CN102510206A

CN102510206A - 电机输入端耦合尖峰吸收电路

Info

Publication number: CN102510206A
Application number: CN2011103625504A
Authority: CN
Inventors: 寿少峻; 陆培国; 赵创社; 王红红; 宋晓明; 刘小强; 邢军智; 李志宇; 柳井莉
Original assignee: No205 Institute Of China North Industries Group Corp
Current assignee: No205 Institute Of China North Industries Group Corp
Priority date: 2011-11-15
Filing date: 2011-11-15
Publication date: 2012-06-20

Abstract

本发明公开了一种电机输入端耦合尖峰吸收电路，放置在PWM驱动方式力矩电机的输入端，用于吸收电机输入端的耦合尖峰电压脉冲。该吸收电路由多个并联电容构成的稳压电路和四个快速恢复二极管组成，稳压电路并联在驱动电源和电源地之间，二极管两两串接后并接在稳压电路的两端，电机的第一、第二输入端与串接的两个二极管之间相连。本发明解决了长距离PWM驱动电机端耦合尖峰电压脉冲对电机可靠性的影响，同时，还具有能耗低、通配性好、吸波效果明显和成本低廉等特点。

Description

电机输入端耦合尖峰吸收电路

技术领域

本发明属于电机控制领域，主要涉及一种电机输入端耦合尖峰电压脉冲吸收电路，尤其涉及一种能够对长距离PWM驱动电机的输入端耦合尖峰电压进行抑制的吸收电路。

背景技术

目前电机驱动以PWM驱动方式为主。PWM驱动方式是向电机输入端传送一组PWM载波(标准载波波形见图1)，通过控制载波的占空比驱动电机转动。PWM载波多以方波形式出现。

在控制系统设计时，驱动控制部件与电机往往难以采用一体化设计方案，大多数情况下通过导线连接。当连接线过长时，在电机输入端会耦合尖峰脉冲(见图2，图中电压波形幅值高于82V以上和低于0V以下部分，实测值)。也就是说，尖峰电压脉冲是由电缆分布电容和电机电感作用产生的虚电压并叠加到PWM基波上；虽然，尖峰电压的电流量很小，蕴含能量也很小，但它可导致电机转动时换向火花加大，甚至产生环火烧毁电机线圈；或者击穿绝缘层；这些都会导致电机彻底损坏。电机端耦合尖峰脉冲的成因和解决方案即电机端子过电压研究是目前电机驱动领域的热点研究方向。

传统的解决方案不外乎两个途径，即尽可能减少传输线长度和采用吸收电路抑制尖峰电压。减少传输线长度可有效减小尖峰电压；但是在很多情况下受整机结构布局所限，往往难以实现。

目前可以采用的吸收电路为RC(电阻R、电容C)一阶吸波电路(见图3)和LRC(电感L、电阻R和电容C)二阶吸收电路(见图4)两种形式。这两种电路工作原理相同，都是利用低通滤波电路滤除尖峰电压。这两种吸收电路存在以下问题：1)系统能耗加大。由于PWM基波的电流较大，其高频分量蕴含的能量远大于尖峰电压的能量，而上述滤波电路是对PWM基波的高频分量和尖峰电压脉冲一起吸收的，因而滤波电路会加大基波的高频能量损耗。此外，滤波电路发热量较大，滤波电路中电阻R功率值一般需要几十瓦到上百瓦，对仪器的热效应设计和能耗设计不利。2)滤波电路参数较难匹配。其原因有两方面，一是当尖峰电压脉宽较大时，对应主频与基波频率较接近，无法配置参数；二是滤波参数设置与实际传输电缆的分布参数有关，仪器调试现场和安装场所的传输环境难以完全一致，调试好的参数在仪器安装完毕后不一定合适。3)尖峰电压脉冲难以完全消除。这是由于滤波电路的本质决定的，滤波电路只能压制干扰的幅值。二阶滤波电路滤波品质较好些，但电枢回路中增加了电感L，对电机的动态性能也会产生影响。4)实现成本较高。电感、电阻、电容虽然是常用器件，但电感涉及到大电流；电阻为大功率无感电阻；电容要求高频率响应和高耐压；这些器件通常需要单独定制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种能耗低、通用性强、成本低廉的耦合尖峰吸波电路，以解决长距离PWM驱动电机端耦合尖峰电压脉冲对电机可靠性的影响。

为解决上述技术问题，本发明提供的耦合尖峰吸收电路集成在带有多个接线端子的电路板上，其中，由多个电容并联构成的稳压电路并联在驱动电源正极端子和电源地端子之间且稳压电路的正极与驱动电源正极端子相接，第一和第三二极管的负极与驱动电源正极端子相连，第二和第四二极管的正极与电源地端子相连，第一二极管的正极、第二二极管的负极以及第一电机驱动端子均与第一驱动输入端子相连，第四二极管的负极、第三二极管的正极以及第二电机驱动端子均与第二驱动输入端子相连，第一至第四二极管均为快速恢复二极管；应用时，耦合尖峰吸收电路板安装在力矩电机附近，所述第一驱动输入端子、驱动电源正极端子、电源地端子、第二驱动输入端子分别通过长引线与电机驱动单元的第一PWM驱动输出端、驱动电源输出端、驱动电源地端、第二PWM驱动输出端一一对应相连，所述第一电机驱动端子、第二电机驱动端子与力矩电机的第一输入端和第二输入端一一对应相连。

根据本发明，所述稳压电路含有第一至第五电容，第一电容为铝电解电容，第二至第五电容为小容量陶瓷电容，第一电容的容值为100μF，第二至第五电容的容值均为1μF；所述第一至第四二极管的型号为MUR460。

本发明的整体技术效果体现在以下几个方面。

(一)本发明所提供的尖峰吸收电路采用二极管的单向导通特性，仅仅对高于驱动电源电压和低于电源地电压的尖峰进行吸收，对PWM基波不起作用，故此能耗很低，经对实测二极管发热量接近为零。由于本发明吸收电路与传统的RC/LRC滤波电路相比，其能耗已小到可忽略不计的程度，因此，安装在仪器内部不会对仪器的热效应和能耗产生不利影响。

(二)由于本发明的工作原理是二极管在电压高于驱动电源电压或者低于电源地电位时导通，此时只要保证驱动电源电压相对于电源地电位稳定即可，仅需考虑器件的耐压值，而不涉及电缆分布电参数、载波频率等因素。此外，当使用环境等情况发生变化时，本发明中的电压滤波稳定电路可直接保证驱动电源电压相对于电源地电位稳定。因而，本发明不存在参数调整问题，具有很好的通配性。

(三)当本发明吸收电路中的二极管导通时，电机端子和驱动电源或电源地导通，无法产生叠加的耦合电压脉冲，可有效吸收尖峰电压而不涉及驱动电源和电源地之间的正常波形部分。因此，本发明基本可以消除尖峰电压脉冲，与传统的RC/LRC滤波电路相比，吸收尖峰电压的效果非常明显。

(四)在本发明中，所使用的器件均为市场上的批量销售产品，无定制要求，其成本为传统RC/LRC滤波电路的几十分之一。

附图说明

图1是力矩电机PWM载波的基本波型图。

图2是力矩电机输入端产生尖峰电压的脉冲波形图。

图3是RC一阶吸收电路的原理图。

图4是LRC二阶吸收电路的原理图。

图5是本发明耦合尖峰吸收电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

对于某型采用PWM方式驱动力矩电机的光电转台而言，其驱动单元距离力矩电机约55米。当光电转台使用一年后，力矩电机的绝缘层被击穿且电机损毁，电机两端产生如图2所示的电压波形，也就是说，耦合尖峰脉冲是力矩电机可靠性下降的主要原因。为了解决力矩电机的可靠性问题，并避免RC/LRC滤波电路带来的副作用对光电转台带来的不利影响。故申请人考虑在电机驱动单元和力矩电机之间增加一个采用基于快速恢复二极管形成的耦合尖峰吸收电路，通过二极管的单向导通特性，将力矩电机输入端耦合的尖峰脉冲直接吸收掉。

根据图5所示，本发明优选实施例的耦合尖峰吸收电路含有第一至第四二极管D1～D4和第一至第五电容C1～C5，并集成在带有六个接线端子的电路板上，六个接线端子分别为驱动电源正极端子Vss、电源地GND端子、第一驱动输入端子Ain、第二驱动输入端子Bin、第一电机驱动端子A1和第二电机驱动端子B1。第一至第五电容C1～C5均并联在驱动电源正极端子Vss和电源地端子GND之间，C1为电解电容，C1正极接驱动电源正极端子Vss，C1负极接电源地端子GND。第一和第三二极管D1、D3的负极与驱动电源正极端子Vss相连，第二和第四二极管D2、D4的正极与电源地端子GND相连，第一二极管D1的正极、第二二极管D2的负极以及第一电机驱动端子A1均与第一驱动输入端子Ain相连，第四二极管D4的负极、第三二极管D3的正极以及第二电机驱动端子B1均与第二驱动输入端子Bin相连。使用时，耦合尖峰吸收电路板安装在力矩电机附近，第一驱动输入端子Ain、驱动电源正极端子Vss、电源地端子GND、第二驱动输入端子Bin分别通过长引线(图中虚线部分)与电机驱动单元的第一PWM驱动输出端Aout、驱动电源输出端Vssout、驱动电源地端GNDout、第二PWM驱动输出端Bout一一对应相连；第一电机驱动端子A1、第二电机驱动端子B1分别通过短引线与力矩电机的第一输入端A和第二输入端B一一对应相连。

这种基于快速二极管形成的耦合尖峰吸收电路只作用于耦合脉冲而排除了PWM基波，基本避免了RC/LRC滤波电路会导致的不利影响。

有别于传统的电机驱动方式，本发明需要将电机驱动单元中的驱动电源输出端Vssout、驱动电源地端GNDout通过长引线接到力矩电机输入端附近，以便为吸收电路提供脉冲能量吸收通道。故此对引线和信号品质都有要求。引线应具有一定的电流通过能力，且尽可能对其完成屏蔽处理以减少电磁耦合效应。为消除长线电缆的分布电容、电感等对本发明吸收电路中驱动电源电压稳定性产生的影响，在本发明的吸收电路上加装了滤波电容C1～C5组合，对驱动电源电压进行稳压，以便进一步确保信号品质。其中，第一电容C1为普通的铝电解电容，完成对驱动电源电压低频干扰分量的滤波；第二至第五电容C2～C5为小容量陶瓷电容，完成对驱动电源电压高频干扰分量的滤波。在本优选实施例中，第一电容C1的容值为100μF，其余第二至第五电容C2～C5的容值都为1μF。

本发明中，对四个二极管D1～D4选择的要求较高，即要求：1)耐压高，须考虑电机驱动电压和耦合脉冲电压(有的场合高达电机驱动电压的2.5倍以上)；2)启动速度快，须在尽可能短的时间内导通；3)考虑到作为吸收能量使用，必须具有一定瞬间大电流通过能力。市场上可供选择的二极管型号不多。本发明优选实施例四个二极管D1～D4均采用快速恢复二极管MUR460，耐压600V，过流4A，极限过流能力40A，反应时间35ns。

本发明对力矩电机两个输入端A、B的吸波过程相同，现以A端为例阐述其工作原理：由C1～C5构成的电源电压稳压电路将对长引线传输的电源电压进行滤波，使其稳定于驱动电源电压的电位上。当力矩电机输入端A上产生正向尖峰电压脉冲(高于驱动电源电位)时，第一二极管D1导通，第二二极管D2截止；高于驱动电源电压的电压脉冲通过第一二极管D1流向驱动电源正极，此时力矩电机输入端A的电压保持为驱动电源电压；当力矩电机输入端A上产生负向尖峰电压脉冲(低于驱动电源地0V电压)时，第一二极管D1截止，第二二极管D2导通；低于电源地的电压脉冲通过第二极管D2流向驱动电源地，力矩电机输入端A的电压保持为电源地的0V电压。这样，力矩电机输入端A处高于驱动电源和低于电源地电位的电压分量都被吸收，从而在力矩电机输入端A形成标准的PWM驱动波形。

Claims

1.一种电机输入端耦合尖峰吸收电路，该电路集成在带有多个端子的电路板上，其特征在于：由多个电容并联构成的稳压电路并联在驱动电源正极端子(Vss)和电源地端子(GND)之间且稳压电路的正极与驱动电源正极端子(Vss)相接，第一和第三二极管(D1、D3)的负极与驱动电源正极端子(Vss)相连，第二和第四二极管(D2、D4)的正极与电源地端子(GND)相连，第一二极管(D1)的正极、第二二极管(D2)的负极以及第一电机驱动端子(A1)均与第一驱动输入端子(Ain)相连，第四二极管(D4)的负极、第三二极管(D3)的正极以及第二电机驱动端子(B1)均与第二驱动输入端子(Bin)相连，第一至第四二极管(D1～D4)均为快速恢复二极管；应用时，耦合尖峰吸收电路板安装在力矩电机附近，所述第一驱动输入端子(Ain)、驱动电源正极端子(Vss)、电源地端子(GND)、第二驱动输入端子(Bin)分别通过长引线与电机驱动单元的第一PWM驱动输出端(Aout)、驱动电源输出端(Vssout)、驱动电源地端(GNDout)、第二PWM驱动输出端(Bout)一一对应相连，所述第一电机驱动端子(A1)、第二电机驱动端子(B1)与力矩电机的第一输入端(A)和第二输入端(B)一一对应相连。

2.根据权利要求2所述的电机输入端耦合尖峰吸收电路，其特征在于：所述稳压电路含有第一至第五电容(C1～C5)，第一电容(C1)为铝电解电容，第二至第五电容(C2～C5)为小容量陶瓷电容，第一电容(C1)的容值为100μF，第二至第五电容(C2～C5)的容值均为1μF；所述第一至第四二极管(D1～D4)的型号为MUR460。