埃姆依(武汉)系统工程有限公司

伺服放大器硬件电路设计

2017-12-26 14:07

伺服放大器控制核心选用89C51系列芯片,该芯片为一种带闪速可编程、可擦除只读存储器(PEROM)的低电压、高性能CMOS?8位微控制器。其特性如下:闪速存贮器、128字节RAM、I/O线、16位定时/计数器、两极中断源结构、全双工串行口、精确的模拟比较器、片内震荡器和时钟电路。
整套电路由CPU、看门狗电路、信号采集电路、功率驱动、电源电路等组成。JSQ-200系列伺放电路原理见图1。
3.1、看门狗电路
伺服放大器专门设计有软、硬件配合的自启动、复位电子狗电路,可保证在发生程序“走飞”或“死机”的情况下,快速及时的恢复正常工作(时间可控制在0.3s以内),确保设备运转安全。
3.2、信号采集电路
进入伺服放大器的控制信号和位置反馈信号,先后经过电流-电压转换、滤波、?A/D转换,最后通过光电隔离耦合引入单片机I/O口。
由于现场不确定因素较多,为避免进入伺服放大器的控制信号和位置反馈信号相互干扰、发生整套控制系统的“共地”问题,在电路设计中做到了两个信号采集通道的彻底隔离,包括两通道的供电、单片机的供电也采用了相互独立的电源。(电源电路参见图2)
3.3、功率驱动输出电路
根据其他型号伺放在现场的使用情况看,伺服放大器损坏几率最高的就是功率驱动输出电路,原因主要是驱动的是有感负载,而感性负载在电子开关断开时对功率驱动输出电路会产生反电势冲击,特别是随着执行器功率的增大,电动机功率、电感量也随之增大,伺服放大器功率驱动输出电路在反电势冲击下损坏的可能性也不断增加,伺放寿命相应缩短。
JSQ-200系列伺服放大器功率驱动输出电路采用了可控硅过零触发方式,即电子开关控制接通或断开感性负载电源时,发生在交流电过零时刻,从而降低了在可控硅开关时,感性负载产生的反电势与交流电峰值双重叠加作用在可控硅两端的电压。另外还采用了阻容吸收与压敏电阻释放并列作用保护电子开关,降低了电子开关断开时,负载产生的反电势对其的破坏。电路设计中选用了高反压双向可控硅,一方面可以防止电子开关断开时,因为负载产生的反电势诱发可控硅误导通,提高系统可靠性。另一方面可以防止反电势击穿损坏可控硅,提高设备的可靠性以上措施非常实用、有效,几年来通过几十台JSQ-200型系列伺放在现场的使用情况看,无一台功率驱动输出电路损坏。
3.4、动态时间常数的设置
伺服放大器的动态时间是常被忽视的重要技术性能,该动态时间的实际意义还没有看到有效的解释或定义,在伺服放大器的技术指标中也没有注明。伺服放大器的动态时间常数直接决定了伺放的响应时间,进而影响伺服放大器的性能和整套控制系统的调节品质。实际使用中,伺服放大器的动态时间常数大,对信号的滤波效果就好,系统稳定性提高,执行器不易发生震荡,但系统的动态响应慢,死区大(即控制信号与反馈信号差值较大,有的达到3%以上)不利于调节品质的提高;反之,有些伺放品种因为响应时间太快,在执行器动作的瞬间,位置反馈刚开始变化,伺服放大器就停止功率输出,结果是执行器将本来动作一次完成的(1%左右)分成几次甚至十几次,使执行机构动作V2极为频繁,行走却很慢,很不利系统调节品质的提高,也降低了执行器机械制动的使用寿命
伺服放大器的动态响应时间,不能只通过伺放单体独立的进行确定或测试,必须与上下游关联设备系统一起进行试验和确定。
JSQ-200伺服放大器的动态时间常数主要取决于A/D转换时间、单片机运算速度以及信号输入通道的滤波电容,在?A/D转换时间、单片机运算速度确定后,其中改变滤波电容是主要的调节手段。通过几年来在现场的大量试验,最终确定了JSQ-200型系列伺服放大器的动态时间常数。
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