切割机调高板工作原理及故障分析与改进

倪振峰

(江苏熔盛重工有限公司，江苏 南通 226532)

0 引言

等离子切割机因切割速度快、精度高，成为造船行业不可缺少的切割设备。切割机生产厂家根据设备要求开发出各自调高控制板，用于满足切割机自动调高需要。本文简述了华崴等离子切割机调高控制板工作原理，针对其出现的故障进行原因分析，并采取了相关的改进措施。

1 华崴切割机调高板工作原理

1.1 调高板控制原理简述

华崴切割机采用直流电动机进行调高，利用UC3637输出的反相PWM信号，构成双极性调速系统。输入控制电路如图1所示(图中未给出初始定位及弧压调高信号)。输入信号有手动升降(1－6S、1－6J)、PLC 控制的自动升降(JSS、JXJ)及调高使能信号(JTYX)等，通过集成电路CD4532(8－3编码器)及CD4051(8选1模拟开关)进行选择。当信号为上升时，CD4051选择X5或X7，输出G1点电压大小由RP2电位器调节;同理，下降时CD4051选择X4或X6，输出G1点电压由RP3调节，一般升降电压取绝对值相等。

图2为 UC3637控制电路，信号 G1经运放LM324送至PWM控制器UC3637N。LM324输出信号送UC3637的16脚，再经过UC3637本身的Error运算放大器进行放大，把放大的信号直接和三角波进行比较，分别在UC3637的脚4及脚7输出反相的PWM信号。这2路脉冲信号与误差电压信号幅值成正比，并与其极性相关，可构成双极性调速系统，由集成电路IR2110驱动，实现直流电动机控制。

图3为IR2110驱动电路。图中利用4只MOS管组成“H”桥电路，用2只IR2110进行驱动，控制直流电机。当T4的导通信号传输至IR2110(1)的引脚10和IR2110(2)的引脚12，分别使上通道引脚10和下通道引脚12导通。这时2片IR2110间的“H”桥电路中二极管V17和V20被触发导通;同理，T3的导通信号使V19和V18导通。这样，在控制信号的作用下，V17、V20和V19、V18交替轮流导通，从而控制直流电机运转。

图2 UC3637控制电路

图3 TR2110驱动电路

1.2 UC3637N基本功能

控制器UC3637N内部包含有1个三角波振荡器、2个PWM比较器，逐个脉冲限流比较器等，可单电源或双电源工作，工作电压范围±(2.5～20)V，有利于双极性调制。

三角波产生电路如图4所示，图中C29为定时电容，R26为定时电阻。

三角波阈值电压:

图4 三角波产生电路

UC3637实现其最主要的功能就是2个PWM比较器，PWM产生电路如图5所示，其中:

图5 PWM产生电路

1.3 IR2110自举驱动电路

IR2110具有独立的低端和高端输入通道;电源采用自举电路。由图3可知，DC100经2只5.6 kΩ电阻串联降压，再由稳压二极管稳压成+15V电源。C42为滤波电容，C43及V15分别为IR2110(1)自举电容和二极管。

假定C43在V17关断期间已充足电压(UC43≈15V)，当IR2110(1)的10脚为高电平时，6脚、7脚形成通路，电容C43经6脚、7脚、R52将控制电压施于V17，使V17导通;当10脚为低电平时，5脚、7脚形成通路，使V17迅速关断。经短暂的死区时间后，12脚为高电平，使V18开通，15V电压经V15、C43、V18、R56、R48 给电容 C43 充电，如此循环反复，使V17、V18轮流导通。

1.4 保护电路

图3中，R48为电机电流检测电阻，检测信号T1、T5送UC3637的12脚、13脚。当电机电流增大到UC3637内部比较器C/L阀值电压时，使输出Aout(4脚)、Bout(7脚)变为低电平，停止输出。

2 调高板故障情况及原因分析

2.1 故障情况

等离子切割机在切割时不能调高控制，在对外围线路进行检查后，未发现故障。检修人员判断为调高控制板损坏，更换调高板后能正常调高，但又会不定期损坏，且多次出现类似情况，给维修造成困难，影响生产。

2.2 故障原因分析

要找到故障原因，必须先找到调高板损坏部位，确定损坏的元件。

根据上述调高板工作原理，由图1可知，手动输入信号经编码器CD4532及8选1模拟开关CD4051，由3脚输出(G1)，其电压大小由电位器RP2、RP3调节。

无输入信号时，故障板检测点G1电位UG1=0 V;当输入手动上升信号时UG1=5 V;手动下降时UG1=－5 V，说明G1点电压正常。故障在脉宽调制控制器UC3637N及驱动电路IR2110部分，由图5可知，无输入信号时，U17=0 V，U9=0.7 V，U11=－0.7 V。但检测故障板 U17= －7.6 V，U9= －6.8 V，U11= －8.1 V，电压不正常，UC3637N 集成块 17脚(E/A OUTPUT)电压偏离正常值，此电压由输入信号经UC3637N集成块16脚(－E/A)，再通过内部Error运算放大器进行放大得到。显然16脚输入电压也异常。由图2可知，在UG1正常的情况下，故障来自运放LM324、驱动IR2110及外围元件。后经检查发现，有1块驱动集成块IR2110损坏，更换后，调高板工作正常。

确定了损坏的元件后，需进一步查找IR2110多次不定期损坏的原因。维修中发现2块IR2110无规律损坏，检查外围线路正常情况下，考虑到切割机等离子电源工作时产生的等离子弧是一种高电场强度、高能量的压缩电弧，是一种强干扰源，判断为故障的根本原因是由干扰引起的。

3 改进措施

根据故障原因分析，我们针对干扰采取了相关抗干扰措施:

(1)改善切割机接地，增加接地点，尽量减小接地电阻。

(2)按使用说明书要求规范接地，对各部件采用“一点接地”，避免产生环流。

(3)理清线路走向，强电、弱电尽量分开，特别是调高直流电机线路及其控制线要尽可能远离其他线路。

(4)按要求采用屏蔽线，且使屏蔽层可靠接地。

在采取上述措施后，调高板损坏情况有所改善，但并未能根本解决IR2110损坏问题。

进一步分析调高板供电电源，由图3可知，其IR2110驱动自举电路电源为:DC100经2只5.6 kΩ电阻串联降压，再由稳压二极管稳压成+15 V电源。直流电源DC100为市电经变压器变压，再整流滤波，用于驱动直流电机，图3中此电源与IR2110驱动自举电路共用。当等离子电源工作时产生的高频干扰信号串入电机驱动电源，将直接影响驱动集成块IR2110，导致IR2110损坏，因此把IR2110自举电路+15 V电源改用由调高板上L7815 CV稳压块直接供电。改动后的部分电路图如图6所示。线路改动后，经较长时间使用，调高正常，未出现IR2110损坏现象。

图6 电源改动后IR2110驱动电路部分示意图

4 结语

因干扰问题导致调高板多次不定期损坏，经过故障分析及采取相关措施，并对调高板进行改进后，有效防止了干扰信号损坏调高板，从根本上解决了问题。使用一年多时间，类似的故障再未出现，节约了维修成本，降低了设备的故障率，取得良好的经济效益。

［1］康华光.电子技术基础［M］.北京:高等教育出版社.1991.

［2］诸邦田.电子电路实用抗干扰技术［M］.北京:人民邮电出版社1994.