基于數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)或主軸的無級(jí)調(diào)速裝置

王廷俊

（中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043）

機(jī)床的數(shù)控化率是衡量制造業(yè)現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志。目前為了提高機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的加工精度，生產(chǎn)出高精度高水準(zhǔn)的零件非常重要，所以設(shè)計(jì)者必須對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的加工精度進(jìn)行提高，而提高數(shù)控系統(tǒng)的加工精度最直接的方式就是提高數(shù)控系統(tǒng)的調(diào)速裝置的進(jìn)給精度?，F(xiàn)有的機(jī)床調(diào)速裝置存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、本身消耗功率大、所提供的輸出電流具有較大的脈動(dòng)分量，存在電流斷續(xù)現(xiàn)象，且失控時(shí)間和死區(qū)電壓較大，結(jié)果限制了系統(tǒng)的頻帶寬帶和調(diào)速范圍。

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中直流伺服控制器的驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜、驅(qū)動(dòng)本身消耗的功率大等不足之處，本論文介紹了一種基于數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)或主軸的無級(jí)調(diào)速裝置，適合在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域使用，具體地說是一種對(duì)機(jī)床主軸等進(jìn)行無級(jí)調(diào)速的電路。其核心的技術(shù)是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、小功率的直流伺服驅(qū)動(dòng)裝置。

1 無級(jí)調(diào)速裝置的設(shè)備簡介

該裝置的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其具體結(jié)構(gòu)單元如下：速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、三角波發(fā)生器、脈寬調(diào)制解調(diào)器、晶體管功放電路、電流信號(hào)放大器和測速反饋電路；速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、脈寬調(diào)制解調(diào)器和晶體管功放電路順序連接；三角波發(fā)生器與脈寬調(diào)制解調(diào)器連接；電流信號(hào)放大器輸入端與晶體管功放電路的輸出端連接，電流信號(hào)放大器輸出端與電流調(diào)節(jié)器輸入端連接；用于測量電機(jī)轉(zhuǎn)速的測速反饋電路的輸出端與速度調(diào)節(jié)器的輸入端連接。

圖1 無級(jí)調(diào)速裝置的結(jié)構(gòu)框圖

速度調(diào)節(jié)器：用于將上位機(jī)的速度給定信號(hào)和測速反饋電路的反饋信號(hào)進(jìn)行比較的差值放大，再輸出至電流調(diào)節(jié)器。

電流調(diào)節(jié)器：用于將速度調(diào)節(jié)器的輸出與電流信號(hào)放大器輸出之差值進(jìn)行放大，再輸出至脈寬調(diào)制解調(diào)器。

脈寬調(diào)制解調(diào)器：將電流調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)和三角波發(fā)生器的輸出進(jìn)行比較，并將生成的脈沖信號(hào)輸出至晶體管功放電路。

晶體管功放電路：將PWM信號(hào)進(jìn)行多級(jí)放大，生成的控制信號(hào)輸出至電流信號(hào)放大器和電機(jī)。

速度調(diào)節(jié)器采用運(yùn)算放大器2N1A；運(yùn)算放大器2N1A的反相輸入端與上位機(jī)、測速反饋電路的輸出端連接，正相輸入端與反相輸入端間連有由二極管V1、V2組成的保護(hù)電路，運(yùn)放2N1A反相輸入端與輸出端之間連有比例積分電路；其參考電壓正端連接正電壓，其參考電壓負(fù)端連接負(fù)電壓，輸出端依次經(jīng)過由電阻R8和電容C3的濾波電路、電阻R9與電流調(diào)節(jié)器的輸入端連接。

電流調(diào)節(jié)器采用運(yùn)算放大器1N1A；運(yùn)算放大器1N1A反相輸入端與速度調(diào)節(jié)器的輸出端連接，還與電流信號(hào)放大器輸出端連接，正相輸入端通過電阻R10、R4與運(yùn)算放大器2N1A的正相輸入端連接，1N1A的參考電壓正端連接正電壓，其參考電壓負(fù)端連接負(fù)電壓，1N1A的輸出端通過電阻R21與脈寬調(diào)制解調(diào)器連接。

三角波發(fā)生器采用運(yùn)算放大器2N2B；運(yùn)放2N2B的參考電壓正端連接正電壓，其參考電壓負(fù)端連接負(fù)電壓；運(yùn)算放大器2N2B的反相輸入端經(jīng)電容C5、電阻R4與運(yùn)算放大器2N1A的正相輸入端連接，還經(jīng)過電阻R16與運(yùn)放2N2B輸出端連接；運(yùn)放2N2B正相輸入端經(jīng)電阻R18、R4與運(yùn)算放大器2N1A的正相輸入端連接，其正相輸入端還通過電阻R17與輸出端連接；運(yùn)放2N2B輸出端通過由電阻R19和電容C8組成的濾波電路、電阻R20與脈寬調(diào)制解調(diào)器連接。

脈寬調(diào)制解調(diào)器采用運(yùn)算放大器1N2B；運(yùn)放1N2B的參考電壓正端連接正電壓，其參考電壓負(fù)端連接負(fù)電壓；運(yùn)放1N2B的反相輸入端通過電阻R23與正電源連接，還與三角波發(fā)生器的輸出端連接；運(yùn)放1N2B的正相輸入端與電流調(diào)節(jié)器的輸出端連接；運(yùn)放1N2B的輸出端連接通過保護(hù)電路與晶體管功放電路連接。

晶體管功放電路采用晶體管組V14、V15；晶體管組V14包括4個(gè)并聯(lián)的晶體管，即4個(gè)晶體管的基極相互連接，集電極相互連接，發(fā)射極相互連接；晶體管組V15是由兩個(gè)NPN晶體管組成的復(fù)合NPN型管，一個(gè)晶體管的發(fā)射極與另一個(gè)晶體管的基極連接，兩只晶體管集電極通過電阻R42連接；V14的共同基極與V15的發(fā)射極連接；V14的共同集電極與共同發(fā)射極之間連接有并聯(lián)的二極管V11、V12，V14的共同發(fā)射極通過電阻R40和電容C13的并聯(lián)電路與V11串聯(lián)；V14的共同發(fā)射極通過二極管與整流橋的輸出負(fù)端連接，共同集電極與整流橋的輸出正端連接，共同發(fā)射極與共同集電極之間連有電阻R39和電容C12的并聯(lián)電路；整流橋的輸入端連接交流電源127V。

2 無級(jí)調(diào)速裝置的工作原理與電路結(jié)構(gòu)

2.1 該裝置的工作原理

如圖1所示，該裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是這樣實(shí)現(xiàn)的：該裝置是由電流小閉環(huán)和速度大閉環(huán)組成的雙閉環(huán)速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，用來對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制?？刂苹芈酚伤俣日{(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、三角波發(fā)生器、脈寬調(diào)制解調(diào)器組成。主回路由整流電路及晶體管功放電路組成。

其聯(lián)接是：電源單元具有整流、濾波電路，電源穩(wěn)壓電路，為其他功能模塊提供+5V，-5V，+12V，-12V直流電源。速度調(diào)節(jié)器及電流調(diào)節(jié)器均采用比例積分調(diào)節(jié)器。兩者之間采用相互串聯(lián)的連接方式，速度調(diào)節(jié)器輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，電流調(diào)節(jié)器的輸出作為脈寬調(diào)制器的控制電壓，此控制電壓與三角波發(fā)生器產(chǎn)生的三角波信號(hào)進(jìn)行疊加，產(chǎn)生脈寬調(diào)制方波，此方波經(jīng)過晶體管功放電路放大后直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。

該裝置是由電流小閉環(huán)和速度大閉環(huán)組成的雙閉環(huán)速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。控制回路由速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、三角波發(fā)生器、脈寬調(diào)制解調(diào)器組成。主回路由整流電路及晶體管PWM調(diào)制器組成。連接是電源單元為其他各功能模塊提供電源，速度調(diào)節(jié)器輸出至電流調(diào)節(jié)器，電流調(diào)節(jié)器的輸出與三角波發(fā)生器輸出進(jìn)行比較后，經(jīng)脈寬調(diào)節(jié)器調(diào)制后送給晶體管PWM調(diào)制器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。

速度調(diào)節(jié)器采用比例積分調(diào)節(jié)器。速度給定信號(hào)由放大器反相放大后經(jīng)同測速反饋信號(hào)進(jìn)行比較，其差值送入速度調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)放大。其放大倍數(shù)可通過調(diào)節(jié)電位器進(jìn)行改變。

電流調(diào)節(jié)器采用比例積分調(diào)節(jié)器。速度調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)與電流反饋信號(hào)比較后差值送入電流調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)放大。

三角波發(fā)生器是由放大器（2N2B）、電阻(R19，R22)及電容（C6）組成，放大器2N2輸出的方波經(jīng)電阻R19、C6變換成三角波。

脈寬調(diào)制器由放大器（1N2B）組成。其任務(wù)是產(chǎn)生頻率不變、寬度可調(diào)的脈沖信號(hào)。電流調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)與三角波發(fā)生器輸出進(jìn)行比較。隨著電流調(diào)節(jié)器輸出電壓信號(hào)的提高，使脈沖寬度增加。

電源單元為數(shù)控系統(tǒng)提供+5V，-5V，+12V，-12V直流電源，具有整流電路、保護(hù)電路等。

2.2 該裝置的電路結(jié)構(gòu)

（1）控制回路電路結(jié)構(gòu)。如圖2為控制回路原理圖，2N1A為速度調(diào)節(jié)器，速度給定信號(hào)與測速反饋信號(hào)進(jìn)行比較，其差值送入2N1A進(jìn)行調(diào)節(jié)放大。1N1A為電流調(diào)節(jié)器，電流給定信號(hào)（即速度調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)）經(jīng)R8、R9與電流反饋信號(hào)比較后差值送入1N1A進(jìn)行調(diào)節(jié)放大，其放大倍數(shù)由R11與R8+R9的比值決定；時(shí)間常數(shù)由R11與C4的乘積決定。RP5是輸出限幅調(diào)節(jié)電位器。三角波發(fā)生器由2N2B及R16，R17，R18，R19，R22，C6組成。2N2B的輸出方波經(jīng)R19、C8變換成三角波。脈寬調(diào)制器由1N2B組成。

（2）主回路電路結(jié)構(gòu)。圖3為控制回路原理圖，V14、V15構(gòu)成晶體管PWM調(diào)制器。其中V14是由4個(gè)晶體管相互并聯(lián)組成，即4個(gè)晶體管的基極相互連接，集電極相互連接，發(fā)射極相互連接，目的是提高輸出電流，從而達(dá)到較高的輸出功率。V15是由兩只NPN晶體管組成的復(fù)合NPN型管，兩只晶體管集電極相互連接，從而提高了電流放大系數(shù)。

圖2 控制回路電路原理圖

圖3 主回路電路原理圖

（3）保護(hù)回路電路結(jié)構(gòu)

圖4為保護(hù)回路原理圖，保護(hù)回路由晶體管T1、T2、T3、T4、 二極 管 V29、V30、V31、V32、V33、V34、 電 阻 R56、R57、R58、R59、R60、R62、R63、R64、R65、R66、電容 C29、C30組成。二極管V29和V34的負(fù)極與晶體管功放電路的V15的集電極連接，V30的負(fù)極、V31的正極與晶體管功放電路的V15的基極連接。

晶體管T1的發(fā)射極經(jīng)過電阻R57與+5V電源相連接，并與晶體管T3的集電極相連接，T1的集電極經(jīng)過V33與R61接地，并通過R58與晶體管T4的基極相連接，T1的基極通過電阻R56與T3發(fā)射極相連接。T2發(fā)射極連接至+5V電源，T2集電極與T3發(fā)射極相連接，并通過電阻R65與T4集電極相連接，T2基極通過電阻R65上拉至+5V。當(dāng)電機(jī)過流或過載時(shí)，通過此電路可防止燒毀電機(jī)。

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種用于數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)或主軸的無級(jí)調(diào)速裝置，適合在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域使用，具體地說是一種對(duì)機(jī)床主軸等進(jìn)行無級(jí)調(diào)速的電路。它的優(yōu)點(diǎn)及有益效果如下。

（1）頻帶寬、頻率高：晶體管“結(jié)電容”小，開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于可控（50Hz），可達(dá)2～10kHz。快速性好。

圖4 保護(hù)回路電路原理圖

（2）電流脈動(dòng)?。河捎赑WM調(diào)制頻率高，電機(jī)負(fù)載成感性，對(duì)電流脈動(dòng)有平滑作用，波形系數(shù)接近于1。

（3）電源的功率因數(shù)高：PWM系統(tǒng)的直流電源為不受控的整流輸出，功率因數(shù)高。

（4）動(dòng)態(tài)硬度好：校正瞬態(tài)負(fù)載擾動(dòng)能力強(qiáng)，頻帶寬，動(dòng)態(tài)硬度高。

（5）本裝置使用了大量的PI調(diào)節(jié)器，乘法器，這些電路用模擬電路和只需幾個(gè)電子元件就可以實(shí)現(xiàn)，具有結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性高、擴(kuò)展性強(qiáng)，精度高等優(yōu)點(diǎn)。但如果用數(shù)字電路來實(shí)現(xiàn)，將會(huì)非常復(fù)雜，而且面積很大。

（6）模擬信號(hào)可以有多種不同的狀態(tài)，數(shù)字信號(hào)只有兩種狀態(tài)“0”或“1”。由于本文采用了很多信號(hào)放大電路，因此更適于使用模擬電路。

（7）從頻域上來講，模擬信號(hào)頻帶范圍寬，而數(shù)字信號(hào)頻帶范圍很窄。