温度传感器在高可靠性力矩电动机保护中的应用

2013-09-27丁云飞王大明徐慧勇

制造技术与机床 2013年9期

丁云飞王大明金蒙徐慧勇

(①大连光洋科技工程有限公司，辽宁大连 116600;②大连市节能监察支队，辽宁大连 116013)

随着对机床产能、精度和动态性能要求的增加，直接驱动技术已经越来越多地被采用以满足多种需求。特别是直驱式力矩电动机，能够为机床性能的提高带来重大改变。直驱力矩电动机的应用，还具有降低客户的综合使用成本，简化机器的设计及减少维修维护等优点。在应用中对力矩电动机的工艺精度、加工效率和工作可靠性等要求也不断提高。本文主要介绍为提高力矩电动机的可靠性，KTY84－130和PTC－130型温度传感器在力矩电动机保护中的应用。

1 温度传感器介绍

力矩电动机作为机床中的关键执行部件，被广泛应用于高档数控机床中。为防止电动机绕组在工作中发热导致电动机绝缘老化和损坏，过热保护成为电动机的必备保护之一。力矩电动机的过热保护方式是在绕组上串接一个温度传感器，并将其绑扎在电动机绕组的端部。在电动机运行过程中，利用控制设备实时监视温度变化，当绕组温度达到某一设定值时，系统发出报警信号，终止电动机旋转，提示操作者采取对应的措施，检查问题原因。

本公司在设计GTM系列力矩电动机时，为提高和保证力矩电动机的可靠性，以GB755－2008作为设计参考，并计算电动机的热时间常数，经过选型，最终确定使用KTY84－130和PTC－130温度传感器作为力矩电动机的热保护开关。

1.1 KTY84温度传感器介绍

KTY84温度传感器芯片结构基于扩散电阻原理，主要成分是硅。硅天性稳定，测量范围内都具有实际在线线性的温度系数，确保了温度测量的高精确度。所以此类传感器具有“精度高、可靠性高和稳定性强以及正温度系数”的特点。其性能特征如下:

(1)测量温度范围:－40～300℃，电阻值大致从300～2 700 Ω左右基本呈线性变化;

(2)精度等级:0.5%;

(3)公称压力:约 1 MPa;

(4)高温电缆直接出线，便于与其他电器设备连接;

(5)适用于各种介质工业管道和狭小空间设备测温。

其温度与电阻曲线图如图1所示。

1.2 PTC－130温度传感器介绍

PTC是英文Positive Temperature Coefficient的缩写，意思是正温度系数。PTC热敏电阻是以钛酸钡为主要成分的氧化物陶瓷元件，可根据不同的应用场合制成各种形状。PTC元件在近年来得到迅速的发展和应用，与它的独特性能分不开。当温度达到其居里点时，半导体陶瓷相变开始，其电阻值随温度的升高而快速增大，在控制温度点θNAT附近，变化尤其明显，从而起到控制电路的目的。其温度与电阻曲线图如图2。

2 温度传感器在力矩电动机中应用

力矩电动机作为高档机床的关键执行部件，其可靠性高低直接决定了机床的可靠性水平。随着国家相关部门对机床行业的关注，产品的可靠性引起了人们的广泛关注，因此在力矩电动机设计之初就需要将可靠性放在首位。在各种电动机故障中，由于过热造成的绝缘老化是电动机损坏的主要原因。因此热保护是力矩电动机可靠性保证的一个重要手段。在GB755－2008中，测量电动机温升有3种方法:温度计法(使用温度计测量电动机相应位置温度，计算试验前后的温升);电阻法(测量定转子绕组温升试验前后直流电阻值，折算为温度值并计算温升);埋置检温元件法(测量埋置在定子绕组中的检温元件的铂热电阻的直流电阻值折算为温度，计算温升)。考虑到力矩电动机的应用环境及另外两种温度检测方法的使用局限性，最终确定采用埋置检温元件法进行力矩电动机的温度检测。过热保护方式是在绕组上串接一个温度传感器，并将其绑扎在电动机绕组的端部。其应用原理见图3。

3 温度传感器在力矩电动机中应用的实现

力矩电动机的温度信号不能由伺服驱动器直接接收，需要使用温度采集模块对电动机温度信号进行处理，将处理好的数据通过CAN总线传给数控系统，利用GNC数控系统内置的PLC程序对数据进行处理及计算，最后将计算后的温度显示在系统界面上，用户可以通过指定通道来查看力矩电动机的温度，实现对力矩电动机工作温度的监控。图4是力矩电动机与温度采集模块及数控系统的应用连接图。

GNC61数控系统对温度采集模块传送过来的数据进行处理后，将计算后的数据显示在系统界面上，同时对温度值进行报警提示和关断处理。

GNC61数控系统在温度处理方面主要使用数控系统内置PLC程序进行详细的处理，在编写PLC程序时，根据所要检测的力矩电动机温度范围、温度传感器的数量，定义不同的数据类型、不同个数的变量值，将定义的变量与温度模块接收到的温度值进行计算。计算的公式为:实际温度=(温度模块检测的温度－2 730)/10。如图5所示:G_S1_TEMPERTRUE=(I_S1_TEMPERTRUE－2 730)/10。其中 G_S1_TEMPERTRUE为转换后的实际温度，I_S1_TEMPERTRUE为温度模块检测到的温度。在GNC61数控系统程序中，温度通过计算公式转换后得到一个实际的温度值，然后再通过可视化界面程序显示出来，从而显示出每个温度传感器检测到的温度是多少，用户可通过此窗口直观观察出温度的变化状态，对力矩电动机温升情况有一个直观的了解，进而判断电动机的当前状态，更好地对电动机进行保护，如图6所示。

在GNC61数控系统内置PLC程序中通过温度计算公式将采集的温度信号转化成相应的温度数值，因在温度转化公式中除以10，所以换算出的温度值可以保留到小数点后一位，测量精度可以达到0.1℃。例如采集到的温度信号数据为2 678，通过温度计算公式后，得出的温度数值为30.8℃。采集的电动机温度数据每增加1，则换算出的温度值就增加0.1℃，因此电动机温度产生微小的变化，都可以通过PLC处理后及时的反应出来并显示在监视窗口中。

在如图7所示的PLC程序中，通过两个数值的比较，判断此时的电动机状态。如果计算出的电动机温度值大于设定的高温报警值，则电动机的温度过高，数控系统发出报警信号，提示用户采取措施，停止电动机运转，待用户检查到使电动机温度升高的原因后，才允许力矩电动机运行，从而对电动机进行有效的保护。当计算出的电动机温度数值等于设定的短路报警值，则电动机的温度传感器为短路状态，系统会自动打印出短路报警信息，提示用户电动机内置温度传感器短路，更换新的温度传感器。当转化出的电动机温度数值等于设定的断路报警数值，则电动机的温度传感器为断路状态，系统打印出断路报警信息，提示用户电动机内置温度传感器断路，检查电路。