岳宗帥 齊 沖 苗世亮 張麗玉 林強(qiáng)強(qiáng) 李 宏

（北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所 航天伺服驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室,北京 100076）

為滿足產(chǎn)品安裝空間小、功質(zhì)比要求高的特點(diǎn),本文提出了一種高度集成化智能機(jī)電作動(dòng)器方案將控制驅(qū)動(dòng)模塊和機(jī)電作動(dòng)器集成一體化設(shè)計(jì)方案,其中控制驅(qū)動(dòng)模塊是產(chǎn)品的控制核心。高功率密度控制驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能機(jī)電作動(dòng)器的關(guān)鍵技術(shù)之一。

控制驅(qū)動(dòng)模塊主要實(shí)現(xiàn)的功能是：與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)以太網(wǎng)、422 數(shù)字總線通信,采集機(jī)電作動(dòng)器狀態(tài)參數(shù),經(jīng)過(guò)閉環(huán)運(yùn)算后輸出控制量,驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng),進(jìn)而控制機(jī)電作動(dòng)器按照指令動(dòng)作?？刂乞?qū)動(dòng)一體化設(shè)計(jì)是電子控制、功率驅(qū)動(dòng)、信號(hào)檢測(cè)、電磁轉(zhuǎn)換和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等多技術(shù)的優(yōu)化綜合,需要將控制器、驅(qū)動(dòng)器、傳感器、電機(jī)等部組件在狹小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)有機(jī)融合,才能實(shí)現(xiàn)最佳的體積、重量和功率結(jié)合。在控制驅(qū)動(dòng)一體化設(shè)計(jì)過(guò)程中,除了控制精度、響應(yīng)速度、可靠性等指標(biāo)外,更加重要的是從系統(tǒng)角度出發(fā),如何將各部分集成在一起而互不干擾。本項(xiàng)目研制攻關(guān)時(shí)旨在突破強(qiáng)干擾環(huán)境下高功率密度控制驅(qū)動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)：

（1）高功率密度、集成模塊化控制驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)技術(shù)；（2）多組件機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；（3）高功率密度下驅(qū)動(dòng)電路熱設(shè)計(jì)技術(shù)；（4）強(qiáng)干擾電磁環(huán)境下電磁兼容設(shè)計(jì)；（5）力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)。

1 控制驅(qū)動(dòng)模塊平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 高功率密度、集成模塊化控制驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

控制驅(qū)動(dòng)模塊采用DSP+FPGA+IGBT 方案,該方案通過(guò)數(shù)字通信總線與控制系統(tǒng)通訊,采集機(jī)電作動(dòng)器運(yùn)行參數(shù),經(jīng)過(guò)閉環(huán)運(yùn)算后輸出控制量,驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)而控制機(jī)電作動(dòng)器按照指令動(dòng)作?？刂乞?qū)動(dòng)電路主要包括DC/DC 電源變換電路、信號(hào)調(diào)理電路、保護(hù)電路、實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通訊電路、RS422 通信電路、絕對(duì)式編碼器通訊電路和驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)

控制驅(qū)動(dòng)模塊可接受18～40V 直流電源輸入,經(jīng)電源濾波及變換單元,提供控制平臺(tái)及負(fù)載系統(tǒng)所需的多路電源變換。

1.1.2 中心處理單元電路設(shè)計(jì)

中心處理單元基于DSP 處理器開(kāi)發(fā),其具有32 位的浮點(diǎn)運(yùn)算精度、處理能力可達(dá)到150MIPS 等優(yōu)點(diǎn)。DSP處理電路為整個(gè)控制驅(qū)動(dòng)器的組成核心,其主要功能有為：與上位機(jī)通信；通過(guò)片上AD 采集電機(jī)相電流信號(hào)、電機(jī)旋轉(zhuǎn)變壓器、機(jī)電作動(dòng)器位移傳感器信號(hào)；并對(duì)機(jī)電作動(dòng)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(zhuǎn)換器。DSP 芯片A/D 轉(zhuǎn)換器采集精度可通過(guò)軟件校正,達(dá)到1%左右。片上A/D 在25MHz 的ADC 時(shí)鐘上時(shí)鐘可達(dá)80ns。FPGA芯片選用xilinx 公司Kintex7 系列的可編程硬件控制邏輯,實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信、電流截至反饋、上電PWM 信號(hào)關(guān)斷控制等邏輯控制功能。

1.1.3 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通訊電路

高速實(shí)時(shí)以太網(wǎng)終端卡以一片Xilinx 公司Z7 系列為核心,外圍擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)PHY 等器件,完成終端卡所需的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)、鏈路層協(xié)議處理、傳輸層協(xié)議處理等功能。高速實(shí)時(shí)以太網(wǎng)終端卡的總體框圖如圖2 所示。

圖2 高速實(shí)時(shí)以太網(wǎng)邏輯框圖

1.1.4 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)板的主要功能是接收PWM控制信號(hào)并轉(zhuǎn)化為IGBT 驅(qū)動(dòng)信號(hào),驅(qū)動(dòng)IGBT 將270V 功率電轉(zhuǎn)化為三相交流電,從而驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)做直線運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)板的主要功能包括：IGBT 驅(qū)動(dòng)電路、電流檢測(cè)電路、母線電壓檢測(cè)電路、母線濾波電路系統(tǒng)組成如圖3 所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)板內(nèi)部原理圖

1.2 多組件機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

控制驅(qū)動(dòng)模塊嵌入在智能機(jī)電作動(dòng)器內(nèi),省去控制驅(qū)動(dòng)模塊與機(jī)電作動(dòng)器之間的電纜網(wǎng)和連接器,使得伺服整體結(jié)構(gòu)尺寸調(diào)整,內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局調(diào)整,電路布局布線重新設(shè)計(jì)。

控制驅(qū)動(dòng)模塊分為控制部分和驅(qū)動(dòng)部分,控制部分包括電源板和控制板兩塊板組成,驅(qū)動(dòng)部分由驅(qū)動(dòng)板和薄膜電容組成。電源板通過(guò)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(guò)柔性印制板連接；控制板通過(guò)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(guò)超微矩形電連接器J63（A）與驅(qū)動(dòng)板連接。控制部分安裝作動(dòng)器前部作動(dòng)桿上方,驅(qū)動(dòng)部分安裝在電機(jī)上方。

薄膜電容采用專用定制款電容模組,根據(jù)安裝空間設(shè)計(jì)電容模組外形,使結(jié)構(gòu)更緊湊,經(jīng)過(guò)與廠家初步溝通,尺寸75×110mm,高度20～25mm 可以實(shí)現(xiàn)約575V 100uf 的薄膜電容值。薄膜電容結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)保留DC 和AC 接線位置,便于接線的同時(shí)可以起到一定絕緣保護(hù)功能。

1.3 高功率密度下驅(qū)動(dòng)電路熱設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路的熱設(shè)計(jì)方案拋棄傳統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)器殼體作為散熱面的設(shè)計(jì),將控制驅(qū)動(dòng)模塊安裝固定于散熱板上,并通過(guò)減振器將散熱板整體固定于電機(jī)上方。設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)模塊部分疊層順序?yàn)殡娙菽＝M→驅(qū)動(dòng)板→IGBT→導(dǎo)熱絕緣墊→散熱板→減振器→電機(jī)。

鋁合金散熱板將功率器件工作過(guò)程中散發(fā)的熱量快速有效地傳導(dǎo)至整個(gè)散熱板,確保功率器件局部溫度不會(huì)在短時(shí)高負(fù)載工況下過(guò)熱,導(dǎo)致功率器件失效。本設(shè)計(jì)通過(guò)以下幾點(diǎn)確保產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)滿足使用要求：

（1）經(jīng)過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì),提高電機(jī)工作電壓及力矩系數(shù),在輸出力矩時(shí)需求的相電流降低,因此電機(jī)及功率器件發(fā)熱均降低。

（2）相電流降低后,功率器件導(dǎo)通損耗及開(kāi)關(guān)損耗均能降低,功率器件總耗散功率降低,發(fā)熱減小。

（3）驅(qū)動(dòng)模塊與電機(jī)之間通過(guò)導(dǎo)熱率較低的柔性非金屬材料填充,實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)驅(qū)動(dòng)模塊緩慢向電機(jī)散熱。

利用Infineon 公司提供的IPOSIM開(kāi)展熱設(shè)計(jì)計(jì)算,在產(chǎn)品執(zhí)行正弦信號(hào)時(shí)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(yàn)IGBT 總損耗為70W；按照正弦信號(hào)工作兩個(gè)周期共50s和掃頻試驗(yàn)50s 計(jì)算,共計(jì)發(fā)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(jié)溫Tj 為90.3℃。熱設(shè)計(jì)計(jì)算如圖4 所示。

圖4 熱設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果

1.4 強(qiáng)干擾電磁環(huán)境下電磁兼容設(shè)計(jì)

電機(jī)與功率器件是主要的電磁干擾來(lái)源,設(shè)計(jì)上將功率驅(qū)動(dòng)電路布局在電機(jī)上部,將主要干擾源集中防護(hù),且縮短了電機(jī)與功率驅(qū)動(dòng)電路之間的線纜長(zhǎng)度,避免強(qiáng)電線纜靠近弱電端走線。

控制電路布局在作動(dòng)筒上部,盡量遠(yuǎn)離強(qiáng)電干擾源；提高弱電電路的抗擾能力,針對(duì)功率器件開(kāi)關(guān)頻率基波及其高次諧波針對(duì)性設(shè)計(jì)濾波防護(hù)；信號(hào)線纜采用雙絞屏蔽線傳輸,如果必要可安裝磁環(huán)抑制共模干擾；模擬量信號(hào)包地保護(hù)處理；關(guān)鍵信號(hào)如電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和線位移信號(hào)采用數(shù)字信號(hào)傳輸,提高抗繞能力。

通過(guò)電磁屏蔽條實(shí)現(xiàn)控制驅(qū)動(dòng)部分殼體與作動(dòng)器金屬結(jié)構(gòu)件之間的電磁密封,避免強(qiáng)電磁輻射影響彈上其他設(shè)備,密封條位于殼體凹槽內(nèi)部,通過(guò)壓縮變形保證接觸平面連續(xù)。

1.5 力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

電子產(chǎn)品采用緊湊化、扁平化設(shè)計(jì),避免多層層疊安裝導(dǎo)致振動(dòng)量級(jí)放大；通過(guò)試驗(yàn)研究分析控制驅(qū)動(dòng)模塊的力學(xué)環(huán)境特性,合理選用沖擊緩沖材料緩解振動(dòng)沖擊強(qiáng)度；控制驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)部通過(guò)板級(jí)減振器固定安裝,以適應(yīng)力學(xué)環(huán)境條件,提高抗振能力。

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

驅(qū)動(dòng)電路安裝在散熱板上,外包絡(luò)尺寸為75mm×110mm,采用M5 的非金屬減震器減振器安裝于機(jī)電作動(dòng)器的電機(jī)上部,減振器選用非金屬減振器產(chǎn)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(qū)動(dòng)電路重量約為850g,滿足使用要求。

2 永磁同步電機(jī)加載試驗(yàn)

考核電機(jī)、控制驅(qū)動(dòng)模塊和控制軟件匹配性,驗(yàn)證電機(jī)的輸出能力對(duì)產(chǎn)品的滿足性。通過(guò)地面功率電源為控制驅(qū)動(dòng)模塊提供270V 的直流動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電能,通過(guò)產(chǎn)品測(cè)試儀為控制驅(qū)動(dòng)模塊提供28V 控制電,并通過(guò)以太網(wǎng)總線與控制驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行通訊和數(shù)據(jù)交互,控制集成式機(jī)電作動(dòng)器按照指令運(yùn)動(dòng),試驗(yàn)原理框圖如圖5 所示。

圖5 產(chǎn)品地面驗(yàn)證試驗(yàn)原理框圖

其測(cè)試方法為伺服控制模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)按照設(shè)定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行穩(wěn)定工作,通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)矩加載設(shè)備對(duì)電機(jī)輸出軸施加規(guī)定的負(fù)載力矩,測(cè)試電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩條件下的工作性能,此次試驗(yàn)加載的力矩分別為8Nm,12Nm 和16Nm,設(shè)定的時(shí)間20s,試驗(yàn)中控制器給定轉(zhuǎn)速分別為4400r/min,4000r/min 和3500r/min,帶載試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 電機(jī)負(fù)載特性試驗(yàn)

3 結(jié)論

本項(xiàng)目高功率密度、集成模塊化控制驅(qū)動(dòng)模塊已完成電機(jī)負(fù)載特性試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1 滿足設(shè)計(jì)要求。5Kw 控制驅(qū)動(dòng)模塊的研制及成功應(yīng)用,其集成模塊化設(shè)計(jì)思路可提高大功率電力電子產(chǎn)品機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平。該項(xiàng)目在控制驅(qū)動(dòng)模塊研制過(guò)程中采用了多組件機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路熱設(shè)計(jì)技術(shù)、電磁環(huán)境下電磁兼容設(shè)計(jì),并創(chuàng)新的應(yīng)用了板級(jí)減震器等板級(jí)減震器固定安裝,以適應(yīng)力學(xué)環(huán)境條件,提高產(chǎn)品的抗振能力,提高了控制驅(qū)動(dòng)模塊的力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)水平和可靠性有重要意義。