第14讲：DIPIPM™的健康管理（2）

讲座导语

DIPIPM™是双列直插型智能功率模块的简称，由三菱电机于1997年正式推向市场，迄今已在家电、工业和汽车空调等领域获得广泛应用。本讲座主要介绍DIPIPM™的基础、功能、应用和失效分析技巧，旨在帮助读者全面了解并正确使用该产品。

3.6.3

多轴机器人应用中DIPIPM™的健康管理

Q

我看现在很多生产线会用机器人替代工人，唰唰唰的，很帅。能不能讲讲机器人呢？

可以啊，伺服电机的驱动也是一个比较典型的应用案例。

A

多轴机器人在工业控制领域是一个比较时髦的应用，也是工业4.0，中国制造2025里的重要内容。图11就是一个典型的多轴机器人。其一共有6个受伺服电机控制的转动轴，所以也被称为6轴机器人。

图11 6轴机器臂示意图

前一节我们是针对一个已经设计好的门机变频器进行校验。看它是否能满足多年的运行的条件。这次我们换个方向。如何从设计之初就考虑寿命问题。如何确定设计一款伺服驱动器能满足多年运行的要求。

首先，重中之重的第一步是确定一下基本条件，就像表2这样。

表2 伺服驱动器相关应用条件

然后是运行周期。同样是运行50000小时，是以10s一个循环走还是以20s一个循环走，对循环次数的影响非常明显。多轴机器人的最常见运动以急加速、急减速为特征的往复运动。图12为伺服驱动器的运行模式示意图。

图12 伺服驱动器的运行模式示意图

其中：

黄色：速度曲线

灰色：输出电流曲线。

T1：加速时间。一般此时伺服驱动器会以允许的最大电流工作。我们假设T1=3s。

T2：整个运行循环的时间。我们假设T2=20s

那么在50000小时的寿命中，我们的伺服驱动器需要运行50000小时/20s=9M次

根据图5的功率循环曲线和表2的1000ppm的损坏率要求。那么单次运行中ΔTj-c需要低于25℃。

可能有些读者要说了，你都整了这么多了，模块用哪个啊？是时候介绍我们的主角了。接下来有请我们新一代明星，PSS50S73F6。它是三菱电机第7代小型DIPIPM™。在兼容以前同封装器件的基础上，又把最大结温提升到了175℃。让我们看看，在表2的条件下PSS50S73F6可以跑到多少电流。

图13 PSS50S73F6仿真界面

答案来了。Io=24Arms。也就是说PSS50S73F6在上述这些工况下，每10s跑一个24A有效值的电流，可以跑50000小时。

另外需要说明的是这个电流是在无限散热支持下，需要重复运行的电流。怎么理解？

• 伺服驱动器并不具备无限散热能力。设计条件中的Ts=90℃是需要实践验证的，你设计的散热器､风道､风扇是否足以将相应的热量带走。

• 既然是需要重复运行，那就涉及到周期，多久跑一次。如果周期更短，周期数更多，相应需要更低的ΔTj-c和更低的运行电流。

• 对于伺服驱动器来说除了需要重复运行的电流，还有不需要重复运行的电流，比如堵转。此类工况的仿真主要涉及到Tjmax的仿真。待会我们来详细说说。

我们现在中场休息。广告之后马上回来。

好了，我们下半场开始。下半场我们详细讲讲堵转工况的仿真。

首先什么是堵转？字面意义上理解，电机由于外部机械原因导致不能转动。没错，这是被动的堵转。相应的还会有主动的“堵转”。当然一般也不会叫这个名字。一般会被叫做‘驱动器使能’或者‘力矩保持’等等。两者的异同主要如表3所示。

表3 主动堵转和被动堵转的异同

这一节呢，我们主要讲一讲由于机械原因导致的被动堵转。当这种堵转发生时，我们需要以怎么样的方式去设置保护点。我们还是罗列一下工作条件，如表4。

表4 堵转工况仿真条件

Q

你不都说是输出直流电了么，怎么还有这么多交流电的仿真参数？

很好的问题。这么干的主要原因是如果以直流电的形式来仿真，需要提供一个IGBT的占空比。这个值在设计之初，很难明确获得。但是如果以低频交流电的形式来仿真，就可以有效避免这个问题。通过降低输出频率，利用交流波形波峰这一段来近似仿真为直流。当然由于是低频交流电，对应的输出电压有效值较低，会导致调制率也较低。所以一般就用M=0.1来仿真。

A

好了，我们来看一下仿真结果，图14。由于PSS50S73F6最大结温为175℃，它的最大运行结温可以到150℃。当Io=23.5Arms或者说Io=33.2Apeak时，ΔTj-c(max)=52.36℃，Tj(max)=150.87℃。这基本上就是我们的堵转保护的极限值。

图14 PSS50S73F6堵转仿真

Q

等等，刚才长期稳定运行，你算出来是24Arms。这个堵转怎么才23.5Arms(33.2Apeak)？你是不是想摸鱼？

小伙子可以啊，这么快就发现坑了。没错，堵转的保护点是有可能低于长期稳定运行的电流。因为我只有3个IGBT在干活，他们有6个。保护点低点很合理啊。

A

既然如此，我就再说说这其中的其他几个坑。

• 首先，交流还是直流？驱动器中常见的电流计算方式是电流峰值/1.414=交流有效值。当在交流情况下，这样的计算没有问题。但是如果出现堵转，情况就不一样了。我们来看表5。发现问题了么？你以为是10Arms的交流电，实际上可能是14Arms/peak的直流电。

表5 交流电还是直流电

• 接下来是仿真频率的问题。首先当Fo<10Hz以下时，ΔTj-c(max)和Tj(max)逐渐变大到不可忽视的程度。其次选用多少频率进行上述仿真，各个公司习惯不太一样。我的习惯是伺服驱动器用1Hz来仿真，通用变频器用5Hz来仿真。

• 刚才仿真出来的ΔTj-c(max)=52.36℃，对应循环次数大约是10万次。对于单次堵转来说无所谓。但是如果该工况是需要重复出现的，可以考虑限制ΔTj-c(max)≤40℃。对应的寿命大约为100万次。

• 最后是散热器温度事情。如前所述，Ts=90℃是一个理想散热下能够维持的温度。但是没有一个散热系统是理想的。如果堵转只发生1-2s，我们可以忽略散热器温度的变化。毕竟150℃到175℃还有25℃的余量。但是如果这个堵转要持续10s，散热器温度的变化不可忽视。在这10s里，散热器温度会逐渐升高，并推动Tj逐渐升高，直到最终损坏。

好了，就这样吧，下课。

关于三菱电机

三菱电机创立于1921年，是全球知名的综合性企业。在2022年《财富》世界500强排名中，位列351名。截止2022年3月31日的财年，集团营收44768亿日元（约合美元332亿）。作为一家技术主导型企业，三菱电机拥有多项专利技术，并凭借强大的技术实力和良好的企业信誉在全球的电力设备、通信设备、工业自动化、电子元器件、家电等市场占据重要地位。尤其在电子元器件市场，三菱电机从事开发和生产半导体已有60余年。其半导体产品更是在变频家电、轨道牵引、工业与新能源、电动汽车、模拟/数字通讯以及有线/无线通讯等领域得到了广泛的应用。