基于反向勵(lì)磁技術(shù)的數(shù)控壓接機(jī)電路設(shè)計(jì)

何永艷

（上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，上海 201411）

0 引言

目前的電磁離合器一般采用直流驅(qū)動(dòng)的電磁裝置[1]，這種驅(qū)動(dòng)電路的主要問題是斷電脫開時(shí)由于電磁離合器剩磁無法消除，使電磁離合器脫開時(shí)間延長(zhǎng)，摩擦片磨損加快，定位精度無法保證。本文介紹的離合器應(yīng)用場(chǎng)合是在數(shù)控壓接機(jī)的工作軸運(yùn)動(dòng)控制中，通過采用反向勵(lì)磁技術(shù)，對(duì)離合器的脫開時(shí)間進(jìn)行嚴(yán)格限制，使電磁離合器適時(shí)的斷開，解決了技術(shù)上的難題。

1 工作原理簡(jiǎn)介

圖1 數(shù)控壓接機(jī)的工作原理圖

數(shù)控壓接機(jī)的工作原理如圖1所示。數(shù)控壓接機(jī)的工作初始位置由頂端傳感器控制，當(dāng)?shù)玫絾?dòng)信號(hào)后由離合器帶動(dòng)曲拐運(yùn)動(dòng)，在完成壓接工作后到達(dá)側(cè)端傳感器處時(shí)脫開離合器，然后再用制動(dòng)器減速，當(dāng)再次到達(dá)頂端傳感器處時(shí)曲拐角速度減至零，這樣就完成了一個(gè)工作周期?？紤]到設(shè)備的工作效率問題，工作周期僅為250ms左右。由于制動(dòng)器在工作前離合器必須完全脫開曲拐，因此留給離合器脫開的時(shí)間很少，按照常規(guī)的離合器驅(qū)動(dòng)方式經(jīng)常會(huì)造成離合器脫開不及時(shí)，這樣導(dǎo)致的主要問題有兩個(gè)，一是制動(dòng)器開始工作時(shí)離合器沒有完全脫開，使二者工作發(fā)生沖突，二是離合器完全脫開后留給制動(dòng)器的工作時(shí)間不足以將曲拐減速至零。本文介紹的反向勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)電路，在需要脫開離合器時(shí)向其施加一個(gè)反向勵(lì)磁，對(duì)電磁離合器進(jìn)行消磁，使電磁離合器迅速脫開，這樣可大大縮短其脫開時(shí)間，滿足設(shè)備的使用要求。為進(jìn)一步說明反向勵(lì)磁的作用，可以將離合器在一般驅(qū)動(dòng)電路作用下和加反向勵(lì)磁作用下其傳遞鈕矩隨驅(qū)動(dòng)電壓變化的情況列于圖2中，通過對(duì)比我們可以明顯發(fā)現(xiàn)，加上了反向勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)離合器后，響應(yīng)時(shí)間明顯縮短。

圖2 普通驅(qū)動(dòng)和反向勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)對(duì)比圖

2 驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)

2.1 總體方案框架圖

圖3 驅(qū)動(dòng)電路的總體設(shè)計(jì)方案

圖3 為驅(qū)動(dòng)電路的總體設(shè)計(jì)方案圖。本驅(qū)動(dòng)電路由輸入信號(hào)檢測(cè)的光電隔離電路，調(diào)制脈沖生成電路，橋式功率驅(qū)動(dòng)電路三個(gè)部分組成，它屬于一種電磁離合器、制動(dòng)器的專用驅(qū)動(dòng)電路。其中幾乎所有的元器件都是常用器件，本電路中主要采用ATMEL公司PDIP芯片ATMEGA8515L、IR公司的PDIP驅(qū)動(dòng)芯片IR2103、大功率MOSFET管IRFP460、瞬態(tài)干擾抑制二極管TVS管P6KE200CA，這里的電磁離合器采用的是日本三木公司的101-12-13型式中的型號(hào)為16的干式單板電磁離合器。

2.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路原理圖見圖4所示。它可以分為如下三個(gè)部分：

1）輸入信號(hào)檢測(cè)的光電隔離電路。由U1光電耦合器，PR1、PR2電阻排，各輸入接口組成，它把主機(jī)與輸入通道進(jìn)行隔離，抑制了系統(tǒng)的干擾。

2）調(diào)制脈沖生成電路。由高性能單片機(jī)ATMEGA8515L和外圍復(fù)位及晶振電路構(gòu)成，主要是在檢測(cè)到啟動(dòng)信號(hào)后電磁離合器能迅速閉合，當(dāng)檢測(cè)到停止信號(hào)時(shí)使電磁離合器能迅速分開，減少了電磁離合器的磨擦?xí)r間，同時(shí)也使定位更加準(zhǔn)確。

3）功率驅(qū)動(dòng)電路。由U2光電耦合器，PR3、PR5電阻排，U5、U6驅(qū)動(dòng)芯片IR2103，M1、M2大功率場(chǎng)效應(yīng)管IRFP460及瞬態(tài)干擾抑制二極管P6KE200CA組成，它負(fù)責(zé)電磁離合器的功率驅(qū)動(dòng)和正反向電流切換，TVS管保護(hù)電磁離合器和大功率MOS管工作時(shí)，電磁離合器的啟動(dòng)（吸合）信號(hào)，通過單片機(jī)程序處理后，輸出占空比為80%的正向調(diào)制脈沖，經(jīng)功率驅(qū)動(dòng)部分的U2光電隔離后送給U5、U6場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路導(dǎo)通M1、M4大功率場(chǎng)效應(yīng)管，電磁離合器線圈流過正向的勵(lì)磁電流，電磁離合器快速吸合，隨后調(diào)制脈沖的占空比逐漸降到30%，只給線圈提供吸合保持電流。

類似的，電磁離合器的停止（脫開）信號(hào)，通過單片機(jī)程序處理后，經(jīng)輸出占空比為80%的反向調(diào)制脈沖，經(jīng)功率驅(qū)動(dòng)部分的U2光電隔離后送給U5、U6場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路導(dǎo)通M2、M3大功率場(chǎng)效應(yīng)管，電磁離合器線圈流過反向的勵(lì)磁電流，隨后調(diào)制脈沖的占空比逐漸降到10%，只給線圈提供吸合保持電流，此過程中，對(duì)離合器所施加的反向勵(lì)磁電流建立的電磁極性和原來的剩磁極性相同，產(chǎn)生互相排斥力，使電磁離合器迅速松開，這樣脫開時(shí)間顯著縮短。

圖4 橋式功率電磁離合器驅(qū)動(dòng)電路

2.3 電路設(shè)計(jì)的其他考慮

一般當(dāng)離合器在啟動(dòng)和停止或交流電網(wǎng)不穩(wěn)定及靜電放電或產(chǎn)生瞬態(tài)電壓時(shí)，電路中會(huì)有較大的浪涌電流，如不采取保護(hù)措施，大功率MOSFET管IRFP460在較長(zhǎng)時(shí)間工作下，發(fā)熱并損害，同時(shí)也可能會(huì)使電磁離合器的使用壽命縮短，影響數(shù)控壓接機(jī)的整個(gè)系統(tǒng)性能。雙向的TVS管當(dāng)承受高能量的正負(fù)大脈沖時(shí)，能以極高的響應(yīng)速度（最高達(dá)為10-12秒）使其工作阻抗立即降至極低的導(dǎo)通值，同時(shí)吸收一個(gè)大電流，將其兩端間的電壓箝制在24V上，從而確保與它并聯(lián)在電路中的電磁離合器、電磁制動(dòng)器免受瞬態(tài)高能量的沖擊而損壞，同時(shí)也保護(hù)了串聯(lián)在其電路中的大功率MOSFET管IRFP460。

在使用中，有驅(qū)動(dòng)芯片IR2103的電路，功率地和控制地要單點(diǎn)接地。用IR2103 驅(qū)動(dòng)IRFP460時(shí)，工作頻率最好不超過20KHZ，在進(jìn)行PCB布線時(shí)大功率MOSFET管IRFP460高端驅(qū)動(dòng)地（高端FET的S極）震蕩電壓負(fù)峰不能超過-3V，同時(shí)要高頻退耦。

圖5 用戶程序流程圖

3 驅(qū)動(dòng)電路軟件設(shè)計(jì)

主程序流程圖如圖5所示。首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，對(duì)有些硬件進(jìn)行必要的初始化設(shè)置，確定其工作狀態(tài)，包括制動(dòng)器、離合器的初始化動(dòng)作，定時(shí)器T0、T1的初始值，各種標(biāo)志位的初始值、PWM脈沖調(diào)制等。然后進(jìn)行系統(tǒng)自檢，對(duì)頂端和側(cè)端兩個(gè)傳感器的工作情況進(jìn)行檢查以判別是否正常工作。系統(tǒng)自檢成功后將會(huì)讓由調(diào)制脈沖電路和橋式驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成的電路迅速合上離合器，并開始檢測(cè)側(cè)端傳感器，當(dāng)檢測(cè)到側(cè)端傳感器后，迅速脫開電磁離合器，延時(shí)M毫秒（根據(jù)實(shí)驗(yàn)調(diào)試出來的時(shí)間）后再合上電磁制動(dòng)器，再延時(shí)N毫秒（根據(jù)實(shí)驗(yàn)調(diào)試出來的時(shí)間）后，機(jī)器的位置應(yīng)該正好能檢測(cè)到頂端傳感器。這樣的話，一個(gè)壓接的工作周期就結(jié)束了，然后再重新開始檢查是否又有運(yùn)行信號(hào)，就這樣重復(fù)工作。

4 結(jié)論

本文討論的反向勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)電路，通過合理的硬件設(shè)計(jì)，再與相應(yīng)的軟件配合調(diào)試，滿足了數(shù)控壓接機(jī)對(duì)離合器脫開響應(yīng)時(shí)間的苛刻要求。設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路在較長(zhǎng)工作時(shí)間內(nèi)不會(huì)導(dǎo)致芯片發(fā)熱，延長(zhǎng)了芯片的使用壽命，電磁離合器和制動(dòng)器磨擦片的使用壽命也得到明顯提高，工作噪音顯著降低，系統(tǒng)性能得到了優(yōu)化，有效的提高了工作效率和產(chǎn)品的可靠性，增強(qiáng)了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，有比較普遍的實(shí)用意義。

[1] 電磁離合器的使用說明.http://www.fromhb.com/gylhq01.htm.

[2] 歐陽文.ATMEL89系列單片機(jī)的原理與開發(fā)實(shí)踐[M].中國(guó)電力出版社,2007.

[3] 三恒星科技.MCS-51單片機(jī)原理與應(yīng)用實(shí)例[M].電子工業(yè)出版社,2008.