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    大功率步進電機怎么選電源?(WTH)
    2020年10月22日

    關鍵詞 經濟型數控 步進電機 驅動電源“八五”期間我校承擔了國家重點攻關課題和重慶市火炬計劃“大功率步進電機細分驅動電源的產業化生產”經過兩年多深入細致的研究與開發,現已研究成功bs308 、bs312 五細分大功率步進電機驅動系統,電機工作電流為8a、12a 兩軸驅動,并與重慶巴山儀器廠合作,成功地進行了經濟型數控車床控制系統的產業化生產。
      1  大功率驅動源存在問題

           80 年代以來,我國開發研制的經濟型數控車床的控制系統,軟、硬件在應用中還存在一些問題。如驅動系統工作發熱,可靠性低、燒大功率管、低頻振蕩、矩頻特性差及功能不齊等,成為推廣應用經濟型數控車床的難題,也成為大功率驅動電源產業化不可逾越的鴻溝。針對以上大功率驅動電源出現的問題,我們對使用較普遍的110bf 系列、130bf 系列、反應式步進電機細分驅動電源從理論上進行分析研究,建立高頻斬波步進電機伺服驅動系統的數學模型。在對數學模型進行計算機仿真運行的基礎上,對伺服驅動系統綜合性能和輸入電壓電流參數進行分析,得知驅動系統的輸入電壓、電流值對運行矩頻特性影響較大。如輸入電壓過低,矩頻特性指標差,高頻時輸出力矩不夠,滿足不了使用技術要求;如輸入電壓過高,雖然高頻輸出力矩大,但低頻運行振蕩嚴重,會直接影響加工精度。
      2  大功率步進電機驅動源低頻振蕩

            2.1  倍壓、倍流控制方式

           當電機運行在低頻加工段時,采用低壓額定電流控制方式,確保加工無低頻振蕩,提高精度;運行在高速大力矩狀態時,加入倍流倍壓控制,提高輸出力矩。
      如當步進電機工作頻率在1000hz 以下,工作電壓為130v dc;工作頻率在1000hz 以上,工作電壓為180vdc ,步進電機在高頻運行(如頻率在3000hz 以上) 加倍流。為此采用計算機軟件與電子線路相結合來完成開關倍壓和倍流的控制方法。
      根據步進電機運行的頻率,由計算機軟件發出控制信號,電子線路由光電耦合器隔離傳輸信號,通過集成電路4069 、mc1413 及模塊控制倍流的增加,通過可控硅來控制倍壓的增加。這樣可靠性一下提高許多,存在的高頻力矩不夠、低頻振蕩的問題都圓滿地解決了。另外,當電機處于鎖緊狀態時,由軟件發出控制信號,電機工作在半電流鎖緊狀態。
      2.2  五細分步進電機驅動電源

              為提高步進電機工作精度,進一步減少低頻振蕩,采用了計算機軟件與電子線路相結合的方式。即由計算機發出脈沖信號電子線路來完成步進電機五細分的工作,使原來1 個脈沖信號步進電機走1 大步即0. 75°( 附圖a ) , 精確到1 個脈沖步進電機走5 小步, 即0. 75°÷5 = 0. 15°(附圖b) ,從而大大提高了步進電機的低頻運行精度,進一步減小步進電機低頻振蕩。在普通c620 車床上可確保±2μm 的加工精度。

          3  限電壓、過電流及過熱的保護

            在步進電機細分驅動系統中為了提高驅動系統的可靠性、穩定性、設計了驅動電源的“限電壓”、“過熱”及“過電流”保護線路。該線路已申請國家專利。
      3.1  限電壓保護

           在實際應用中,由于我國電網狀況差,工作現場的電壓波動較大,在實際工作中電機低頻運行在80v dc 也能正常工作,所以低壓不作保護。而在外電壓超過額定值百分之20 時,保護線路起作用,但不象傳統的保護線路將驅動電源切斷,而是使工作電壓穩定限制在180v dc 以下。驅動電源不會因外電壓忽高忽低影響工作。
      此工作是由電阻分壓電路在步進電機工作高壓取樣,在運算器lm393 上進行比較,再由光電耦合器進行隔離傳輸,觸發可控硅控制開關步進電機工作高壓完成。
      3.2  過電流保護

           步進電機運行中,大功率管的二次擊穿是一個最頭痛的問題,即使在調試中稍不注意也會將功率管損壞。為此,設計了過電流保護線路。當驅動線路出故障或電機相線短路,使某相工作電流瞬間超過額定百分之30 時過電流保護線路起作用。此時過流指示燈亮,將該相輸入控制信號關閉;通過報警信號線向計算機報警。計算機自動發出關斷高壓控制信號,關斷高壓,避免大功率管燒壞。此保護線路是電路切斷脈沖信號與計算機關斷工作電源起雙保護作用。

     3.3  過熱保護

           步進電機驅動系統的過熱保護是保證系統穩定運行的關鍵。我們設計的bs308 、bs312 驅動電源,在室溫40 ℃通風正常的情況下,散熱器上的溫度僅在55~65 ℃。當發生意外使散熱風機停轉或環境溫度過高時,都會導致驅動電源散熱器溫度上升,當散熱器溫度達到70 ℃時,過熱保護電路將自動關掉高壓,使功率管工作電流為0 ,電機停轉,此時過熱指示燈亮。
      過熱保護線路是由溫敏電阻在驅動源散熱器上取得溫度轉換后的電壓變化信號,通過運算放大器lm393 進行比較,將所得結果再通過集成電路mc1413 放大,如果溫度超過標準值,信號將通過光電耦合器,觸發可控硅關斷步進電機工作電壓,步進電機停止運行,技術人員進行及時處理。
      4  結束語

         vmosfet 高頻恒流斬波步進電機伺服驅動技術是我所多年來開發研制數十種驅動電源的成熟技術,而近年研制成功的bs308 、bs312 細分驅動電源又在原來基礎上大大地進了一步。在該驅動系統中,采用大功率vmos 管和igbt 混合電路,利用vmos 管開關頻率高的特性,完成斬波工作,而igbt 飽和壓降低,發熱量小,作相選通控制,這樣驅動電源效率高,無二次擊穿,可靠性大大提高。
      bs308 、bs312 已在航天部重慶巴山儀器廠進行了各種技術參數的測試及高低溫老化實驗,整機性能指標完全符合標準,并通過鑒定,目前正進行批量生產。

    聯系人:王工  18501531992

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