Сеть защиты от перенапряжения для гальванометрических приводов лазерных маркировочных машин

Сеть защиты от перенапряжения для гальванометрических приводов лазерных маркировочных машин

Резюме

Высокоскоростные гальванометрические сканеры меняют направление вращения тысячи раз в минуту, и каждое замедление возвращает энергию торможения в общую шину 48 В. Напряжение на шине повышается на разницу накопленной энергии, поэтому расчетным параметром является наибольшее разовое изменение направления вращения и средняя мощность 25 Вт, которую должны сбрасывать зажимы. В этой статье выводятся значения энергии, повышения напряжения и коэффициента заполнения зажимов, а затем приводятся шесть шагов, которые удерживают шину в пределах ее диапазона при плотных схемах сканирования.

1. Введение

Высокоскоростные гальванометрические сканеры перемещают свои зеркала с угловыми скоростями, превышающими несколько сотен радиан в секунду, и меняют направление движения тысячи раз в минуту. Каждое изменение направления представляет собой контролируемое замедление, и во время него двигатель работает как генератор, возвращающий энергию в шину постоянного тока.

В двунаправленном сервоприводе энергия может передаваться в три места: через конденсатор шины, тормозной резистор или от сети. В маркировочном станке драйверы гальванометров используют общую шину 48 В с драйвером лазерного насоса и управляющей электроникой.

Затем энергия торможения поступает в виде короткого импульса высокого тока. Напряжение на шине повышается, входной фильтр драйвера насоса нарушается, и на управляющую шину поступает переходный процесс, который может перезагрузить микроконтроллер или нарушить обратную связь по положению гальванометра.

Сеть подавления, состоящая из емкости шины, ограничительной цепи и энергопоглощающих элементов, удерживает шину внутри ее окна и обеспечивает стабильность машины.

В разделе 2 данной статьи выводятся значения энергии, повышения напряжения и коэффициента заполнения ограничителя, в разделе 3 описываются четыре пути отказа в полевых условиях, а в разделе 4 приводятся шесть этапов проектирования.

2. Основной механизм

2.1 Регенеративная энергия и скорость её поступления

Замедление преобразует механическую энергию ротора в электрическую энергию в автобусе:

E_reg = ½ × J × ω²

где E_reg — энергия, регенерированная за один оборот, J — момент инерции ротора и зеркала, а ω — угловая скорость до замедления.

Ротор гальванометра с энергией J = 2 × 10⁻⁶ кг·м², замедляющийся с 500 рад/с, возвращает 0.25 Дж. Мощность поступает в виде импульса, длительность которого равна времени замедления:

P_peak = E_reg / t_dec

где P_peak — пиковая мощность рекуперации, E_reg — энергия за один оборот, а t_dec — время замедления.

При энергии 0.25 Дж за 5 мс пиковое значение составляет 50 Вт, а при 100 переворотах в секунду среднее значение равно 25 Вт. Оба показателя важны: пиковое значение определяет величину переходного процесса, который должен поглотить конденсатор, а среднее значение определяет количество тепла, которое должен рассеять ограничитель.

2.2 Повышение напряжения на шине

В шине уже есть энергия, поэтому регенеративный импульс повышает напряжение на разницу накопленной энергии:

ΔV_bus = √(V_bus² + 2 × E_reg / C_bus) − V_bus

где ΔV_bus — повышение напряжения, V_bus — установившееся напряжение на шине, E_reg — энергия одного переключения, а C_bus — емкость шины.

На шине 48 В с конденсатором 1 мФ запасённая энергия составляет 1.152 Дж, импульс увеличивает её до 1.402 Дж, а напряжение достигает 52.95 В, что составляет повышение на 4.95 В. Тот же импульс на батарее из конденсаторов 21 мФ изменил бы напряжение менее чем на 0.3 В.

Емкость, удерживающая повышение внутри выбранного окна, определяется тем же уравнением:

C_bus = 2 × E_reg / (V_max² − V_bus²)

где V_max — максимальное напряжение, которое может достичь шина, а остальные параметры указаны выше.

Для диапазона 4.8 В на шине 48 В максимальное напряжение V_max составляет 52.8 В, а требуемый конденсатор — 1.03 мФ. С учетом 30% запаса по напряжению составляет 1.34 мФ, а после одного изменения полярности напряжение на шине повышается на 3.74 В до 51.74 В.

2.3 Зажим должен отводить среднюю мощность

Все, что не удерживает конденсатор, необходимо сбросить:

P_dump = E_reg × f_reversal − P_stored

где P_dump — средняя мощность, рассеиваемая зажимом, E_reg — энергия за одно переключение, f_reversal — частота переключения, а P_stored — мощность, которую конденсатор повторно использует при следующем ускорении.

Коэффициент заполнения импульса, с которым работает прерыватель, определяется током сброса:

D_clamp = P_dump / (V_bus × I_dump)

где D_clamp — коэффициент заполнения импульсного преобразователя, P_dump — средняя мощность, V_bus — напряжение шины, а I_dump — ток, потребляемый резистором-поглотителем при замыкании ключа.

Резистор сброса 48 Ом потребляет 1 А от шины 48 В, поэтому для средней мощности 25 Вт требуется коэффициент заполнения 52%. Это легко сделать с помощью MOSFET-преобразователя, но невозможно для реле.

Без ограничителя энергия накапливается. Последовательность импульсов продолжает добавлять 0.25 Дж, и после трех переключений та же шина емкостью 1 мФ достигает 61.7 В, что превышает порог срабатывания защиты.

2.4. Развязывающий конденсатор охватывает первые микросекунды.

Блок конденсаторов не может реагировать на быстрый фронт сигнала, поскольку его собственная эквивалентная статическая индуктивность (ESL) ограничивает скорость изменения тока. Низкоэмиссионный конденсатор на клеммах драйвера обеспечивает этот ток:

I_transient = C_bypass × dV/dt

где I_transient — ток, принимаемый шунтирующим конденсатором, C_bypass — его емкость, а dV/dt — наклон напряжения на его выводах.

Шунтирующий конденсатор класса I емкостью 100 нФ, работающий при скорости 50 В/мкс, пропускает ток 5 А, что соответствует быстрой части импульса реверсирования. Затем в миллисекундном масштабе вступают в действие основные электролитические конденсаторы, а ограничитель тока удаляет оставшийся ток.

Три слоя отвечают за три временных масштаба, и каждый из них должен быть рассчитан на выполнение своей задачи. Электролитическая батарея также пропускает собственный пульсирующий ток: при 100 переключениях в секунду и импульсе 1 А батарея регистрирует 0.74 А среднеквадратичного значения.

Рис. 1 — Каждое изменение полярности на 0.25 Дж увеличивает запасенную энергию шины, поэтому шина емкостью 1 мФ без ограничителя напряжения пересекает отметку 60 В при третьем изменении полярности, в то время как шина емкостью 1.34 мФ с ограничителем напряжения удерживает напряжение 51.7 В.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Перенапряжение на шине при плотных схемах сканирования.

Маркировка плотных массивов и штриховка приводят к максимальному ускорению гальванометра, а тормозной импульс выводит напряжение на шине 48 В за пределы порогового значения срабатывания защиты. Срабатывает защита драйвера насоса, лазер отключается в середине процесса, и деталь теряется.

Оператор наблюдает необъяснимые отключения, которые появляются в виде плотных узоров. Причина кроется в энергии шины: 0.25 Дж на каждое изменение направления тока, и нет пути для её сброса.

Проблема 2: Переходные процессы в управляющей шине, приводящие к сбросу контроллера.

Тормозной импульс передается на управляющую шину через общий преобразователь, и скачок выше порогового значения сброса перезагружает контроллер гальванометра в процессе сканирования. Машина теряет положение, и луч отмечает неверное место.

Медленный мультиметр никогда не зафиксирует это событие. Оно появляется на осциллографе во время быстрого сканирования, и это единственное время, когда оно имеет значение.

Проблема 3: Старение электролитических конденсаторов под воздействием повторяющегося импульсного тока.

Электролитические конденсаторы шины поглощают импульсы тысячи раз в минуту, и каждый импульс создает ток 0.74 А среднеквадратичного значения через их эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Внутреннее рассеивание тепла увеличивает температуру корпуса, а температура корпуса определяет срок службы.

Принятая точка окончания срока службы наступает, когда коэффициент ESR удваивается. По мере старения аккумуляторной батареи она становится менее чувствительной, пиковое напряжение возрастает, и поездка наступает раньше с каждым месяцем эксплуатации.

Проблема 4: Перегрев резисторов ограничителя при длительном изменении частоты вращения.

Резистор, рассчитанный на периодическое торможение, не выдерживает непрерывного высокоскоростного сканирования. При 100 переворотах в секунду ток, потребляемый токоизмерительным клещем, составляет в среднем 25 Вт, что на 52 % превышает номинальную мощность резистора 48 Ом.

Недостаточно мощный резистор может смещаться, перегорать или обрываться, и защита исчезает именно тогда, когда машина работает на пределе своих возможностей.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Рассчитывайте размеры автобуса, исходя из наихудшего варианта разворота.

Используйте максимальную энергию одиночного импульса при максимальной скорости сканирования и допустимом диапазоне напряжений, затем добавьте 30 % запаса. Для диапазона 4.8 В на шине 48 В ответ получится 1.03 мФ, а расчетное значение — 1.34 мФ.

В качестве входных данных возьмем наихудший вариант, представляющий собой плотную штриховку. Среднее значение параметра шаблона занижает размер банка на величину, равную соотношению двух значений энергии.

Стратегия 2: Добавить обходной канал с низким уровнем ESL на каждом входе драйвера.

Место N4700 Класс I керамические дисковые конденсаторы непосредственно на клеммах каждого драйвера гальванометра, где их наносекундный отклик занимает первые микросекунды фронта сигнала. Коэффициент ±30 ppm/°C обеспечивает стабильность байпаса от холодного запуска до длительной выдержки.

Стратегия 3: Создать зажим с миллисекундным откликом и реальными температурными характеристиками.

Используйте MOSFET-преобразователь с гистерезисным окном, включающийся при 105 % напряжения шины и отключающийся при 100 %. Уменьшите номинал резистора сброса в 2 раза и используйте неиндуктивный резистор. толстопленочный резистор с определенным тепловым путем, потому что средняя мощность 25 Вт, подаваемая на деталь, рассчитанную на кратковременные импульсы, приводит к выходу из строя зажимов.

Стратегия 4: Отделить управляющую шину от переходного процесса на шине.

Добавьте на управляющую шину отдельный LC-фильтр и шунт класса I, чтобы импульс ослаблялся до того, как достигнет микроконтроллера и интерфейса энкодера. Убедитесь на осциллографе, что во время наибольшего импульсного сигнала напряжение на шине остается в пределах ±5 %.

Аналогичные правила применяются и на высоковольтных участках: а) дверная конденсатор На входе драйвера Q-переключателя удерживается собственный узел в стабильном состоянии, и пленочный конденсатор В выходном фильтре привода насоса пульсации, следующие за импульсом, переносятся.

Стратегия 5: Отслеживание пикового напряжения на шине как показателя состояния системы.

Регистрируйте пиковое напряжение шины во время сканирования с помощью схемы фиксации пикового значения или АЦП контроллера и сравнивайте его между посещениями сервисной службы. Повышение пика при том же шаблоне сканирования указывает на увеличение электролитического ЭПР или ослабление зажима, и это происходит за несколько недель до отключения.

A быстровосстанавливающийся диод При старении привода насоса, движущегося по одному и тому же тепловому пути, время его восстановления также должно учитываться в рамках одной и той же тенденции.

Стратегия 6: Пройти квалификацию, используя наихудший вариант схемы полета при максимальной температуре.

Проведите непрерывные испытания с использованием самого быстрого шаблона штриховки в течение 8 часов при температуре окружающей среды 55 °C и зарегистрируйте напряжение шины, температуру зажима и напряжение на управляющей шине. Примите проект, когда отклонение напряжения шины останется в пределах ±10 %, температура зажима — ниже номинального значения, а напряжение на управляющей шине — в пределах ±5 %.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока	высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с
емкость	4700 пФ ±20% (472М)	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	-
Индуктивность петли (хорда E40)	ниже 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока	25 ° C, 60% относительной влажности
Диапазон температур	от −40 °C до +125 °C	Серия МЭК 60068-2
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Конденсаторы HVC для жесткой гальванической шины

Быстродействующий уровень сети определяет скорость реакции шины на импульс торможения. Компания HVC создает этот уровень на своем собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, работая в диапазоне напряжений от 1 кВ до 100 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Низкое и стабильное эквивалентное последовательное сопротивление (ЭСС). Диэлектрик класса I N4700 с тангенсом угла диэлектрических потерь (tanδ) равным или ниже 0.1 % поглощает переходные процессы без самонагрева и без изменения емкости в течение всего срока службы машины.
• Низкий уровень эквивалентной последовательной индуктивности (ESL). Коаксиальная конструкция выводит резонанс обходного канала значительно выше спектра переходных процессов, поэтому компонент ведет себя как конденсатор в течение первых микросекунд каждого переключения.
• Емкость остается неизменной в зависимости от температуры, с точностью до ±30 ppm/°C, поэтому значение емкости байпаса остается тем же как при холодном утреннем запуске, так и при жарком послеполуденном времени.
• Частицы разряда не превышают 5 пКл при номинальном напряжении, что предотвращает разряд высоковольтных шунтирующих каскадов при повторяющихся импульсах dv/dt, вызванных маркировочными импульсами.
• Диапазон напряжений от 1 кВ до 100 кВ, поэтому каскады Q-переключателя и шины ячейки Поккельса используют ту же дисциплину переходных процессов, что и шина 48 В.
• Проверенная временем замена. Серия 40 кВ / 441. MurataЭквивалентные винтовые узлы являются надежной заменой в программе ремонта источников света для литографии, и разработчики DUV-технологий теперь указывают высоковольтные компоненты в новых источниках света.

Доставка и поддержка

Стандартные детали отгружаются в течение 4–8 недель, а соответствующие комплекты байпасов — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в анализе рекуперативного энергетического баланса, расчете размеров шин и проектировании зажимов. Необходимо отправить напряжение шины, момент инерции и максимальную скорость ротора, частоту реверсирования и схему сканирования. HVC предоставит таблицу расчета размеров с данными о пульсациях тока и эквивалентном последовательном сопротивлении в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какое количество энергии возвращает один оборот гальванометра?

E_reg = ½Jω². При J = 2 × 10⁻⁶ кг·м² и 500 рад/с ответ составляет 0.25 Дж, что соответствует 50 Вт при замедлении в 5 мс и 25 Вт в среднем при 100 реверсах в секунду.

В2: Насколько это увеличит высоту моего автобуса?

Разница обусловлена ​​разницей в запасенной энергии. На шине 48 В с емкостью 1 мФ 0.25 Дж переводят напряжение на шине с 48.00 В до 52.95 В, что составляет повышение на 4.95 В. Это повышение уменьшается по мере увеличения емкости.

В3: Как выбрать емкость шины?

C = 2E/(V_max² − V_bus²). Для диапазона 4.8 В на шине 48 В это составляет 1.03 мФ, а с запасом в 30 % — 1.34 мФ, что обеспечивает повышение напряжения на 3.74 В при одном переключении.

Вопрос 4: Что должен рассеивать зажим?

E_reg × f_reversal, за вычетом того, что повторно использует конденсатор. При 0.25 Дж и 100 Гц это составляет в среднем 25 Вт, что покрывается резистором 48 Ом при 48 В с коэффициентом заполнения 52 %.

В5: Зачем добавлять керамический байпас рядом с электролитами?

Потому что электролитические конденсаторы не могут реагировать на быстрый фронт сигнала. Шунтирующий конденсатор класса I емкостью 100 нФ при скорости развязки 50 В/мкс пропускает 5 А переходного тока, в то время как электролитическая индуктивность конденсаторной батареи по-прежнему ограничивает его реакцию.

В6: Что может пойти не так, если зажима вообще нет?

Энергия накапливается. Три перестановки полярности приводят к тому, что напряжение на шине емкостью 1 мФ достигает 61.7 В, превышая порог срабатывания защиты на 60 В, и отключение выглядит как неисправность, зависящая от характера воздействия, в то время как причина кроется в накоплении энергии в шине.

7. Рекомендации

1. Э. Куффель, В.С. Заенгль, Дж. Куффель, Основы высоковольтной техники, 2-е изд., Ньюнес, 2000.
2. Н. Мохан, Т.М. Унделанд, У.П. Роббинс, Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, 2003.
3. Уведомление 2 MIL-HDBK-217F. Прогнозирование надежности электронного оборудования, 1995.
4. МЭК 60384-1:2021, Фиксированные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 1: Общие технические характеристики, 6-е изд. Женева: МЭК, 2021.
5. МЭК 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроники, Изд. 2.0. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2017.
6. ГОСТ IEC 61071-2014, Конденсаторы силовые электронные (Конденсаторы для силовой электроники). Москва: Стандартинформ, 2014.
7. Б. Ван, Дж. Мэн и П. Чжао, Мониторинг состояния старения алюминиевых электролитических конденсаторов в преобразователях частотыIEEE Transactions on Power Electronics, том 37, № 4, стр. 4564-4574, 2022. https://doi.org/10.1109/tpel.2021.3121813.
8. М. Маркезони и др., Минимизация пульсаций напряжения на конденсаторе в преобразователе напряжения для высоковольтных систем постоянного тока., в материалах Международной конференции AEIT HVDC 2019 года (AEIT HVDC), стр. 1-6, 2019. https://doi.org/10.1109/aeit-hvdc.2019.8740647
9. ЛАЗЕР — Применение в качестве источника питанияMatsusada Precision, https://matsusada.com/application/ps/laser/ .
10. США 8,345,457 B2, Преобразователь напряжения для передачи электроэнергии постоянного тока высокого напряжения (HVDC)ABB, 2013, https://patents.google.com/patent/US8345457B2/en .
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com