概述
該設(shè)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(shè)計中采用功率因數(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(shè)計
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)計采用兩塊PH600S280-28DC-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(fù)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?yīng)盡量小。由于是采用兩個電源模塊串聯(lián)構(gòu)成電源系統(tǒng),在一個有限制的封裝內(nèi)完成設(shè)計有一定困難,有的模塊串聯(lián)方案采用兩個封裝完成設(shè)計,即設(shè)計兩個30V的獨立電源,再進行外部串聯(lián)構(gòu)成+60V電源系統(tǒng)。本設(shè)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(shè)計和安裝技術(shù)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(shè)計。
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。基于成本控制、電路體積及應(yīng)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(jié)構(gòu)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(shè)計進行修改,是目前常用的PFC方法。
設(shè)計特點與關(guān)鍵技術(shù)
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(shè)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(guān)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(dǎo)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(shè)立高、低壓開關(guān)手動控制上電時序,或是在控制系統(tǒng)中設(shè)計上電時序控制電路,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(guān)。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(shè)計中,我們在220V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～1000mV,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～400mV,滿足了+60V/20A電源紋波電壓≤600mV的使用要求。
結(jié)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(guān)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(shù)優(yōu)勢,其多功能的技術(shù)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(yīng)用在某型號天文導(dǎo)航裝備上,功能實用、控制方便,工作穩(wěn)定可靠。
