IPM在雷达伺服系统中的应用?

【摘　要】　在无刷直流电动机驱动的雷达伺服系统中，采用了智能功率驱动模块（IPM）来实现功率驱动，它能够满足苛刻的环境要求，并能获得比较满意的系统性能。
     关键词：雷达伺服系统，无刷直流电动机，智能功率模块

1　引　言
　　智能功率模块（IPM）出现于上世纪九十年代，它通过采用先进的材料和工艺将功率单元、驱动单元、逻辑单元、传感单元和保护单元等集成于一体，这样不仅应用方便，更关键的是它提高了系统的可靠性，并缩小了体积。
　　某些雷达系统在设计时要求体积小、重量轻和可靠性高，而采用常规的设计将难以达到这一要求，为此，我们采用智能功率模块来解决这个非常棘手的问题，并研制出无刷直流电动机驱动的高性能雷达伺服系统。

2　雷达伺服系统
　　早期的雷达伺服系统中多采用普通直流电动机作为执行元件来完成对雷达天线的驱动控制。但是，普通直流电动机由于使用了电刷和机械换向器，因此在工作时会产生电火花干扰，且碳刷在一些环境中磨损快、寿命短，维护不便。而稀土永磁无刷直流电动机作为一种新型的驱动执行元件，采用了电子换向，因而具有可靠性高、寿命长、无电火花干扰的特点，它同时还具有低转速、大转矩、高精度等性能。目前，采用无刷直流电动机作为驱动执行元件的伺服系统在一些雷达系统中已经开始应用。
　　采用无刷直流电动机作为驱动执行元件的雷达伺服系统原理框图如图1所示。
3　无刷直流电动机及其控制
3．1　无刷直流电机
　　稀土永磁无刷直流电机是一种新型的电动机，其相电势为梯形波，电枢电流为120度矩形波。它的基本构成包括电动机本体、控制器和位置传感器三部分，电机的三相定子绕组分别与作为功率电子开关的桥式主回路中相应的功率开关管连接。由于采用脉宽调制（PWM）控制，所以，电子开关电路由功率开关单元、位置传感器信号处理单元和脉宽调制器组成，用来控制电动机定子各相绕组通电的顺序与时间。位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相连接，它将转子磁钢位置变换成电信号，经位置传感器信号处理单元处理后，去控制功率电子开关，使定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。随着各相绕组按一定顺序工作，在电机中就产生了旋转磁场，从而拖动永磁转子旋转。
3．2　无刷直流电动机的控制
　　无刷直流电动机系统的原理框图如图2所示。它由脉宽调制器、无刷直流电动机的换相处理、驱动与保护及桥式逆变主回路几部分组成。本系统中驱动采用IPM，主回路为脉宽调制式变换器，即PWM变换器。PWM变换器分为不可逆和可逆两类，它在控制上又分为双极式和单极式两种方式。由于双极式可逆PWM变换器的电流一定连续，电机可在四个象限中运行，因此，在静、动态性能要求比较高的雷达伺服系统中应采用双极式可逆PWM变换器。
　　高性能的无刷直流电动机控制系统都采用速度、电流双闭环控制，如再加上位置环即可构成无刷直流电动机位置伺服系统。
　　电流控制实际上就是一种转矩控制，其作用有三：一是在转速调节过程中使电机定子电流跟随其给定值变化，保证起动或制动时电机能获得允许的最大电流；二是对电源电压波动起抗扰作用；三是当电机过载甚至堵转时，限制电机电流的最大值。考虑到超调小、电流跟随性好等性能，电流环可按典型Ⅰ型系统校正。
　　由于雷达伺服系统中无刷直流电动机要受到经常性的负载扰动，为使其具有良好的抗扰性能，并获得较高的调速精度，就必须对其进行速度闭环控制。考虑到速度环在稳态时无静差，动态时要有良好的抗扰性能，速度环可按典型Ⅱ型系统校正。

4　IPM模块MSK4462及其应用
　　一般说来，智能功率模块（IPM）包含有数字接口电路、驱动电路、功率器件、保护电路、内部DC－DC变换器等部分，是数模混合式大规模集成电路。事实上，智能功率模块是复杂分立器件的集成，它在原理上并没有增加新的功能。智能功率模块是微电子技术和电力电子技术相结合的产物，它是计算机与电气设备之间的关键接口。
　　IPM模块MSK4462是一种无刷直流电动机的控制驱动功率模块，其基本特点为：
    ·它具有3相全桥式MOSFET功率逆变器；
    ·电压为75V、输出电流30A；
　　·包含有功率MOSFET驱动电路、过载、短路保护电路以及上下桥臂直通保护电路、电机位置传感器换相逻辑处理电路、PWM脉宽调制器、数字接口电路、内部DC－DC变换器；
　　·具有电流检测与误差放大器，用户根据系统的性能要求添加适当的补偿网络即可方便地构成PI电流调节器，以实现系统的电流闭环控制；
　　·它是一种真正的四象限控制的无刷直流电动机控制驱动智能功率模块，它在零力矩附近也具有较高的控制精度，其电流始终保持连续，电动机可工作于正转电动、正转制动、反转电动、反转制动四种状态，由其构成的伺服系统具有较高的动、静态性能；
    ·模块具有较好的散热设计。
    IPM模块MSK4462的功能框图如图3所示。
　　采用IPM模块MSK4462可方便地构成如图1所示的无刷直流电动机驱动的高性能雷达伺服系统，该系统中电机换相信号由MSK4462内部的换相逻辑电路产生，而IPM模块MSK4462外加补偿网络即可构成电流PI调节器，以实现电流的闭环控制。考虑到超调小、电流跟随性好等性能，电流环可按典型Ⅰ型系统校正。由IPM模块MSK4462构成的上述雷达伺服系统具有体积小、重量轻、可靠性高的优点。
　　在设计使用的过程中，要注意以下几个方面的处理：（1）AV＋、BV＋、CV＋必须在模块外部相连，并连到功率电源上。另外，它们与功率地之间还须并联适当的电容以抑制干扰和电压降落，电容应尽量地靠近模块。（2）Aφ、Bφ、Cφ连到无刷直流电动机的三相绕组，注意，它们不能与电源或地短路，否则会损坏桥路。（3）AVS、BVS、CVS必须在模块外部相连以构成三相全桥逆变器，并使每个半桥的电流流过电流检测电阻，以构成电流反馈。RTN连到功率地。（4）CURRENTCOMMAND是电流环中的差分输入，每伏输入对应于3A的输出电流，最大±10V的输入对应±30A的输出电流。CURRENTMONITOR是电流监视输出端子，利用它可构成过流保护电路。（5）E／AOUT与E／A－是电流环路放大器的输出与输入，在它们之间可接入适当的补偿网络来实现电流环的校正。（6）模块内部的脉宽调制器可产生最大25kHz的PWM信号。无刷直流电动机转子位置传感器的输出连到模块HALLA、B、C管脚，经换相逻辑电路处理后，控制电机定子电流的导通顺序，以在电机中形成旋转磁场。（7）模块还具有6．25V的输出，它可作为无刷直流电动机转子位置传感器的电源。另外，模块还具有电机制动模式和逆变器禁止输出等功能，可根据系统的实际需要来选用。（8）注意第一次使用MSK4462时，应以较低的电压和电流开始起动，调节电机的相序使之能够正常地旋转，然后再进行正常的调试操作。（9）要根据使用情况选择合适的散热器，并且严格按CMOS的操作规程进行电装。

5　结束语
　　使用智能功率模块MSK4462较容易地实现了无刷直流电动机的电流控制，应用它而构成的雷达伺服系统具有体积小、重量轻、可靠性高的优点，并且也能获得比较满意的系统性能。

参考文献

1　张　琛．直流无刷电动机原理及应用．北京：机械工业出版社，1996
2　陈伯时．自动控制系统．北京：机械工业出版社，1981