CN202379084U

CN202379084U - 一种快速响应电动舵机用多回路控制与大功率驱动电路

Info

Publication number: CN202379084U
Application number: CN2011204765466U
Authority: CN
Inventors: 那学智; 曹东海; 张新华; 王莹; 纪志农
Original assignee: Beijing Automation Control Equipment Institute BACEI
Current assignee: Beijing Automation Control Equipment Institute BACEI
Priority date: 2011-11-25
Filing date: 2011-11-25
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2021-11-25

Abstract

本实用新型属于功率驱动技术领域，具体涉及一种快速响应电动舵机用多回路控制与大功率驱动电路，目的是拓宽电动舵机应用领域。它包括电源电路、综合控制电路、位置反馈电路、电流反馈电路、PWM电路、光耦隔离电路和功率驱动电路；电源电路与其它电路连接；综合控制电路还与PWM电路、位置反馈电路和电流反馈电路连接；位置反馈电路还与电动舵机连接；电流反馈电路还与电动舵机连接；PWM电路还与光耦隔离电路连接；光耦隔离电路还与功率驱动电路连接。本实用新型采用电源电路、综合控制电路、位置反馈电路、电流反馈电路、PWM电路、光耦隔离电路和功率驱动电路，大幅提升了电动舵机系统的功率和性能指标，拓宽了其应用领域。

Description

一种快速响应电动舵机用多回路控制与大功率驱动电路

技术领域

本实用新型属于功率驱动技术领域，具体涉及一种快速响应电动舵机用多回路控制与大功率驱动电路。

背景技术

电动舵机、气动舵机及电液舵机广泛地应用于当前各类飞行器中。相比其它两类舵机，电动舵机具有易维护性、可靠性高、工作时间长、效率高等特点。此前在多方面技术水平的制约下，舵机放大器电路的输出功率受到很大限制，特别是舵机功率放大器的核心器件——功率半导体器件，大都采用P-MOSFET(Power-Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor电力金属氧化物半导体场效应晶体管)。而P-MOSFET通态压降大，难于制成高压大电流器件，舵机功率放大器的功率容量因而受到制约，电动舵机只能作为一种小功率(不大于100W)、低速(转速不大于100°/s，频带不大于10Hz)的执行机构被应用，限制了电动舵机的应用领域。

发明内容

本实用新型的目的是拓宽电动舵机的应用领域，提供一种能够使提高电动舵机输出功率和性能的快速响应电动舵机用多回路控制与大功率驱动电路。

本实用新型是这样实现的：

一种快速响应电动舵机用多回路控制与大功率驱动电路，包括电源电路、综合控制电路、位置反馈电路、电流反馈电路、PWM电路、光耦隔离电路和功率驱动电路；电源电路与综合控制电路、位置反馈电路、电流反馈电路、PWM电路、光耦隔离电路和功率驱动电路连接；综合控制电路还与PWM电路、位置反馈电路和电流反馈电路连接；位置反馈电路还与电动舵机连接；电流反馈电路还与电动舵机连接；PWM电路还与光耦隔离电路连接；光耦隔离电路还与功率驱动电路连接。

如上所述的电源电路包括控制电路一次电源、二次电源电路和大功率驱动电源；控制电路一次电源与二次电源电路连接；二次电源电路包括第一二次电源电路和第二二次电源电路；第一二次电源电路分别与综合控制电路、位置反馈电路、电流反馈电路、PWM电路和光耦隔离电路前级部分连接；第二二次电源电路分别与光耦隔离电路后级部分和功率驱动电路驱动控制级部分连接；大功率驱动电源与功率驱动电路的功率级连接。

如上所述的第一二次电源电路选用28.5V转±15V、额定输出0.133A的混合集成电路；第二二次电源电路选用28.5V转3路独立+15V、每路额定输出0.08A的混合集成电路。

如上所述的位置反馈电路包括位置传感器和第一调理电路；位置传感器安装在电动舵机的输出机构上，还与第一调理电路连接；第一调理电路与综合控制电路连接。

如上所述的电流反馈电路包括电流传感器和第二调理电路，电流传感器的主回路串联在直流电机的电枢回路中，其输出端与第二调理电路连接；第二调理电路与综合控制电路连接。

如上所述的第一调理电路和第二调理电路采用运算放大器实现；运算放大器采用p400集成4运放电路；位置传感器选用旋转电位器或直线电位器，电流传感器选用F.W.bell公司的NT-50磁阻式电流传感器。

如上所述的PWM电路由PWM控制与驱动器电路、死区时间发生电路和缓冲电路组成；PWM控制与驱动器电路与综合控制电路、死区时间发生电路连接；死区时间发生电路还与缓冲电路连接。

如上所述的PWM控制与驱动器电路选用TL494或UC1637，缓冲电路选用CD4502与非门缓冲门电路。

如上所述的光耦隔离电路还与功率驱动电路连接，它包括前级部分和后级部分；光耦隔离电路选用avago公司的HCPL5301光耦实现。

如上所述的功率驱动电路包括控制级部分和功率级部分，功率驱动电路选用持续电流负载能力75A、耐压600V的IPM模块实现。

本实用新型的有益效果在于：

采用电源电路、综合控制电路、位置反馈电路、电流反馈电路、PWM电路、光耦隔离电路和功率驱动电路，大幅提升了电动舵机系统的功率和性能指标，拓宽了电动舵机的应用领域。

附图说明

图1是本实用新型的一种快速响应电动舵机用多回路控制与大功率驱动电路结构原理图；

图2是死区发生电路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的一种快速响应电动舵机用多回路控制与大功率驱动电路进行介绍：

如图1所示，一种快速响应电动舵机用多回路控制与大功率驱动电路，包括电源电路、综合控制电路、位置反馈电路、电流反馈电路、PWM(Pulse Width Modulation脉冲宽度调制)电路、光耦隔离电路和功率驱动电路。

电源电路与综合控制电路、位置反馈电路、电流反馈电路、PWM电路、光耦隔离电路和功率驱动电路连接，为其提供各自所需的电压。在本实施例中，电源电路包括控制电路一次电源、二次电源电路和大功率驱动电源。控制电路一次电源与二次电源电路连接，为二次电源电路提供28.5V的直流电压。二次电源电路包括两部分，分别为第一二次电源电路和第二二次电源电路。第一二次电源电路分别与综合控制电路、位置反馈电路、电流反馈电路、PWM电路和光耦隔离电路(前级部分)连接，为其提供各自所需的电压。第二二次电源电路分别与光耦隔离电路(后级部分)、功率驱动电路(驱动控制级部分)连接，为其提供各自所需的电压。第一二次电源电路可选用28.5V转±15V，额定输出0.133A的混合集成电路；第二二次电源电路可选用28.5V转3路独立+15V，每路额定输出0.08A的混合集成电路。大功率驱动电源与功率驱动电路的功率级连接，为其供电。控制电路一次电源、二次电源电路、大功率驱动电源均为现有技术，可从市场上购得。

综合控制电路还与PWM电路、位置反馈电路、电流反馈电路连接，它接收来自外界的舵偏控制信号、来自位置反馈电路的舵位置反馈信号和来自电流反馈电路的舵机电流反馈信号，向PWM电路发送模拟控制信号。综合控制电路采用集成运算放大器根据上述三种输入信号依据现有技术实现对电动舵机位置和电流的双环路控制。

位置反馈电路还与电动舵机连接，它把电动舵机输出机构——如输出轴、作动端等的转角位置或位移位置转换为对应的电压信号并输送给综合控制电路。位置反馈电路包括位置传感器和第一调理电路。位置传感器安装在电动舵机的输出机构上，还与第一调理电路连接，将位置反馈信号发送给第一调理电路。第一调理电路与综合控制电路连接，它将位置反馈信号的极性和幅值调整到综合控制电路能够接受的范围内，一般采用运算放大器实现。位置反馈电路可采用现有技术依据其功能实现，如位置传感器根据电动舵机的输出形式不同可选用旋转电位器、直线电位器等，运算放大器选用op400集成4运放电路。

电流反馈电路还与电动舵机连接，它将电动舵机中伺服电机电枢电流转换为对应的电压反馈信号并输送给综合控制电路。加入电流闭环反馈后，可以有效抑制舵系统在控制信号中耦合有超出舵系统频带的中、高频干扰信号情况下舵机电流剧烈增加的现象。电流反馈电路主要由电流传感器和第二调理电路组成，电流传感器的主回路串联在直流电机的电枢回路中，其输出端与第二调理电路连接，电流传感器用于测量电机电流，其测试电路则会输出一个与所测量电流值成线性比例关系的电压信号，并将该信号发送给第二调理电路连接，该电压信号为双极性，代表电机电流的两个方向。第二调理电路与综合控制电路连接，它将电流反馈信号的极性和幅值调整到综合控制电路能够接受的范围内，它一般采用运算放大器实现。电流反馈电路可采用现有技术依据其功能实现，如电流传感器选用F.W.bell公司的NT-50磁阻式电流传感器，运算放大器选用op400集成4运放电路。

PWM电路还与光耦隔离电路连接，它接收来自综合控制电路的模拟控制信号，将其转换为数字逻辑脉冲信号，并输出到光耦隔离电路的前级。PWM电路由PWM控制与驱动器电路、死区时间发生电路、缓冲电路3部分组成：

(1)PWM控制与驱动器电路

PWM控制与驱动器电路与综合控制电路、死区时间发生电路连接。它将综合控制电路输出的模拟控制信号转换为数字逻辑脉冲信号。其输入模拟信号的电压值与输出PWM信号的占空比(在一个开关周期内，高电平或低电平持续时间所占的比例)成线性关系。PWM控制与驱动器电路可选用TL494、UC1637等常用的双端控制集成电路元件采用现有技术实现。

(2)死区时间发生电路

死区时间发生电路还与缓冲电路连接，它将PWM控制驱动器电路输出的两路极性完全相反的脉冲信号的上升沿与下降沿之间产生一段延迟时间，即称为“死区”时间，并将该信号发送给缓冲电路。其作用是使H桥电路中同侧桥臂的上、下两只IGBT不会出现同时导通而导致电源“直通”短路的现象，而是使其中一只IGBT彻底关断后，经过一段“死区”时间后，另一只IGBT才导通。死区时间发生电路采用RC(电阻电容)电路采用现有技术试下，利用RC电路的充、放电时间常数，使PWM控制驱动器电路输出的两路极性完全相反的脉冲信号的上升沿与下降沿之间产生一段延迟时间。

当IPM的控制逻辑为低电平有效时，即驱动控制级为低电平，则功率驱动级的IGBT导通，死区发生电路应采用图2中所示的结构。当输入为高电平时，由于二极管正向导通作用，电容充电很快，输出端很快变为高电平；当输入端变为低电平时，由于二极管反向截止作用，电容中的电荷只能经过电阻放电，放电时间由电阻值和电容值的乘积决定。如果IPM的控制逻辑为高电平有效，只需将图2中的二极管极性反向连接使用即可。

(3)缓冲电路

缓冲电路对接收到的脉冲信号的上升沿或下降沿整形。缓冲电路的元件可选用“或门”、“或非门”等集成逻辑门电路采用现有技术实现。

在本实施例中，PWM控制电路选用TL494实现，死区时间为3.3μs，缓冲电路选用CD4502与非门缓冲门电路。

光耦隔离电路还与功率驱动电路连接，它包括前级部分和后级部分，前级部分接收PWM电路输出的PWM信号，后级部分输出信号逻辑与输入信号逻辑保持一致，并输出到功率驱动电路的驱动控制级。光耦隔离电路由数字光耦及其外围电阻、电容元件组成，用于隔离功率驱动电路在驱动电机时功率地线上产生的共模电磁干扰，使之不会传递到光耦前级之前的电路地线中，不会影响综合控制电路、PWM电路、位置反馈电路、电流反馈电路的正常工作。在本实施例中，光耦隔离电路选用avago公司的HCPL5301光耦根据现有技术实现。

功率驱动电路包括控制级部分和功率级部分，控制级部分接收光耦隔离电路输出的PWM信号，功率级部分按照PWM信号的频率及占空比(在一个开关周期内，高电平或低电平持续时间所占的比例)控制大功率半导体器件的通断频率及每个通-断周期内的导通(关断)时间。通过控制大功率半导体器件在每个通-断周期内的导通时间在0％～100％之间变化，可以控制施加在电动舵机中的伺服电机上的平均电压由0V～供电电压之间变化，从而控制伺服电机的转速。功率驱动电路选用持续电流负载能力75A、耐压600V的IPM模块根据其实现的功能运用现有技术实现。IPM内部集成了多只大功率IGBT，及IGBT的驱动控制电路、保护电路等。

通过控制两组IGBT门极脉冲电压信号的占空比即可控制施加到电机上的电压平均值即极性，从而控制电机的旋转方向及转速。

本实用新型采用电源电路、综合控制电路、位置反馈电路、电流反馈电路、PWM电路、光耦隔离电路和功率驱动电路，大幅提升了电动舵机系统的功率和性能指标，拓宽了电动舵机的应用领域。

Claims

1.一种快速响应电动舵机用多回路控制与大功率驱动电路，其特征在于：它包括电源电路、综合控制电路、位置反馈电路、电流反馈电路、PWM电路、光耦隔离电路和功率驱动电路；电源电路与综合控制电路、位置反馈电路、电流反馈电路、PWM电路、光耦隔离电路和功率驱动电路连接；综合控制电路还与PWM电路、位置反馈电路和电流反馈电路连接；位置反馈电路还与电动舵机连接；电流反馈电路还与电动舵机连接；PWM电路还与光耦隔离电路连接；光耦隔离电路还与功率驱动电路连接。

2.根据权利要求1所述的一种快速响应电动舵机用多回路控制与大功率驱动电路，其特征在于：所述的电源电路包括控制电路一次电源、二次电源电路和大功率驱动电源；控制电路一次电源与二次电源电路连接；二次电源电路包括第一二次电源电路和第二二次电源电路；第一二次电源电路分别与综合控制电路、位置反馈电路、电流反馈电路、PWM电路和光耦隔离电路前级部分连接；第二二次电源电路分别与光耦隔离电路后级部分和功率驱动电路驱动控制级部分连接；大功率驱动电源与功率驱动电路的功率级连接。

3.根据权利要求2所述的一种快速响应电动舵机用多回路控制与大功率驱动电路，其特征在于：所述的第一二次电源电路选用28.5V转±15V、额定输出0.133A的混合集成电路；第二二次电源电路选用28.5V转3路独立+15V、每路额定输出0.08A的混合集成电路。

4.根据权利要求1所述的一种快速响应电动舵机用多回路控制与大功率驱动电路，其特征在于：所述的位置反馈电路包括位置传感器和第一调理电路；位置传感器安装在电动舵机的输出机构上，还与第一调理电路连接；第一调理电路与综合控制电路连接。

5.根据权利要求1所述的一种快速响应电动舵机用多回路控制与大功率驱动电路，其特征在于：所述的电流反馈电路包括电流传感器和第二调理电路，电流传感器的主回路串联在直流电机的电枢回路中，其输出端与第二调理电路连接；第二调理电路与综合控制电路连接。

6.根据权利要求4或5所述的一种快速响应电动舵机用多回路控制与大功率驱动电路，其特征在于：所述的第一调理电路和第二调理电路采用运算放大器实现；运算放大器采用p400集成4运放电路；位置传感器选用旋转电位器或直线电位器，电流传感器选用F.W.bell公司的NT-50磁阻式电流传感器。

7.根据权利要求1所述的一种快速响应电动舵机用多回路控制与大功率驱动电路，其特征在于：所述的PWM电路由PWM控制与驱动器电路、死区时间发生电路和缓冲电路组成；PWM控制与驱动器电路与综合控制电路、死区时间发生电路连接；死区时间发生电路还与缓冲电路连接。

8.根据权利要求7所述的一种快速响应电动舵机用多回路控制与大功率驱动电路，其特征在于：所述的PWM控制与驱动器电路选用TL494或UC1637，缓冲电路选用CD4502与非门缓冲门电路。

9.根据权利要求1所述的一种快速响应电动舵机用多回路控制与大功率驱动电路，其特征在于：所述的光耦隔离电路还与功率驱动电路连接，它包括前级部分和后级部分；光耦隔离电路选用avago公司的HCPL5301光耦实现。

10.根据权利要求1所述的一种快速响应电动舵机用多回路控制与大功率驱动电路，其特征在于：所述的功率驱动电路包括控制级部分和功率级部分，功率驱动电路选用持续电流负载能力75A、耐压600V的IPM模块实现。