專利名稱：電機輸入端耦合尖峰吸收電路的制作方法
技術領域：
本發明屬于電機控制領域，主要涉及一種電機輸入端耦合尖峰電壓脈沖吸收電路，尤其涉及一種能夠對長距離PWM驅動電機的輸入端耦合尖峰電壓進行抑制的吸收電路。
背景技術：
目前電機驅動以PWM驅動方式為主。PWM驅動方式是向電機輸入端傳送一組PWM 載波(標準載波波形見圖1)，通過控制載波的占空比驅動電機轉動。PWM載波多以方波形式出現。在控制系統設計時，驅動控制部件與電機往往難以采用一體化設計方案，大多數情況下通過導線連接。當連接線過長時，在電機輸入端會耦合尖峰脈沖(見圖2，圖中電壓波形幅值高于82V以上和低于OV以下部分，實測值)。也就是說，尖峰電壓脈沖是由電纜分布電容和電機電感作用產生的虛電壓并疊加到PWM基波上；雖然，尖峰電壓的電流量很小， 蘊含能量也很小，但它可導致電機轉動時換向火花加大，甚至產生環火燒毀電機線圈；或者擊穿絕緣層；這些都會導致電機徹底損壞。電機端耦合尖峰脈沖的成因和解決方案即電機端子過電壓研究是目前電機驅動領域的熱點研究方向。傳統的解決方案不外乎兩個途徑，即盡可能減少傳輸線長度和采用吸收電路抑制尖峰電壓。減少傳輸線長度可有效減小尖峰電壓；但是在很多情況下受整機結構布局所限， 往往難以實現。目前可以采用的吸收電路為RC(電阻R、電容C) 一階吸波電路(見圖3)和LRC(電感L、電阻R和電容C) 二階吸收電路(見圖4)兩種形式。這兩種電路工作原理相同，都是利用低通濾波電路濾除尖峰電壓。這兩種吸收電路存在以下問題1)系統能耗加大。由于 PWM基波的電流較大，其高頻分量蘊含的能量遠大于尖峰電壓的能量，而上述濾波電路是對 PWM基波的高頻分量和尖峰電壓脈沖一起吸收的，因而濾波電路會加大基波的高頻能量損耗。此外，濾波電路發熱量較大，濾波電路中電阻R功率值一般需要幾十瓦到上百瓦，對儀器的熱效應設計和能耗設計不利。幻濾波電路參數較難匹配。其原因有兩方面，一是當尖峰電壓脈寬較大時，對應主頻與基波頻率較接近，無法配置參數；二是濾波參數設置與實際傳輸電纜的分布參數有關，儀器調試現場和安裝場所的傳輸環境難以完全一致，調試好的參數在儀器安裝完畢后不一定合適。幻尖峰電壓脈沖難以完全消除。這是由于濾波電路的本質決定的，濾波電路只能壓制干擾的幅值。二階濾波電路濾波品質較好些，但電樞回路中增加了電感L，對電機的動態性能也會產生影響。4)實現成本較高。電感、電阻、電容雖然是常用器件，但電感涉及到大電流；電阻為大功率無感電阻；電容要求高頻率響應和高耐壓； 這些器件通常需要單獨定制。

發明內容
本發明要解決的技術問題是，提供一種能耗低、通用性強、成本低廉的耦合尖峰吸波電路，以解決長距離PWM驅動電機端耦合尖峰電壓脈沖對電機可靠性的影響。為解決上述技術問題，本發明提供的耦合尖峰吸收電路集成在帶有多個接線端子的電路板上，其中，由多個電容并聯構成的穩壓電路并聯在驅動電源正極端子和電源地端子之間且穩壓電路的正極與驅動電源正極端子相接，第一和第三二極管的負極與驅動電源正極端子相連，第二和第四二極管的正極與電源地端子相連，第一二極管的正極、第二二極管的負極以及第一電機驅動端子均與第一驅動輸入端子相連，第四二極管的負極、第三二極管的正極以及第二電機驅動端子均與第二驅動輸入端子相連，第一至第四二極管均為快速恢復二極管；應用時，耦合尖峰吸收電路板安裝在力矩電機附近，所述第一驅動輸入端子、驅動電源正極端子、電源地端子、第二驅動輸入端子分別通過長引線與電機驅動單元的第一 PWM驅動輸出端、驅動電源輸出端、驅動電源地端、第二 PWM驅動輸出端一一對應相連， 所述第一電機驅動端子、第二電機驅動端子與力矩電機的第一輸入端和第二輸入端一一對應相連。根據本發明，所述穩壓電路含有第一至第五電容，第一電容為鋁電解電容，第二至第五電容為小容量陶瓷電容，第一電容的容值為100 μ F，第二至第五電容的容值均為 1 μ F ；所述第一至第四二極管的型號為MUR460。本發明的整體技術效果體現在以下幾個方面。(一)本發明所提供的尖峰吸收電路采用二極管的單向導通特性，僅僅對高于驅動電源電壓和低于電源地電壓的尖峰進行吸收，對PWM基波不起作用，故此能耗很低，經對實測二極管發熱量接近為零。由于本發明吸收電路與傳統的RC/LRC濾波電路相比，其能耗已小到可忽略不計的程度，因此，安裝在儀器內部不會對儀器的熱效應和能耗產生不利影響。(二)由于本發明的工作原理是二極管在電壓高于驅動電源電壓或者低于電源地電位時導通，此時只要保證驅動電源電壓相對于電源地電位穩定即可，僅需考慮器件的耐壓值，而不涉及電纜分布電參數、載波頻率等因素。此外，當使用環境等情況發生變化時，本發明中的電壓濾波穩定電路可直接保證驅動電源電壓相對于電源地電位穩定。因而，本發明不存在參數調整問題，具有很好的通配性。(三)當本發明吸收電路中的二極管導通時，電機端子和驅動電源或電源地導通， 無法產生疊加的耦合電壓脈沖，可有效吸收尖峰電壓而不涉及驅動電源和電源地之間的正常波形部分。因此，本發明基本可以消除尖峰電壓脈沖，與傳統的RC/LRC濾波電路相比，吸收尖峰電壓的效果非常明顯。(四)在本發明中，所使用的器件均為市場上的批量銷售產品，無定制要求，其成本為傳統RC/LRC濾波電路的幾十分之一。


圖1是力矩電機PWM載波的基本波型圖。圖2是力矩電機輸入端產生尖峰電壓的脈沖波形圖。圖3是RC —階吸收電路的原理圖。圖4是LRC 二階吸收電路的原理圖。圖5是本發明耦合尖峰吸收電路的電路圖。
具體實施例方式下面結合附圖及優選實施例對本發明作進一步的詳述。對于某型采用PWM方式驅動力矩電機的光電轉臺而言，其驅動單元距離力矩電機約55米。當光電轉臺使用一年后，力矩電機的絕緣層被擊穿且電機損毀，電機兩端產生如圖2所示的電壓波形，也就是說，耦合尖峰脈沖是力矩電機可靠性下降的主要原因。為了解決力矩電機的可靠性問題，并避免RC/LRC濾波電路帶來的副作用對光電轉臺帶來的不利影響。故申請人考慮在電機驅動單元和力矩電機之間增加一個采用基于快速恢復二極管形成的耦合尖峰吸收電路，通過二極管的單向導通特性，將力矩電機輸入端耦合的尖峰脈沖直接吸收掉。根據圖5所示，本發明優選實施例的耦合尖峰吸收電路含有第一至第四二極管 Dl D4和第一至第五電容Cl C5，并集成在帶有六個接線端子的電路板上，六個接線端子分別為驅動電源正極端子Vss、電源地GND端子、第一驅動輸入端子Ain、第二驅動輸入端子Bin、第一電機驅動端子Al和第二電機驅動端子Bi。第一至第五電容Cl C5均并聯在驅動電源正極端子Vss和電源地端子GND之間，Cl為電解電容，Cl正極接驅動電源正極端子Vss，Cl負極接電源地端子GND。第一和第三二極管Dl、D3的負極與驅動電源正極端子 Vss相連，第二和第四二極管D2、D4的正極與電源地端子GND相連，第一二極管Dl的正極、 第二二極管D2的負極以及第一電機驅動端子Al均與第一驅動輸入端子Ain相連，第四二極管D4的負極、第三二極管D3的正極以及第二電機驅動端子Bl均與第二驅動輸入端子 Bin相連。使用時，耦合尖峰吸收電路板安裝在力矩電機附近，第一驅動輸入端子Airu驅動電源正極端子Vss、電源地端子GND、第二驅動輸入端子Bin分別通過長引線(圖中虛線部分)與電機驅動單元的第一 PWM驅動輸出端Aout、驅動電源輸出端Vssout、驅動電源地端 GNDout、第二 PWM驅動輸出端Bout —一對應相連；第一電機驅動端子Al、第二電機驅動端子Bl分別通過短引線與力矩電機的第一輸入端A和第二輸入端B —一對應相連。這種基于快速二極管形成的耦合尖峰吸收電路只作用于耦合脈沖而排除了 PWM 基波，基本避免了 RC/LRC濾波電路會導致的不利影響。有別于傳統的電機驅動方式，本發明需要將電機驅動單元中的驅動電源輸出端 Vssout、驅動電源地端GNDout通過長引線接到力矩電機輸入端附近，以便為吸收電路提供脈沖能量吸收通道。故此對引線和信號品質都有要求。引線應具有一定的電流通過能力， 且盡可能對其完成屏蔽處理以減少電磁耦合效應。為消除長線電纜的分布電容、電感等對本發明吸收電路中驅動電源電壓穩定性產生的影響，在本發明的吸收電路上加裝了濾波電容Cl C5組合，對驅動電源電壓進行穩壓，以便進一步確保信號品質。其中，第一電容Cl 為普通的鋁電解電容，完成對驅動電源電壓低頻干擾分量的濾波；第二至第五電容C2 C5 為小容量陶瓷電容，完成對驅動電源電壓高頻干擾分量的濾波。在本優選實施例中，第一電容Cl的容值為100 μ F，其余第二至第五電容C2 C5的容值都為1 μ F。本發明中，對四個二極管Dl D4選擇的要求較高，即要求1)耐壓高，須考慮電機驅動電壓和耦合脈沖電壓(有的場合高達電機驅動電壓的2. 5倍以上)；2)啟動速度快， 須在盡可能短的時間內導通；3)考慮到作為吸收能量使用，必須具有一定瞬間大電流通過能力。市場上可供選擇的二極管型號不多。本發明優選實施例四個二極管Dl D4均采用快速恢復二極管MUR460，耐壓600V，過流4A，極限過流能力40A，反應時間35ns。
本發明對力矩電機兩個輸入端A、B的吸波過程相同，現以A端為例闡述其工作原理由Cl C5構成的電源電壓穩壓電路將對長引線傳輸的電源電壓進行濾波，使其穩定于驅動電源電壓的電位上。當力矩電機輸入端A上產生正向尖峰電壓脈沖(高于驅動電源電位)時，第一二極管Dl導通，第二二極管D2截止；高于驅動電源電壓的電壓脈沖通過第一二極管Dl流向驅動電源正極，此時力矩電機輸入端A的電壓保持為驅動電源電壓；當力矩電機輸入端A上產生負向尖峰電壓脈沖(低于驅動電源地OV電壓)時，第一二極管Dl 截止，第二二極管D2導通；低于電源地的電壓脈沖通過第二極管D2流向驅動電源地，力矩電機輸入端A的電壓保持為電源地的OV電壓。這樣，力矩電機輸入端A處高于驅動電源和低于電源地電位的電壓分量都被吸收，從而在力矩電機輸入端A形成標準的PWM驅動波形。
權利要求
1.一種電機輸入端耦合尖峰吸收電路，該電路集成在帶有多個端子的電路板上，其特征在于由多個電容并聯構成的穩壓電路并聯在驅動電源正極端子(Vss)和電源地端子 (GND)之間且穩壓電路的正極與驅動電源正極端子(Vss)相接，第一和第三二極管(D1、D3) 的負極與驅動電源正極端子(Vss)相連，第二和第四二極管(D2、D4)的正極與電源地端子 (GND)相連，第一二極管(Dl)的正極、第二二極管(擬)的負極以及第一電機驅動端子(Al) 均與第一驅動輸入端子(Ain)相連，第四二極管(D4)的負極、第三二極管(D!3)的正極以及第二電機驅動端子(Bi)均與第二驅動輸入端子(Bin)相連，第一至第四二極管(Dl D4) 均為快速恢復二極管；應用時，耦合尖峰吸收電路板安裝在力矩電機附近，所述第一驅動輸入端子(Ain)、驅動電源正極端子(Vss)、電源地端子(GND)、第二驅動輸入端子(Bin)分別通過長引線與電機驅動單元的第一 PWM驅動輸出端(Aout)、驅動電源輸出端(Vssout)Jg 動電源地端(GNDout)、第二 PWM驅動輸出端(Bout) —一對應相連，所述第一電機驅動端子 (Al)、第二電機驅動端子(Bi)與力矩電機的第一輸入端(A)和第二輸入端(B) —一對應相連。
2.根據權利要求2所述的電機輸入端耦合尖峰吸收電路，其特征在于所述穩壓電路含有第一至第五電容(Cl C5)，第一電容(Cl)為鋁電解電容，第二至第五電容(C2 C5) 為小容量陶瓷電容，第一電容(Cl)的容值為IOOyF,第二至第五電容(C2 C5)的容值均為1 μ F ；所述第一至第四二極管(Dl D4)的型號為MUR460。
全文摘要
本發明公開了一種電機輸入端耦合尖峰吸收電路，放置在PWM驅動方式力矩電機的輸入端，用于吸收電機輸入端的耦合尖峰電壓脈沖。該吸收電路由多個并聯電容構成的穩壓電路和四個快速恢復二極管組成，穩壓電路并聯在驅動電源和電源地之間，二極管兩兩串接后并接在穩壓電路的兩端，電機的第一、第二輸入端與串接的兩個二極管之間相連。本發明解決了長距離PWM驅動電機端耦合尖峰電壓脈沖對電機可靠性的影響，同時，還具有能耗低、通配性好、吸波效果明顯和成本低廉等特點。
文檔編號H02M1/14GK102510206SQ201110362550
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月15日 優先權日2011年11月15日
發明者劉小強, 宋曉明, 壽少峻, 李志宇, 柳井莉, 王紅紅, 趙創社, 邢軍智, 陸培國 申請人:中國兵器工業第二0五研究所