直流電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)專用電源的設(shè)計(jì)

摘要： 介紹了一種具備微機(jī)控制功能、適用于直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的大功率開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法。
關(guān)鍵詞：    驅(qū)動(dòng)專用電源；微機(jī)控制檢測(cè)；DC-DC變換器

概述

    該設(shè)計(jì)以DC-DC變換器為核心，實(shí)現(xiàn)220V市電至+60V/20A的電源轉(zhuǎn)換。電源設(shè)計(jì)中采用功率因數(shù)校正技術(shù)，提高了有功功率；特別是電源設(shè)計(jì)了微機(jī)控制接口，與隨動(dòng)系統(tǒng)同步工作，并實(shí)現(xiàn)了上電時(shí)序控制，確保+60V電壓相對(duì)低壓輸出滯后上電。采用多重濾波措施和雙絞線輸出方式，有效降低輸出電壓紋波，提高電源輸出質(zhì)量；具備完善的自保護(hù)功能和監(jiān)控檢測(cè)功能，提高了電源的安全性和可靠性。

電源設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    220V交流電壓經(jīng)整流和濾波后得到320V左右的直流電壓，加至電源模塊輸入端。單DC-DC模塊的最高輸出電壓一般為+48V，要得到+60V的直流輸出電壓，必須采用模塊串聯(lián)的方法得到。設(shè)計(jì)采用兩塊PH600S280-28 DC-DC模塊(調(diào)至+30V輸出)，通過(guò)串聯(lián)得到+60V的輸出電壓，如圖1所示。

圖1 模塊串聯(lián)方式
 
    快恢復(fù)二極管D1、D2為串聯(lián)方式中的保護(hù)器件，要求D1、D2反向耐壓大于兩倍的電源額定輸出電壓，電流大于兩倍的電源額定輸出電流，正向?qū)▔航祽?yīng)盡量小。由于是采用兩個(gè)電源模塊串聯(lián)構(gòu)成電源系統(tǒng)，在一個(gè)有限制的封裝內(nèi)完成設(shè)計(jì)有一定困難，有的模塊串聯(lián)方案采用兩個(gè)封裝完成設(shè)計(jì)，即設(shè)計(jì)兩個(gè)30V的獨(dú)立電源，再進(jìn)行外部串聯(lián)構(gòu)成+60V電源系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)通過(guò)合理配置空間，在電源上下盒蓋中各安裝一個(gè)DC-DC模塊，以金屬殼體作為散熱手段，采用緊湊的設(shè)計(jì)和安裝技術(shù)將整個(gè)電源系統(tǒng)封裝在一個(gè)較小的空間內(nèi)，使整個(gè)電源體積、重量大大減小，截面積僅為6×9英寸2，實(shí)現(xiàn)了小體積大功率的一體化電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

功率因數(shù)校正措施

    開關(guān)電源的橋式整流、大電容濾波電路令整體負(fù)載表現(xiàn)為容性，使220V交流輸入的電流電壓相位產(chǎn)生差異，造成功率因數(shù)低下，有功功率下降并產(chǎn)生高次諧波污染電網(wǎng)，因此必須采取功率因數(shù)校正(PFC)措施?；诔杀究刂?、電路體積及應(yīng)用方便等因素考慮，我們采用被動(dòng)式功率因數(shù)校正措施。被動(dòng)式PFC結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，針對(duì)電源的整體負(fù)載特性表現(xiàn)，在濾波大電容之前串接一個(gè)參數(shù)適宜的功率電感，這里采用10mH/8A的環(huán)形磁心電感。強(qiáng)制平衡電源的整體負(fù)載特性，保證功率因數(shù)不低于0.8。被動(dòng)式PFC采用電感等無(wú)源元件，工作可靠成本低廉，且無(wú)需對(duì)原電氣設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，是目前常用的PFC方法。 

設(shè)計(jì)特點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù)

微機(jī)控制和檢測(cè)接口

    微機(jī)控制(圖2)功能可以確保+60V/20A電源只在計(jì)算機(jī)送出使能信號(hào)、伺服系統(tǒng)工作的狀態(tài)下啟動(dòng)輸出，平時(shí)電源無(wú)輸出。這種電源與隨動(dòng)系統(tǒng)同步工作的方式，具有省電、低發(fā)熱、控制靈活等一系列優(yōu)點(diǎn)。在某裝備電源系統(tǒng)的一系列電源中，+60V/20A電源功耗最大，但發(fā)熱量最小，溫升最低，充分證明了電源設(shè)計(jì)中采用計(jì)算機(jī)控制接口的優(yōu)越性。

圖2 微機(jī)控制接口 

    電源內(nèi)部還提供針對(duì)+60V的微機(jī)檢測(cè)接口，進(jìn)行開關(guān)量方式的實(shí)時(shí)檢測(cè)，如圖3所示。+60V電壓作為檢測(cè)光耦的輸入驅(qū)動(dòng)，光耦輸出作為檢測(cè)口與微機(jī)數(shù)字I/O口連接。正常情況下檢測(cè)口為低電平，一旦+60V輸出消失或大幅降低，光耦的輸出電平將由低到高發(fā)生跳變，提供給微機(jī)I/O口。

圖3 微機(jī)檢測(cè)接口
 
上電時(shí)序控制

    直流電機(jī)控制系統(tǒng)中存在上電時(shí)序問(wèn)題，一般情況下驅(qū)動(dòng)電壓上電速度快，而控制電路電壓上電后控制電平的建立需要一定時(shí)間。這樣如果不進(jìn)行上電時(shí)序控制，在系統(tǒng)上電的瞬間，高壓比低壓上電速度快，控制電平的建立相對(duì)滯后，導(dǎo)致在上電瞬間隨動(dòng)系統(tǒng)失控，電機(jī)出現(xiàn)短時(shí)間的失控轉(zhuǎn)動(dòng)，尤其是在雙極性控制方式中。傳統(tǒng)的解決方法通過(guò)設(shè)立高、低壓開關(guān)手動(dòng)控制上電時(shí)序，或是在控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)上電時(shí)序控制電路，這樣必然增加了電路的復(fù)雜性，造成電路成本增加同時(shí)可靠性降低。而在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源上解決這一問(wèn)題，措施簡(jiǎn)單有效，工作原理為：CNT端為模塊使能控制端，可以控制模塊的工作狀態(tài)，作為輸出電壓的控制開關(guān)。通常采用光耦來(lái)控制CNT端的狀態(tài)。只需增加一只光耦，即可解決上電時(shí)序問(wèn)題。如圖2所示，光耦輸入端由電機(jī)控制電路的工作電壓+5V控制，這樣+60V電源輸出必然滯后于低壓+5V，實(shí)現(xiàn)了上電時(shí)序控制功能，從根本上解決了前述問(wèn)題。

電源保護(hù)功能與電磁兼容措施

    模塊內(nèi)有過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱保護(hù)功能，使用外接電位器可在額定輸出電壓±10%的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。在電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們?cè)?20V整流后的高壓輸入端、＋60V輸出端等關(guān)鍵部位采用TVS浪涌吸收器對(duì)電壓瞬變和浪涌沖擊進(jìn)行防護(hù)抑制措施，以旁路吸收的方式保護(hù)了電源系統(tǒng)，同時(shí)降低了電磁干擾，提高了電源系統(tǒng)可靠性與壽命。

    我們實(shí)驗(yàn)測(cè)得的+60V輸出電壓紋波在800mV~1000 mV，明顯偏大。通過(guò)在電源系統(tǒng)調(diào)整端和輸出端采用聚脂電容濾波，電源內(nèi)部采用雙絞線走線方式等濾波措施，最終使得+60V電源系統(tǒng)的輸出紋波控制在200mV~400 mV，滿足了+60V/20A電源紋波電壓≤600mV的使用要求。

結(jié)語(yǔ)

    直流電機(jī)專用伺服驅(qū)動(dòng)電源，已不僅僅是傳統(tǒng)意義上的開關(guān)電源，它直接參與了直流電機(jī)的控制工作，其特有的微機(jī)接口控制和上電時(shí)序控制功能尤其適合直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，相對(duì)傳統(tǒng)的通用型大功率電源有著明顯的的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其多功能的技術(shù)特點(diǎn)，符合電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)的發(fā)展方向。本專用電源已正式交付使用，成功應(yīng)用在某型號(hào)天文導(dǎo)航裝備上，功能實(shí)用、控制方便，工作穩(wěn)定可靠。

參考文獻(xiàn)：
1.  LAMBDA公司，LAMBDA模塊應(yīng)用說(shuō)明手冊(cè)，2003.