[发明专利]一种基于GaN功率器件的超高速主轴控制器

说明书

本发明涉及一种基于GaN功率器件的超高速主轴控制器，其包括第一AC/DC电源转换电路、母线制动电路、第二AC/DC电源转换电路、功率控制模块和主控制模块；所述第一AC/DC电源转换电路和第二AC/DC电源转换电路分别将外部输入交流AC转换为DC功率部分及DC24V控制部分的直流电；所述DC24V控制部分的直流电输入所述主控制模块；所述DC功率部分的直流电经所述母线制动电路后输入所述功率控制模块，所述功率控制模块与所述主控制模块进行信息交互，由所述功率控制模块控制电机的高速主轴工作状态。本发明提高了逆变器的开关频率，并实现了单周期控制的目的，从而提高整体系统的稳定性。

技术领域

本发明涉及一种高速主轴控制器，特别是关于一种基于GaN功率器件的超高速主轴控制器(转速高于6万转/分(rpm)的超高速主轴电机)。

背景技术

目前的高速主轴控制器(转速高于1万转/分(rpm)的主轴电机)中逆变器部分都采用IGBT或MosFET等传统的功率器件，使得逆变器部分的开关频率较低，在输出较高的基波频率时逆变器输出的载波比也较低，从而导致主轴控制器在带高速的主轴工作时输出的基波电流很差，直接影响到主轴电机工作的温度、震动、精度及噪声。并且随着开关频率的提高，采用传统的功率器件IGBT或MosFET的高速主轴控制器中器件的功率损耗会增大很多，系统的带负载容量会下降很多。

另一方面传统的高速主轴控制器多采用ARM+DSP+FPGA的处理器结构，在这种传统的结构中通常核心的电机算法在DSP中实现，FPGA中进行一些简单的控制逻辑及保护等功能，ARM中主要完成和上位机及外围(RS232、RS4485、CAN、以太网、USB等)的通信功能。这种传统的拓扑不但在硬件设计研发上较为复杂，且硬件成本也较高，在系统调试时也极其麻烦，最主要的瓶颈是ARM、DSP、FPGA之间需要总线进行互相通信，由于总线需要在PCB上进行走线，为了保证总线的时序收敛通常通信速率较慢，且在工业现场较为复杂时很容易因为干扰而导致传输数据错误，从而影响整个系统的稳定性。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于GaN功率器件的超高速主轴控制器，提高了逆变器的开关频率，并实现了单周期控制的目的，从而提高整体系统的稳定性。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于GaN功率器件的超高速主轴控制器，其特征在于：它包括第一AC/DC电源转换电路、母线制动电路、第二AC/DC电源转换电路、功率控制模块和主控制模块；所述第一AC/DC电源转换电路和第二AC/DC电源转换电路分别将外部输入交流AC转换为DC功率部分及DC24V控制部分的直流电；所述DC24V控制部分的直流电输入所述主控制模块；所述DC功率部分的直流电经所述母线制动电路后输入所述功率控制模块，所述功率控制模块与所述主控制模块进行信息交互，由所述功率控制模块控制电机的高速主轴工作状态。

进一步，所述功率控制模块包括母线过电压过电流保护电路、控制器过温保护电路以及由三个GaN半桥电路组成的三相两电平的逆变器；所述主控制模块向三个所述GaN半桥电路发送控制信号，所述逆变器在所述主控制模块控制下工作；所述母线过电压过电流保护电路和控制器过温保护电路的实时工作状态输出至所述主控制模块，所述主控制模块根据接收到的信号输出相应的控制信号，并进行显示。

进一步，每个所述GaN半桥电路均包括半桥驱动芯片电路和GaN器件外围驱动电路；所述半桥驱动芯片电路包括驱动芯片、上拉使能电阻、第一电源旁路电容、第二电源旁路电容和硬件死区时间设定电阻；所述驱动芯片的使能引脚ENABLE与所述上拉使能电阻一端连接，所述上拉使能电阻另一端与所述第一电源旁路电容的一端、第二电源旁路电容的一端连接；所述第一电源旁路电容的另一端、第二电源旁路电容的另一端均接地；数据引脚DT经所述硬件死区时间设定电阻接地；所述驱动芯片的输出引脚与所述GaN器件外围驱动电路连接。