線性功率驅動器可使電路結構大為簡化、提高驅動器可靠性、在一定程度上降低系統功耗，同時也從原理上避免了由于斬波引起的各種不利影響，為小功率高精度伺服電動機系統提供一個高性能的驅動方案。

目前，基于大功率運放的線性功率驅動技術僅用于有刷直流電機、兩相步進電機系統、音圈電機等以H橋形式驅動的電機。將該技術應用于小功率三相交流電動機，將對系統精度和低速性能、低速平穩性有很大提高。

三、發明內容

1、目的：本發明的目的在于提供一種三相交流電機用基于大功率運放的線性功率驅動控制器，它采用32位浮點高速DSP，高精度的A/D及D/A轉換器，具有良好隔離作用和線性度的高速輸入隔離放大器和霍爾式電流傳感器，具有低熱敏電阻、卓越的線性度的大功率運放，及高精度的絕對式光電編碼器，目的是獲得小功率三相交流電機的良好的低速平穩性和高精度控制。

2、技術方案：為實現上述發明目的，本發明一種三相交流電機用基于大功率運放的線性功率驅動控制器，它由線性功率驅動模塊、信號檢測模塊、數字控制模塊及D/A轉換模塊四部分組成。其間關系是：信號檢測模塊檢測電機的三相繞組電流信號和電機轉子位置信號，并轉換成數字控制模塊能夠直接接收的信號形式，傳遞給數字控制模塊；數字控制模塊根據接收到的電機狀態信息，完成控制算法的計算，并給出數字量的控制信號；D/A轉換模塊負責把該數字量的控制信號轉換成模擬量的控制信號，傳遞給線性功率驅動模塊；線性功率驅動模塊把模擬量的控制信號與功率級信號相隔離，并進一步進行功率放大，提供給電機繞組高電壓和大電流，從而實現對三相交流電機的高精度控制。

所述的線性功率驅動模塊包括：高速輸入隔離放大器、大功率運放。其中，高速輸入隔離放大器接收D/A轉換模塊的輸出信號，實現電機三相線電壓模擬控制信號到功率信號的電氣隔離，高速輸入隔離放大器的輸出信號直接作為大功率運放的輸入信號；大功率運放接收來自高速輸入隔離放大器的輸出信號，進行功率放大，給電機三相繞組提供高電壓和大電流。

該線性功率驅動模塊有以下特點：

（1）采用高速輸入隔離放大器實現模擬控制信號到功率信號的電氣隔離，所述的隔離放大器具有寬帶動態特性，低諧波失真，低非線性度，且輸出具有失調調整功能，從而極大的降低了隔離環節給控制信號帶來的誤差。

（2）采用大功率運放實現功率放大和驅動，該大功率運放具有低熱敏電阻、卓越的線性度和高輸出電流的能力，其輸出電壓、電流具有良好的連續性，避免了脈寬調制方式中在電機繞組電流中引入的開關頻率次諧波，低速時電流容易出現斷續，以及死區效應引起正弦電流在過零點附近產生明顯波形畸變等情況引起的電機側的力矩波動，從而提高了功率驅動器輸出電流品質和電機的低速性能。

（3）所述的大功率運放部分的連接電路采用壓控電壓源的形式，提供給電機三相繞組線電壓，通過霍爾式電流傳感器構成電流閉環，實現對三相繞組電流的控制。