專利名稱：一種快速響應(yīng)電動舵機用多回路控制與大功率驅(qū)動電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于功率驅(qū)動技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種快速響應(yīng)電動舵機用多回路控制與大功率驅(qū)動電路。
背景技術(shù)：
電動舵機、氣動舵機及電液舵機廣泛地應(yīng)用于當(dāng)前各類飛行器中。相比其它兩類舵機，電動舵機具有易維護性、可靠性高、工作時間長、效率高等特點。此前在多方面技術(shù)水平的制約下，舵機放大器電路的輸出功率受到很大限制，特別是舵機功率放大器的核心
器件-功率半導(dǎo)體器件，大都米用 P-MOSFET (Power-Metal Oxide Semiconductor Field
Effect Transistor電力金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)。而P-MOSFET通態(tài)壓降大,難于制成高壓大電流器件，舵機功率放大器的功率容量因而受到制約，電動舵機只能作為一種小功率(不大于100W)、低速(轉(zhuǎn)速不大于100° /s，頻帶不大于IOHz)的執(zhí)行機構(gòu)被應(yīng)用，限制了電動舵機的應(yīng)用領(lǐng)域。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是拓寬電動舵機的應(yīng)用領(lǐng)域，提供一種能夠使提高電動舵機輸出功率和性能的快速響應(yīng)電動舵機用多回路控制與大功率驅(qū)動電路。本實用新型是這樣實現(xiàn)的一種快速響應(yīng)電動舵機用多回路控制與大功率驅(qū)動電路，包括電源電路、綜合控制電路、位置反饋電路、電流反饋電路、PWM電路、光耦隔離電路和功率驅(qū)動電路；電源電路與綜合控制電路、位置反饋電路、電流反饋電路、PWM電路、光耦隔離電路和功率驅(qū)動電路連接；綜合控制電路還與PWM電路、位置反饋電路和電流反饋電路連接；位置反饋電路還與電動舵機連接；電流反饋電路還與電動舵機連接；PWM電路還與光耦隔離電路連接；光耦隔離電路還與功率驅(qū)動電路連接。如上所述的電源電路包括控制電路一次電源、二次電源電路和大功率驅(qū)動電源；控制電路一次電源與二次電源電路連接；二次電源電路包括第一二次電源電路和第二二次電源電路；第一二次電源電路分別與綜合控制電路、位置反饋電路、電流反饋電路、PWM電路和光耦隔離電路前級部分連接；第二二次電源電路分別與光耦隔離電路后級部分和功率驅(qū)動電路驅(qū)動控制級部分連接；大功率驅(qū)動電源與功率驅(qū)動電路的功率級連接。如上所述的第一二次電源電路選用28. 5V轉(zhuǎn)土 15V、額定輸出O. 133A的混合集成電路；第二二次電源電路選用28. 5V轉(zhuǎn)3路獨立+15V、每路額定輸出O. 08A的混合集成電路。如上所述的位置反饋電路包括位置傳感器和第一調(diào)理電路；位置傳感器安裝在電 動舵機的輸出機構(gòu)上，還與第一調(diào)理電路連接；第一調(diào)理電路與綜合控制電路連接。如上所述的電流反饋電路包括電流傳感器和第二調(diào)理電路，電流傳感器的主回路串聯(lián)在直流電機的電樞回路中，其輸出端與第二調(diào)理電路連接；第二調(diào)理電路與綜合控制電路連接。如上所述的第一調(diào)理電路和第二調(diào)理電路采用運算放大器實現(xiàn)；運算放大器采用P400集成4運放電路；位置傳感器選用旋轉(zhuǎn)電位器或直線電位器，電流傳感器選用F. ff. bell公司的NT-50磁阻式電流傳感器。如上所述的PWM電路由PWM控制與驅(qū)動器電路、死區(qū)時間發(fā)生電路和緩沖電路組成；PWM控制與驅(qū)動器電路與綜合控制電路、死區(qū)時間發(fā)生電路連接；死區(qū)時間發(fā)生電路還與緩沖電路連接。如上所述的PWM控制與驅(qū)動器電路選用TL494或UC1637，緩沖電路選用⑶4502與非門緩沖門電路。如上所述的光耦隔離電路還與功率驅(qū)動電路連接，它包括前級部分和后級部分；光耦隔離電路選用avago公司的HCPL5301光耦實現(xiàn)。 如上所述的功率驅(qū)動電路包括控制級部分和功率級部分，功率驅(qū)動電路選用持續(xù)電流負載能力75A、耐壓600V的IPM模塊實現(xiàn)。本實用新型的有益效果在于采用電源電路、綜合控制電路、位置反饋電路、電流反饋電路、PWM電路、光耦隔離電路和功率驅(qū)動電路，大幅提升了電動舵機系統(tǒng)的功率和性能指標(biāo)，拓寬了電動舵機的應(yīng)用領(lǐng)域。

圖I是本實用新型的一種快速響應(yīng)電動舵機用多回路控制與大功率驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)原理圖；圖2是死區(qū)發(fā)生電路的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型的一種快速響應(yīng)電動舵機用多回路控制與大功率驅(qū)動電路進行介紹如圖I所示,一種快速響應(yīng)電動舵機用多回路控制與大功率驅(qū)動電路,包括電源電路、綜合控制電路、位置反饋電路、電流反饋電路、PWM(Pulse Width Modulation脈沖寬度調(diào)制)電路、光耦隔離電路和功率驅(qū)動電路。電源電路與綜合控制電路、位置反饋電路、電流反饋電路、PWM電路、光耦隔離電路和功率驅(qū)動電路連接，為其提供各自所需的電壓。在本實施例中，電源電路包括控制電路一次電源、二次電源電路和大功率驅(qū)動電源?？刂齐娐芬淮坞娫磁c二次電源電路連接，為二次電源電路提供28. 5V的直流電壓。二次電源電路包括兩部分，分別為第一二次電源電路和第二二次電源電路。第一二次電源電路分別與綜合控制電路、位置反饋電路、電流反饋電路、PWM電路和光耦隔離電路(前級部分)連接，為其提供各自所需的電壓。第二二次電源電路分別與光耦隔離電路(后級部分)、功率驅(qū)動電路(驅(qū)動控制級部分)連接，為其提供各自所需的電壓。第一二次電源電路可選用28. 5V轉(zhuǎn)±15V，額定輸出O. 133A的混合集成電路；第二二次電源電路可選用28. 5V轉(zhuǎn)3路獨立+15V，每路額定輸出O. 08A的混合集成電路。大功率驅(qū)動電源與功率驅(qū)動電路的功率級連接，為其供電?？刂齐娐芬淮坞娫?、二次電源電路、大功率驅(qū)動電源均為現(xiàn)有技術(shù)，可從市場上購得。綜合控制電路還與PWM電路、位置反饋電路、電流反饋電路連接，它接收來自外界的舵偏控制信號、來自位置反饋電路的舵位置反饋信號和來自電流反饋電路的舵機電流反饋信號，向PWM電路發(fā)送模擬控制信號。綜合控制電路采用集成運算放大器根據(jù)上述三種輸入信號依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)對電動舵機位置和電流的雙環(huán)路控制。位置反饋電路還與電動舵機連接，它把電動舵機輸出機構(gòu)一如輸出軸、作動端等的轉(zhuǎn)角位置或位移位置轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電壓信號并輸送給綜合控制電路。位置反饋電路包括位置傳感器和第一調(diào)理電路。位置傳感器安裝在電動舵機的輸出機構(gòu)上，還與第一調(diào)理電路連接，將位置反饋信號發(fā)送給第一調(diào)理電路。第一調(diào)理電路與綜合控制電路連接，它將位置反饋信號的極性和幅值調(diào)整到綜合控制電路能夠接受的范圍內(nèi)，一般采用運算放大器實現(xiàn)。位置反饋電路可采用現(xiàn)有技術(shù)依據(jù)其功能實現(xiàn)，如位置傳感器根據(jù)電動舵機的輸出形式不同可選用旋轉(zhuǎn)電位器、直線電位器等，運算放大器選用op400集成4運放電 路。電流反饋電路還與電動舵機連接，它將電動舵機中伺服電機電樞電流轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電壓反饋信號并輸送給綜合控制電路。加入電流閉環(huán)反饋后，可以有效抑制舵系統(tǒng)在控制信號中耦合有超出舵系統(tǒng)頻帶的中、高頻干擾信號情況下舵機電流劇烈增加的現(xiàn)象。電流反饋電路主要由電流傳感器和第二調(diào)理電路組成，電流傳感器的主回路串聯(lián)在直流電機的電樞回路中，其輸出端與第二調(diào)理電路連接，電流傳感器用于測量電機電流，其測試電路則會輸出一個與所測量電流值成線性比例關(guān)系的電壓信號，并將該信號發(fā)送給第二調(diào)理電路連接，該電壓信號為雙極性，代表電機電流的兩個方向。第二調(diào)理電路與綜合控制電路連接，它將電流反饋信號的極性和幅值調(diào)整到綜合控制電路能夠接受的范圍內(nèi)，它一般采用運算放大器實現(xiàn)。電流反饋電路可采用現(xiàn)有技術(shù)依據(jù)其功能實現(xiàn)，如電流傳感器選用F. ff. bell公司的NT-50磁阻式電流傳感器，運算放大器選用op400集成4運放電路。PWM電路還與光耦隔離電路連接，它接收來自綜合控制電路的模擬控制信號，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字邏輯脈沖信號，并輸出到光耦隔離電路的前級。PWM電路由PWM控制與驅(qū)動器電路、死區(qū)時間發(fā)生電路、緩沖電路3部分組成(I)PWM控制與驅(qū)動器電路PWM控制與驅(qū)動器電路與綜合控制電路、死區(qū)時間發(fā)生電路連接。它將綜合控制電路輸出的模擬控制信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字邏輯脈沖信號。其輸入模擬信號的電壓值與輸出PWM信號的占空比(在一個開關(guān)周期內(nèi)，高電平或低電平持續(xù)時間所占的比例)成線性關(guān)系。PWM控制與驅(qū)動器電路可選用TL494、UC1637等常用的雙端控制集成電路元件采用現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)。(2)死區(qū)時間發(fā)生電路死區(qū)時間發(fā)生電路還與緩沖電路連接，它將PWM控制驅(qū)動器電路輸出的兩路極性完全相反的脈沖信號的上升沿與下降沿之間產(chǎn)生一段延遲時間，即稱為“死區(qū)”時間，并將該信號發(fā)送給緩沖電路。其作用是使H橋電路中同側(cè)橋臂的上、下兩只IGBT不會出現(xiàn)同時導(dǎo)通而導(dǎo)致電源“直通”短路的現(xiàn)象，而是使其中一只IGBT徹底關(guān)斷后，經(jīng)過一段“死區(qū)”時間后，另一只IGBT才導(dǎo)通。死區(qū)時間發(fā)生電路采用RC(電阻電容)電路采用現(xiàn)有技術(shù)試下，利用RC電路的充、放電時間常數(shù)，使PWM控制驅(qū)動器電路輸出的兩路極性完全相反的脈沖信號的上升沿與下降沿之間產(chǎn)生一段延遲時間。[0030]當(dāng)IPM的控制邏輯為低電平有效時，即驅(qū)動控制級為低電平，則功率驅(qū)動級的IGBT導(dǎo)通，死區(qū)發(fā)生電路應(yīng)采用圖2中所示的結(jié)構(gòu)。當(dāng)輸入為高電平時，由于二極管正向?qū)ㄗ饔?，電容充電很快，輸出端很快變?yōu)楦唠娖?；?dāng)輸入端變?yōu)榈碗娖綍r，由于二極管反向截止作用，電容中的電荷只能經(jīng)過電阻放電，放電時間由電阻值和電容值的乘積決定。如果IPM的控制邏輯為高電平有效，只需將圖2中的二極管極性反向連接使用即可。(3)緩沖電路緩沖電路對接收到的脈沖信號的上升沿或下降沿整形。緩沖電路的元件可選用“或門”、“或非門”等集成邏輯門電路采用現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)。在本實施例中，PWM控制電路選用TL494實現(xiàn)，死區(qū)時間為3. 3μ S，緩沖電路選用⑶4502與非門緩沖門電路。 光耦隔離電路還與功率驅(qū)動電路連接，它包括前級部分和后級部分，前級部分接收PWM電路輸出的PWM信號，后級部分輸出信號邏輯與輸入信號邏輯保持一致，并輸出到功率驅(qū)動電路的驅(qū)動控制級。光耦隔離電路由數(shù)字光耦及其外圍電阻、電容元件組成，用于隔離功率驅(qū)動電路在驅(qū)動電機時功率地線上產(chǎn)生的共模電磁干擾，使之不會傳遞到光耦前級之前的電路地線中，不會影響綜合控制電路、PWM電路、位置反饋電路、電流反饋電路的正常工作。在本實施例中，光耦隔離電路選用avago公司的HCPL5301光耦根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)。功率驅(qū)動電路包括控制級部分和功率級部分，控制級部分接收光耦隔離電路輸出的PWM信號，功率級部分按照PWM信號的頻率及占空比(在一個開關(guān)周期內(nèi)，高電平或低電平持續(xù)時間所占的比例)控制大功率半導(dǎo)體器件的通斷頻率及每個通-斷周期內(nèi)的導(dǎo)通(關(guān)斷)時間。通過控制大功率半導(dǎo)體器件在每個通-斷周期內(nèi)的導(dǎo)通時間在0% 100%之間變化，可以控制施加在電動舵機中的伺服電機上的平均電壓由OV 供電電壓之間變化，從而控制伺服電機的轉(zhuǎn)速。功率驅(qū)動電路選用持續(xù)電流負載能力75A、耐壓600V的IPM模塊根據(jù)其實現(xiàn)的功能運用現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)。IPM內(nèi)部集成了多只大功率IGBT，及IGBT的驅(qū)動控制電路、保護電路等。通過控制兩組IGBT門極脈沖電壓信號的占空比即可控制施加到電機上的電壓平均值即極性，從而控制電機的旋轉(zhuǎn)方向及轉(zhuǎn)速。本實用新型采用電源電路、綜合控制電路、位置反饋電路、電流反饋電路、PWM電路、光稱隔尚電路和功率驅(qū)動電路，大幅提升了電動航機系統(tǒng)的功率和性能指標(biāo)，拓寬了電動舵機的應(yīng)用領(lǐng)域。
權(quán)利要求1.一種快速響應(yīng)電動舵機用多回路控制與大功率驅(qū)動電路，其特征在于它包括電源電路、綜合控制電路、位置反饋電路、電流反饋電路、PWM電路、光耦隔離電路和功率驅(qū)動電路；電源電路與綜合控制電路、位置反饋電路、電流反饋電路、PWM電路、光耦隔離電路和功率驅(qū)動電路連接；綜合控制電路還與PWM電路、位置反饋電路和電流反饋電路連接；位置反饋電路還與電動舵機 連接；電流反饋電路還與電動舵機連接；PWM電路還與光耦隔離電路連接；光耦隔離電路還與功率驅(qū)動電路連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種快速響應(yīng)電動舵機用多回路控制與大功率驅(qū)動電路，其特征在于所述的電源電路包括控制電路一次電源、二次電源電路和大功率驅(qū)動電源；控制電路一次電源與二次電源電路連接；二次電源電路包括第一二次電源電路和第二二次電源電路；第一二次電源電路分別與綜合控制電路、位置反饋電路、電流反饋電路、PWM電路和光耦隔離電路前級部分連接；第二二次電源電路分別與光耦隔離電路后級部分和功率驅(qū)動電路驅(qū)動控制級部分連接；大功率驅(qū)動電源與功率驅(qū)動電路的功率級連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種快速響應(yīng)電動舵機用多回路控制與大功率驅(qū)動電路，其特征在于所述的第一二次電源電路選用28. 5V轉(zhuǎn)±15V、額定輸出O. 133A的混合集成電路；第二二次電源電路選用28. 5V轉(zhuǎn)3路獨立+15V、每路額定輸出O. 08A的混合集成電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種快速響應(yīng)電動舵機用多回路控制與大功率驅(qū)動電路，其特征在于所述的位置反饋電路包括位置傳感器和第一調(diào)理電路；位置傳感器安裝在電動舵機的輸出機構(gòu)上，還與第一調(diào)理電路連接；第一調(diào)理電路與綜合控制電路連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種快速響應(yīng)電動舵機用多回路控制與大功率驅(qū)動電路，其特征在于所述的電流反饋電路包括電流傳感器和第二調(diào)理電路，電流傳感器的主回路串聯(lián)在直流電機的電樞回路中，其輸出端與第二調(diào)理電路連接；第二調(diào)理電路與綜合控制電路連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的一種快速響應(yīng)電動舵機用多回路控制與大功率驅(qū)動電路，其特征在于所述的第一調(diào)理電路和第二調(diào)理電路采用運算放大器實現(xiàn)；運算放大器采用P400集成4運放電路；位置傳感器選用旋轉(zhuǎn)電位器或直線電位器，電流傳感器選用F. ff. bell公司的NT-50磁阻式電流傳感器。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種快速響應(yīng)電動舵機用多回路控制與大功率驅(qū)動電路，其特征在于所述的PWM電路由PWM控制與驅(qū)動器電路、死區(qū)時間發(fā)生電路和緩沖電路組成；PWM控制與驅(qū)動器電路與綜合控制電路、死區(qū)時間發(fā)生電路連接；死區(qū)時間發(fā)生電路還與緩沖電路連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種快速響應(yīng)電動舵機用多回路控制與大功率驅(qū)動電路，其特征在于所述的PWM控制與驅(qū)動器電路選用TL494或UC1637，緩沖電路選用CD4502與非門緩沖門電路。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種快速響應(yīng)電動舵機用多回路控制與大功率驅(qū)動電路，其特征在于所述的光耦隔離電路還與功率驅(qū)動電路連接，它包括前級部分和后級部分；光耦隔離電路選用avago公司的HCPL5301光耦實現(xiàn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種快速響應(yīng)電動舵機用多回路控制與大功率驅(qū)動電路，其特征在于所述的功率驅(qū)動電路包括控制級部分和功率級部分，功率驅(qū)動電路選用持續(xù)電流負載能力75A、耐壓600V的IPM模塊實現(xiàn)。
專利摘要本實用新型屬于功率驅(qū)動技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種快速響應(yīng)電動舵機用多回路控制與大功率驅(qū)動電路，目的是拓寬電動舵機應(yīng)用領(lǐng)域。它包括電源電路、綜合控制電路、位置反饋電路、電流反饋電路、PWM電路、光耦隔離電路和功率驅(qū)動電路；電源電路與其它電路連接；綜合控制電路還與PWM電路、位置反饋電路和電流反饋電路連接；位置反饋電路還與電動舵機連接；電流反饋電路還與電動舵機連接；PWM電路還與光耦隔離電路連接；光耦隔離電路還與功率驅(qū)動電路連接。本實用新型采用電源電路、綜合控制電路、位置反饋電路、電流反饋電路、PWM電路、光耦隔離電路和功率驅(qū)動電路，大幅提升了電動舵機系統(tǒng)的功率和性能指標(biāo)，拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域。
文檔編號B63H25/24GK202379084SQ20112047654
公開日2012年8月15日 申請日期2011年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月25日
發(fā)明者張新華, 曹東海, 王瑩, 紀志農(nóng), 那學(xué)智 申請人:北京自動化控制設(shè)備研究所