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概述

該設計以DC-DC變換器為核心,實現220V市電至+60V/20A的電源轉換。電源設計中采用功率因數校正技術,提高了有功功率；特別是電源設計了微機控制接口,與隨動系統同步工作,并實現了上電時序控制,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,提高電源輸出質量；具備完善的自保護功能和監控檢測功能,提高了電源的安全性和可靠性。

電源設計

系統結構

220V交流電壓經整流和濾波后得到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,必須采用模塊串聯的方法得到。設計采用兩塊PH600S280-28DC-DC模塊(調至+30V輸出),通過串聯得到+60V的輸出電壓,如圖1所示。

圖1模塊串聯方式

快恢復二極管D1、D2為串聯方式中的保護器件,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,正向導通壓降應盡量小。由于是采用兩個電源模塊串聯構成電源系統,在一個有限制的封裝內完成設計有一定困難,有的模塊串聯方案采用兩個封裝完成設計,即設計兩個30V的獨立電源,再進行外部串聯構成+60V電源系統。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封裝在一個較小的空間內,使整個電源體積、重量大大減小,截面積僅為6×9英寸2,實現了小體積大功率的一體化電源系統設計。

功率因數校正措施

開關電源的橋式整流、大電容濾波電路令整體負載表現為容性,使220V交流輸入的電流電壓相位產生差異,造成功率因數低下,有功功率下降并產生高次諧波污染電網,因此必須采取功率因數校正(PFC)措施。基于成本控制、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,在濾波大電容之前串接一個參數適宜的功率電感,這里采用10mH/8A的環形磁心電感。強制平衡電源的整體負載特性,保證功率因數不低于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、伺服系統工作的狀態下啟動輸出,平時電源無輸出。這種電源與隨動系統同步工作的方式,具有省電、低發熱、控制靈活等一系列優點。在某裝備電源系統的一系列電源中,+60V/20A電源功耗最大,但發熱量最小,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越性。

圖2微機控制接口

電源內部還提供針對+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動,光耦輸出作為檢測口與微機數字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

直流電機控制系統中存在上電時序問題,一般情況下驅動電壓上電速度快,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失控,電機出現短時間的失控轉動,尤其是在雙極性控制方式中。傳統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,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。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%的范圍內調節。在電源系統設計中,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,同時降低了電磁干擾,提高了電源系統可靠性與壽命。

我們實驗測得的+60V輸出電壓紋波在800mV～1000mV,明顯偏大。通過在電源系統調整端和輸出端采用聚脂電容濾波,電源內部采用雙絞線走線方式等濾波措施,最終使得+60V電源系統的輸出紋波控制在200mV～400mV,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動電源,已不僅僅是傳統意義上的開關電源,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動系統,相對傳統的通用型大功率電源有著明顯的的技術優勢,其多功能的技術特點,符合電機驅動電源系統的發展方向。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,工作穩定可靠。