一种高响应伺服驱动的过流分级保护方法与流程

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过流分级保护方法。

背景技术：

高性能交流伺服系统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，对交流伺服系统的性能要求也越来越苛刻。进给伺服系统的响应能力很大程度上决定了数控系统的加工精度、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，伺服控制器保护系统的稳定性和可靠性也是伺服控制系统的性能指标之一。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，保护系统还会经常出现误保护或者保护缓慢的现象，进而导致系统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，系统保护环节的合理设计成为非常重要的内容之一。一个控制系统能否正常工作，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系统的影响，系统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，以使系统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流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系统显得尤为重要。

技术实现要素：

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过流分级保护方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种高响应伺服驱动的过流分级保护方法，包括：

根据专用驱动模块检测到IGBT的Vce电压变化，检测出IGBT电流不小于自身额定电流4倍的过流状态，并关断IGBT；

根据检测母线电流的方式，检测出母线电流大于IGBT额定电流且小于IGBT额定电流4倍的过流状态，并首先降低IGBT的栅压，如果在设定时间内过流状态仍不消失，则关断IGBT；

根据对伺服电机相电流的检测，检测出电机电流不小于伺服电机3倍额定电流且小于IGBT额定电流的过流状态，并产生过流报警；

根据对伺服电机相电流的检测，检测出电机电流大于伺服电机额定电流且小于伺服电机额定电流3倍的过载状态，并根据伺服电机厂商提供的电机过载倍数和时间曲线的对应关系，采用积分累加的方式进行报警。

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：在母线上采用霍尔电流传感器或采样电阻加硬件保护电路。

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。

本发明具有以下优点及有益效果：

1.针对性强，不同工况造成的过流其保护要求时间不同，采用分级保护的措施，利用率和使用寿命变长；

2.根据过流大小和时间长短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、高响应伺服采用的分级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为本发明的伺服驱动分级保护曲线图；

图2为本发明的伺服上下桥臂间短路图；

图3为本发明的伺服侧动力端子短路图；

图4为本发明的基于专用芯片ACPL-332J的短路保护电路图；

图5为本发明的电机侧动力端子短路图；

图6为本发明的母线过流保护电路图；

图7为本发明的电机过载曲线图；

图8为伺服系统过流分级保护图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明的总体方案如图1、图8所示，根据曲线中电流与时间的对应关系，图1曲线下方为伺服运行的可靠区域，利用检测得到的电流值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。

具体实施过程如下：

1.图2为伺服硬件或软件失效造成的上下桥臂短路，图3为伺服侧动力端子短路，其短路回路中的电感量很小，大概为100nH级，电流变化率极快，瞬时产生的能量也很巨大，这两种短路都有一个共同点，那就是，IGBT会出现“退饱和现象”，当IGBT一旦退出饱和区，它的损耗会成百倍的往上升，那么允许持续这种状态的时间非常苛刻了，必须小于10us，可以采用检测IGBT的Vce 电压发生变化来及时响应将其关断，该电流通常大于IGBT额定电流的4倍。具体针对大功率伺服可采用专用的驱动模块，如EXB841，M57962L、IR2110等，针对中小功率伺服也可采用性价比更好的专用芯片，如HCPL-316J、ACPL-332J、PC929等，图4即为基于专用芯片ACPL-332J的短路保护电路图，当检测到IGBT的Vce大于6.5V时Fo输出报警信号。

2.图5为电机侧动力端子短路，其短路回路中的电感量稍大，大概为uH级，电流爬升稍慢(相对于短路)，IGBT不会发生退饱和现象，但是由于电流比正常工况要高很多，因此经过若干个开关周期后，IGBT的损耗也会比较高，结温也会迅速上升，从而导致失效。在这时，IGBT驱动器一般是不能及时发现这一现象的，因为IGBT的饱和压降Vce变化很微弱，驱动器通常识别不到这种变化，需要采用监测母线电流的方式来有效保护，其保护时间通常在10us-100us之间，监测到异常时可先给IGBT降栅压而不马上关断，100us后异常仍不消失则关断，有效避免干扰信号误动作，该电流通常为IGBT额定电流的1-4倍。具体可在母线上采用霍尔电流传感器或采样电阻加硬件保护电路的方式，如图6所示，P、P1间加采样电阻，过流后SC为通知上位机异常信号，LV为降栅压信号。

3.针对负载突变特别是电机堵转的情况，其电流低于IGBT的额定电流，但大于伺服电机2.5-3倍额定电流时，可在电机的三相上加霍尔电流传感器或采样电阻，经运放后利用A/D进行检测，其保护时间通常在100us-1s之间，该信号持续1s以上则软件报警，避免电机损坏。

4.针对负载大于电机额定转矩或伺服加减速过快的情况，其电流在伺服电机额定电流的1-3倍之间时，也可利用电流传感器或采样电阻进行A/D检测。如图7所示，根据电机厂商提供的电机过载倍数和时间曲线的对应关系，采取不同的措施，采用积分累加的方式，如果电流在一定时间内的累加和大于设定阀值，超出电机的能力则报警。这种方式短时间内允许为伺服高响应提供相应的电流，保证系统的快速性和跟随性，提高电机的利用率，同时也有效保护电 机。