本發(fā)明屬于數(shù)控伺服控制領域，具體的說是一種高響應伺服驅(qū)動的過流分級保護方法。

背景技術(shù)：

高性能交流伺服系統(tǒng)作為高速高精密數(shù)控機床、高速數(shù)字化機械、集成電路制造和封裝設備等的重要驅(qū)動裝置，在現(xiàn)代化機電設備中得到廣泛的應用。隨著產(chǎn)品加工質(zhì)量的要求越來越高，對交流伺服系統(tǒng)的性能要求也越來越苛刻。進給伺服系統(tǒng)的響應能力很大程度上決定了數(shù)控系統(tǒng)的加工精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率，高響應已經(jīng)成為高性能伺服的重要標志。

同時，伺服控制器保護系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性也是伺服控制系統(tǒng)的性能指標之一。伺服工作時經(jīng)常會遇到各種工作狀況，如：過載、負載短路、橋臂直通、過高的電流增長率、過高的電壓增長率、散熱不好或者故障導致器件過熱等，這些因素都會影響伺服的正常工作。特別是在惡劣的工業(yè)環(huán)境下，保護系統(tǒng)還會經(jīng)常出現(xiàn)誤保護或者保護緩慢的現(xiàn)象，進而導致系統(tǒng)工作不正常甚至損壞器件。隨著交流伺服技術(shù)研究的不斷深入，系統(tǒng)保護環(huán)節(jié)的合理設計成為非常重要的內(nèi)容之一。一個控制系統(tǒng)能否正常工作，除了各環(huán)節(jié)能保證正常工作，還要考慮一些外在干擾因素對系統(tǒng)的影響，系統(tǒng)應具有自我保護功能。完善的保護環(huán)節(jié)，不僅可以延長裝置的使用壽命，也使其可靠性大為提高。

隨著先進制造業(yè)的發(fā)展，對伺服驅(qū)動的性能要求也越來越高。高品質(zhì)的伺服應具備快速的動態(tài)響應特性，以使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)跟隨性能，盡快消除負載擾動對電機速度的影響。而要實現(xiàn)高響應，必須要面臨的一個問題就是在啟停，特別是換向時對機械的沖擊。傳統(tǒng)的高響應伺服由于這種沖擊造成過流損壞的故障率一直很高，因此，在充分發(fā)揮電機性能，保證伺服快速響應的同時如何設計一套具有實時性強和穩(wěn)定可靠的伺服控制器保護系統(tǒng)顯得尤為重要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足之處，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種高響應伺服驅(qū)動的過流分級保護方法。

本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：一種高響應伺服驅(qū)動的過流分級保護方法，包括：

根據(jù)專用驅(qū)動模塊檢測到IGBT的Vce電壓變化，檢測出IGBT電流不小于自身額定電流4倍的過流狀態(tài)，并關(guān)斷IGBT；

根據(jù)檢測母線電流的方式，檢測出母線電流大于IGBT額定電流且小于IGBT額定電流4倍的過流狀態(tài)，并首先降低IGBT的柵壓，如果在設定時間內(nèi)過流狀態(tài)仍不消失，則關(guān)斷IGBT；

根據(jù)對伺服電機相電流的檢測，檢測出電機電流不小于伺服電機3倍額定電流且小于IGBT額定電流的過流狀態(tài)，并產(chǎn)生過流報警；

根據(jù)對伺服電機相電流的檢測，檢測出電機電流大于伺服電機額定電流且小于伺服電機額定電流3倍的過載狀態(tài)，并根據(jù)伺服電機廠商提供的電機過載倍數(shù)和時間曲線的對應關(guān)系，采用積分累加的方式進行報警。

所述專用驅(qū)動模塊在針對大功率伺服時為芯片EXB841、M57962L、IR2110中的一種，在針對中小功率伺服時為HCPL-316J、ACPL-332J、PC929中的一種。

所述檢測母線電壓的方式為：在母線上采用霍爾電流傳感器或采樣電阻加硬件保護電路。

所述對伺服電機三相上的檢測，具體為：利用伺服電機三相上的霍爾電流傳感器或采樣電阻得到采樣值，將其通過運放后經(jīng)A/D進行檢測。

所述采用積分累加的方式進行報警，具體為：如果電流在設定時間內(nèi)的累加和大于設定閾值，則認定電流超出伺服電機的負載能力，發(fā)出報警信號。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點及有益效果：

1.針對性強，不同工況造成的過流其保護要求時間不同，采用分級保護的措施，利用率和使用壽命變長；

2.根據(jù)過流大小和時間長短采用不同的處理方式，在保證伺服和電機不被損壞的同時充分發(fā)揮其性能，達到高速、高響應的要求；

3.除了各環(huán)節(jié)能保證正常工作外,還要考慮各種應用現(xiàn)場環(huán)境復雜，一些外在干擾因素對伺服的影響，避免伺服誤動作，提高其可靠性；

4.對高速、高精度、高響應伺服采用的分級保護方法在防止伺服誤動作的同時可進行有效保護，極大的增強了伺服驅(qū)動的可靠性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的伺服驅(qū)動分級保護曲線圖；

圖2為本發(fā)明的伺服上下橋臂間短路圖；

圖3為本發(fā)明的伺服側(cè)動力端子短路圖；

圖4為本發(fā)明的基于專用芯片ACPL-332J的短路保護電路圖；

圖5為本發(fā)明的電機側(cè)動力端子短路圖；

圖6為本發(fā)明的母線過流保護電路圖；

圖7為本發(fā)明的電機過載曲線圖；

圖8為伺服系統(tǒng)過流分級保護圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。

本發(fā)明的總體方案如圖1、圖8所示，根據(jù)曲線中電流與時間的對應關(guān)系，圖1曲線下方為伺服運行的可靠區(qū)域，利用檢測得到的電流值可實時監(jiān)控伺服狀態(tài)，使之在合理區(qū)間內(nèi)充分發(fā)揮高響應性能，而不至于發(fā)生損壞。

具體實施過程如下：

1.圖2為伺服硬件或軟件失效造成的上下橋臂短路，圖3為伺服側(cè)動力端子短路，其短路回路中的電感量很小，大概為100nH級，電流變化率極快，瞬時產(chǎn)生的能量也很巨大，這兩種短路都有一個共同點，那就是，IGBT會出現(xiàn)“退飽和現(xiàn)象”，當IGBT一旦退出飽和區(qū)，它的損耗會成百倍的往上升，那么允許持續(xù)這種狀態(tài)的時間非?？量塘耍仨毿∮?0us，可以采用檢測IGBT的Vce 電壓發(fā)生變化來及時響應將其關(guān)斷，該電流通常大于IGBT額定電流的4倍。具體針對大功率伺服可采用專用的驅(qū)動模塊，如EXB841，M57962L、IR2110等，針對中小功率伺服也可采用性價比更好的專用芯片，如HCPL-316J、ACPL-332J、PC929等，圖4即為基于專用芯片ACPL-332J的短路保護電路圖，當檢測到IGBT的Vce大于6.5V時Fo輸出報警信號。

2.圖5為電機側(cè)動力端子短路，其短路回路中的電感量稍大，大概為uH級，電流爬升稍慢(相對于短路)，IGBT不會發(fā)生退飽和現(xiàn)象，但是由于電流比正常工況要高很多，因此經(jīng)過若干個開關(guān)周期后，IGBT的損耗也會比較高，結(jié)溫也會迅速上升，從而導致失效。在這時，IGBT驅(qū)動器一般是不能及時發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象的，因為IGBT的飽和壓降Vce變化很微弱，驅(qū)動器通常識別不到這種變化，需要采用監(jiān)測母線電流的方式來有效保護，其保護時間通常在10us-100us之間，監(jiān)測到異常時可先給IGBT降柵壓而不馬上關(guān)斷，100us后異常仍不消失則關(guān)斷，有效避免干擾信號誤動作，該電流通常為IGBT額定電流的1-4倍。具體可在母線上采用霍爾電流傳感器或采樣電阻加硬件保護電路的方式，如圖6所示，P、P1間加采樣電阻，過流后SC為通知上位機異常信號，LV為降柵壓信號。

3.針對負載突變特別是電機堵轉(zhuǎn)的情況，其電流低于IGBT的額定電流，但大于伺服電機2.5-3倍額定電流時，可在電機的三相上加霍爾電流傳感器或采樣電阻，經(jīng)運放后利用A/D進行檢測，其保護時間通常在100us-1s之間，該信號持續(xù)1s以上則軟件報警，避免電機損壞。

4.針對負載大于電機額定轉(zhuǎn)矩或伺服加減速過快的情況，其電流在伺服電機額定電流的1-3倍之間時，也可利用電流傳感器或采樣電阻進行A/D檢測。如圖7所示，根據(jù)電機廠商提供的電機過載倍數(shù)和時間曲線的對應關(guān)系，采取不同的措施，采用積分累加的方式，如果電流在一定時間內(nèi)的累加和大于設定閥值，超出電機的能力則報警。這種方式短時間內(nèi)允許為伺服高響應提供相應的電流，保證系統(tǒng)的快速性和跟隨性，提高電機的利用率，同時也有效保護電 機。