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1、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
2、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
3、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
4、。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。由于双极式可逆分为双极式和单极式两种方式。由于双极式可逆PWM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
5、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
6、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、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
7、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
8、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,电流环可按典型型系统校正。由IPM模块MSK4462构成的上述雷达伺服系
