经纬仪伺服功率级现状和发展趋势

　　0　前言

　　在大型经纬仪直流伺服驱动装置中,电机驱动控制多采用PWM控制,一般采用双极模式或单极模式,驱动对象为永磁式和电磁式直流伺服电动机,双极PWM控制的电动机在一个开关周期内,电枢上的电压是交替的,电枢中的电路始终是连续的,无断续现象,即使电机不转,电枢中的电流是一个交变电流,这个电流使电动机具有微振特性,有利于减少静摩擦,改善电动机的低速性能。在要求低速特性较高的场合,普遍采用双极式PWM驱动模式。伺服控制技术经历了交磁电机扩大机系统、磁放大器控制、晶体管控制、集成电路控制、计算机控制的发展过程,至今已进入了一个全新的时期,其主要标志为智能功率集成电路和数字信号处理器的出现,伺服系统日益要求的模块化和全数字化能够实现。现代控制理论或其它一些复杂控制算法能够快速在线计算和对系统进行优化处理。国内的发展水平较国外先进水平还有差距。本文在介绍经纬仪伺服系统的现状的同时,结合实际情况讨论了其发展趋势,提出了关于通用的功率级的设计思路和方案。

　　1　模拟分立元件系统

　　由于半导体和大规模集成电路的快速发展,模拟电子技术在一些领域依然占有不可替代的作用,各种专用芯片的功能日趋小型化和更加专业化,如用于电机的控制芯片、驱动芯片以及功率集成模块等。如ADVANCEDMOTIONCONTROLS公司的100A伺服放大器。只需外接模拟给定信号和测速机的反馈信号就可以完成简单的速度闭环,另外还可以设置电流内环反馈构成双环系统,其控制器采用简单的PID控制算法,具备电流限流功能,参数可以选择,但不能连续修改。该公司还有别的种类,可以实现速度环和位置环的反馈控制。该类模拟伺服放大器的基本思路如此,工艺上比较考究,体积小,采用先进的表面贴装技术和功率集成技术,在设计上充分考虑可靠性、维修性、电磁兼容等,在伺服驱动控制市场上还具备一定的竞争力。

　　整个驱动装置是朝着多功能化、智能化、小型化方向发展,进而出现了一批高集成度的驱动模块和功率模块,如用于电机驱动的UC1637,产生PWM波形;IPM模块集成了带驱动和保护功能的三相IGBT模块。只需外接简单的外围电路就可以实现伺服驱动和反馈功能。

　　2　功率集成系统

　　随着半导体技术的发展,直接将多个功率器件集成在一个封装上或管芯中,这样功率转换电路的体积减少了,而且结构紧凑,易于安装和维护。只需外界控制电路和保护电路就可实现功率的转换。如将多个MOSFET、IGBT器件封装在一起的功率集成模块。同样,有些设计公司将功率元件的驱动及保护电路也设计进去了,如IPM模块。在一个封装模块中具有大功率转换电路部分,而且包括驱动电路、过欠压保护电路、过流保护以及过热保护等。外部电路只要提供驱动信号,必要时需要设计隔离电路,增加可靠性。如日本富士7MBP50RA060的IGBT-　　IPM模块,具有6个大功率IGBT和一个制动IGBT。其原理框图见图1。功率等级可以达到上千伏电压,几百安培电流。