Как выбрать источник питания для станка с ЧПУ

ВВЕДЕНИЕ

1. ВЫБОР СИЛЫ ТОКА ИСТОЧНИКА

2. ВЫБОР НАПРЯЖЕНИЯ ПИТАНИЯ

3. ВЫБОР ТИПА ИСТОЧНИКА

4. ПРИМЕРЫ ВЫБОРА ИП ДЛЯ ШАГОВЫХ ПРИВОДОВ

Все, кто работал с РЭА, знают, что источник питания - важнейший элемент функционирования системы. Основная задача в выборе блока питания для станка с ЧПУ заключается в определении питающего напряжения, силы тока и вида источника питания (импульсный-линейный, регулируемый-нерегулируемый и т.п.).

Поскольку серводрайверы, как правило, обладают встроенным источником питания со входным напряжением 220 или 380 В, нижесказанное относится к выбору источника питания для привода на шаговых двигателях.

СИЛА ТОКА

Наиболее просто выбрать уровень силы тока, который базируется на характеристиках привода. Рассмотрим сразу на примерах. Сила тока, требуемая драйверу шагового двигателя от ИП, для линейного источника питания составляет минимум 2/3 от номинального значения тока фазы двигателя, а для импульсного надо сделать небольшой запас, порядка 15-30%. Т.е., для двигателя с заявленным током фазы 4.2 А требуется линейный источник питания с током не менее 2.8 А, или импульсный с током от 4.5 А. При подключении нескольких шаговых приводов к одному блоку питания полученные таким образом для каждого значения необходимо сложить, чтобы получить ток, который необходимо получить с источника питания. При подключении нескольких драйверов к одному блоку питания всегда используйте схему подключения звезда с общей точкой на клемме блока. Не подключайте драйверы к клеммам другого драйвера!

НАПРЯЖЕНИЕ ПИТАНИЯ И МОЩНОСТЬ

Напряжение источника питания зависит от индуктивности нагрузки(от кол-ва витков на статоре шагового или серводвигателя). Для определения максимального питающего напряжения некоторыми производителями рекомендуется формула:

32 * √L = Umax, где L - индуктивность обмотки в мГн. Считается, что полученное значение Umax нелья превышать, иначе можно повредить двигатель. Эту формулу эмпирически вывел инженер компании Geckodrive, она не является догмой, и лишь показывает, что с ростом индуктивности обмоток двигателя требуется большее напряжение, чтобы получить требуемую динамику, а также ограничивает неопытных пользователей от использования слишком большого напряжения.
В случае, когда запитываются несколько приводов с разными индуктивностями от одного блока питания, для расчета напряжения источника по этой формуле надо брать минимальную индуктивность из всех двигателей - так вы несколько снизите динамику остальных двигателей, но спасете их от перегрева. Если индуктивность обмоток двигателя неизвестна, для определения Umax можно воспользоваться напряжением U, указанным для обмоток производителем. Как правило, оно весьма мало, порядка 1-5 В. Для получения напряжения питания драйвера это число необходимо увеличить в 7-20 раз(чем больше двигатель, тем больше должен быть множитель). По еще одной эмпирической формуле Umax = 25*U, то есть превышение номинального напряжения более чем в 23-25 раз может привести к перегреву двигателя и выходу его из строя!

Мощность, потребляемую двигателем, можно оценить сверху, перемножив полученное в расчетах максимальное напряжение питания на 2/3 от номинального тока двигателя. Т.е. для двигателя ST57-56 мощность потребления составит порядка 32*sqrt(2.4 мГн) * 2/3 * 3 А = примерно 100 Ватт. Эта формула дает очень осторожную оценку. В реальности потребление много ниже, и составляет примерно такие цифры: двигатели серии 57 мм - 40-70 ватт, двигатели 86 серии - 65-120 ватт на двигатель, в зависимости от нагрузки, выставленного тока на драйверах и т.п.

ВИД БЛОКА ПИТАНИЯ

При выборе вида источника питания можно руководствоваться следующими соображениями. Нерегулируемый трансформаторный(линейный) источник питания подойдет в большинстве случаев, и обладает существенным преимуществом - простотой. При резком торможении шагового мотора генерируется существенная ЭДС, которая складывается с питающим напряжением контроллере двигателя. На многих регулируемых источниках питания может сработать защита от превышения напряжения, тогда как на линейном источнике энергия будет просто запасена в фильтрующем конденсаторе. Кроме того, линейные источники легко переносят резкие скачки потребляемого тока, что позволяет для питания одного и того же набора приводов использовать линейный источник с меньшим номинальным током, чем импульсный.

Регулируемые импульсные источники питания получили весьма широкое распространение вследствие своей дешевизны. В настоящее время импульсные источники питания показывают весьма неплохие эксплуатационные характеристики. Несмотря на то, что импульсные блоки питания с выходным напряжением более 50 В практически не выпускаются, они допускают соединение нескольких блоков последовательно, что позволяет сделать составной блок питания с требуемым напряжением. Скажем, соединив последовательно источники S-350-48 и S-350-27, получим источник питания с выходным напряжением в 75 В, что является оптимальным для драйверов AM882. При соединении ИБП последовательно выбирайте блоки с одинаковым значением выходного тока! (подробней об отличиях линейных и имульсных блоков питания).
Существуют также нерегулируемые импульсные блоки питания, специально предназначенные для питания индуктивных нагрузок, таких, как шаговые двигатели и сервомоторы. Обычный импульсный источник питания рассчитан на сравнительно постоянную, равномерную нагрузку, такую, какую потребляют маломощные логические устройсва - контроллеры, компьютеры и т.п., тогда как в приводах станка с ЧПУ сила тока изменяется очень быстро, что вызывает периодические скачкообразные изменения напряжения на БП. По этой причине при использовании регулируемого ИБП есть вероятность выхода из строя драйвера или блока питания, срабатывания защит регулируемого БП и т.п.

Нерегулируемые импульсные источники питания лишены данного недостатка.

Когда шаговый двигатель резко снижает обороты с приложенным большим моментом инерции на валу, необходимо обязательно учитывать генерируемую двигателем ЭДС индукции(так называемая "обратная ЭДC", или иногда говорят "противоЭДС"). Кинетическая энергия вала с нагрузкой превращается в ток, и должна быть отведена из двигателя. Так как драйвер не может диссипировать эту энергию, он передает её на блок питания. В результате, из потребителя тока драйвер превращается в его источник. Этот ток может привести к пробою конденсаторов блока питания. Если вы питаете несколько шаговых приводов от одного блока питания, это не так страшно, так как энергия , генерируемая одним двигателем, будет поглощена другими. Но только не в том случае, когда они тормозят одновременно! Для этого случая и для случая использования 1 привода на 1 источнике питания может потребоваться установить стабилитрон для отвода тока. Напряжение стабилитрона должно быть больше, чем расчетное питающее напряжение, но достаточно низким, чтобы защитить блок питания. Например, если вы для драйвера AM882 с расчетным напряжением питания 75 В выбрали блок питания и установили на нем выходное напряжение 75 В, напряжение стабилитрона можно выбрать порядка 80-85 В.