一种伺服压力机的保护装置及方法

技术领域

本发明属于伺服压力机技术领域，具体涉及到一种伺服压力机的保护装置及方法。

背景技术

伺服压力机在工厂断电时，伺服电机在没有配备制动器的情况下，会自由旋转，有可能严重撞击模具，缩短模具寿命，并对工件造成成形损坏，直接对成形设备厂商造成经济损失。因此需要解决在伺服压力机失电时，伺服电机不失控的问题。

CN107196404A《一种UPS装置及其电源切换控制方法》提出了一种电源在失电时的装置，其中的UPS装置目前是一种常规的工业用备用设备，但由于UPS装置需要备用电源或者电功率电池，加之UPS装置本身采用了逆变器作为三相电源的输入，因此价格昂贵。

发明内容

本发明为解决现有技术的不足，提供一种伺服压力机的保护装置及方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种伺服压力机的保护装置，包括整流桥、软启动电路A、软启动电路B、储能电路、三相全桥逆变电路、核心控制器、电机，其中：所述软启动电路A包括并联的软启动电阻R1和软启动电阻R2；所述软启动电路B包括并联的软启动电阻R11和软启动电阻R12；所述储能电路包括并联的若干条储能支路，每条储能支路上串联若干个电容，每个电容均并联一个电阻；所述整流桥与3相380V动力线连接，二极管D1阳极与单相220V动力线连接，二极管D1的阴极与整流桥的阴极连接，整流桥的阴极与软启动电路A的一端连接，软启动电路A 的另一端连接晶闸管S7的阳极，软启动电路B的一端与三相全桥逆变电路中的电容阳极连接，晶闸管S7的阴极与三相全桥逆变电路中的电容的阳极连接，三相全桥逆变电路中的电容的阴极与整流桥的阳极连接，储能电路的阳极与晶闸管S7的阳极连接，储能电路的阴极与整流桥的阳极连接，晶闸管S7的阴极与DC-DC电源模块的输入连接，DC-DC电源模块的输出与核心控制器电源连接，电压传感器采集的电压信号输入至核心控制器，电流传感器采集的电流信号输入至核心控制器，三相全桥逆变电路中的上桥臂IGBT发射极通过电缆分别与电机三相输入端子连接，三相全桥逆变电路中的IGBT门级信号g 与核心控制器的g输出信号相连，电机输出轴与压力机的曲柄连杆传动机构相连，压力机控制命令输入至核心控制器中；所述三相380V 动力线的电缆分别穿过3路电压传感器，电机的输入电缆分别穿过3 路电流传感器。

优选的，所述三相全桥逆变电路包括电容C1和电容C2组成的串联电容、6个IGBT组成的拓扑结构，6个IGBT分别为S1、S2、S3、 S4、S5、S6；其中S4集电极和S1发射极连接，S5集电极和S2发射极连接，S6集电极和S3发射极连接，S1、S2、S3的发射极通过电缆分别与电机三相输入端子连接，S1、S2、S3的集电极分别与整流桥的阴极连接，S4、S5、S6的发射极分别与整流桥的阳极连接，S1、 S2、S3、S4、S5、S6的IGBT门级信号g与核心控制器的g输出信号相连。

优选的，所述储能电路包括并联的四条储能支路，分别是：电容 C3和电容C4串联、电容C3并联电阻R3、电容C4并联电阻R4组成第一条储能支路；电容C5和电容C6串联、电容C5并联电阻R5、电容C6并联电阻R6组成第二条储能支路；电容C7和电容C8串联、电容C7并联电阻R7、电容C8并联电阻R8组成第三条储能支路；电容 C9和电容C10串联、电容C9并联电阻R9、电容C10并联电阻R10组成第四条储能支路。

优选的，所述电压传感器为穿心式电压传感器，电流传感器为穿心式电流传感器。

优选的，所述储能电路中的电容选型根据下面公式计算得到：

其中，m为滑块的质量；v为滑块从下死点回到上死点的平均速度；C 为储能电路的总电容值；ΔU为直流母线电压差值。

本发明还包括一种伺服压力机的保护方法，包括以下步骤：

步骤一：三相380V动力线的电压接入到整流桥的三相输入侧，在单相220V电压幅值处于正半周时，二极管D1导通，通过软启动电路B给三相全桥逆变电路中的电容充电，当直流母线正负之间电压达到540V时不再继续充电；

步骤二：DC-DC电源模块将540V转换为24V，给核心控制器供电，核心控制器给整流桥发指令；

步骤三：整流桥接收到核心控制器的指令开始工作，将三相380V 的交流电压整流成540V直流电压；540V的直流电压形成两路支路：一个支路是通过软启动电路A给储能电路充电，直到充满电压至540V，至此晶闸管S7未接通；另一个支路是给三相全桥逆变电路提供直流电压；

步骤四：核心控制器接收压力机控制指令，开始执行压力机控制指令，同时结合电流传感器信号的反馈，核心控制器输出PWM波的g 信号到三相全桥逆变电路的IGBT门级信号g；

步骤五：三相全桥逆变电路的IGBT接收到门级信号g后，开始执行开关动作，电源来自整流桥的输出电压，电机开始旋转；电机工作过程中，如三相380V动力线突然断电，则执行步骤六；

步骤六：整流桥输入的三相380V动力线突然断电，电压传感器实时反馈电压信号给核心控制器，核心控制器立即保存当前电网电压值到核心控制器中的EEPROM中，并将此刻的电网电压消失认为故障，存储到核心控制器中的故障存储区FLASH中；核心控制器使晶闸管 S7导通，储能电路给DC-DC电源模块提供输入电源，并持续为核心控制器供电，电机控制滑块紧急停止，并通过控制电机使得滑块从当前任意位置回到上死点位置；

步骤七：当电机回到上死点后，控制晶闸管S7不再导通，不再提供能量给电机，完成整个安全保护过程。

本发明的保护装置使伺服压力机无需配备制动器，当正常运转3 相380V的电源突然消失时，依然可保证电机可控安全运行，给伺服压力机的电机提供短时工作电源，使得滑块在当前位置紧急停止，并立刻回到上死点并停车。相对于突然断电电机不受控并自由旋转的情况，应用本发明的保护装置大大保护了模具和生产工件，安全可靠，在实际工况中有很大的应用前景。同时，相比较安装制动器，不增加任何的电机安装空间尺寸，并且价格较安装制动器减少约70％，大大节约了成本。

附图说明

图1为本发明实施例的电路原理图。

图2为本发明实施例控制流程图。

图中，1软启动电路A，2软启动电路B，3三相全桥逆变电路， 4储能电路。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均属于本发明的保护范围。

本发明保护装置的电路原理图如附图1所示，包括整流桥、软启动电路A1、软启动电路B2、储能电路4、三相全桥逆变电路3、核心控制器。

其中，软启动电路A1包括软启动电阻R1和软启动电阻R2，软启动电阻R1和软启动电阻R2并联。

其中，软启动电路B2包括软启动电阻R11和软启动电阻R12，软启动电阻R11和软启动电阻R12并联。

其中，三相全桥逆变电路3包括电容和IGBT，IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor)为绝缘栅双极型晶体管。本实施例中的三相全桥逆变电路3包括电容C1和电容C2组成的串联电容、6个IGBT 组成的拓扑结构，6个IGBT分别为S1、S2、S3、S4、S5、S6，S4集电极和S1发射极相连接，S5集电极和S2发射极相连接，S6集电极和S3发射极相连接。S1、S2、S3的发射极通过电缆分别与电机三相输入端子连接，S1、S2、S3、S4、S5、S6的IGBT门级信号g与核心控制器的g输出信号相连。S1、S2、S3的集电极分别与整流桥的阴极连接，S4、S5、S6的发射极分别与整流桥的阳极相连。

其中，储能电路4包括若干条储能支路，若干条储能支路之间并联，每条储能支路上串联若干个电容，每个电容均并联一个电阻。本实施例中采用四条储能支路并联组成储能电路4，分别是：电容C3 和电容C4串联、电容C3并联电阻R3、电容C4并联电阻R4组成一条储能支路；电容C5和电容C6串联、电容C5并联电阻R5、电容C6 并联电阻R6组成一条储能支路；电容C7和电容C8串联、电容C7并联电阻R7、电容C8并联电阻R8组成一条储能支路；电容C9和电容 C10串联、电容C9并联电阻R9、电容C10并联电阻R10组成一条储能支路。这里储能电路4中电容的选型可根据能量守恒定律：

其中，m为滑块的质量；v为滑块从下死点回到上死点的平均速度；C为储能电路4的总电容；ΔU为直流母线电压差值，正常直流母线电压值为540V，一般直流母线电压工作最低值为480V，上述两电压值相减即为此处的直流母线电压差值60V，因此一般ΔU根据经验值选为60V。

其中，核心控制器则包括了CPU、FLASH、EEPROM和复位电路等。

附图1中，3相380V动力线与整流桥输入相连，单相220V动力线与二极管D1阳极连接，二极管D1的阴极与整流桥的阴极连接。整流桥的阴极与软启动电阻R1和R2并联组成的软启动电路A1的一端连接，软启动电路A1的另一端连接晶闸管S7的阳极。软启动电阻 R11和R12并联组成的软启动电路B2的一端与电容C1的阳极相连，晶闸管S7的阴极与电容C1的阳极连接，电容C1与电容C2串联，电容C2的阴极与整流桥的阳极连接。储能电路4的阳极与晶闸管S7的阳极连接，储能电路4的阴极与整流桥的阳极相连。晶闸管S7的阴极与DC-DC电源模块的输入连接，DC-DC电源模块的输出与核心控制器电源连接。S1、S2、S3的发射极通过电缆分别与电机三相输入端子连接，S1、S2、S3、S4、S5、S6的IGBT门级信号g与核心控制器的g输出信号相连，电机输出轴与压力机的曲柄连杆传动机构相连。压力机控制命令输入至核心控制器中。三相380V动力线的电缆分别穿过3个电压传感器，三相电机的输入电缆分别穿过3个电流传感器， 3路电压传感器采集的电压信号输入至核心控制器，3路电流传感器的电流信号输入至核心控制器。

基于上述本发明的伺服压力机的保护装置，一种保护方法采用了下述的具体步骤来实现，参见附图2：

步骤一：三相380V动力线的电压接入到整流桥的三相输入侧，二极管D1导通，在单相220V电压幅值处于正半周时，通过软启动电阻R11和R12给电容C1和C2充电，直流母线正负之间电压达到540V 时不再继续充电。

步骤二：DC-DC电源模块将540V转换为24V，给核心控制器进行供电，核心控制器给整流桥发指令。

步骤三：整流桥接收到核心控制器的指令开始工作，将三相380V 的交流电压整流成540V直流电压；核心控制器可通过内部电路检测直流母线电压值；540V的直流电压形成两路支路：一个支路是通过软启动电阻R1和软启动电阻R2，给储能电路4充电，直到充满电压至540V，从上电到此步骤晶闸管S7未接通；另一个支路是给三相全桥逆变电路3提供直流电压。

步骤四：核心控制器此时可接收到压力机控制指令等输入信号，开始执行控制命令，同时结合电流传感器信号的反馈，核心控制器 CPU开始对电机控制算法进行运算，并从核心控制器输出PWM波g信号到S1、S2、S3、S4、S5、S6的6路IGBT门级信号g。

步骤五：S1到S6的IGBT接收到门级信号g后，开始执行开关动作，电源来自整流桥的输出电压，电机开始旋转。如遇突然断电，则执行下述步骤六。

步骤六：如果此时整流桥输入的三相380V动力线由于某种原因突然断电，这时由于电容C1和电容C2的存在，直流母线电压不会突然下降。3路电压传感器实时反馈电网电压信号给核心控制器，核心控制器立即进行以下的动作：保存当前电网电压值到EEPROM中，并将此刻的电网电压消失认为故障，存储到故障存储区FLASH中；核心控制器控制导通晶闸管S7，此时通过电容C3到电容C10组成的储能电路4给DC-DC电源模块提供输入电源，并持续为核心控制器供电。此前存储在电容C3到电容C10中的能量在一定时间内可提供电能给电机，使得电机能够控制滑块紧急停止，并通过控制电机使得滑块从当前任意位置回到上死点位置。

步骤七：当电机回到上死点后，晶闸管S7关闭，不再提供能量给电机，完成整个安全保护过程。

所述的电机控制算法包括电机电流和速度数据处理、Clarke和 Park变换、磁场定向控制、失量控制和PWM波计算等内容。所述的核心控制器的内部控制策略除了包括常规的电机控制算法和常规的电机控制功能外，还包括了上述的停电保护控制策略。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。