數控機床中開關電源的優化與改造

魏娜

摘 要：眾所周知，數控機床的出現大大減輕了工人的體力勞動強度，提高了生產效率。數控系統包括數控裝置、電源系統、控制系統、伺服系統以及執行系統等，其中電源系統作為整個數控系統的前級，它的穩定性和可靠性顯得尤為重要。該文介紹了開關電源在數控系統中的優化改造，通過增加防浪涌軟啟動裝置、二次測穩壓調節裝置、輸出過壓保護裝置以及RCD緩沖網絡、提高了電源系統的輸出精度，并且提升了電源系統的穩定性及可靠性，解除了機床的異常警報，使得機床系統得以順利工作運行。

關鍵詞：開關電源 優化 數控機床

中圖分類號：TN78 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）05（a）-0059-03

數控機床由于其高精度及高穩定性，在當前的機械加工中得到越來越廣泛的應用。精密機床數控系統由CNC控制器、內置可編程邏輯控制器、開關電源電路、CRT顯示器、輸入輸出接口、光電編碼器等設備組成。而開關電源電路負責為整個機床數控系統各部分設備提供電源。在機床加工車間等場所，因有較多大功率用電設備，在這種復雜電磁環境下，如果開關電源可靠性不高、保護功能缺乏，會使得數控機床系統工作異常，很容易出現飛車等重大事故。因此，具有各種保護功能的高可靠性開關電源是數控機床系統穩定工作的重要保證。該文主要介紹了一種機床數控系統用開關電源二次測穩壓調節裝置以及各種保護電路，經過實際測試，數控機床開關電源的精度和穩定性都大大提升，并且提供了可靠的保護功能，使得日常生產作業得以順利進行。

1 數控機床中的開關電源

開關電源的原理是利用無損器件電感來存儲能量，再將能量傳輸至輸出的。采用半導體器件作為控制開關，通過周期性地反復開關，達到將能量傳輸至輸出的目的。其控制方式主要有3種：脈沖寬度調制、脈沖頻率調制和混合調制。采用開關電源后能夠極大地提高效率，并且輸出電壓可隨意調節為高低電壓進行多路輸出。

對于前級的AC轉DC電路來說，其主要組成部分有前級整流電路、檢測電路、控制電路、輔助電路四大部份組成。如圖1所示。

前級整流電路通過整流二級管將AC輸入信號整流為平滑的直流電平，并且經過低通濾波后傳遞給后級電路。整流二級管要求能夠承受一定的電壓和電流，為了得到很好的效率，還可以在前級加入功率因子校正電路，使得電流和電壓同相位，減少功率的損失。

檢測電路檢測各種輸出信號，包括多路輸出電壓，輸出電流等信息，將其信號傳遞給控制電路和輔助電路，從而使得開關電路正常運轉。檢測電路要求具有較高的精度和速度，達到需求中的靈敏度指標。

控制電路根據檢測電路傳遞來的各種信號對功率開關管進行開關控制，包括過流控制、過壓控制等。為了驅動低阻抗的功率開關管，在功率管的前級還要加上驅動電路，使得功率管較快地進行開關切換，降低開關損耗，提高開關電源效率。

輔助電路是為了保護開關電源在各種異常情況下仍然能夠正常工作而設計的。具體包括軟啟動電路、短路保護電路和過電壓保護電路等。

2 開關電源的異常問題

2.1 多路輸出精度差

多路輸出時主輸出電壓通過電阻反饋形成閉環，系統會進行自發調節，如圖2所示，但是輔助輸出保持在開環狀態，僅僅跟隨主輸出的變化而變化。這樣，當主輸出和輔助輸出有不同的負載時候，輔助輸出的精度會較差，尤其當其工作于不連續模式時。輸出紋波過大，會引起系統不穩定，若超出規范，將會引起輸出級次系統無法正常運行。

2.2 啟動浪涌電流過大

輸入交流電源經過整流后再經過濾波對后一級輸出，若濾波電容值較大，則在剛上電時候，會產生很大的浪涌電流，其沖擊電流可能達到100 A以上，如圖3所示。如此大的浪涌電流會將輸入保險絲熔斷，造成開關電源開路，使得其無法正常輸出供電。因此需要輸入電路設置防止沖擊電流的軟啟動電路，以保證系統正常可靠地運行。

2.3 輸出電壓過沖

輸出端會出現各種電壓過沖：當遇到風、雪、雷擊等惡劣天氣時，輸電線會產生劇烈的擾動；當變壓器一次側突然斷開時，二次側通過耦合會形成很高的電壓沖擊尖峰；當前級出現短路過流狀態時，二次側通過耦合也會產生電壓過沖。為了防止因為過高沖擊電壓造成后一級損壞，通常需要在系統的輸入端加入過壓鉗位電阻模塊，保證輸出電壓不高于所允許的最大電壓。但電阻有一定的恢復時間，無法適應電源的快速開關切換場合，同時電阻也會造成一定的損耗，降低系統的效率。

2.4 高頻毛刺電壓

當開關電源工作在高頻時，開關快速切換，寄生電感會產生大量高頻尖峰毛刺電壓，這些高頻毛刺電壓將要求電動機繞組具有更高的絕緣強度。同時這些寄生電感會形成高頻天線，向外輻射大量電磁波，產生電磁干擾，擾亂其他電源模塊的正常運行。

由上可見，由于各種非理想狀況會產生非正常擾動，嚴重地影響了電源系統的正常輸出，惡劣時候甚至能將輸出系統擊穿打壞，為此需要對開關電源系統進行優化并增加各種保護措施，使機床得以在各種狀況下順利運轉。

3 開關電源系統的優化改進與增加保護措施

3.1 多路輸出同步輸出控制方式

對于多路輸出電源，輔助輸出端采用同步輸出控制方式：通過在二級管D2后面增加開關管S2以及相應的控制開關電路，使其輸出電壓形成閉環系統，可以進一步精確地調節輔助輸出端的電壓。當輸出負載較小時候，通過控制模塊控制開關管S2的導通時間，使得輸出電壓保持在正常工作狀態；當負載增加時候，通過控制模塊增加開關管S2的導通時間，使得輸出電壓維持在原來工作狀態。由上可見，通過增加了一個開關管，就可以使輸出電壓的精度大幅提高，并且損耗和體積并沒有增加太多。二次側控制中還可以增加過流、短路保護機制，進一步提高輸出的穩定性，電路原理圖如圖4所示。

該文采用安森美公司的NCP4326芯片對二次側進行控制，可在占空比0%～100%之間進行調節，輸出精度可以達到+/-1%。

3.2 防浪涌電流裝置

常用軟啟動電路采用功率熱敏電阻電路，熱敏電阻具有負溫度特性，當電源剛接通時，熱敏電阻阻值較大，流過其中的電流較小，發熱也比較小。當電流逐漸增大時，發熱量也逐漸增加，根據熱敏電阻的負溫度特性，其電阻值將會變小，電路得以正常工作。但是熱敏電阻反向恢復需要一定的時間，不能適應快速反復開關的應用場合。并且電阻具有一定的阻值，增加了系統不必要的損耗，降低了電源系統的效率。

該文采用的啟動電路將一個繼電器K1與啟動電阻R1并聯，如圖5所示。當電源剛接通時，繼電器K1斷開，電源經過電阻R1對電容C1充電，電阻R1起到了限制電流的作用。同時通過輔助繞組T2以及穩壓源7812對繼電器控制端電容C2充電，當C2端電壓達到一定閾值后，繼電器K1閉合，將啟動電阻R1旁路，達到了降低功耗的作用。當電源掉電后，輔助繞組端電容C2會放電低于閾值電壓，使得繼電器K1斷開，等待下一個上電周期來臨。

3.3 輸出過壓鉗位保護裝置

輸出系統有模擬系統和數字系統，模擬系統包括變頻器以及監視器的電源等，數字系統包括MCU等數字處理單元。對于數字系統電路，往往工作電壓不能大于5.5 V。若電源輸出電壓超過一定的閾值，將會引起后級系統的失效及損壞。按照輸出電壓來分，開關電源輸出有多路，有+5 V、+15 V、-15 V、+24 V等多路輸出，在該文中，以主變換電壓+24 V為例進行過壓保護。

過壓保護電路中的要求：觸發時要求能夠在一定的持續時間內吸收足夠大的電流；不觸發時，漏電流要足夠小，以便減少損耗，提高效率。具體電路如圖6所示，當輸出電壓有一個很陡峭的提升時，由于電阻R1和C1的延遲作用，PMOS管的柵極電位從零電位開始逐步提升。這樣在開始時候，M1管導通，將高壓管M2的柵極電位上拉至輸出電位，M2導通，將輸出端的電流泄放到地，達到抑制電壓尖峰的作用。當輸出電壓緩慢提高時候，高壓管M2柵極電位由電阻R2和R3分壓也逐步提升，當達到其閾值電壓時，M2導通，將輸出電壓鉗位在一個固定值，達到直流鉗位的作用。

3.4 RCD緩沖保護

開關管在快速導通關斷時，有較大di/dt變化，在漏感作用下，會產生較大的電壓毛刺尖峰，若不采取防護措施，高電壓會使開關管的工作點超出安全工作區而將其損壞，因此常常設置緩沖吸收電路，防止瞬時過壓、過流，減少開關管的開關損耗，確保其工作在安全工作區。常見的RCD電路如圖7所示。

通過加RCD網絡可以顯著地限制開關管關斷瞬間其兩端的最大尖峰電壓，并且降低了開關管的損耗，提高了電路的可靠性，同時電壓上升率的減慢也降低了高頻電磁干擾。

4 改善開關電源系統的效果

（1）提高了輸出精確度。通過增加二次側同步控制電路，使得二次側電壓能夠根據負載情況進行自發調節，使得輸出精度得到大幅度提升。

（2）減少了對電網的沖擊。采用防浪涌措施調節后，系統實現了軟啟動，并且可以應對電源反復開關的狀況，減少了對電網的沖擊，提高了效率。

（3）可靠性提升。通過在輸出端增加過壓鉗位保護裝置，將冗余的能量泄放掉，達到抑制電壓尖峰和直流鉗位的作用，保護了后級的子系統，使機床的可靠性大大提升。

（4）抗干擾性提高。通過增加RCD緩沖網絡，顯著地限制開關管關斷瞬間其兩端的最大尖峰電壓，增強了開關管的可靠型，降低了高頻電磁干擾。

通過對數控機床的開關電源系統進行優化改進，增加了抗浪涌電流裝置、過壓保護裝置以及抗干擾保護電路裝置，極大地提高了輸出電壓的精確度，提高了電源系統的可靠性和穩定性，使得數控機床更好、更高效可靠地順利運行。

參考文獻

[1]孫漢卿.數控機床維修技術[M].機械工業出版社，2007.

[2]Keith Billings，Taylor Morey.開關電源手冊[M].3版.人民郵電出版社，2012.

[3]王水平.開關電源原理及應用設計[M].電子工業出版社，2015.