電子束焊直流伺服驅(qū)動裝置的更新設(shè)計與實現(xiàn)

夏筱筠，胡志陽，霍淑蘭，劉月和

（1.中國科學(xué)院沈陽計算技術(shù)研究所有限公司 遼寧 沈陽 110168；2.中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責(zé)任公司 遼寧 沈陽 110043；）

一、引言

電子束焊接技術(shù)是利用高速運動的電子束流轟擊工件的原理進行焊接加工的一種比較精密的焊接技術(shù)。然而，設(shè)計者多著眼于焊接精度的提高，而忽視起輔助作用的配套裝置，導(dǎo)致焊接的效率沒有實質(zhì)性的提高，例如現(xiàn)有的直流伺服驅(qū)動器存在驅(qū)動電路復(fù)雜、驅(qū)動裝置本身消耗的功率大等問題。為解決這些不足，設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單、小功率的直流伺服驅(qū)動裝置。

二、電子束焊直流伺服驅(qū)動裝置的組成及工作原理

該裝置主要由寬范圍供電電源模塊、開關(guān)量模塊、模擬量模塊、功率驅(qū)動模塊、使能控制功能模塊、報警模塊等組成。其部分設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 驅(qū)動整體設(shè)計框圖

其工作原理是：寬范圍供電電源模塊為其他各功能模塊提供電源，外部信號通過開關(guān)量模塊與模擬量模塊轉(zhuǎn)換后送入內(nèi)部控制電路部分，最后控制電路輸出指令信號至功率部分，從而驅(qū)動電機運行。

1.開關(guān)量模塊：

主要由開關(guān)量接口模塊及開關(guān)量數(shù)據(jù)隔離模塊組成，電路圖見圖2。

圖2 開關(guān)量模塊電路圖

其基本功能是接收各種外部裝置或過程的開關(guān)信號，并通過開關(guān)量數(shù)據(jù)隔離模塊將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流信號送入其內(nèi)部的控制電路。開關(guān)量數(shù)據(jù)隔離模塊不但起著信號轉(zhuǎn)換的作用，同時還起到了將此接口模塊的外部電路與其內(nèi)部電路在電氣上進行隔離，隔離電壓可達(dá)1 500V以上。從而確保了內(nèi)部電路的電氣安全。

2.模擬量模塊：

此部分主要由放大器、調(diào)制器、解調(diào)器、基準(zhǔn)源及擬諧器等組成，框圖如圖3所示。

圖3 模擬量模塊框圖

工作時，+15V電源連接到擬諧器，使其工作。從而產(chǎn)生頻率為25kHz的載波信號。通過變壓器耦合，經(jīng)整流和濾波，可完成±10V直流或5kHz的交流瞬態(tài)變化的電壓隔離。

這種直流模擬隔離技術(shù)能完成3 000V的輸入與輸出方式的隔離。為直流伺服在多種復(fù)雜環(huán)境下使用提供了方便。

在輸入電路中，輸入信號經(jīng)放大器放大后，通過調(diào)制器調(diào)制成載波信號，再經(jīng)變壓器送入解調(diào)器，以致在輸出端重現(xiàn)輸入信號。由于解調(diào)信號要經(jīng)三階濾波器濾波，從而使得輸出信號中的噪聲和紋波達(dá)到最小，為后級應(yīng)用電路提供良好的激勵源。

3.功率驅(qū)動模塊：

此部分采用PWM等效脈沖驅(qū)動方式，高頻的開關(guān)頻率可達(dá)到22kHz，電流輸出峰值50A，連續(xù)工作功率238W。可驅(qū)動無刷DC伺服電機在直流電壓反饋閉環(huán)模式（即伺服自身電壓閉環(huán)方式）、直流電流輸出電流閉環(huán)方式（即伺服自身輸出電流閉環(huán)方式）、直流伺服電機轉(zhuǎn)速全閉環(huán)模式、開環(huán)模式下工作。

4.報警模塊：

具有過流監(jiān)視功能，可實現(xiàn)過載保護，驅(qū)動器過熱保護，以及過電壓報警等功能。當(dāng)功率及功率控制電路發(fā)生異常時，出現(xiàn)報警。此時，直流伺服驅(qū)動停止工作，前面板的紅色指示燈長亮。電流限制起作用時，當(dāng)直流伺服驅(qū)動的工作電流大于設(shè)定的極限報警電流時，出現(xiàn)報警。此時，直流伺服驅(qū)動停止工作，前面板的紅色指示燈長亮。

輸出報警極限電流由10～30A 8擋不同的范圍開關(guān)設(shè)定，如圖4所示。當(dāng)開關(guān)1閉合時，此時的極限報警電流為12A，限流電阻與極限報警電流對應(yīng)關(guān)系見表1。

三、電子直流伺服驅(qū)動裝置設(shè)計特點

1.在寬范圍的交流40～150V的條件下都能正常運行。

2.具有左向行駛禁止、右向行駛禁止、終端使能（即“允許”信號）、運行使能、停止運行系統(tǒng)設(shè)備，準(zhǔn)備就緒等各種條件功能。

3.有伺服輸出的電流范圍選擇，輸出報警極限電流有10～30A 等8擋不同的范圍開關(guān)設(shè)定。

4.伺服系統(tǒng)可選擇直流電壓反饋閉環(huán)模式（即伺服自身電壓閉環(huán)方式）。直流電流輸出電流閉環(huán)方式（即伺服自身輸出電流閉環(huán)方式）。直流伺服電機轉(zhuǎn)速全閉環(huán)模式。開環(huán)功能工作模式等多種選擇。

圖4 輸出報警極限電流部分框圖

表1 限流電阻與極限報警電流對應(yīng)關(guān)系

四、結(jié)束語

本電子束焊直流伺服驅(qū)動裝置具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，成本低等優(yōu)點。同時，輸入輸出的開關(guān)量接口均采用光電隔離技術(shù)來設(shè)計完成，為直流伺服驅(qū)動裝置在多種復(fù)雜環(huán)境下使用提供了方便。

[1]王亞軍.電子束焊加工技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展.中國機械工程動力學(xué)會第八次全國焊接會誶論文集,1991.

[2]劉春飛.電子束焊接技術(shù)發(fā)展歷史、現(xiàn)狀及展望.航天制造技術(shù),2003.

[3]陳伯宇.電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].機械工業(yè)出版社,1998,6.