CN108540026A - 一种基于碳化硅/氮化镓mosfet的永磁同步电机驱动控制实时调压电路 - Google Patents

Abstract

一种基于碳化硅/氮化镓MOSFET功率器件的永磁同步电机驱动控制实时调压电路，包括功放供电实时调压模块、功率放大驱动模块、数字控制模块、信号检测处理模块、D/A转换模块。功放供电实时调压模块包括正负稳压直流电源、以碳化硅/氮化镓MOSFET为开关器件的双极性BUCK斩波电路、电压采样电路；功率放大驱动模块包括大功率线性功率放大器与隔离模块。利用宽禁带功率器件碳化硅/氮化镓MOSFET开关速度快、损耗小等优点，克服了大功率运放的损耗大、效率低等问题，使得将功放用于永磁同步电机驱动控制时，既能解决脉宽调制驱动方式中由高频开关动作引起的电流谐波、电机力矩抖动、低速轻载下不平稳等问题，又能解决受限于功放损耗而只能应用于小功率场合的问题。

Description

一种基于碳化硅/氮化镓MOSFET的永磁同步电机驱动控制实 时调压电路

技术领域

本发明属于电动机自动控制技术领域，具体涉及一种基于宽禁带功率器件碳化硅/氮化镓MOSFET的功放供电实时调压电路，更具体涉及一种永磁同步电机的驱动控制实时调压电路。

背景技术

高精度永磁同步电机驱动控制主要有两种实现方式：脉宽调制和线性功率放大。目前，脉宽调制的驱动控制方式由于其具有功率损耗小、效率高、易实现全数字控制等优势，在永磁同步电机的驱动控制中得到广泛使用。

但是在脉宽调制的驱动控制方式中，高频的调制开关动作会产生严重的电磁干扰，对控制系统中电流传感器、调理电路、信号转换电路等正常工作造成不利影响。同时，电机绕组电流中被引入了开关次谐波，使得驱动控制系统受到一系列的寄生效应的影响，可能造成电机在低速轻载下的电流断流的情况，影响电机伺服系统的控制效果。另一方面，脉宽调制方式中为防止开关器件的上下桥臂直通而设置的死区保护在正弦电流的过零点处会产生明显的波形畸变，从而引起电机的转矩抖动，降低了电机绕组电流品质，极大地限制了电机在低速轻载下的运行性能。

与脉宽调制的驱动控制方式相比，线性功率放大器的线性度好，纹波小，对外界造成的电磁干扰小，从原理上规避了脉宽调制中高频开关动作引起的一系列电磁污染、谐波、转矩抖动等不利影响，为实现永磁同步电机伺服控制系统的高精度控制提供了一个可靠方案。

但是，线性功率放大器自身的发热量大、转换效率低，严重限制了用于电机驱动控制系统的功率等级，一般只应用于小功率场合。

发明内容

为了克服上述已有技术存在的问题，本发明利用宽禁带功率器件碳化硅/氮化镓MOSFET开关速度快、导通电阻小、损耗低等优点，结合BUCK电路及数字闭环控制，实现功放供电的实时调压，从而极大降低了功放的损耗，提高了基于功放的永磁同步电机伺服控制系统的功率等级。

本发明提出了一种基于碳化硅/氮化镓MOSFET的永磁同步电机驱动控制实时调压电路，包括功放供电实时调压模块、功率放大驱动模块、数字控制模块、信号检测处理模块、D/A转换模块五个部分。

所述基于宽禁带功率器件碳化硅/氮化镓MOSFET功放供电的实时调压电路，包括正负对称的直流稳压电源，由碳化硅/氮化镓MOSFET功率器件构成的双极性BUCK斩波电路，电压采样电路，DSP数字处理。利用碳化硅/氮化镓MOSFET的开关速度快、导通压降小、损耗低等优点，将其作为BUCK电路中的开关器件；电压采样电路将功放的输出电压采样并送至DSP处理成为给定电压信号，DSP将BUCK电路输出的功放供电电压与给定电压相比较，通过PI调节后计算产生PWM波控制碳化硅/氮化镓MOSFET的通断，完成闭环控制，实现大功率功放的供电跟随功放的输出而实时变化，使得功放一直工作在可输出最大不失真电压的状态下，从而解决功放的发热量大、转换效率低的问题。

所述功率放大驱动模块包括大功率线性功率放大器与隔离模块；所述数字控制模块包括32位浮点DSP；所述信号检测处理模块包括A/D转换器、检测电机三相电流的电流传感器、检测转子位置的旋转变压器；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。

其中，DSP是数字控制的核心，完成BUCK电路中开关器件碳化硅/氮化镓MOSFET驱动的脉宽调制，同时完成电机速度环和电流环的控制算法的实现。DSP处理来自信号检测处理模块旋转变压器的转子位置信号，完成速度环的相关计算，并通过计算给出电机三相绕组电流给定值，DSP再通过A/D转换器读取来自于电流传感器的三相电流的当前值，该当前值与三相电流给定值进行比较后，DSP计算给出实时绕组三相线电压控制信号，该实时线电压控制信号通过D/A转换模块实现数字控制信号到模拟控制信号的转换，从而得到模拟的三相线电压控制信号；隔离模块将该模拟三相线电压控制信号与功率级信号相隔离，大功率运算放大器完成电机绕组三相电流的功率驱动和放大，从而实现对永磁同步电机的高精度控制。

优选的，所述功放供电实时调压模块的电路拓扑结构为：利用碳化硅/氮化镓MOSFET作为BUCK斩波电路的开关器件；正向直流电源供电时，直流电源接第一开关器件后经过第一电感(与并联的第一电阻、第一电容相串联，第一开关器件与第一电感之间接第一续流二极管，由此构成正向BUCK电路；负向直流电源供电时，第二直流电源接开关器件后经过第二电感与并联的第二电阻、第二电容相串联，第二开关器件与第二电感之间接第二续流二极管，但是方向与正向供电时的接第一续流二极管相反；由此构成负向BUCK电路；正向BUCK电路的电位点②与负向BUCK电路的电位点③相连并接地,电位点①作为运放供电的正输入端，电位点④作为运放供电的负输入端；通过电压采样电路，将功放的输出电压信号送到DSP处理成为其供电给定电压信号，并与运放供电电压当前值进行比较，DSP根据比较结果通过PI调节后产生相应的PWM波信号作为碳化硅/氮化镓MOSFET的驱动信号，实现实时调压供电模块的闭环控制，最终实现将正负对称稳压直流电处理成为跟随功率放大器输出的可实时可变的直流电给线性功放模块供电。

优选的，DSP采用美国德州公司的32位浮点高速DSP TMS320F28335。

优选的，开关器件选用美国CREE公司的CAS300M12BM2碳化硅MOSFET；D/A转换器采用美国ADI公司的电压输出型14位并行数模转换芯片AD7835。

本发明相较于现有技术的有益效果在于：

1)用于永磁同步电机驱动控制系统中的功放一直工作在可输出最大不失真电压的状态下，损耗小、发热低、转换效率高，大大提高了电机伺服控制系统的功率等级；

2)基于功放的电机驱动控制器不存在严重的电磁干扰问题，电机绕组电流无谐波，克服在低速轻载下电机转矩抖动、绕组电流断流等问题，实现对电机低速轻载下的高精度伺服控制。

从而成功解决了永磁同步电机的驱动控制中功放损耗大、发热严重等的问题，从而克服线性功放只能用于小功率场合的不足。

附图说明

图1为电机驱动控制实时调压电路中各模块的连接结构示意图；

图2为电机驱动控制实时调压电路的整体结构框图；

图3为V相功放供电的实时调压电路拓扑图；

图4为线性功放驱动电路的结构示意图。

其中，VRM为功放供电实时调压模块；PAM为功率放大驱动模块；DCM为数字处理模块；SDM为信号检测与处理模块；DATM为D/A转换模块；VCC为直流稳压电源(V_CC+正电源，V_CC-负电源)；VSC为电压采样电路；A为功率放大器(A₁、A₂、A₃—U、V、W相功率放大器)；DM为隔离模块；CS为电流传感器；RS为旋转变压器；DA为D/A转换器；AD为A/D转换器；S₁、S₂为碳化硅MOSFET开关器件；PWM为脉宽调制；V_S为运放供电电压；U_{i_U}、U_{i_V}、U_{i_W}为运放输入的三相电压信号；U_U、U_V、U_W为运放输出的三相电压信号；V_ref为运放供电的给定电压信号(V₁正向，V₂负向)；PMSM为永磁同步电机；电位点①为运放正向电压供电输入点；电位点②为运放正向供电电路接地点；电位点③为运放正向供电电路接地；电位点④为运放负向电压供电输入点。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施进行进一步的说明。参见图1-图4，电路的整体结构框图如附图2所示，包括功放供电实时调压模块(VRM)、功率放大驱动模块(PAM)、数字控制模块(DCM)、信号检测处理模块(SDM)、D/A转换模块(DATM)五个部分。

其中，DSP采用美国德州公司的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，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；开关器件选用美国CREE公司的CAS300M12BM2碳化硅MOSFET，具有开关速度快、导通电阻小、损耗小等优点；D/A转换器采用美国ADI公司的AD7835数模转换芯片，可接受14位并行加载，电压型输出；大功率运放采用美国APEX公司的PA52实现功率驱动和放大，其具有线性度好，电源范围宽和输出电流大的特点；电流传感器采用瑞士LEM公司的DHAB S/14实现电机绕组电流的检测，其测量精度高，响应快；旋转变压器采用日本多摩川公司的TS2620N21E11，可实现16位分辨率的转子位置信息检测。

(1)功放供电实时调压模块(VRM)如附图3所示，包括正负对称的直流稳压电源(VCC)，由碳化硅MOSFET功率器件(S₁、S₂)构成的双极性BUCK斩波电路，电压采样电路(VSC)，DSP数字处理。利用碳化硅MOSFET的开关速度快、导通压降小、损耗小等优点，将其作为BUCK电路中的开关器件(S₁、S₂)，提高BUCK电路输出电压相对于给定的跟随性能；考虑到功放的正负对称供电，利用双BUCK电路与正负对称的稳压直流电源(VCC)，构成双极性的BUCK调压电路，实现功放的供电要求。

电路的连接方式为：正向直流电源(V_CC+)供电时，直流电源接第一开关器件(S₁)后经过第一电感(L₁)与并联的第一电阻(R₁)、第一电容(C₁)相串联，第一开关器件(S₁)与第一电感(L₁)之间接第一续流二极管(D₁)，由此构成正向BUCK电路；负向直流电源(V_CC-)供电时，第二直流电源接开关器件(S₂)后经过第二电感(L₂)与并联的第二电阻(R₂)、第二电容(C₂)相串联，第二开关器件(S₂)与第二电感(L₂)之间接第二续流二极管(D₂)，但是方向与正向供电时的接第一续流二极管(D₁)相反；由此构成负向BUCK电路；正向BUCK电路的电位点②与负向BUCK电路的电位点③相连并接地,电位点①作为运放供电的正输入端(V_S+)，电位点④作为运放供电的负输入端(V_S-)。

电压采样电路(VSC)利用高精度电阻分压后，通过光耦隔离将功放的输出电压采样并送至DSP，DSP将采样得到的电压信号取正负绝对值并分别进行正负偏置后得到BUCK调电给定电压信号(V_ref，即V₁、V₂)，DSP再将BUCK电路输出的电压，即功放的供电电压(V_s)，与给定供电电压(V_ref)相比较，通过PI调节产生PWM波控制碳化硅MOSFET(S₁、S₂)的通断，完成闭环控制，实现大功率功放的供电跟随功放的输出而实时改变，使得功放一直工作在可输出最大不失真电压的状态下。

基于大功率线性功率放大器的永磁同步电机驱动控制系统的工作过程如下：

利用旋转变压器(RS)检测转子的当前位置，通过调理电路送至DSP；电流传感器(CS)将电机三相绕组的电流转换成相应的电压信号；A/D转换器(AD)将电流传感器(CS)输出的电压信号转换成相应的数字信号，并通过数据总线传递给DSP；DSP利用接收到的电机三相绕组电流信息及转子位置信息，经过相应的控制算法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控制信号，然后通过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后，给电机三相绕组提供高电压和大电流，如附图四所示，从而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。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明的上述实施例是对方案的说明而不能用于限制本发明，与本发明有保护范围相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在本发明保护的范围内。

Claims (4)

1.一种基于碳化硅/氮化镓MOSFET的永磁同步电机驱动控制实时调压电路，该驱动控制实时调压电路包括功放供电实时调压模块(VRM)、功率放大驱动模块(PAM)、数字控制模块(DCM)、信号检测处理模块(SDM)、D/A转换模块(DATM)五个部分；其特征在于：

所述功放供电实时调压模块(VRM)包括正、负对称的直流稳压电源(VCC)、以宽禁带碳化硅/氮化镓MOSFET为开关器件(S₁、S₂)的双极性BUCK斩波电路、功放输出的电压采样电路(VSC)；

所述功率放大驱动模块(PAM)包括大功率线性功率放大器(A)与隔离模块(DM)；

所述数字控制模块(DCM)包括32位浮点高速DSP；

所述信号检测处理模块(SDM)包括A/D转换器(AD)、检测电机三相电流的电流传感器(CS)、检测转子位置的旋转变压器(RS)；

所述的D/A转换模块(DATM)包括电压输出型D/A转换器(DA)；

各组成模块的连接顺序及方式如下：

正负直流电源(VCC)接功放供电实时调压模块(VRM)给功率放大驱动模块(PAM)供电；功放(A)的输出(U_U、U_V、U_W)接永磁同步电机(PMSM)作为三相电压控制信号；信号处理模块(SDM)接数字处理模块(DCM)完成对功放的输出电压(U_U、U_V、U_W)与电流(I_U、I_V、I_W)的采样、处理、传输；数字处理模块(DCM)一路接实时调压模块(VRM)完成对BUCK电路中开关器件(S₁、S₂)的脉宽调制(PWM)，另一路依次接D/A转换模块(DA)、功率放大驱动模块(PAM)，将DSP计算出的电机三相电压信号转换为功放的模拟输入信号(U_{i_U}、U_{i_V}、U_{i_W})；

其中，DSP是数字控制的核心，完成BUCK电路中开关器件(S)驱动的脉宽调制，同时完成电机速度环和电流环的控制算法的实现；DSP处理来自信号检测处理模块(SDM)旋转变压器(RS)的转子位置信号，完成速度环的相关计算，并通过计算给出电机三相绕组电流给定值，DSP再通过A/D转换器(AD)读取来自于电流传感器(CS)的三相电流的当前值，该当前值与三相电流给定值进行比较后，DSP计算给出实时绕组三相线电压控制信号，该实时线电压控制信号通过D/A转换模块(DATM)实现数字控制信号到模拟控制信号的转换，从而得到模拟的三相线电压控制信号(U_{i_U}、U_{i_V}、U_{i_W})；隔离模块(DM)将该模拟三相线电压控制信号与功率级信号相隔离，大功率运算放大器(A)完成电机绕组三相电流的功率驱动和放大，从而实现对永磁同步电机的高精度控制。

2.根据权利要求1中所述的一种基于碳化硅/氮化镓MOSFET的永磁同步电机驱动控制实时调压电路，其特征在于：所述功放供电实时调压模块(VRM)的电路拓扑结构为：利用碳化硅/氮化镓MOSFET作为BUCK斩波电路的开关器件(S1、S2)；正向直流电源(VCC+)供电时，直流电源接第一开关器件(S1)后经过第一电感(L1)与并联的第一电阻(R1)、第一电容(C1)相串联，第一开关器件(S1)与第一电感(L1)之间接第一续流二极管(D1)，由此构成正向BUCK电路；负向直流电源(VCC-)供电时，第二直流电源接开关器件(S2)后经过第二电感(L2)与并联的第二电阻(R2)、第二电容(C2)相串联，第二开关器件(S2)与第二电感(L2)之间接第二续流二极管(D2)，但是方向与正向供电时的接第一续流二极管(D1)相反；由此构成负向BUCK电路；正向BUCK电路的电位点②与负向BUCK电路的电位点③相连并接地,电位点①作为运放供电的正输入端(VS+)，电位点④作为运放供电的负输入端(VS-)；通过电压采样电路(VSC)，将功放的输出电压信号送到DSP处理成为其供电给定电压信号(Vref)，并与运放供电电压当前值(VS)进行比较，DSP根据比较结果通过PI调节后产生相应的PWM波信号作为碳化硅/氮化镓MOSFET(S₁、S₂)的驱动信号，实现实时调压供电模块(VRM)的闭环控制，最终实现将正负对称稳压直流电(VCC)处理成为跟随功率放大器(A)输出的可实时可变的直流电给线性功放模块(PAM)供电。

3.根据权利要求1或2中所述的一种基于碳化硅/氮化镓MOSFET的永磁同步电机驱动控制实时调压电路，其特征在于：DSP采用美国德州公司的32位浮点高速DSP TMS320F28335。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种基于碳化硅/氮化镓MOSFET的永磁同步电机驱动控制实时调压电路，其特征在于：开关器件选用美国CREE公司的CAS300M12BM2碳化硅MOSFET；D/A转换器采用美国ADI公司的电压输出型14位并行数模转换芯片AD7835。