基于反向勵磁技術的數控壓接機電路設計

何永艷

（上海電子信息職業技術學院，上海 201411）

0 引言

目前的電磁離合器一般采用直流驅動的電磁裝置[1]，這種驅動電路的主要問題是斷電脫開時由于電磁離合器剩磁無法消除，使電磁離合器脫開時間延長，摩擦片磨損加快，定位精度無法保證。本文介紹的離合器應用場合是在數控壓接機的工作軸運動控制中，通過采用反向勵磁技術，對離合器的脫開時間進行嚴格限制，使電磁離合器適時的斷開，解決了技術上的難題。

1 工作原理簡介

圖1 數控壓接機的工作原理圖

數控壓接機的工作原理如圖1所示。數控壓接機的工作初始位置由頂端傳感器控制，當得到啟動信號后由離合器帶動曲拐運動，在完成壓接工作后到達側端傳感器處時脫開離合器，然后再用制動器減速，當再次到達頂端傳感器處時曲拐角速度減至零，這樣就完成了一個工作周期。考慮到設備的工作效率問題，工作周期僅為250ms左右。由于制動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間很少，按照常規的離合器驅動方式經常會造成離合器脫開不及時，這樣導致的主要問題有兩個，一是制動器開始工作時離合器沒有完全脫開，使二者工作發生沖突，二是離合器完全脫開后留給制動器的工作時間不足以將曲拐減速至零。本文介紹的反向勵磁驅動電路，在需要脫開離合器時向其施加一個反向勵磁，對電磁離合器進行消磁，使電磁離合器迅速脫開，這樣可大大縮短其脫開時間，滿足設備的使用要求。為進一步說明反向勵磁的作用，可以將離合器在一般驅動電路作用下和加反向勵磁作用下其傳遞鈕矩隨驅動電壓變化的情況列于圖2中，通過對比我們可以明顯發現，加上了反向勵磁驅動離合器后，響應時間明顯縮短。

圖2 普通驅動和反向勵磁驅動對比圖

2 驅動電路實現

2.1 總體方案框架圖

圖3 驅動電路的總體設計方案

圖3 為驅動電路的總體設計方案圖。本驅動電路由輸入信號檢測的光電隔離電路，調制脈沖生成電路，橋式功率驅動電路三個部分組成，它屬于一種電磁離合器、制動器的專用驅動電路。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驅動芯片IR2103、大功率MOSFET管IRFP460、瞬態干擾抑制二極管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型式中的型號為16的干式單板電磁離合器。

2.2 驅動電路設計

驅動電路原理圖見圖4所示。它可以分為如下三個部分：

1）輸入信號檢測的光電隔離電路。由U1光電耦合器，PR1、PR2電阻排，各輸入接口組成，它把主機與輸入通道進行隔離，抑制了系統的干擾。

2）調制脈沖生成電路。由高性能單片機ATMEGA8515L和外圍復位及晶振電路構成，主要是在檢測到啟動信號后電磁離合器能迅速閉合，當檢測到停止信號時使電磁離合器能迅速分開，減少了電磁離合器的磨擦時間，同時也使定位更加準確。

3）功率驅動電路。由U2光電耦合器，PR3、PR5電阻排，U5、U6驅動芯片IR2103，M1、M2大功率場效應管IRFP460及瞬態干擾抑制二極管P6KE200CA組成，它負責電磁離合器的功率驅動和正反向電流切換，TVS管保護電磁離合器和大功率MOS管工作時，電磁離合器的啟動（吸合）信號，通過單片機程序處理后，輸出占空比為80%的正向調制脈沖，經功率驅動部分的U2光電隔離后送給U5、U6場效應管驅動電路導通M1、M4大功率場效應管，電磁離合器線圈流過正向的勵磁電流，電磁離合器快速吸合，隨后調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，通過單片機程序處理后，經輸出占空比為80%的反向調制脈沖，經功率驅動部分的U2光電隔離后送給U5、U6場效應管驅動電路導通M2、M3大功率場效應管，電磁離合器線圈流過反向的勵磁電流，隨后調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，對離合器所施加的反向勵磁電流建立的電磁極性和原來的剩磁極性相同，產生互相排斥力，使電磁離合器迅速松開，這樣脫開時間顯著縮短。

圖4 橋式功率電磁離合器驅動電路

2.3 電路設計的其他考慮

一般當離合器在啟動和停止或交流電網不穩定及靜電放電或產生瞬態電壓時，電路中會有較大的浪涌電流，如不采取保護措施，大功率MOSFET管IRFP460在較長時間工作下，發熱并損害，同時也可能會使電磁離合器的使用壽命縮短，影響數控壓接機的整個系統性能。雙向的TVS管當承受高能量的正負大脈沖時，能以極高的響應速度（最高達為10-12秒）使其工作阻抗立即降至極低的導通值，同時吸收一個大電流，將其兩端間的電壓箝制在24V上，從而確保與它并聯在電路中的電磁離合器、電磁制動器免受瞬態高能量的沖擊而損壞，同時也保護了串聯在其電路中的大功率MOSFET管IRFP460。

在使用中，有驅動芯片IR2103的電路，功率地和控制地要單點接地。用IR2103 驅動IRFP460時，工作頻率最好不超過20KHZ，在進行PCB布線時大功率MOSFET管IRFP460高端驅動地（高端FET的S極）震蕩電壓負峰不能超過-3V，同時要高頻退耦。

圖5 用戶程序流程圖

3 驅動電路軟件設計

主程序流程圖如圖5所示。首先進行系統初始化，對有些硬件進行必要的初始化設置，確定其工作狀態，包括制動器、離合器的初始化動作，定時器T0、T1的初始值，各種標志位的初始值、PWM脈沖調制等。然后進行系統自檢，對頂端和側端兩個傳感器的工作情況進行檢查以判別是否正常工作。系統自檢成功后將會讓由調制脈沖電路和橋式驅動電路構成的電路迅速合上離合器，并開始檢測側端傳感器，當檢測到側端傳感器后，迅速脫開電磁離合器，延時M毫秒（根據實驗調試出來的時間）后再合上電磁制動器，再延時N毫秒（根據實驗調試出來的時間）后，機器的位置應該正好能檢測到頂端傳感器。這樣的話，一個壓接的工作周期就結束了，然后再重新開始檢查是否又有運行信號，就這樣重復工作。

4 結論

本文討論的反向勵磁驅動電路，通過合理的硬件設計，再與相應的軟件配合調試，滿足了數控壓接機對離合器脫開響應時間的苛刻要求。設計的驅動電路在較長工作時間內不會導致芯片發熱，延長了芯片的使用壽命，電磁離合器和制動器磨擦片的使用壽命也得到明顯提高，工作噪音顯著降低，系統性能得到了優化，有效的提高了工作效率和產品的可靠性，增強了產品的市場競爭力，有比較普遍的實用意義。

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

[2] 歐陽文.ATMEL89系列單片機的原理與開發實踐[M].中國電力出版社,2007.

[3] 三恒星科技.MCS-51單片機原理與應用實例[M].電子工業出版社,2008.