永磁同步电机伺服系统功率主回路的设计
永磁同步电机伺服系统功率主回路的设计
刘丙友 凌有铸
（安徽工程科技学院 安徽省电气传动与控制重点实验室 安徽 芜湖 241000）
摘 要：功率主回路是交流伺服系统的核心，直接驱动伺服电机工作，由三相整流电路、智能功率模块IPM (Intelligence Power Module)组成。三相交流电流经功率主回路处理成近似对称的正弦交流电驱动永磁同步电机PMSM（Permanent Magnet Synchronous Motor）工作。良好
性能的功率主回路是伺服系统获得好的动态性能和稳态精度的关键。
关键词：交流伺服；永磁同步电机；IPM
Design on Major Power Circuit of PMSM Servo System
Liu Bingyou Ling Youzhu
（Anhui University of Technology and Science Anhui Provincial Key Laboratory of Electric and Control Wuhu China 241000）
Abstract：Major power circuit is the core of AC servo system and drive Permanent Magnet Synchronous Motor(PMSM) to work directly. It is composed of three-phase AC-DC circuit and Intelligence Power Module (IPM) . Three-phase AC electric currents flows through the major power circuit and changed to sinusoidal symmetrically AC currents to drive PMSM to work.. The good performance major power circuit is the key to the servo system to obtains good dynamic performance and steady state precision.
Key words：AC Servo ；PMSM；IPM
0、引言
全数字化交流伺服系统具有高速度、高精度、高可靠性及高抗干扰能力，所以在现代工业（高精度数控机床、机器人、特种加工装备和精细进给系统等）中得到广泛的应用，由于集高速运算能力和面向电机的高效控制能力于一体的数字信号处理芯片DSP的应用，基于DSP的永磁同步电机交流伺服控制系统逐步成为交流伺服控制系统的主流。做为交流伺服控制系统的核心部分的功率主回路的性能优劣直接影响整个交流伺服控制系统的性能，因此对主电路的设计显得尤为重要。本文介绍的基于DSP的永磁同步电机交流伺服控制系统功率主回路由三相整流电路、中间直流电路、智能功率模块、组成[1]。（见图1）
图1 功率主回路原理图
Fig1.The principle diagram of major power circuit
整流电路、中间直流电路设计及参数设定
1．1 整流电路和中间直流电路：功率主电路的作用是直接驱动伺服电机工作，主要由三相整流电路、中间直流电路、智能功率模块组成。三相整流电路在主回路中的作用是将220V交流电经整流电路整流后，再经过滤波电容滤波，将其转换为直流电，使加于逆变器桥臂的电压为一恒压源。整流电路采用富士公司的三相整流桥6R130G-1600，整流电路为三相桥式全波整流电路，耐压高，可达1600V ，输入为220V三相交流电，则经整流后平均直流电压为的Ud=2.34*220=514.8V。三相桥式全波整流电路完成工频电流到直流的转换，经整流器整流后的直流电存在脉动，该直流电经中间直流电路处理后可得到理想电压。图1中电容C的作用有两个：一是滤波，消除高次谐波，提高供电质量；二是去藕，消除整流电路和逆变电路之间的相互干扰，并为感性负载电动机提供必要的无功功率。电容C要选容量较大的电解电容（容量的设定经公式1计算得到）。电阻R2在系统停止时为电容C提供放电回路（阻值大小经公式2得到）。限流电阻R1的作用是限制滤波电容器C在变频器刚合上电源的瞬间所产生的浪涌电流，保护整流桥。开关K的作用是，当C充电到一定程度时，令K接通，将R1短路掉以减少电路耗能。
1．2 滤波电容和回路电阻的选型：电动机制动运行时，电机转子轴系上的动能和电动机电感的贮能都要以电能的形式回馈到直流电源给电容C充电，导致电容电压迅速升高，若此电压升高得过多，会造成主回路开关器件和电容C的损坏。因此对滤波电容的容量有一定的要
求[2]：
(1)
其中：△U一—电容C电压的升高限制，一般△U=20%Ud；
∑J一—算到转子轴上的转动部分总惯量；
Uco一—电容C的初始电压，Uco=Ud；
nH 一—PMSM的额定转速，r/min；
K5一—过载倍数；
一—PMSM的额定相电流；
当滤波电容的电压升高到设定峰值UCMAX=Ud +△U时，通过制动电阻R2放电，因为滤波电容C也要通过能耗电阻R2放电，所以要以电容器C设定的最高电压计算能耗电阻值R如下：
(2)
（K0是考虑开关元件损耗的安全系数，一般取1.10）
2、智能功率模块设计
2．1 智能功率模块（IPM）：功率变换部分的功能是依据PWM控制信号将三相工频交流电变换成频率、相位和幅值均可调的交流电。功率变换单元的结构形式多种多样，而采用交一直一交变换方式的电压源逆变器，目前在永磁同步电动机控制系统中应用广泛。在功率变换单元的设计中，功率电子开关的选择很重要，IGBT由于输入阻抗高、开关损耗小、饱和压降低、通断速度快、热稳定性能好，耐高压且承受大电流、驱动电路简单而得到广泛的应用。本文采用的智能功率模块是富士公司的R系列PM25RSBI20智能功率模块[3]。它以IGBT为主开关器件，这就决定了它的开关速度较高，目前己达到20kHz。采用它来构建主逆变电路，可以极大地简化电路结构，同时也提高了电路工作的可靠性与稳定性。内部结构见（图2）
图2 智能功率模块内部结构图
Fig2. The interior structure drawing of Intelligence Power Module
由图可见，这是一种含有制动单元在内的完整的逆变器，它包括7个IGBT和它们各自的驱动保护电路，其中的6个可组成三相逆变桥，另一个再外加电阻即可构成制动单元。它共需要4组控制电源，上桥臂为互相独立的3组，下桥臂三个驱动器共用一组电源；内含各种保护，使内部ICBT因故障损坏的机率大大降低。这些保护包括过电流保护(OC)，短路保护(SC)、控制电源欠电压保护(UV)、过热保护(OH)和报警输出。
2．2 智能功率驱动模块：IGBT通常采用栅极电压驱动，栅极驱动电压脉冲的上升率和下降率要充分大。IGBT导通后，栅极驱动电路提供给IGBT的驱动电压和电流要具有足够的幅度。由于IGBT在电力电子设备中多用于高压场合，所以驱动电路应与整个控制电路在电位上严格隔离，应使用光隔离器件。本文的驱动电路选用了IR公司的芯片IR2132J[4]。该芯片内部集成了互相独立的三相半桥驱动电路，可对上下桥臂提供死区时间，可直接驱动IGBT。IR2132J的典型电路(见图3)
图3 驱动电路原理图
Fig3. The principle diagram of drive circuit
2．3 IGBT的选型：在大功率电力电子器件应用中，IGBT成为主流。由于开关元件在PWM逆变器中是至关重要的器件，因此IGBT的耐压和电流容量以及开关过程中引起的发热损耗都是要认真考虑的。IGBT的电压额定，直流母线电压Ud可作为开关元件电压的计算依据，但还要考虑电网电压波动，过电压等因素的影响。由此得到IGBT集电极的电压为：
(3)
式中：K1一为交流电网电压的波动系数，一般情况下K1=1.1；
K2一过电压保护程度，一般K2=1.15；
K3一考虑制动运行时，电容电压的升高一般取K3=1.20；
K4一安全系数，K4 =1.2；
所选元件的标称电压VCEO大于或等于上式的计算值即可。当器件的交流输入电压在180V— 220V，考虑器件的耐压值应达到600V。IGBT的电流额定：
(4)
其中：ICM一为集电极最大电流
K5一过载倍数；
K6一为元件的利用系数，一般取1.4；
3、保护电路：
为保证系统中功率转换电路及驱动控制电路安全可靠地工作，DSPLF2407提供PDPINT输入信号，利用它可方便实现伺服系统的各种保护功能。具体实现电路如图4所示。各种故障信号由CD4078综合后，经光电隔离输入到PDPINT引脚。在任何故障状态出现时，如过流，短路，欠压，过热等使检测信号不正常时，4078输出低电平，PDPINT引脚也被拉为低电平，此时DSP内定时器立即停止计数，所有PWM输出管脚全部呈高阻状态，同时产生中断信号，通知CPU有异常情况发生。整个过程不需要程序干预，全部自动完成，这对完成各种故障状态的快速处理非常有用。原理（见图4）
图4 保护电路原理图
Fig4. The principle diagram of protection circuit
4、结论：
本文提出功率主回路的一种设计方法。主回路作为交流伺服控制系统的重要组成部分，其控制性能的优劣决定了整个系统的性能好坏。通过论证，该方法设计合理，结构简单，运行可靠，性能稳定，实现方便，控制精度高，鲁棒性强，特别适合高精度的抑制交流伺服控制系统。
来源于安徽省教育厅自然科学重点科研项目 项目编号:2005kj006zd
参考文献
[1] 秦 忆。 交流伺服系统[M] 武汉：华中理工大学大学出社，1995。
[2] 许 强。 交流伺服系统主电路参数的研究[ J] 伺服控制，2005 （11）：40-42。
[3] 刘日宝。 全数字永磁交流伺服驱动系统的研究[ D] 南京：南京航空航天大学，2004。
[4] 陈伯时。 交流调速系统[M] 北京： 机械下业出版社，1998。
作者简介:
刘丙友（1980--），男，硕士研究生，研究方向：电力电子技术及现代电力传动控制。Email：99lby@sohu.com
凌有铸（1962--），男，副教授，硕士生导师，研究方向：电力电子技术及现代电力传动控制，现代控制技术。
联系地址： 刘丙友 安徽工程科技学院电气工程系（241000） 13955382683
永磁同步电机伺服系统功率主回路的设计
