高可靠性永磁交流伺服电机驱动器
尚 波 王 炎(哈尔滨工业大学 150001)
1引言
永磁交流伺服系统又称为无刷伺服系统，由永磁交流伺服电动机和伺服驱动器两部分组成。其中永磁交流伺服电动机一般由电动机本体、电机转子磁极位置检测器和无刷测速发电机构成；而伺服驱动器通常是采用脉宽调制逆变器和具有电流环为内环、速度环为外环的多闭环控制系统。图1所示为一种比较典型的矩形波电流驱动的永磁交流伺服系统的原理框图。该系统通过转子磁极位置检测器实时检测电机定、转子磁场的相对位置，控制伺服驱动器的功率开关按一定顺序导通，以产生所需的电磁转矩，实现伺服驱动，其外特性与直流伺服系统相似。由于永磁交流伺服电动机采用电子换向代替普通直流电机的机械式换向，没有电刷和机械换向器，具有比较高的可靠性，可以在恶劣的环境中长期运行而无需维护，其应用领域日益广泛。为了进一步发挥永磁交流伺服电机具有高可靠性这一优势，在进行伺服驱动器的设计过程中，不仅要努力提高系统的性能指标，也要充分注意其可靠性问题。在永磁交流伺服驱动器中影响可靠性的关键在于功率开关电路，为此采用ipm（智能功率开关模块）设计了一种新型的高可靠性永磁交流伺服电机pwm功率驱动电路。
2 pm20cea060智能功率开关模块
pm20cea060是日本三菱公司为满足用户对逆变器用功率开关高性能、多功能、高可靠性等方面的要求而开发的一种新型集成化智能功率模块。这种功率模块为三相六单元结构，内部集成有相应的功率输出单元、功率开关驱动电路及故障检测保护电路，其一个桥臂的等效结构图如图2所示。
pm20cea060的主要特点是：
a．功率输出单元系采用额定电压为600vnc.额定电流为20a的igbt，具有开关响应速度快、基极驱动电流小、耐负载能力强、不需实施防静电措施等优点，适于构成1. 5kw以下电机的高性能功率驱动器。
b．驱动电路和保护电路均集成在功率模块中，使以往的单功能元件变成了多功能的系统元件，大大提高了可靠性和操作性能。
c．驱动电路只需+ 15vdc的供电电源，无需提供负电源。供电电流在满负载时只需40ma，简化了驱动电路电源的设计。
d．模块内带有过流、短路、过热及驱动电路电源电压等保护功能。当系统出现上述故障时，保护电路关断igbt单元，并输出故障信号，以确保动率模块安全工作。
可见采用pm20cea060集成化智能功率模块设计永磁交流伺服电机的功率驱动电路不仅能有效地提高系统的可靠性，而且为系统降低成本，实现小型化打下了基础。
3 ipm构成的交流伺服电机功率驱动器
3.1 ipm与控制电路的接口
本文所设计的采用pm20cea060构成的电机功率驱动电路应用于lkw永磁交流伺服系统中，其直流母线电压为300vdc，由三相220v交流电直接整流得到。为避免功率侧的高电压对控制电路造成损坏，采用高速光电耦合器6n136进行隔离。由于pm20cea060采用的是压控型igbt功率器件，且模块内集成有基极驱动电路，所需的驱动电流很小，6n136可直接提供，无需进行放大，如图3所示。为避免功率模块上、下桥臂瞬时直通造成损坏，该接口电路中设计有延迟导通功能，通过调整电阻r的阻值，可改变延迟时间，系统中设定为6μs。驱动电路供电电源采用模块式dc-dc变换器15s15/80提供，这种方式具有隔离性能好、体积小、可靠性高的优点。对pm20cea060的故障保护是通过两方面实现的：
①当功率模块内的故障检测电路发现过流、短路、道热或驱动电源电压下降时，便自动起动内部的保护电路关断功率输出单元，实现有效的保护。
②如果故障出现在下桥臂的功率输出单元，模块的fo端输出一个不小于20μs的低电平脉冲，经光耦4n25及锁存器送入系统的控制电路，进行故障显示及整个系统的故障保护处理。通过上述处理，简化了功率驱动电路的结构，不仅提高了系统的性能，更重要的是有效地提高了功率驱动电路的可靠性。
3.2 pwm调制电路
