直流電機伺服驅(qū)動專用電源的設計

摘要： 介紹了一種具備微機控制功能、適用于直流電機驅(qū)動的大功率開關電源的設計方法。
關鍵詞：    驅(qū)動專用電源；微機控制檢測；DC-DC變換器

概述

    該設計以DC-DC變換器為核心，實現(xiàn)220V市電至+60V/20A的電源轉(zhuǎn)換。電源設計中采用功率因數(shù)校正技術，提高了有功功率；特別是電源設計了微機控制接口，與隨動系統(tǒng)同步工作，并實現(xiàn)了上電時序控制，確保+60V電壓相對低壓輸出滯后上電。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；具備完善的自保護功能和監(jiān)控檢測功能，提高了電源的安全性和可靠性。

電源設計

系統(tǒng)結構

    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。設計采用兩塊PH600S280-28 DC-DC模塊(調(diào)至+30V輸出)，通過串聯(lián)得到+60V的輸出電壓，如圖1所示。

圖1 模塊串聯(lián)方式
 
    快恢復二極管D1、D2為串聯(lián)方式中的保護器件，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M量小。由于是采用兩個電源模塊串聯(lián)構成電源系統(tǒng)，在一個有限制的封裝內(nèi)完成設計有一定困難，有的模塊串聯(lián)方案采用兩個封裝完成設計，即設計兩個30V的獨立電源，再進行外部串聯(lián)構成+60V電源系統(tǒng)。本設計通過合理配置空間，在電源上下盒蓋中各安裝一個DC-DC模塊，以金屬殼體作為散熱手段，采用緊湊的設計和安裝技術將整個電源系統(tǒng)封裝在一個較小的空間內(nèi)，使整個電源體積、重量大大減小，截面積僅為6×9英寸2，實現(xiàn)了小體積大功率的一體化電源系統(tǒng)設計。

功率因數(shù)校正措施

    開關電源的橋式整流、大電容濾波電路令整體負載表現(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?、電路體積及應用方便等因素考慮，我們采用被動式功率因數(shù)校正措施。被動式PFC結構簡單，針對電源的整體負載特性表現(xiàn)，在濾波大電容之前串接一個參數(shù)適宜的功率電感，這里采用10mH/8A的環(huán)形磁心電感。強制平衡電源的整體負載特性，保證功率因數(shù)不低于0.8。被動式PFC采用電感等無源元件，工作可靠成本低廉，且無需對原電氣設計進行修改，是目前常用的PFC方法。 

設計特點與關鍵技術

微機控制和檢測接口

    微機控制(圖2)功能可以確保+60V/20A電源只在計算機送出使能信號、伺服系統(tǒng)工作的狀態(tài)下啟動輸出，平時電源無輸出。這種電源與隨動系統(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。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，充分證明了電源設計中采用計算機控制接口的優(yōu)越性。

圖2 微機控制接口 

    電源內(nèi)部還提供針對+60V的微機檢測接口，進行開關量方式的實時檢測，如圖3所示。+60V電壓作為檢測光耦的輸入驅(qū)動，光耦輸出作為檢測口與微機數(shù)字I/O口連接。正常情況下檢測口為低電平，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I/O口。

圖3 微機檢測接口
 
上電時序控制

    直流電機控制系統(tǒng)中存在上電時序問題，一般情況下驅(qū)動電壓上電速度快，而控制電路電壓上電后控制電平的建立需要一定時間。這樣如果不進行上電時序控制，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滯后，導致在上電瞬間隨動系統(tǒng)失控，電機出現(xiàn)短時間的失控轉(zhuǎn)動，尤其是在雙極性控制方式中。傳統(tǒng)的解決方法通過設立高、低壓開關手動控制上電時序，或是在控制系統(tǒng)中設計上電時序控制電路，這樣必然增加了電路的復雜性，造成電路成本增加同時可靠性降低。而在電機驅(qū)動電源上解決這一問題，措施簡單有效，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。通常采用光耦來控制CNT端的狀態(tài)。只需增加一只光耦，即可解決上電時序問題。如圖2所示，光耦輸入端由電機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，實現(xiàn)了上電時序控制功能，從根本上解決了前述問題。

電源保護功能與電磁兼容措施

    模塊內(nèi)有過流、過壓、過熱保護功能，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)設計中，我們在220V整流后的高壓輸入端、＋60V輸出端等關鍵部位采用TVS浪涌吸收器對電壓瞬變和浪涌沖擊進行防護抑制措施，以旁路吸收的方式保護了電源系統(tǒng)，同時降低了電磁干擾，提高了電源系統(tǒng)可靠性與壽命。

    我們實驗測得的+60V輸出電壓紋波在800mV~1000 mV，明顯偏大。通過在電源系統(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。

結語

    直流電機專用伺服驅(qū)動電源，已不僅僅是傳統(tǒng)意義上的開關電源，它直接參與了直流電機的控制工作，其特有的微機接口控制和上電時序控制功能尤其適合直流電機驅(qū)動系統(tǒng)，相對傳統(tǒng)的通用型大功率電源有著明顯的的技術優(yōu)勢，其多功能的技術特點，符合電機驅(qū)動電源系統(tǒng)的發(fā)展方向。本專用電源已正式交付使用，成功應用在某型號天文導航裝備上，功能實用、控制方便，工作穩(wěn)定可靠。

參考文獻：
1.  LAMBDA公司，LAMBDA模塊應用說明手冊，2003.