无刷直流伺服电动机的功率驱动电路

1.功率驱动电路的基本类型

　　无刷直流伺服电路的基本类型

　　无刷支流伺服电动机的容量一般在100KW以下。按目前功率器件的水平，这个容量段的商品化器件应该采用全控制器件，即GTO、GTR、功率MOSFET和IGBT。全控型器件也即自关断器件，并且IGBT已占主导地位。它们的主要性能指标是：电压、电流和工作频率。通过这三项参数的分析即可进行元件的选择。功率驱动电路的基本类型如图1所示。图中m表示电机的绕组相数；A表示绕组允许通电方向，当绕组允许正、反两个方向通电，A=2，只允许单方向通电时A=1。图1(a)与(b)所示为A=1，称为单极性驱动电路；(c)与(d)为A=2，称为双极性驱动电路。单极性驱动电路只适用于“方波”运行原理，双极性驱动电路则“方波”、“正弦波”两者兼容。图1(c)是双H桥结构，它使用的晶体管较多，但是它和有刷直流电动机驱动电路相当类似。图1中(a)、(b)、(c)三种绕组形式和驱动方式经常在微型无刷伺服电动机中使用。由于微型无刷伺服电动机使用较低直流电压（几十伏左右），更由于无刷电动机采用径向磁路，绕组电感比有刷电动机小得多，所以(a)、(b)、(c)三种驱动电路允许不加续流二极管。当电机工作电压较高，工作电流较大，则应附加如图1(c)和(d)所示的续流二极管，此时驱动容量可高达100kW。功率无刷伺服电动机采用图1(d)所示的三相桥结构。

图1 功率驱动电路{{分页}}

　　图1中的功率器件是以GTR为例绘制的。这主要是为了避免重复，读者应该理解允许采用其他全控型功率器件，例如IGBT。

　　最后指出的是，图1(a)~(d)所示的各类驱动电路均已有集成的功率模块，为了提高产品的可靠性，建议使用功率模块。

2.功率驱动电路的功率器件选择

　　图2(a)给出的是器件的输出功率与工作频率的关系曲线，图(b)给出的是器件电压与电流等级的关系曲线。

图2 (a)功率元件的P_N=f(f)  (b)功率元件的U=f(I)

　　从功率容量看，GTR介于GTO和功率MOSFET之间，GTR的控制比GTO更方便，如GTR的工作频率较高，因而凡是能用GTR解决功率容量问题的场合尽量避免使用GTO。但是GTR的工作频率在大功率情况下只有2kHz左右，这对正弦电流型驱动器还显不足。

　　由于功率MOSFET工作频率很高，容量有限，所以特别适用于10kW以下的电机驱动。它允许电路开关频率高，当开关频率达到16kHz以上，就能实现无开关噪声的所谓净化开关型功率驱动。又由于开关频率的提高有利于减小正弦波脉宽调制SPWM的函数误差，有利于减小力矩波动，所以MOSFET在10kW以下的驱动电路倍受青睐。

　　IGBT的功率容量介于GTR与MOSFET之间，它的应用范围正在不断扩展。

　　从电压、电流等级看，GTR与MOSFET的耐压提高已经很困难。IGBT的电压和电流均有可能达到GTR水平，它避免了电流控制的缺点，可用电压信号进行驱动控制，使用起来更为方便。2000年出现的IGCT已经根本改变了大功率驱动的面貌，预示着一场新的电力电子革命的到来。

　　对于微型无刷电机可采用功率集成电路(PIC)。所谓功率集成电路是指功率器件与驱动电路、控制电路以及保护电路集成，它是包含着至少一个功率器件和一个独立功能电路的单片集成电路，例如LM298等。PIC与功率器件模块有根本区别。目前PIC主要着眼于中上功率的应用，工作电压和工作电流分别在50~100V和1~100A，实际传送功率可达几千瓦。