[发明专利]三相交流电机用基于大功率运放的线性功率驱动控制器

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种三相交流电机用基于大功率运放的线性功率驱动控制器，它主要应用于小功率场合，属于电动机自动控制技术领域。

二、背景技术

高精度伺服电动机的功率驱动电路主要有两种实现方式：脉宽调制方式（Pusle Width Modulation，PWM）和线性功率放大方式。目前，因脉宽调制方式具有功率损耗小、效率高、易于全数字控制驱动等优点，在电动机功率驱动中得到广泛采用。

但是高频的调制开关动作严重污染了电磁环境，影响伺服系统中的传感器、信号转换和调理电路等的正常工作；脉宽调制方式在电机绕组电流中引入了开关频率次谐波，使得伺服电动机系统产生一系列寄生效应；同时在电动机处于低速轻载工作时，该谐波更为明显，斩波控制绕组电流容易出现断续的情况；为了防止功率桥上下桥臂功率管直通加入的死区保护，使得正弦电流在过零点附近会产生明显的波形畸变，引起电机侧的力矩波动，从而进一步限制了功率驱动器输出电流品质和电机的低速性能的进一步提高。对于经常工作在低速轻载状态下的伺服系统来说，这些由于驱动器引起的波动力矩会严重影响到控制性能。

目前，抑制脉宽调制方式驱动器引起的波动力矩的方法多为：通过估算死区时间进行前馈补偿和电流闭环的方法。但由于估计误差和电流环带宽的限制，这些方法往往难以满足高精度伺服系统的需要。

与PWM驱动方式相比，线性功放具有线性度好、纹波小、对外界干扰小等优点，但是发热量大、效率较低，故主要应用在小功率场合。而传统的线性功率驱动器由大量分立的功率器件组成，可靠性低、功率损耗大、设计和调试困难大。采用集成功率器件组成的线性功率驱动器可使电路结构大为简化、提高驱动器可靠性、在一定程度上降低系统功耗，同时也从原理上避免了由于斩波引起的各种不利影响，为小功率高精度伺服电动机系统提供一个高性能的驱动方案。

目前，基于大功率运放的线性功率驱动技术仅用于有刷直流电机、两相步进电机系统、音圈电机等以H桥形式驱动的电机。将该技术应用于小功率三相交流电动机，将对系统精度和低速性能、低速平稳性有很大提高。

三、发明内容

1、目的：本发明的目的在于提供一种三相交流电机用基于大功率运放的线性功率驱动控制器，它采用32位浮点高速DSP，高精度的A/D及D/A转换器，具有良好隔离作用和线性度的高速输入隔离放大器和霍尔式电流传感器，具有低热敏电阻、卓越的线性度的大功率运放，及高精度的绝对式光电编码器，目的是获得小功率三相交流电机的良好的低速平稳性和高精度控制。

2、技术方案：为实现上述发明目的，本发明一种三相交流电机用基于大功率运放的线性功率驱动控制器，它由线性功率驱动模块、信号检测模块、数字控制模块及D/A转换模块四部分组成。其间关系是：信号检测模块检测电机的三相绕组电流信号和电机转子位置信号，并转换成数字控制模块能够直接接收的信号形式，传递给数字控制模块；数字控制模块根据接收到的电机状态信息，完成控制算法的计算，并给出数字量的控制信号；D/A转换模块负责把该数字量的控制信号转换成模拟量的控制信号，传递给线性功率驱动模块；线性功率驱动模块把模拟量的控制信号与功率级信号相隔离，并进一步进行功率放大，提供给电机绕组高电压和大电流，从而实现对三相交流电机的高精度控制。

所述的线性功率驱动模块包括：高速输入隔离放大器、大功率运放。其中，高速输入隔离放大器接收D/A转换模块的输出信号，实现电机三相线电压模拟控制信号到功率信号的电气隔离，高速输入隔离放大器的输出信号直接作为大功率运放的输入信号；大功率运放接收来自高速输入隔离放大器的输出信号，进行功率放大，给电机三相绕组提供高电压和大电流。

该线性功率驱动模块有以下特点：

（1）采用高速输入隔离放大器实现模拟控制信号到功率信号的电气隔离，所述的隔离放大器具有宽带动态特性，低谐波失真，低非线性度，且输出具有失调调整功能，从而极大的降低了隔离环节给控制信号带来的误差。

（2）采用大功率运放实现功率放大和驱动，该大功率运放具有低热敏电阻、卓越的线性度和高输出电流的能力，其输出电压、电流具有良好的连续性，避免了脉宽调制方式中在电机绕组电流中引入的开关频率次谐波，低速时电流容易出现断续，以及死区效应引起正弦电流在过零点附近产生明显波形畸变等情况引起的电机侧的力矩波动，从而提高了功率驱动器输出电流品质和电机的低速性能。

（3）所述的大功率运放部分的连接电路采用压控电压源的形式，提供给电机三相绕组线电压，通过霍尔式电流传感器构成电流闭环，实现对三相绕组电流的控制。