CN102751924B - 三相交流电机用基于大功率运放的线性功率驱动控制器 - Google Patents

Abstract

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转换模块组成；信号检测模块检测电机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。本发明在电动机自动控制技术领域里有良好的应用前景。

Description

三相交流电机用基于大功率运放的线性功率驱动控制器

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 WidthModulation，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。

所述的信号检测模块包括：用于检测三相绕组电流的霍尔式电流传感器，A/D转换器，用于检测转子位置的绝对式光电编码器和485通信电路。其中，霍尔式电流传感器将电机三相绕组的电流转换成相应的电压信号，同时实现与功率级信号的电气隔离；A/D转换器的单芯片上集成了四个16位ADC，它将霍尔式电流传感器输出的电压信号转换成相应的数字信号，并通过DSP的数据总线传递给DSP；绝对式光电编码器检测转子的当前位置，以485通信的形式传递给485通信电路，485通信电路将绝对式光电编码器发出的位置信号转换成电平与DSP的SCI接口相匹配的串行二进制数据，通过SCI接口传递给DSP，同时该485通信电路还实现了绝对式光电编码器与数字控制模块间的电气隔离。DSP利用得到的电机三相绕组电流信息及转子位置信息，经过相关控制算法的计算给出三相绕组线电压的控制信号，从而实现对电机的闭环控制。

该信号检测模块有以下特点：

（1）采用霍尔式电流传感器实现对三相电流的检测，其测量精度高，响应快，同时可以实现与功率驱动电路的电气隔离。

（2）所述的霍尔式电流传感器具有良好的测量线性度，零电流对应零电压输出，避免了零位电压处理给测量结果带来的误差。

（3）A/D转换器部分采用16位电荷再分配逐次逼近型ADC。

（4）所述的A/D转换器具有片内滤波和输入箝位保护电路，高输入阻抗，采用单电源工作方式，无需外部滤波电路、驱动运算放大器和外部双极性电源，简化了系统，同时提高了系统可靠性。

（5）所述的A/D转换器具有4路同步采样输入，可实现三相电流的同步采样，且所有通道都有200kSPS的高吞吐速率，极大的提高了转换速率。

（6）所述的A/D转换器通过灵活的采用引脚驱动的数字滤波器提供了引脚可编程的过采样功能，能够根据实际信号状况选择适合的过采样倍数，从而保证电流检测的准确性。

（7）采用绝对式光电编码器检测转子的实时位置，抗干扰性好，数据可靠性高，且无需找零点，安装调试难度低。

（8）485通信电路部分采用具有隔离功能的485通信芯片，能够实现绝对式光电编码器与数字控制模块间的电气隔离。

所述的数字控制模块包括：32位浮点高速DSP，其具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，应用其浮点运算单元，可快速编写控制算法，且可以较容易的实现复杂控制算法。DSP作为系统的数字控制器，负责整个系统的任务调度。其通过数据总线及SCI通信接口接收来自霍尔式电流传感器和光电编码器的电机三相电流及转子位置信号，经过位置环、速度环和电流环的相关控制算法计算，给出系统的三相线电压控制信号，该信号通过DSP的数据总线传递给D/A转换模块，得到三相线电压的模拟控制信号，并经过后续的高速输入隔离放大器和大功率运放实现隔离和功率放大，实现对电机的三相绕组电流的高精度控制。

该数字控制模块有以下特点：

（1）采用32位浮点高速DSP，其具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元。

（2）所述的DSP，利用其浮点运算单元可以快速且较方便的实现复杂的控制算法。

所述的D/A转换模块包括：电压输出型14位并行D/A转换器，具有低初始误差和低温度漂移特性并可以进行精密调整的基准电压源。其中，电压输出型14位并行D/A转换器，单芯片上集成了四个14位DAC，它将DSP给出的电机三相绕组线电压的数字控制信号转换成模拟量的控制信号，因为该D/A转换器具有14位精度、电压型输出形式和并行输入方式，从而可实现高速、高精度的转换；具有低初始误差和低温度漂移特性并可以进行精密调整的基准电压源，为D/A转换器提供高精度的转换参考电压，所述的基准电压源可以对D/A转换器的输出进行零位和满量程调整，从而进一步保证了D/A转换模块的转换精度和输出电压的高线性度。

该D/A转换模块有以下特点：

（1）采用电压输出型14位并行D/A转换器，其并行输入方式可提高系统的快速性，电压型输出方式避免了电流型输出需要外接电阻引起的误差，从而保证了输出信号的精度。

（2）所述的D/A转换器，能够实现三个通道同时转换，从而保证了电机绕组三相线电压控制信号发出的同时性，降低了因控制延时引起的三相线电压的不对称性。

（3）采用具有低初始误差和低温度漂移特性并可以进行精密调整的基准电压源，所述的基准电压源可以对D/A转换器的输出进行零位和满量程调整，保证了D/A转换结果的高精度和线性度。

其中，该高速输入隔离放大器的芯片型号采用AD215；

其中，该大功率运放的芯片型号采用PA12A；

其中，该霍尔式电流传感器的型号采用HX05-P；

其中，该A/D转换器型号为AD7606-4；

其中，该绝对式光电编码器型号为TS5667N458；

其中，该485通信电路中通信芯片型号为ADM2491E；

其中，该数字控制模块芯片的型号为TMS320F28335；

其中，该D/A转换模块芯片的型号为AD7835；

其中，该基准电压源芯片的型号为AD588。

本发明的工作原理：绝对式光电编码器检测转子的当前位置，以485通信的形式传递给485通信电路，485通信电路将绝对式光电编码器发出的位置信号转换成电平与DSP的SCI接口相匹配的串行二进制数据，通过SCI接口传递给DSP；霍尔式电流传感器将电机三相绕组的电流转换成相应的电压信号，同时实现与功率级信号的电气隔离；A/D转换器将霍尔式电流传感器输出的电压信号转换成相应的数字信号，并通过DSP的数据总线传递给DSP；DSP利用得到的电机三相绕组电流信息及转子位置信息，经过相关控制算法的计算给出三相绕组线电压的数字控制信号，D/A转换模块将DSP给出的电机三相绕组线电压的数字控制信号转换成相应的模拟量的控制信号，然后通过高速输入隔离放大器与功率级隔离，传递给大功率运放实现功率放大，从而给电机三相绕组提供高电压和大电流，实现对电机的三相绕组电流的高精度控制，实现线性功率驱动下三相交流电机良好的低速性能和高控制精度。

3、优点及功效：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，其优点及功效在于：利用32位浮点高速DSP，电压输出型14位并行D/A转换器，高速输入隔离放大器，大功率运放，用于检测三相绕组电流的霍尔式电流传感器，A/D转换器，用于检测转子位置的绝对式光电编码器，485通信电路，以及其他外围电路，形成了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，避免了脉宽调制方式驱动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，实现了小功率三相交流电动机的良好的低速平稳性和高精度控制。

四、附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中线性功率驱动模块的结构示意图；

图3是本发明中大功率运放应用于线性功率驱动的外部连接示意图；

图4是本发明中A/D转换电路芯片结构示意图；

图5是本发明中A/D转换电路中过采样实现结构示意图；

图中符号说明如下：

图2中+Vcc、-Vcc代表给大功率运放供电的正负电源，U、V、W代表电机的三相绕组；

图3中+15PP、-15PP分别代表给PA12A供电的正负电源，PPGND为该正负电源的公共地端，IA-PAIN代表电机A相绕组对应的大功率运放的输入信号，Ia_P代表电机A相绕组对应的大功率运放的输出信号；图4中AGND代表模拟信号的地端，DGND代表数字信号的地端，ADINPUT-A、ADINPUT-B、ADINPUT-C分别代表电机A、B、C三相绕组电流各自经霍尔电流传感器检测而输出的相应模拟电压信号；图5中OS0、OS1、OS2是A/D转换芯片AD7606-4用来配置过采样倍数的引脚标号，3.3V D代表A/D转换芯片AD7606-4数字工作部分的供电电压，DGND代表数字信号的地端。

五、具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

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。其中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。

图1中的DSP采用美国德州公司的高性能32位浮点高速DSP TMS320F28335，其具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，该器件的精度高，成本低，功耗小，性能高，外设集成度高，数据以及程序存储量大。D/A转换器采用美国ADI公司的AD7835数模转换芯片，单芯片上集成了四个14位DAC，可接受14位并行加载，电压型输出，具有上电复位功能，且可用LDAC信号同时更新所有四个DAC的输出。高速输入隔离放大器采用美国ADI公司的AD215，用于隔离和放大宽带宽模拟信号，具有宽带动态特性，同时仍保留关键的直流特性，而且具有低谐波失真和低非线性度。大功率运放采用美国Cirrus Logic公司的PA12A实现功率驱动和放大，其具有低热敏电阻，卓越的线性度，宽电源范围和高输出电流能力。霍尔电流传感器采用瑞士LEM公司的HX05-P实现电机绕组电流的检测，其测量精度高，响应快，同时可以实现与功率驱动电路的电气隔离，具有良好的测量线性度。绝对式光电编码器采用日本多摩川公司的TS5667N458，实现绝对式17位的位置信息检测。485通信电路采用美国ADI公司的ADM2491E芯片，实现光电编码器与DSP的SCI接口间的通信，同时实现隔离功能。

系统的工作过程：绝对式光电编码器检测转子的当前位置，以485通信的形式传递给485通信电路，485通信电路将绝对式光电编码器发出的位置信号转换成电平与DSP的SCI接口相匹配的串行二进制数据，通过SCI接口传递给DSP；霍尔式电流传感器将电机三相绕组的电流转换成相应的电压信号，同时实现与功率级信号的电气隔离；A/D转换器将霍尔式电流传感器输出的电压信号转换成相应的数字信号，并通过DSP的数据总线传递给DSP；DSP利用得到的电机三相绕组电流信息及转子位置信息，经过相关控制算法的计算给出三相绕组线电压的数字控制信号，D/A转换模块将DSP给出的电机三相绕组线电压的数字控制信号转换成相应的模拟量的控制信号，然后通过高速输入隔离放大器与功率级隔离，传递给大功率运放实现功率放大，从而给电机三相绕组提供高电压和大电流，实现对电机的三相绕组电流的高精度控制，实现线性功率驱动下三相交流电机良好的低速性能和高控制精度。

图2中所示为线性功率驱动模块的结构，利用D/A转换器的三个转换通道分别控制电机绕组的三相线电压信号，采用3个高速输入隔离放大器分别实现三相绕组线电压控制信号与相应功率信号间的电气隔离，采用3个大功率运放分别对电机绕组三相电流进行功率驱动和放大，从而实现了应用于三相交流电机的基于大功率运放的线性功率驱动和放大。

图3中所示为电机三相绕组中其中一相的大功率运放的外部连接，三相采用完全相同的连接方式，即压控电压源的形式。

图4中所示为本发明中A/D转换电路芯片结构示意图，采用美国ADI公司的AD7606-4，其采用5V单电源供电，具有片内滤波和高输入阻抗，真双极性模拟输入，模拟输入箝位保护，4路同步采样输入，并采用引脚驱动的灵活的数字滤波器提供过采样功能。

图5中所示为本发明中A/D转换电路中过采样实现结构示意图，采用3位拨码开关分别连接A/D转换芯片AD7606-4的OS0、OS1、OS2引脚，可根据实际信号情况，通过配置每个引脚处不同的高低电平状态，从而配置不同的过采样倍数。

Claims (10)

1.三相交流电机用基于大功率运放的线性功率驱动控制器，其特征在于：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；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和大功率运放；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；

所述的信号检测模块包括：用于检测三相绕组电流的霍尔式电流传感器，A/D转换器，用于检测转子位置的绝对式光电编码器和485通信电路；其中，霍尔式电流传感器将电机三相绕组的电流转换成相应的电压信号，同时实现与功率级信号的电气隔离；A/D转换器的单芯片上集成了四个16位ADC，它将霍尔式电流传感器输出的电压信号转换成相应的数字信号，并通过DSP的数据总线传递给DSP；绝对式光电编码器检测转子的当前位置，以485通信的形式传递给485通信电路，485通信电路将绝对式光电编码器发出的位置信号转换成电平与DSP的SCI接口相匹配的串行二进制数据，通过SCI接口传递给DSP，同时该485通信电路还实现了绝对式光电编码器与数字控制模块间的电气隔离；DSP利用得到的电机三相绕组电流信息及转子位置信息，经过相关控制算法的计算给出三相绕组线电压的控制信号，从而实现对电机的闭环控制；

所述的数字控制模块包括：32位浮点高速DSP，其具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，应用其浮点运算单元，可快速编写控制算法，且可以较容易的实现复杂控制算法；DSP作为系统的数字控制器，负责整个系统的任务调度，其通过数据总线及SCI通信接口接收来自霍尔式电流传感器和光电编码器的电机三相电流及转子位置信号，经过位置环、速度环和电流环的相关控制算法计算，给出系统的三相线电压控制信号，该信号通过DSP的数据总线传递给D/A转换模块，得到三相线电压的模拟控制信号，并经过后续的高速输入隔离放大器和大功率运放实现隔离和功率放大，实现对电机的三相绕组电流的高精度控制；

所述的D/A转换模块包括：电压输出型14位并行D/A转换器，具有低初始误差和低温度漂移特性并可以进行精密调整的基准电压源；其中，电压输出型14位并行D/A转换器，单芯片上集成了四个14位DAC，它将DSP给出的电机三相绕组线电压的数字控制信号转换成模拟量的控制信号，因为该D/A转换器具有14位精度、电压型输出形式和并行输入方式，从而可实现高速、高精度的转换；具有低初始误差和低温度漂移特性并可以进行精密调整的基准电压源，为D/A转换器提供高精度的转换参考电压，所述的基准电压源可以对D/A转换器的输出进行零位和满量程调整，保证了D/A转换模块的转换精度和输出电压的高线性度。

2.根据权利要求1所述的三相交流电机用基于大功率运放的线性功率驱动控制器，其特征在于：该高速输入隔离放大器的芯片型号为AD215。

3.根据权利要求1所述的三相交流电机用基于大功率运放的线性功率驱动控制器，其特征在于：该大功率运放的芯片型号为PA12A。

4.根据权利要求1所述的三相交流电机用基于大功率运放的线性功率驱动控制器，其特征在于：该霍尔式电流传感器的型号为HX05-P。

5.根据权利要求1所述的三相交流电机用基于大功率运放的线性功率驱动控制器，其特征在于：该A/D转换器型号为AD7606-4。

6.根据权利要求1所述的三相交流电机用基于大功率运放的线性功率驱动控制器，其特征在于：该绝对式光电编码器型号为TS5667N458。

7.根据权利要求1所述的三相交流电机用基于大功率运放的线性功率驱动控制器，其特征在于：该485通信电路中通信芯片型号为ADM2491E。

8.根据权利要求1所述的三相交流电机用基于大功率运放的线性功率驱动控制器，其特征在于：该数字控制模块芯片的型号为TMS320F28335。

9.根据权利要求1所述的三相交流电机用基于大功率运放的线性功率驱动控制器，其特征在于：该D/A转换模块芯片的型号为AD7835。

10.根据权利要求1所述的三相交流电机用基于大功率运放的线性功率驱动控制器，其特征在于：该基准电压源芯片的型号为AD588。