磁电机变频控制。从21世纪初,永磁电动机控制成为运动控制的一个新热点。

3. 功率半导体器件
从直流电机,到交流感应电机,乃至现在的永磁电机控制,电机驱动经历了晶闸管可控整流器,晶体管逆变器,晶闸管逆变器,绝缘栅双极晶体管(IGBT)逆变器的发展过程。往往一个驱动理论的出现
先于半导体器件并指导功率半导体的发展,半导体器件的进步,才使电机驱动新理论的实现成为可能。
从运动控制系统的发展趋势来看,在功率驱动装置中,低频的半导体器件──晶闸管在中小功率范围将被高频的全控器件──大功率绝缘栅双极晶体管(IGBT)代替,另外交流化发展,离不开功率器件的发展。图2给出了交流电机控制的原理框图。
虽然功率器件只有整个设备成本的20%~30%,但是整个系统的成本和性能受到功率器件的特性影响。一个设计工程师必须熟悉功率器件的特性,才能设计出高效、高可靠性、低成本、性能最优化的系统。有趣的是
电力电子的发展就是功率半导体器件的发展,微电子技术的进步极大地推动了功率器件材料、工艺、制造、封装、模型和模拟技术。
从下面的图3中,我们可以从几个方面看到,随著功率器件的发展和控制技术的进步,功率驱动部分是如何减小体积和提高驱动效率。

驱动电路输入部分(下图,EMI, PFC部分)由于采用了有源功率因数校正和集成技术,改善了用电器的质量和效率,同时减小了电容容量(同样功率条件下)。与传统的无源方案比较(上图),减小了体积,降低了成本,系统性能大幅提高。逆变部分采用第五代IGBT技术(NPT IGBT),减低了器件饱和压降,通态损耗下降,提高开关频率,开关损耗降低,可以使系统在更高的频率下运行,安全工作区为方形,可靠性提高。提高开关频率可以减小电机和电网的谐波。图4给出了NPT IGBT开关损耗和饱和压降的发展趋势。

在看逆变器的驱动,传统采用光耦的方式传递控制信号给高端IGBT。这种逆变驱动需要四路隔离电源,设计复杂、体积大、成本高、虽然光耦的隔离电压可以很高,但是光耦的一致性和温度特性较差,使整个系统的适用环境受到限制。随著逆变电路开关频率的提高,要求光耦的开关速度也要提高,这样光耦成本也大幅提高,使得其在某些对系统成本敏感的领域缺乏竞争力,如家电。高压集成驱动电路(HVIC)解决了这个问题。图5给出了HVIC驱动电路。

采用HVIC,整个逆变电路只需要单一电源,高端驱动采用自举供电方式,非常简单。与光耦方式比较,逆变驱动电路可以减少大约60%的器件使用数量。延迟时间非常小,上下通道时延一致,器件一致性高,在高频应用时,失真小,设计简单。全球有70%的小型电机驱动都采用IR公司的HVIC。HVIC的系列化使客户可以根据不同应用需要方便快捷的选择和使用。图6给出了IR公司HVIC系列产品。

IGBT, HVIC以及芯片封装技术的发展,实现了逆变驱动电路的集成化。智能功率模块(IPM)技术进一步实现了电机驱动系统的小型化,低成本,高效率和高可靠性。在一个模块内可以集成6个IGBT,6个快速续流二极管,1个3相逆变桥驱动集成电路,3个自举二极管,温度检测,6个栅极驱动电阻等。图7给出了PlugNDrive IPM逆变模块的电路图。随著技术的不断进步,新的功能模块将不断被研制出来。

4. 数字控制技术
在单片机出现之前,控制器匀采用模拟电路实现调节。电路复杂、调试困难、温度特性差。单片机代替模拟电路,简化了控制器,控制精度提高,并实现一些复杂的控制,但也只能对系统实现线性化控制,对系统的非线性控制需要大量运算,单片机资源明显不足。对于一些复杂运动控制,如伺服控制,需要位置控制,同时为了提高系统的鲁棒性,采用了多闭环,如电流闭环、速度闭环,及新型控制算法,如坐标变换、反变换、空间矢量控制,模糊控制、自适应控制,及至网络控制等要求。对控制器的要求越来越高,随之出现数字信号处理器(DSP),现场可编程门阵列逻辑器(FPGA),以及专用控制集成电路(ASIC),并且运算速度不断提高,可用资源不断扩大。微电子技术的进步,可以实现更加复杂的控制,同时专用集成电路的研制,又简化了系统的设计,使设计工程师脱离大量的软件设计,特别对应用工程师来讲,他们将把主要精力用于系统的构成和指标实现上,而不必设计电机驱动部分。可以使其产品以最快速度研发并投入市场。IR公司提出的iMOTION(智能运动控制)计划为用户提供了整体解决方案。IRMCK201就是世界上第一颗用于伺服控制的专用控制集成电路。它采用编码器反馈,具有电流闭环和速度闭环的正弦空间矢量控制。 &nb