CN108023332A - 一种高响应伺服驱动的欠过压保护装置和方法 - Google Patents

一种高响应伺服驱动的欠过压保护装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高响应伺服驱动的欠过压保护装置和方法，装置包括：开关电源、电压检测电路、电压参考电路和比较电路；所述开关电源与电压检测电路、比较电路顺序连接，所述电压参考电路与开关电源、比较电路连接；所述开关电源输入端用于输入母线电压。方法包括开关电源将母线电压缩放后发送至电压检测电路；电压检测电路进行反向、滤波后得到检测电压发送至比较电路；电压参考电路将开关电源输出电压转换成参考电压输入至比较电路；比较器将参考电压和检测电压进行比较，得到电平信号用于判断母线电压的过压。本发明针对性强，不同工况造成的欠过压要求不同，采用分级保护的措施，利用率和使用寿命变长。

Description

一种高响应伺服驱动的欠过压保护装置和方法
技术领域
本发明属于数控伺服控制领域，具体的说是一种高响应伺服驱动的欠过压保护方法。
背景技术
高性能交流伺服***作为高速高精密数控机床、高速数字化机械、集成电路制造和封装设备等的重要驱动装置，在现代化机电设备中得到广泛的应用。随着产品加工质量的要求越来越高，对交流伺服***的性能要求也越来越苛刻。进给伺服***的响应能力很大程度上决定了数控***的加工精度、表面质量和生产效率，高响应已经成为高性能伺服的重要标志。
同时，伺服控制器保护***的稳定性和可靠性也是伺服控制***的性能指标之一。伺服工作时经常会遇到各种工作状况，如：过载、负载短路、桥臂直通、过高的电流增长率、过高的电压增长率、散热不好或者故障导致器件过热等，这些因素都会影响伺服的正常工作。特别是在恶劣的工业环境下，保护***还会经常出现误保护或者保护缓慢的现象，进而导致***工作不正常甚至损坏器件。随着交流伺服技术研究的不断深入，***保护环节的合理设计成为非常重要的内容之一。一个控制***能否正常工作，除了各环节能保证正常工作，还要考虑一些外在干扰因素对***的影响，***应具有自我保护功能。完善的保护环节，不仅可以延长装置的使用寿命，也使其可靠性大为提高。
随着先进制造业的发展，对伺服驱动的性能要求也越来越高。高品质的伺服应具备快速的动态响应特性，以使***具有良好的动态跟随性能，尽快消除负载扰动对电机速度的影响。而要实现高响应，必须要面临的一个问题就是在启停，特别是换向时对机械的冲击。传统的高响应伺服由于这种冲击造成过压损坏的故障率一直很高，因此，在充分发挥电机性能，保证伺服快速响应的同时如何设计一套具有实时性强和稳定可靠的伺服控制器保护***显得尤为重要。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种高响应伺服驱动的欠过压保护方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高响应伺服驱动的欠过压保护装置，包括：开关电源、电压检测电路、电压参考电路和比较电路；
所述开关电源与电压检测电路、比较电路顺序连接，所述电压参考电路与开关电源、比较电路连接；所述开关电源输入端用于输入母线电压。
所述开关电源包括变压器以及与其连接的电压缩放电路和整流滤波器；所述电压缩放电路的输入端和整流滤波器的输入端均与变压器输出端连接；电压缩放电路的输出端与电压检测电路连接；整流滤波器输出端与电压参考电路连接。
所述电压缩放电路包括二极管、电阻和电容；二极管的负极与变压器输出端连接，正极经电阻R11、并联的电阻和电容后接地；电容还并联有滤波电路；滤波电路正输出端与电压检测电路输入端连接，滤波电路正输出端与负输出端之间连有可变电阻。
所述电压检测电路包括电阻、反向比例放大器、滤波器和二极管；所述反向比例放大器的输入端通过电阻与电压缩放电路输出端连接，反向比例放大器的输出端通过滤波器输出检测电压至比较电路；滤波器输出端与第一二极管正极、第二二极管负极连接，第一二极管负极与电源连接，第二二极管正极接地。
所述比较电路包括多个比较单元；每个比较单元包括顺序连接的运算放大器和反相器；运算放大器的正向输入端、反向输入端分别与电压参考电路输出端、电压检测电路输出端连接，正向输入端、反向输入端之间连有电容，电源端与电源连接，接地端接地，输出端还通过电阻与电源连接；运算放大器的输出端经至少一个反相器后输出电平信号用于监控电压。
一种高响应伺服驱动的欠过压保护方法，包括以下步骤：
开关电源将母线电压缩放后发送至电压检测电路；
电压检测电路将缩放后的电压经反向比例放大器进行反向，经滤波后得到检测电压发送至比较电路的输入端；
电压参考电路将开关电源中整流滤波器输出的电压转换成参考电压输入至比较电路的另一输入端；
比较器将参考电压和检测电压进行比较，得到电平信号判断母线电压的过压和欠压；过压和欠压时关断IGBT逆变电路的控制信号，并报警。
所述开关电源将母线电压缩放后发送至电压检测电路包括以下步骤：
开关电源中变压器一次侧、二次侧的电压比等于匝数比时，根据一次侧电压和匝数比得到二次侧电压；
二次侧电压经滤波后得到反应母线电压大小的电压。
所述得到电平信号判断母线电压的过压和欠压具体为：
当反相器个数为奇数时，输出电平信号为高电平，表示过压；
当反相器个数为偶数时，输出电平信号为低电平，表示欠压；
其他为正常状态。
过压时，当电压检测电路输出的检测电压值超过泻放电压报警点时，打开泻放回路使母线电压降低。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.针对性强，不同工况造成的欠过压要求不同，采用分级保护的措施，利用率和使用寿命变长；
2.根据过压的大小采用不同的处理方式，在保证伺服和电机不被损坏的同时充分发挥其性能，达到高速、高响应的要求；
3.除了各环节能保证正常工作外,还要考虑各种应用现场环境复杂，一些外在干扰因素对伺服的影响，避免伺服误动作，提高其可靠性；
4.对高速、高精度、高响应伺服采用的欠过压保护方法在防止伺服误动作的同时可进行有效保护，极大的增强了伺服驱动的可靠性。
附图说明
图1为本发明的结构原理图；
图2为本发明的电压缩放电路；
图3为本发明的电压检测电路图；
图4a为参考电压电路图一；
图4b为参考电压电路图二；
图5a为比较单元电路图一；
图5b为比较单元电路图二；
图5c为比较单元电路图三。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明属于数控伺服控制领域，具体的说是一种新颖的伺服驱动的欠过压及泻放保护方法。本发明通过对伺服驱动器电压检测环节的研究，在常规伺服***的结构上建立起欠过压保护模型，提出了一种对伺服驱动器欠压和过压时进行有效保护的一种方法，经论证该方法可安全可靠的实现伺服的快速报警
一种伺服驱动的欠过压保护方法，利用开关电源变压器正激时的母线电压变化，检测出当前母线电压的状态；设置三个检测点，分别是欠压保护点，泻放回路开启点，过压保护点。检测到的母线电压经过分压折算后分别与这三个点进行比较，并将结果反馈到DSP内产生相应的报警和保护动作。
根据检测母线电压的方式，检测出母线电压大于420伏(对应参考电压为2.74伏)即可视为驱动器过压，此时产生报警信号。
根据对伺服驱动器母线电压的检测，检测出母线电压大于380伏(对应参考电压为2.48伏)且小于420伏时打开泻放回路以降低母线电压；
根据对伺服驱动器母线电压的检测，检测出母线电压小于190伏(对应参考电压为1.24伏)即可视为驱动器母线欠压，此时产生欠压报警信号；
专用驱动模块在针对大功率伺服时为芯片EXB841、M57962L、IR2110中的一种，在针对中小功率伺服时为HCPL-316J、ACPL-332J、PC929中的一种。
检测母线电压的方式为：利用反激式变换器正激期间母线电压与二次侧电压成匝数正比时去快速检测母线电压。
对伺服电机三相上的检测，具体为：利用伺服电机三相上的霍尔电流传感器或采样电阻得到采样值，将其通过运放后经A/D进行检测。
一种高响应伺服驱动的欠过压保护方法，包括：
根据开关电源正激期间检测到母线电压变化，检测出母线电压大于420伏的过压状态，关断IGBT，并给出过压报警信号；
根据检测母线电压的方式，检测出母线电压大于380伏且小于420伏时打开泻放回路，将母线上的多余能量通过泻放电阻消耗掉将母线上的电压降低。如果能量过大导致母线电压冲过420伏则产生过压报警，并切断控制信号输出到IGBT；
根据对伺服驱动器母线电压的检测，如果母线电压小于190伏则认为驱动器欠压，此时需要关断IGBT，并给出欠压报警信号；
所述专用驱动模块在针对大功率伺服时为芯片EXB841、M57962L、IR2110中的一种，在针对中小功率伺服时为HCPL-316J、ACPL-332J、PC929中的一种。
所述检测母线电压的方式为：在开关电源变压器正激期间通过匝数比的关系在二次侧检测出母线电压；
所述对伺服电机三相上的检测，具体为：利用伺服电机三相上的霍尔电流传感器或采样电阻得到采样值，将其通过运放后经A/D进行检测。
所述采用积分累加的方式进行报警，具体为：如果电流在设定时间内的累加和大于设定阈值，则认定电流超出伺服电机的负载能力，发出报警信号。
本发明的总体方案如图1～图3所示，根据母线电压分压后的值与各点保护电压阈值的比较，可实时监控伺服状态，使之在合理区间内充分发挥高响应性能，而不至于发生损坏。
开关电源包括变压器以及与其连接的电压缩放电路和整流滤波器；所述电压缩放电路的输入端和整流滤波器的输入端均与变压器输出端连接；电压缩放电路的输出端与电压检测电路连接；整流滤波器输出端与电压参考电路连接。
如图4a-图4b所示，图4a为由开关电源变压器输出的+5V生成2.48伏和1.24伏两种参考电压的生成电路，2.48伏为当母线电压超过380伏时泻放打开参考点，1.24伏为母线电压为190伏时欠压报警参考点。图4b为2.74伏为母线电压超过420伏时参考电压生成电路，对应的是过压报警参考点。
如图5a-图5c所示，图5a为过压报警信号生成电路当Vpn超过2.74伏时比较器输出低电平信号，经过反相器后变为低电平信号PROTECT_/OV此信号输出给上层控制板作为判断母线过压的依据。图5b和图5c同理。
体实施过程如下：
1.当伺服驱动器母线上的电压降低到190伏的时候，此时的开关电源设计时由于是宽范围输入，所以依然能够正常工作。在反激式开关电源正半周期也就是正激过程中初级电压与次级电压的比例是等于匝数比的，因此此时测量次级电压便可以准确的得到母线电压的大小。当母线电压下降到低于190伏时，次级测得的电压与母线等于190伏的参考电压通过比较器比较之后得到一个低电平电压，再经过逻辑电平整理电路(图5c)后得到一个规整的电平信号，然后便可供给到控制板中相应的电路，由控制板上给出相应的报警，并及时切断控制信号的输出以保护伺服驱动器避免其损坏。
2.由于伺服驱动器在使用过程中出现急停刹车状态时，母线电压高于380伏(正常为310伏)但小于420伏时，母线属于过压状态，但并未超出安全边界，通过打开泻放回路，利用泻放电阻消耗此多余能量可使得母线电压迅速降低到正常状态。所以此时在变压器次级测量到的电压可与相应的参考电压比较得到相应的电平状态，然后供给控制板，打开泻放回路使得母线电压迅速降低。
3.当母线电压大于420伏时，此时处于过压状态，各器件均处于余量不足状态，此时应该及时切断控制回路的控制信号输出并给出过压报警信号，否则极可能造成严重的器件损坏。因此此时测得的次级电压与参考电压比较后，将相应的电平信号供给控制电路通过处理器发出指令，关闭控制信号输出，并给出过压报警信号。

Claims (9)

1.一种高响应伺服驱动的欠过压保护装置，其特征在于包括：开关电源、电压检测电路、电压参考电路和比较电路；
所述开关电源与电压检测电路、比较电路顺序连接，所述电压参考电路与开关电源、比较电路连接；所述开关电源输入端用于输入母线电压。
2.根据权利要求1所述的一种高响应伺服驱动的欠过压保护装置，其特征在于所述开关电源包括变压器以及与其连接的电压缩放电路和整流滤波器；所述电压缩放电路的输入端和整流滤波器的输入端均与变压器输出端连接；电压缩放电路的输出端与电压检测电路连接；整流滤波器输出端与电压参考电路连接。
3.根据权利要求1所述的一种高响应伺服驱动的欠过压保护装置，其特征在于所述电压缩放电路包括二极管、电阻和电容；二极管的负极与变压器输出端连接，正极经电阻R11、并联的电阻和电容后接地；电容还并联有滤波电路；滤波电路正输出端与电压检测电路输入端连接，滤波电路正输出端与负输出端之间连有可变电阻。
4.根据权利要求1所述的一种高响应伺服驱动的欠过压保护装置，其特征在于所述电压检测电路包括电阻、反向比例放大器、滤波器和二极管；所述反向比例放大器的输入端通过电阻与电压缩放电路输出端连接，反向比例放大器的输出端通过滤波器输出检测电压至比较电路；滤波器输出端与第一二极管正极、第二二极管负极连接，第一二极管负极与电源连接，第二二极管正极接地。
5.根据权利要求1所述的一种高响应伺服驱动的欠过压保护装置，其特征在于所述比较电路包括多个比较单元；每个比较单元包括顺序连接的运算放大器和反相器；运算放大器的正向输入端、反向输入端分别与电压参考电路输出端、电压检测电路输出端连接，正向输入端、反向输入端之间连有电容，电源端与电源连接，接地端接地，输出端还通过电阻与电源连接；运算放大器的输出端经至少一个反相器后输出电平信号用于监控电压。
6.一种高响应伺服驱动的欠过压保护方法，其特征在于包括以下步骤：
开关电源将母线电压缩放后发送至电压检测电路；
电压检测电路将缩放后的电压经反向比例放大器进行反向，经滤波后得到检测电压发送至比较电路的输入端；
电压参考电路将开关电源中整流滤波器输出的电压转换成参考电压输入至比较电路的另一输入端；
比较器将参考电压和检测电压进行比较，得到电平信号判断母线电压的过压和欠压；过压和欠压时关断IGBT逆变电路的控制信号，并报警。
7.根据权利要求6所述的一种高响应伺服驱动的欠过压保护方法，其特征在于所述开关电源将母线电压缩放后发送至电压检测电路包括以下步骤：
开关电源中变压器一次侧、二次侧的电压比等于匝数比时，根据一次侧电压和匝数比得到二次侧电压；
二次侧电压经滤波后得到反应母线电压大小的电压。
8.根据权利要求6所述的一种高响应伺服驱动的欠过压保护方法，其特征在于所述得到电平信号判断母线电压的过压和欠压具体为：
当反相器个数为奇数时，输出电平信号为高电平，表示过压；
当反相器个数为偶数时，输出电平信号为低电平，表示欠压；
其他为正常状态。
9.根据权利要求6所述的一种高响应伺服驱动的欠过压保护方法，其特征在于过压时，当电压检测电路输出的检测电压值超过泻放电压报警点时，打开泻放回路使母线电压降低。
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