高可靠性永磁交流伺服電機驅動器
尚 波 王 炎(哈爾濱工業大學 150001)
1引言
永磁交流伺服系統又稱為無刷伺服系統，由永磁交流伺服電動機和伺服驅動器兩部分組成。其中永磁交流伺服電動機一般由電動機本體、電機轉子磁極位置檢測器和無刷測速發電機構成；而伺服驅動器通常是采用脈寬調制逆變器和具有電流環為內環、速度環為外環的多閉環控制系統。圖1所示為一種比較典型的矩形波電流驅動的永磁交流伺服系統的原理框圖。該系統通過轉子磁極位置檢測器實時檢測電機定、轉子磁場的相對位置，控制伺服驅動器的功率開關按一定順序導通，以產生所需的電磁轉矩，實現伺服驅動，其外特性與直流伺服系統相似。由于永磁交流伺服電動機采用電子換向代替普通直流電機的機械式換向，沒有電刷和機械換向器，具有比較高的可靠性，可以在惡劣的環境中長期運行而無需維護，其應用領域日益廣泛。為了進一步發揮永磁交流伺服電機具有高可靠性這一優勢，在進行伺服驅動器的設計過程中，不僅要努力提高系統的性能指標，也要充分注意其可靠性問題。在永磁交流伺服驅動器中影響可靠性的關鍵在于功率開關電路，為此采用ipm（智能功率開關模塊）設計了一種新型的高可靠性永磁交流伺服電機pwm功率驅動電路。
2 pm20cea060智能功率開關模塊
pm20cea060是日本三菱公司為滿足用戶對逆變器用功率開關高性能、多功能、高可靠性等方面的要求而開發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構，內部集成有相應的功率輸出單元、功率開關驅動電路及故障檢測保護電路，其一個橋臂的等效結構圖如圖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，具有開關響應速度快、基極驅動電流小、耐負載能力強、不需實施防靜電措施等優點，適于構成1. 5kw以下電機的高性能功率驅動器。
b．驅動電路和保護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元件，大大提高了可靠性和操作性能。
c．驅動電路只需+ 15vdc的供電電源，無需提供負電源。供電電流在滿負載時只需40ma，簡化了驅動電路電源的設計。
d．模塊內帶有過流、短路、過熱及驅動電路電源電壓等保護功能。當系統出現上述故障時，保護電路關斷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計永磁交流伺服電機的功率驅動電路不僅能有效地提高系統的可靠性，而且為系統降低成本，實現小型化打下了基礎。
3 ipm構成的交流伺服電機功率驅動器
3.1 ipm與控制電路的接口
本文所設計的采用pm20cea060構成的電機功率驅動電路應用于lkw永磁交流伺服系統中，其直流母線電壓為300vdc，由三相220v交流電直接整流得到。為避免功率側的高電壓對控制電路造成損壞，采用高速光電耦合器6n136進行隔離。由于pm20cea060采用的是壓控型igbt功率器件，且模塊內集成有基極驅動電路，所需的驅動電流很小，6n136可直接提供，無需進行放大，如圖3所示。為避免功率模塊上、下橋臂瞬時直通造成損壞，該接口電路中設計有延遲導通功能，通過調整電阻r的阻值，可改變延遲時間，系統中設定為6μs。驅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、可靠性高的優點。對pm20cea060的故障保護是通過兩方面實現的：
①當功率模塊內的故障檢測電路發現過流、短路、道熱或驅動電源電壓下降時，便自動起動內部的保護電路關斷功率輸出單元，實現有效的保護。
②如果故障出現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，經光耦4n25及鎖存器送入系統的控制電路，進行故障顯示及整個系統的故障保護處理。通過上述處理，簡化了功率驅動電路的結構，不僅提高了系統的性能，更重要的是有效地提高了功率驅動電路的可靠性。
3.2 pwm調制電路
