一种高功率高精度高带宽混合功率的电机驱动电路的制作方法

1.本发明属于电机驱动技术领域，具体涉及一种高功率高精度高带宽混合功率的电机驱动电路。


背景技术：

2.随着电机控制伺服技术的不断发展，伺服系统对电机的大功率驱动、高精度控制和高稳定度控制方面的要求不断提高，其关键技术主要涉及到运动控制技术、功率放大器技术和高精度位置传感器技术。运动控制技术是电机控制器的核心技术，通常在高精度运动控制系统中，提高扰动抑制能力、定位精度、响应速度和自适应能力一直是运动控制策略的目标和难点。功率放大器作为电机的驱动电路，其作用将电机控制器输出的电流指令信号进行放大，从而驱动电机运动。为了实现电机高动态高精度定位运动控制，功率放大器应同时具有高功率、高精度和高带宽等特点。最后，高精度位置传感器的性能指标直接限制电机高精度定位控制系统的分辨率和定位精度，其具体性能指标包括：动态响应、分辨率、带宽和精度等。
3.电机功率放大器实现输入对控制电流信号的功率放大，按照驱动放大方式一般分为两种形式：线性功率放大器和开关功率放大器两种，其中：
4.线性功率放大器采用模拟信号控制功率放大器实现电机的驱动，常见控制电路见下图所示，模拟控制信号电压具有正极性或者负极性，经过线性功率放大器进行放大，并通过反馈电路完成电路的闭环控制，实现电机的功率驱动以及正向/方向控制。
5.线性功率放大器具有带宽高、响应速度快、电流纹波小和失真度低等优点，其缺点包括体积大、功率损耗大、效率低和散热困难等，主要适用于小功率和高精度场合。
6.开关功率放大器采用pwm调制技术和开关功率器件实现，如下图所示为电机h桥结构的开关功率放大器电路，功率器件选用mosfet实现，通过对mosfet的栅极进行pwm斩波控制，实现对电机绕组的控制，转换不同的mosfet实现对电机的绕组电压正负控制。
7.开关功率放大器具有效率高、体积小和功率大等优点，其缺点为电流纹波大、带宽窄和波形保真度不高等，主要适用于大功率和高效率场合。
8.综上所述，无论对于线性功率放大器还是开关功率放大器而言，高功率和高精度都是一对矛盾指标，单独采用任何一种传统功率放大器都难于同时满足两种指标。


技术实现要素：

9.针对背景技术中的问题，本发明提出一种高功率高精度高带宽混合功率的电机驱动电路，其具体技术方案如下：
10.一种高功率高精度高带宽混合功率的电机驱动电路，其包括高压开关功率变换器和低压线性功率变换器，所述高压开关功率变换器和低压线性功率变换器以串联形式组成混合功率变换器，其中：
11.所述高压开关功率变换器根据指令电压输出高阶梯波多电平电压，用于提高混合
功率变换器的整体效率；
12.所述低压线性功率变换器根据指令电压和高压阶梯波误差来补偿误差电压、谐波电压和扰动电压，用于提高整个混合功率变换器的电压和电流精度；
13.混合功率变换器以输出高保真度和低纹波电流和电压。
14.所述混合功率变换器的具体电路拓扑模块包括：
15.多电平驱动桥电路，所述多电平驱动桥电路采用多电平功率变换器拓扑结构和多频率载波的pwm调制方法，将高压电源进行变换电平变换，实现对电机线性放大器电源电压的快速调整；
16.lccr低通滤波器，所述lccr低通滤波器滤除由高频pwm斩波所产生电压谐波，实现对线性放大器电源供电的滤波，得到低纹波电源；
17.高转换率线性功率放大器，所述高转换率线性功率放大器采用模拟电压环补偿开关功率变换器输出电压误差，对电机进行高带宽功率驱动。
18.本发明所达到的有益效果为：
19.本发明的高功率高精度高带宽混合功率的电机驱动电路，利用多电平功率变换器和多载波的pwm调制方法实现高压电源的高效变换，通过低通滤波器实现高稳定电源的滤波，电机的模拟控制信号输入至线性功率放大器并产生高带宽高精度的电机功率驱动电压，并在反馈电路的作用下进行高带宽闭环控制，实现电机的高功率、高精度、高带宽的控制，与传统电机驱动电路相比具有以下优点：
20.使用多电平功率变换器具有效率高，电机负载不同时，实测效率和功率比较数据见下表所示，混合功放的效率接近与开关功放的效率，因此驱动功率与开关功放接近。
21.表1驱动效率测试数据对比分析(满载电流7a)
22.电机负载率10％30％60％90％线性功放18％37％65％92％开关功放74％82％89％93％混合功放72％81％88％92％
23.表2驱动功率测试数据对比分析(42v供电)
24.电机电流1a7a20a40a线性功放正常工作正常工作无法工作无法工作开关功放正常工作正常工作正常工作正常工作混合功放正常工作正常工作正常工作正常工作
25.采用多载波pwm调制技术，结合lccr阻尼滤波器，降低电流纹波，电流稳定度分析见表3所示，混合功放电流纹波优于开关功放，接近线性功放性能。
26.表3电流稳定度测试数据对比分析
27.电机电流值0.5a1a4a7a线性功放0.03％0.07％0.08％0.1％开关功放5.5％5.0％4.3％3.8％混合功放0.04％0.08％0.09％0.1％
28.驱动电路输出级采用线性功率放大器直接驱动电机，驱动带宽高，系统带宽测试
对比相角偏移测试见下表所示，混合功放带宽与线性功放接近，优于开关功放。
29.表4带宽测试数据对比分析(正弦波激励)
30.频率5khz20khz50khz100khz200khz线性功放20.0
°
20.5
°
21.1
°
21.9
°
25.3
°
开关功放26.9
°
29.5
°
33.8
°
60.9
°
/失控混合功放20.2
°
20.8
°
21.8
°
22.9
°
27.8
°
附图说明
31.图1是高功率高精度高带宽混合功率的电机驱动电路的结构图；
32.图2是实施例1中的多电平混合功率电机驱动电路拓扑结构图；
33.图3是实施例1中的线性运放电路模块结构图；
34.图4是实施例1中双pi闭环控制电路结构图；
35.图5是实施例1中lccr型阻尼滤波电路结构图；
36.图6是实施例1中五电平功率驱动电路结构图。
具体实施方式
37.为便于本领域的技术人员理解本发明，下面结合实施例及附图说明本发明的具体实施方式。
38.本发明的技术方案是：一种高功率高精度高带宽混合功率的电机驱动电路，其包括高压开关功率变换器和低压线性功率变换器，所述高压开关功率变换器和低压线性功率变换器以串联形式组成混合功率变换器，其中所述高压开关功率变换器根据指令电压输出高阶梯波多电平电压，用于提高混合功率变换器的整体效率；所述低压线性功率变换器根据指令电压和高压阶梯波误差来补偿误差电压、谐波电压和扰动电压，用于提高整个混合功率变换器的电压和电流精度；混合功率变换器以输出高保真度和低纹波电流和电压。
39.所述混合功率变换器的具体电路拓扑模块包括多电平驱动桥电路，所述多电平驱动桥电路采用多电平功率变换器拓扑结构和多频率载波的pwm调制方法，将高压电源进行变换电平变换，实现对电机线性放大器电源电压的快速调整。
40.lccr低通滤波器，所述lccr低通滤波器滤除由高频pwm斩波所产生电压谐波，实现对线性放大器电源供电的滤波，得到低纹波电源；高转换率线性功率放大器，所述高转换率线性功率放大器采用模拟电压环补偿开关功率变换器输出电压误差，对电机进行高带宽功率驱动。
41.实施例1，
42.本实施例以五电平模拟混合驱动电路为例进行说明，电路总体架构见图2所示，电机输入的电流参数经过电流反馈计算电路，得出需要为电机绕组的控制电压uref参数，与电压反馈值ufeed进行差值计算，得出的电压控制ui进入多电平混合功率电机驱动电路，以五电平为例进行说明，可以扩展七电平等更多电平的驱动电路。
43.线性功率放大电路：
44.线性功率放大器在开关线性混合功率变换器中的作用为补偿开关功率放大器输出电压误差和电压扰动，其控制系统应具有快速响应和高精度等特点，即线性功率放大器
控制系统带宽高于开关功率变换器的控制带宽，设计电路见图3所示。
45.常用的线性放大器(opa548、msk0021、mp111)的带宽频率超过1mhz，n-mos带宽超过10mhz，此电路满足电机驱动需要的1～40khz带宽要求，可以实现更高要求电机的带宽闭环控制需求，典型应用带宽可达200khz以上。
46.模拟双pi控制电路：
47.在电机高精度控制系统中，要求功率放大器输出电压具有谐波含量小和响应速度快等特点。为了满足混合功率放大器的两项电压指标，本发明采用线性功率放大器作为电压闭环系统的核心功率器件，电压环控制器采用双pi控制器，以模拟器件搭建方式来实现，如图4所示。
48.电流在(0.1～1)a范围内，电流波动为0.04％～0.08％；在(1～7)a范围内，电流波动为0.045％～0.1％。电流在(0～7)a范围内，电流线性度可达0.1％。
49.lccr滤波器电路：
50.开关功率变换器的输出电压谐波含量与调制比、载波比和电平数都有关系通过改变各个影响因素能够减小电压谐波含量，为了进一步减小电压谐波含量，通常采用lc无阻尼低通滤波器，该滤波器相当于一个无阻尼或极低阻尼二阶系统，电路设计见图5所示。
51.滤波电感l和滤波电容c1对lccr滤波器的带宽频率具有主导的影响效果，l、c2和r同时影响着lccr滤波器的谐振峰值。与一些传统的滤波器相比，lccr滤波器性能得到了极大的改善，高频噪音流过滤波电容c1，从而消除高频噪音。阻尼电阻r与滤波电容c2组成串联抑制谐振电路，使阻尼电阻r的损耗大为减小，通常滤波电容c2的值应该相对较小，能够减小阻尼电阻r的功率损耗，但也要同时应该考虑阻尼电阻r和电容c2对相位滞后的影响。
52.多电平功率变换电路：
53.多电平功率变换电路实现对数字电压的快速功率变换，电平数越多使用的驱动开关电路芯片越多，综合考虑实现的经济性和性能需求，可采用五电平或者七电平桥驱动电路，本发明以五电平电路进行说明，图6所示为三相电机五电平桥驱动电路。
54.三相五电平pwm整流器的三个桥臂各由8个n-mos开关管组成，且每个桥臂有6个钳位二极管，c1～c4分别为四个直流侧支撑电容，其具有维持系统直流侧电压稳定，减小直流侧电压波动以及传递电能的作用，根据mos管的开关逻辑，在每一项输出电压为5种电平，见下表所示,可输出输入总电压uin的5种比例电压。
55.表5五电平逻辑关系(以s1桥为例)
[0056][0057][0058]
以上的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精
神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。