無刷直流伺服電動(dòng)機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)電路

1.功率驅(qū)動(dòng)電路的基本類型

　　無刷直流伺服電路的基本類型

　　無刷支流伺服電動(dòng)機(jī)的容量一般在100KW以下。按目前功率器件的水平，這個(gè)容量段的商品化器件應(yīng)該采用全控制器件，即GTO、GTR、功率MOSFET和IGBT。全控型器件也即自關(guān)斷器件，并且IGBT已占主導(dǎo)地位。它們的主要性能指標(biāo)是：電壓、電流和工作頻率。通過這三項(xiàng)參數(shù)的分析即可進(jìn)行元件的選擇。功率驅(qū)動(dòng)電路的基本類型如圖1所示。圖中m表示電機(jī)的繞組相數(shù)；A表示繞組允許通電方向，當(dāng)繞組允許正、反兩個(gè)方向通電，A=2，只允許單方向通電時(shí)A=1。圖1(a)與(b)所示為A=1，稱為單極性驅(qū)動(dòng)電路；(c)與(d)為A=2，稱為雙極性驅(qū)動(dòng)電路。單極性驅(qū)動(dòng)電路只適用于“方波”運(yùn)行原理，雙極性驅(qū)動(dòng)電路則“方波”、“正弦波”兩者兼容。圖1(c)是雙H橋結(jié)構(gòu)，它使用的晶體管較多，但是它和有刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路相當(dāng)類似。圖1中(a)、(b)、(c)三種繞組形式和驅(qū)動(dòng)方式經(jīng)常在微型無刷伺服電動(dòng)機(jī)中使用。由于微型無刷伺服電動(dòng)機(jī)使用較低直流電壓（幾十伏左右），更由于無刷電動(dòng)機(jī)采用徑向磁路，繞組電感比有刷電動(dòng)機(jī)小得多，所以(a)、(b)、(c)三種驅(qū)動(dòng)電路允許不加續(xù)流二極管。當(dāng)電機(jī)工作電壓較高，工作電流較大，則應(yīng)附加如圖1(c)和(d)所示的續(xù)流二極管，此時(shí)驅(qū)動(dòng)容量可高達(dá)100kW。功率無刷伺服電動(dòng)機(jī)采用圖1(d)所示的三相橋結(jié)構(gòu)。

圖1 功率驅(qū)動(dòng)電路{{分頁}}

　　圖1中的功率器件是以GTR為例繪制的。這主要是為了避免重復(fù)，讀者應(yīng)該理解允許采用其他全控型功率器件，例如IGBT。

　　最后指出的是，圖1(a)~(d)所示的各類驅(qū)動(dòng)電路均已有集成的功率模塊，為了提高產(chǎn)品的可靠性，建議使用功率模塊。

2.功率驅(qū)動(dòng)電路的功率器件選擇

　　圖2(a)給出的是器件的輸出功率與工作頻率的關(guān)系曲線，圖(b)給出的是器件電壓與電流等級(jí)的關(guān)系曲線。

圖2 (a)功率元件的P_N=f(f)  (b)功率元件的U=f(I)

　　從功率容量看，GTR介于GTO和功率MOSFET之間，GTR的控制比GTO更方便，如GTR的工作頻率較高，因而凡是能用GTR解決功率容量問題的場合盡量避免使用GTO。但是GTR的工作頻率在大功率情況下只有2kHz左右，這對(duì)正弦電流型驅(qū)動(dòng)器還顯不足。

　　由于功率MOSFET工作頻率很高，容量有限，所以特別適用于10kW以下的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。它允許電路開關(guān)頻率高，當(dāng)開關(guān)頻率達(dá)到16kHz以上，就能實(shí)現(xiàn)無開關(guān)噪聲的所謂凈化開關(guān)型功率驅(qū)動(dòng)。又由于開關(guān)頻率的提高有利于減小正弦波脈寬調(diào)制SPWM的函數(shù)誤差，有利于減小力矩波動(dòng)，所以MOSFET在10kW以下的驅(qū)動(dòng)電路倍受青睞。

　　IGBT的功率容量介于GTR與MOSFET之間，它的應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)展。

　　從電壓、電流等級(jí)看，GTR與MOSFET的耐壓提高已經(jīng)很困難。IGBT的電壓和電流均有可能達(dá)到GTR水平，它避免了電流控制的缺點(diǎn)，可用電壓信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，使用起來更為方便。2000年出現(xiàn)的IGCT已經(jīng)根本改變了大功率驅(qū)動(dòng)的面貌，預(yù)示著一場新的電力電子革命的到來。

　　對(duì)于微型無刷電機(jī)可采用功率集成電路(PIC)。所謂功率集成電路是指功率器件與驅(qū)動(dòng)電路、控制電路以及保護(hù)電路集成，它是包含著至少一個(gè)功率器件和一個(gè)獨(dú)立功能電路的單片集成電路，例如LM298等。PIC與功率器件模塊有根本區(qū)別。目前PIC主要著眼于中上功率的應(yīng)用，工作電壓和工作電流分別在50~100V和1~100A，實(shí)際傳送功率可達(dá)幾千瓦。