一種集成模塊化控制驅動模塊研制

岳宗帥 齊 沖 苗世亮 張麗玉 林強強 李 宏

（北京精密機電控制設備研究所 航天伺服驅動與傳動技術實驗室,北京 100076）

為滿足產品安裝空間小、功質比要求高的特點,本文提出了一種高度集成化智能機電作動器方案將控制驅動模塊和機電作動器集成一體化設計方案,其中控制驅動模塊是產品的控制核心。高功率密度控制驅動模塊設計技術是實現智能機電作動器的關鍵技術之一。

控制驅動模塊主要實現的功能是：與上位機進行實時以太網、422 數字總線通信,采集機電作動器狀態參數,經過閉環運算后輸出控制量,驅動電機運動,進而控制機電作動器按照指令動作。控制驅動一體化設計是電子控制、功率驅動、信號檢測、電磁轉換和結構設計等多技術的優化綜合,需要將控制器、驅動器、傳感器、電機等部組件在狹小的空間內實現有機融合,才能實現最佳的體積、重量和功率結合。在控制驅動一體化設計過程中,除了控制精度、響應速度、可靠性等指標外,更加重要的是從系統角度出發,如何將各部分集成在一起而互不干擾。本項目研制攻關時旨在突破強干擾環境下高功率密度控制驅動關鍵技術：

（1）高功率密度、集成模塊化控制驅動模塊設計技術；（2）多組件機構優化設計；（3）高功率密度下驅動電路熱設計技術；（4）強干擾電磁環境下電磁兼容設計；（5）力學環境適應性設計。

1 控制驅動模塊平臺設計

1.1 高功率密度、集成模塊化控制驅動模塊設計

控制驅動模塊采用DSP+FPGA+IGBT 方案,該方案通過數字通信總線與控制系統通訊,采集機電作動器運行參數,經過閉環運算后輸出控制量,驅動電機轉動,進而控制機電作動器按照指令動作。控制驅動電路主要包括DC/DC 電源變換電路、信號調理電路、保護電路、實時以太網通訊電路、RS422 通信電路、絕對式編碼器通訊電路和驅動電路等。其組成原理框圖如圖1 所示。

圖1 原理框圖

1.1.1 電源濾波及變換電路設計

控制驅動模塊可接受18～40V 直流電源輸入,經電源濾波及變換單元,提供控制平臺及負載系統所需的多路電源變換。

1.1.2 中心處理單元電路設計

中心處理單元基于DSP 處理器開發,其具有32 位的浮點運算精度、處理能力可達到150MIPS 等優點。DSP處理電路為整個控制驅動器的組成核心,其主要功能有為：與上位機通信；通過片上AD 采集電機相電流信號、電機旋轉變壓器、機電作動器位移傳感器信號；并對機電作動器做出精確控制。DSP 片上包含16 路、輪循的、每路12 位、輸入范圍為0～3V 的A/D 轉換器。DSP 芯片A/D 轉換器采集精度可通過軟件校正,達到1%左右。片上A/D 在25MHz 的ADC 時鐘上時鐘可達80ns。FPGA芯片選用xilinx 公司Kintex7 系列的可編程硬件控制邏輯,實現以太網通信、電流截至反饋、上電PWM 信號關斷控制等邏輯控制功能。

1.1.3 實時以太網通訊電路

高速實時以太網終端卡以一片Xilinx 公司Z7 系列為核心,外圍擴展網絡PHY 等器件,完成終端卡所需的網絡數據收發、鏈路層協議處理、傳輸層協議處理等功能。高速實時以太網終端卡的總體框圖如圖2 所示。

圖2 高速實時以太網邏輯框圖

1.1.4 驅動電路設計

驅動板的主要功能是接收PWM控制信號并轉化為IGBT 驅動信號,驅動IGBT 將270V 功率電轉化為三相交流電,從而驅動機構做直線運動。驅動板的主要功能包括：IGBT 驅動電路、電流檢測電路、母線電壓檢測電路、母線濾波電路系統組成如圖3 所示。

圖3 驅動板內部原理圖

1.2 多組件機構優化設計

控制驅動模塊嵌入在智能機電作動器內,省去控制驅動模塊與機電作動器之間的電纜網和連接器,使得伺服整體結構尺寸調整,內部結構布局調整,電路布局布線重新設計。

控制驅動模塊分為控制部分和驅動部分,控制部分包括電源板和控制板兩塊板組成,驅動部分由驅動板和薄膜電容組成。電源板通過柔性印制板與外部電連接器相連；電源板與控制板之間也通過柔性印制板連接；控制板通過超微矩形電連接器J63（A）與電流傳感器和編碼器相連；控制板通過超微矩形電連接器J63（A）與驅動板連接。控制部分安裝作動器前部作動桿上方,驅動部分安裝在電機上方。

薄膜電容采用專用定制款電容模組,根據安裝空間設計電容模組外形,使結構更緊湊,經過與廠家初步溝通,尺寸75×110mm,高度20～25mm 可以實現約575V 100uf 的薄膜電容值。薄膜電容結構設計時保留DC 和AC 接線位置,便于接線的同時可以起到一定絕緣保護功能。

1.3 高功率密度下驅動電路熱設計

驅動電路的熱設計方案拋棄傳統控制驅動器殼體作為散熱面的設計,將控制驅動模塊安裝固定于散熱板上,并通過減振器將散熱板整體固定于電機上方。設計驅動模塊部分疊層順序為電容模組→驅動板→IGBT→導熱絕緣墊→散熱板→減振器→電機。

鋁合金散熱板將功率器件工作過程中散發的熱量快速有效地傳導至整個散熱板,確保功率器件局部溫度不會在短時高負載工況下過熱,導致功率器件失效。本設計通過以下幾點確保產品熱設計滿足使用要求：

（1）經過系統優化設計,提高電機工作電壓及力矩系數,在輸出力矩時需求的相電流降低,因此電機及功率器件發熱均降低。

（2）相電流降低后,功率器件導通損耗及開關損耗均能降低,功率器件總耗散功率降低,發熱減小。

（3）驅動模塊與電機之間通過導熱率較低的柔性非金屬材料填充,實現長時間工作時驅動模塊緩慢向電機散熱。

利用Infineon 公司提供的IPOSIM開展熱設計計算,在產品執行正弦信號時最大Iq 電流為55.6A,IGBT 模塊總損耗（含IGBT 損耗和二極管損耗）為52W；掃頻試驗IGBT 總損耗為70W；按照正弦信號工作兩個周期共50s和掃頻試驗50s 計算,共計發熱6100J,考慮鋁合金支撐板熱容,理想情況下鋁合金支撐板平均溫度為65℃；Tja為25.3℃；最終IGBT 結溫Tj 為90.3℃。熱設計計算如圖4 所示。

圖4 熱設計計算結果

1.4 強干擾電磁環境下電磁兼容設計

電機與功率器件是主要的電磁干擾來源,設計上將功率驅動電路布局在電機上部,將主要干擾源集中防護,且縮短了電機與功率驅動電路之間的線纜長度,避免強電線纜靠近弱電端走線。

控制電路布局在作動筒上部,盡量遠離強電干擾源；提高弱電電路的抗擾能力,針對功率器件開關頻率基波及其高次諧波針對性設計濾波防護；信號線纜采用雙絞屏蔽線傳輸,如果必要可安裝磁環抑制共模干擾；模擬量信號包地保護處理；關鍵信號如電機轉子位置和線位移信號采用數字信號傳輸,提高抗繞能力。

通過電磁屏蔽條實現控制驅動部分殼體與作動器金屬結構件之間的電磁密封,避免強電磁輻射影響彈上其他設備,密封條位于殼體凹槽內部,通過壓縮變形保證接觸平面連續。

1.5 力學環境適應性設計

電子產品采用緊湊化、扁平化設計,避免多層層疊安裝導致振動量級放大；通過試驗研究分析控制驅動模塊的力學環境特性,合理選用沖擊緩沖材料緩解振動沖擊強度；控制驅動模塊內部通過板級減振器固定安裝,以適應力學環境條件,提高抗振能力。

控制部分安裝作動器前部作動桿上方,外包絡尺寸為均為45mm×120mm,與作動器之間采用定制的M3 的金屬減震器,進行板級減震措施。減振器直接安裝于機電作動器的作動組件上部,安裝4 只減振器,控制電路重量約300g。

驅動電路安裝在散熱板上,外包絡尺寸為75mm×110mm,采用M5 的非金屬減震器減振器安裝于機電作動器的電機上部,減振器選用非金屬減振器產品,單只可承受100～250g,諧振頻率30～300Hz。散熱固定板共安裝4 只減振器,最大可承受1.0kg,驅動電路重量約為850g,滿足使用要求。

2 永磁同步電機加載試驗

考核電機、控制驅動模塊和控制軟件匹配性,驗證電機的輸出能力對產品的滿足性。通過地面功率電源為控制驅動模塊提供270V 的直流動力驅動電能,通過產品測試儀為控制驅動模塊提供28V 控制電,并通過以太網總線與控制驅動模塊進行通訊和數據交互,控制集成式機電作動器按照指令運動,試驗原理框圖如圖5 所示。

圖5 產品地面驗證試驗原理框圖

其測試方法為伺服控制模塊驅動電機按照設定的轉速進行穩定工作,通過電機轉矩加載設備對電機輸出軸施加規定的負載力矩,測試電機在不同轉速、轉矩條件下的工作性能,此次試驗加載的力矩分別為8Nm,12Nm 和16Nm,設定的時間20s,試驗中控制器給定轉速分別為4400r/min,4000r/min 和3500r/min,帶載試驗數據如表1 所示。

表1 電機負載特性試驗

3 結論

本項目高功率密度、集成模塊化控制驅動模塊已完成電機負載特性試驗,試驗結果見表1 滿足設計要求。5Kw 控制驅動模塊的研制及成功應用,其集成模塊化設計思路可提高大功率電力電子產品機構的設計水平。該項目在控制驅動模塊研制過程中采用了多組件機構優化設計、驅動電路熱設計技術、電磁環境下電磁兼容設計,并創新的應用了板級減震器等板級減震器固定安裝,以適應力學環境條件,提高產品的抗振能力,提高了控制驅動模塊的力學環境適應性設計水平和可靠性有重要意義。