IPM在雷達(dá)伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用?

【摘　要】　在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的雷達(dá)伺服系統(tǒng)中，采用了智能功率驅(qū)動(dòng)模塊（IPM）來(lái)實(shí)現(xiàn)功率驅(qū)動(dòng)，它能夠滿(mǎn)足苛刻的環(huán)境要求，并能獲得比較滿(mǎn)意的系統(tǒng)性能。
???? 關(guān)鍵詞：雷達(dá)伺服系統(tǒng)，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，智能功率模塊

1　引　言
　　智能功率模塊（IPM）出現(xiàn)于上世紀(jì)九十年代，它通過(guò)采用先進(jìn)的材料和工藝將功率單元、驅(qū)動(dòng)單元、邏輯單元、傳感單元和保護(hù)單元等集成于一體，這樣不僅應(yīng)用方便，更關(guān)鍵的是它提高了系統(tǒng)的可靠性，并縮小了體積。
　　某些雷達(dá)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)要求體積小、重量輕和可靠性高，而采用常規(guī)的設(shè)計(jì)將難以達(dá)到這一要求，為此，我們采用智能功率模塊來(lái)解決這個(gè)非常棘手的問(wèn)題，并研制出無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的高性能雷達(dá)伺服系統(tǒng)。

2　雷達(dá)伺服系統(tǒng)
　　早期的雷達(dá)伺服系統(tǒng)中多采用普通直流電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件來(lái)完成對(duì)雷達(dá)天線(xiàn)的驅(qū)動(dòng)控制。但是，普通直流電動(dòng)機(jī)由于使用了電刷和機(jī)械換向器，因此在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生電火花干擾，且碳刷在一些環(huán)境中磨損快、壽命短，維護(hù)不便。而稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)作為一種新型的驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件，采用了電子換向，因而具有可靠性高、壽命長(zhǎng)、無(wú)電火花干擾的特點(diǎn)，它同時(shí)還具有低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩、高精度等性能。目前，采用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的伺服系統(tǒng)在一些雷達(dá)系統(tǒng)中已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用。
　　采用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的雷達(dá)伺服系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。
3　無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制
3．1　無(wú)刷直流電機(jī)
　　稀土永磁無(wú)刷直流電機(jī)是一種新型的電動(dòng)機(jī)，其相電勢(shì)為梯形波，電樞電流為120度矩形波。它的基本構(gòu)成包括電動(dòng)機(jī)本體、控制器和位置傳感器三部分，電機(jī)的三相定子繞組分別與作為功率電子開(kāi)關(guān)的橋式主回路中相應(yīng)的功率開(kāi)關(guān)管連接。由于采用脈寬調(diào)制（PWM）控制，所以，電子開(kāi)關(guān)電路由功率開(kāi)關(guān)單元、位置傳感器信號(hào)處理單元和脈寬調(diào)制器組成，用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)定子各相繞組通電的順序與時(shí)間。位置傳感器的跟蹤轉(zhuǎn)子與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸相連接，它將轉(zhuǎn)子磁鋼位置變換成電信號(hào)，經(jīng)位置傳感器信號(hào)處理單元處理后，去控制功率電子開(kāi)關(guān)，使定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相。隨著各相繞組按一定順序工作，在電機(jī)中就產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而拖動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
3．2　無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制
　　無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。它由脈寬調(diào)制器、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的換相處理、驅(qū)動(dòng)與保護(hù)及橋式逆變主回路幾部分組成。本系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)采用IPM，主回路為脈寬調(diào)制式變換器，即PWM變換器。PWM變換器分為不可逆和可逆兩類(lèi)，它在控制上又分為雙極式和單極式兩種方式。由于雙極式可逆PWM變換器的電流一定連續(xù)，電機(jī)可在四個(gè)象限中運(yùn)行，因此，在靜、動(dòng)態(tài)性能要求比較高的雷達(dá)伺服系統(tǒng)中應(yīng)采用雙極式可逆PWM變換器。
　　高性能的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)都采用速度、電流雙閉環(huán)控制，如再加上位置環(huán)即可構(gòu)成無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)位置伺服系統(tǒng)。
　　電流控制實(shí)際上就是一種轉(zhuǎn)矩控制，其作用有三：一是在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過(guò)程中使電機(jī)定子電流跟隨其給定值變化，保證起動(dòng)或制動(dòng)時(shí)電機(jī)能獲得允許的最大電流；二是對(duì)電源電壓波動(dòng)起抗擾作用；三是當(dāng)電機(jī)過(guò)載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電機(jī)電流的最大值?？紤]到超調(diào)小、電流跟隨性好等性能，電流環(huán)可按典型Ⅰ型系統(tǒng)校正。
　　由于雷達(dá)伺服系統(tǒng)中無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)要受到經(jīng)常性的負(fù)載擾動(dòng)，為使其具有良好的抗擾性能，并獲得較高的調(diào)速精度，就必須對(duì)其進(jìn)行速度閉環(huán)控制?？紤]到速度環(huán)在穩(wěn)態(tài)時(shí)無(wú)靜差，動(dòng)態(tài)時(shí)要有良好的抗擾性能，速度環(huán)可按典型Ⅱ型系統(tǒng)校正。

4　IPM模塊MSK4462及其應(yīng)用
　　一般說(shuō)來(lái)，智能功率模塊（IPM）包含有數(shù)字接口電路、驅(qū)動(dòng)電路、功率器件、保護(hù)電路、內(nèi)部DC－DC變換器等部分，是數(shù)模混合式大規(guī)模集成電路。事實(shí)上，智能功率模塊是復(fù)雜分立器件的集成，它在原理上并沒(méi)有增加新的功能。智能功率模塊是微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它是計(jì)算機(jī)與電氣設(shè)備之間的關(guān)鍵接口。
　　IPM模塊MSK4462是一種無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制驅(qū)動(dòng)功率模塊，其基本特點(diǎn)為：
??? ·它具有3相全橋式MOSFET功率逆變器；
??? ·電壓為75V、輸出電流30A；
　　·包含有功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路、過(guò)載、短路保護(hù)電路以及上下橋臂直通保護(hù)電路、電機(jī)位置傳感器換相邏輯處理電路、PWM脈寬調(diào)制器、數(shù)字接口電路、內(nèi)部DC－DC變換器；
　　·具有電流檢測(cè)與誤差放大器，用戶(hù)根據(jù)系統(tǒng)的性能要求添加適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)即可方便地構(gòu)成PI電流調(diào)節(jié)器，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的電流閉環(huán)控制；
　　·它是一種真正的四象限控制的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制驅(qū)動(dòng)智能功率模塊，它在零力矩附近也具有較高的控制精度，其電流始終保持連續(xù)，電動(dòng)機(jī)可工作于正轉(zhuǎn)電動(dòng)、正轉(zhuǎn)制動(dòng)、反轉(zhuǎn)電動(dòng)、反轉(zhuǎn)制動(dòng)四種狀態(tài)，由其構(gòu)成的伺服系統(tǒng)具有較高的動(dòng)、靜態(tài)性能；
??? ·模塊具有較好的散熱設(shè)計(jì)。
??? IPM模塊MSK4462的功能框圖如圖3所示。
　　采用IPM模塊MSK4462可方便地構(gòu)成如圖1所示的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的高性能雷達(dá)伺服系統(tǒng)，該系統(tǒng)中電機(jī)換相信號(hào)由MSK4462內(nèi)部的換相邏輯電路產(chǎn)生，而IPM模塊MSK4462外加補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)即可構(gòu)成電流PI調(diào)節(jié)器，以實(shí)現(xiàn)電流的閉環(huán)控制?？紤]到超調(diào)小、電流跟隨性好等性能，電流環(huán)可按典型Ⅰ型系統(tǒng)校正。由IPM模塊MSK4462構(gòu)成的上述雷達(dá)伺服系統(tǒng)具有體積小、重量輕、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。
　　在設(shè)計(jì)使用的過(guò)程中，要注意以下幾個(gè)方面的處理：（1）AV＋、BV＋、CV＋必須在模塊外部相連，并連到功率電源上。另外，它們與功率地之間還須并聯(lián)適當(dāng)?shù)?a href="http://wenjunhu.com/tags/電容/" target="_blank">電容以抑制干擾和電壓降落，電容應(yīng)盡量地靠近模塊。（2）Aφ、Bφ、Cφ連到無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的三相繞組，注意，它們不能與電源或地短路，否則會(huì)損壞橋路。（3）AVS、BVS、CVS必須在模塊外部相連以構(gòu)成三相全橋逆變器，并使每個(gè)半橋的電流流過(guò)電流檢測(cè)電阻，以構(gòu)成電流反饋。RTN連到功率地。（4）CURRENTCOMMAND是電流環(huán)中的差分輸入，每伏輸入對(duì)應(yīng)于3A的輸出電流，最大±10V的輸入對(duì)應(yīng)±30A的輸出電流。CURRENTMONITOR是電流監(jiān)視輸出端子，利用它可構(gòu)成過(guò)流保護(hù)電路。（5）E／AOUT與E／A－是電流環(huán)路放大器的輸出與輸入，在它們之間可接入適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)電流環(huán)的校正。（6）模塊內(nèi)部的脈寬調(diào)制器可產(chǎn)生最大25kHz的PWM信號(hào)。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器的輸出連到模塊HALLA、B、C管腳，經(jīng)換相邏輯電路處理后，控制電機(jī)定子電流的導(dǎo)通順序，以在電機(jī)中形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。（7）模塊還具有6．25V的輸出，它可作為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器的電源。另外，模塊還具有電機(jī)制動(dòng)模式和逆變器禁止輸出等功能，可根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需要來(lái)選用。（8）注意第一次使用MSK4462時(shí)，應(yīng)以較低的電壓和電流開(kāi)始起動(dòng)，調(diào)節(jié)電機(jī)的相序使之能夠正常地旋轉(zhuǎn)，然后再進(jìn)行正常的調(diào)試操作。（9）要根據(jù)使用情況選擇合適的散熱器，并且嚴(yán)格按CMOS的操作規(guī)程進(jìn)行電裝。

5　結(jié)束語(yǔ)
　　使用智能功率模塊MSK4462較容易地實(shí)現(xiàn)了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電流控制，應(yīng)用它而構(gòu)成的雷達(dá)伺服系統(tǒng)具有體積小、重量輕、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，并且也能獲得比較滿(mǎn)意的系統(tǒng)性能。

1　張　?。绷鳠o(wú)刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996
2　陳伯時(shí)．自動(dòng)控制系統(tǒng)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981