數(shù)控機床絕對值編碼器供電系統(tǒng)的改進

龐崇祿

（廣州市公用事業(yè)高級技工學(xué)校，廣東廣州510000）

0 引言

絕對值編碼器是數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的重要反饋檢測部件，編碼器的精度和性能會直接影響到數(shù)控機床的加工精度。目前數(shù)控機床存儲在絕對值編碼器的系統(tǒng)參數(shù)是依靠干電池供電來保存的，當(dāng)遇到干電池的電量不足時會丟失，需要重新設(shè)置，否則機床無法使用。

我校目前擁有數(shù)控機床近50臺，機床中的絕對值編碼器每逢寒暑假持續(xù)長時間不通電電池就會失電，導(dǎo)致部分機床的系統(tǒng)參數(shù)丟失，嚴(yán)重影響實訓(xùn)教學(xué)。因此，改造這些數(shù)控機床中絕對值編碼器的供電系統(tǒng)是非常必要的。

1 改進思路

結(jié)合實際問題，分析了原編碼器單一供電方式的缺點，將系統(tǒng)改造成兩種供電方式，即外接電網(wǎng)供電和蓄電池供電。在數(shù)控機床接通電網(wǎng)電源時，編碼器供電系統(tǒng)自動切換為電網(wǎng)供電；當(dāng)斷開電網(wǎng)時，系統(tǒng)則自動切換為蓄電池供電，而且切換時間非常短暫，在任何時刻，都能確保編碼器的供電不間斷。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 供電系統(tǒng)組成框圖

2 改進過程

改進后的數(shù)控機床絕對值編碼器供電系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)換電源電路、充電控制電路、電源自動切換電路及蓄電池四部分組成。轉(zhuǎn)換電源為蓄電池充電和編碼器供電提供DC 7.2 V，最大輸出電流為1 A的電源；充電控制電路主要是將蓄電池的充電狀況及時反饋給轉(zhuǎn)換電源以調(diào)整輸出電壓，同時指示充電的狀態(tài)；電源切換電路主要是負(fù)責(zé)自動快速切換電網(wǎng)或蓄電池給編碼器供電，同時提供短路、開路、極性接反的保護作用。

2.1 轉(zhuǎn)換電源電路

圖2是系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換電源電路，主要功能是將電網(wǎng)的AC 220 V交流電轉(zhuǎn)換為合適的直流電壓，對蓄電池充電和絕對值編碼器供電。二極管D4～D7的作用是將交流電整流成脈動的直流電，經(jīng)過電容C2濾波后，得到比較平滑的直流電。以THX203為核心控制器，以變壓器TB1、光耦PC817等元件組成開關(guān)電源變換器，將直流電轉(zhuǎn)換高頻率的交流電，再經(jīng)SR3100整流為直流電。光耦PC817將輸出電壓的大小反饋回THX203，THX203根據(jù)反饋電壓的大小自動調(diào)整電源的開關(guān)頻率。PC817反饋電壓變低，則輸出占空比增加、輸出電壓升高；PC817反饋電壓變高，則輸出占空比減少，輸出電壓降低，起到自動調(diào)節(jié)的作用。PC817反饋的電壓大小由TL431控制的基準(zhǔn)電壓和來自充電反饋的OutB電壓控制。TL431控制的基準(zhǔn)電壓大小由R14、R15、R18、R22以及C9決定，正常情況下為6 V；OutB的電壓大小由充電控制電路決定。

圖2 轉(zhuǎn)換電源電路

2.2 充電控制電路

如圖3所示，充電控制電路是以運算放大器LM358為核心，完成充電狀態(tài)指示和充電過程控制。由三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源TL431產(chǎn)生穩(wěn)定的2.5 V參考電壓，經(jīng)過R20與R23串聯(lián)分壓得到0.01 V輸入到LM358運放A的反相輸入端，來自開關(guān)電源輸出電壓OutB的交流成分接在運放A的同相輸入端，輸出高低電平控制雙色LED指示燈的亮滅，低電平輸出則紅色LED亮，高電平輸出則綠色LED亮。由R21與R24串聯(lián)分壓得到0.03 V輸入到LM358運放B的同相輸入端，來自開關(guān)電源輸出電壓OutB的交流成分接在運放B的反相輸入端。

圖3 充電控制電路

剛開始充電時，蓄電池的電壓小于6 V，由于內(nèi)阻小，致使輸出VCC小于6 V，此時光耦導(dǎo)通截止，F(xiàn)B反饋電壓為0，經(jīng)THX203調(diào)節(jié)后，占空比增加，VCC增大，但由于蓄電池將VCC拉低，經(jīng)反饋后占空比繼續(xù)增大到極限，此時輸出的電壓VCC最大，但仍然被蓄電池拉低，此時輸出電流最大1 A輸出，稱為恒流充電。當(dāng)電池的電壓逐步升高，充電電流減少。當(dāng)蓄電池電壓升至6 V時，進入第二階段充電——恒壓充電，電流進一步減小。當(dāng)蓄電池電壓繼續(xù)升高，進入第三階段懸浮充，此時電流更小，充電效果更好。當(dāng)電池電壓達到7.2 V，OutB反饋量大于0.03 V時，反相后OutB輸出低電平，D8導(dǎo)通，光耦導(dǎo)通增大，F(xiàn)B反饋電壓增大，輸出占空比減少，VCC下降，保持7.2 V，充電完成，充電器進入休眠省電狀態(tài)。而當(dāng)OutB反饋量小于0.03 V時，反相后OutB輸出高電平，D8截止，此時由T1參考源的輸出電壓控制光耦的導(dǎo)通程度。控制電路精確地自動檢測電池電壓，實現(xiàn)最佳的全自動充電模式，及時去除電池的極板硫化，修復(fù)電池，去極化，降低充電電壓，提高充電效率，從而使電池既不易失水，也不會充膨充脹，可以達到快充、充足之目的。

2.3 電源自動切換電路

如圖4所示，電源切換電路負(fù)責(zé)自動切換兩路電源給編碼器供電。當(dāng)外接電網(wǎng)時，U3繼電器接通，在接上蓄電池的情況下，蓄電池電流經(jīng)過D9使得三極管Q2導(dǎo)通，進而使得U4繼電器導(dǎo)通，VCC經(jīng)過U4、U3向編碼器供電，硅材料二極管D10和D11是用于降壓和單向?qū)щ姡_保絕對值編碼器的供電電壓和極性正確。VCC同時對蓄電池進行充電，如6 V蓄電池短路、開路或極性接反，則無法讓U4繼電器導(dǎo)通，自動切斷VCC對蓄電池的充電回路，保護開關(guān)電源和蓄電池，同時蓄電池也無法給編碼器供電，保護了編碼器。

圖4 電源切換電路

當(dāng)斷開外接電網(wǎng)時，U3繼電器斷開蓄電池與開關(guān)電源部分的電路，蓄電池經(jīng)過二極管D10、D11向編碼器供電，確保編碼器不間斷供電。U3繼電器斷開，阻斷了蓄電池反向給開關(guān)電源供電，避免了蓄電池的電能浪費。

3 性能測試

供電系統(tǒng)經(jīng)使用測試，工作過程為接上6 V蓄電池和絕對值編碼器，接通電網(wǎng)，狀態(tài)指示燈由綠色轉(zhuǎn)為紅色，表示開關(guān)電源對蓄電池進行恒流充電；隨著蓄電池電壓逐步升高，狀態(tài)指示燈由紅色轉(zhuǎn)為橙色，表示開關(guān)電源對蓄電池進行恒壓充電；隨著蓄電池電壓繼續(xù)逐步升高，狀態(tài)指示燈由橙色轉(zhuǎn)為綠色，表示開關(guān)電源對蓄電池進行懸浮充電，此時蓄電池充電基本完成。經(jīng)過實際測量，該供電系統(tǒng)的性能參數(shù)均達到設(shè)計的安全要求。

4 經(jīng)濟效益

改造前，使用專用干電池給絕對值編碼器供電，大約1.5年后專用干電池電量耗盡（如遇質(zhì)量較差干電池至多使用0.5年），然后絕對值編碼器的數(shù)據(jù)丟失，需要更換電池（費用約780元/組），并且聘請專業(yè)技術(shù)人員調(diào)試恢復(fù)編碼器的數(shù)據(jù)（費用約為1 200元/天），這過程需要至少3天的時間甚至更長，生產(chǎn)或教學(xué)被迫暫停，損失較大。

改造后，采用了電網(wǎng)供電和蓄電池供電雙路電源供電方式，確保了編碼器的正常供電需求。系統(tǒng)具備以下特點：

（1）電網(wǎng)供電和蓄電池供電兩種方式自動切換，無需人工干涉，安全可靠。

（2）采用免維護的蓄電池，可以反復(fù)充電、容量較大，可以保證編碼器長時間正常供電，有效避免因電量不足而導(dǎo)致編碼器數(shù)據(jù)丟失。

（3）系統(tǒng)具有智能短路安全保護功能。當(dāng)蓄電池或編碼器發(fā)生短路時，系統(tǒng)自動斷開輸出，保證了蓄電池和編碼器的安全。短路故障消失后，系統(tǒng)重新恢復(fù)正常。當(dāng)蓄電池充電完畢，可以自動關(guān)斷充電電流，保護電池，使用方便，安全可靠。

（4）改造成本低廉（成本約為65元），效能高。一次改造完成后，免除了日后購買專用電池和聘請專業(yè)技術(shù)人員調(diào)試編碼器需要花費的時間和金錢，確保了不間斷生產(chǎn)，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益。

5 結(jié)語

該項目改造編碼器供電系統(tǒng)的設(shè)計要求是根據(jù)我校多臺數(shù)控機床經(jīng)常因編碼器電池耗盡而遇到的困難提出的，經(jīng)過電路設(shè)計和仿真、PCB板制作、元件焊接、電路調(diào)試、參數(shù)修改之后，安裝到數(shù)控機床上驗證，試運行半年，效果良好，已仿照樣品改進和制作多臺供電系統(tǒng)，安裝在我校多臺數(shù)控機床上運行使用。

經(jīng)過一年半的使用驗證，編碼器供電系統(tǒng)的各項性能指標(biāo)都達到設(shè)計預(yù)期要求，有效解決了因電池電量耗盡而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失等問題。計劃在對穩(wěn)定性和安全性進行評估合格后，對我校的數(shù)十臺數(shù)控加工中心、數(shù)控銑床等設(shè)備也進行改造。

該絕對值編碼器供電系統(tǒng)成本低廉，改造實施過程簡單，數(shù)控機床供電系統(tǒng)改造后，能夠避免因編碼器電池電量耗盡而導(dǎo)致生產(chǎn)中斷、成本增加等問題，因此，該絕對值編碼器供電系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床等領(lǐng)域的絕對值編碼器供電系統(tǒng)上。

[1]趙建平.電力電子技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[2]王成安.電子產(chǎn)品制造技術(shù)與檢驗[M].北京：人民郵電出版社，2011.