基于數控機床工作臺或主軸的無級調速裝置

王廷俊

（中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

機床的數控化率是衡量制造業現代化程度的重要標志。目前為了提高機床數控系統的加工精度，生產出高精度高水準的零件非常重要，所以設計者必須對數控系統的加工精度進行提高，而提高數控系統的加工精度最直接的方式就是提高數控系統的調速裝置的進給精度?，F有的機床調速裝置存在結構復雜、本身消耗功率大、所提供的輸出電流具有較大的脈動分量，存在電流斷續現象，且失控時間和死區電壓較大，結果限制了系統的頻帶寬帶和調速范圍。

針對現有技術中直流伺服控制器的驅動電路復雜、驅動本身消耗的功率大等不足之處，本論文介紹了一種基于數控機床工作臺或主軸的無級調速裝置，適合在數控機床領域使用，具體地說是一種對機床主軸等進行無級調速的電路。其核心的技術是提供一種結構簡單、小功率的直流伺服驅動裝置。

1 無級調速裝置的設備簡介

該裝置的具體結構如圖1所示。

其具體結構單元如下：速度調節器、電流調節器、三角波發生器、脈寬調制解調器、晶體管功放電路、電流信號放大器和測速反饋電路；速度調節器、電流調節器、脈寬調制解調器和晶體管功放電路順序連接；三角波發生器與脈寬調制解調器連接；電流信號放大器輸入端與晶體管功放電路的輸出端連接，電流信號放大器輸出端與電流調節器輸入端連接；用于測量電機轉速的測速反饋電路的輸出端與速度調節器的輸入端連接。

圖1 無級調速裝置的結構框圖

速度調節器：用于將上位機的速度給定信號和測速反饋電路的反饋信號進行比較的差值放大，再輸出至電流調節器。

電流調節器：用于將速度調節器的輸出與電流信號放大器輸出之差值進行放大，再輸出至脈寬調制解調器。

脈寬調制解調器：將電流調節器的輸出信號和三角波發生器的輸出進行比較，并將生成的脈沖信號輸出至晶體管功放電路。

晶體管功放電路：將PWM信號進行多級放大，生成的控制信號輸出至電流信號放大器和電機。

速度調節器采用運算放大器2N1A；運算放大器2N1A的反相輸入端與上位機、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組成的保護電路，運放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，其參考電壓負端連接負電壓，輸出端依次經過由電阻R8和電容C3的濾波電路、電阻R9與電流調節器的輸入端連接。

電流調節器采用運算放大器1N1A；運算放大器1N1A反相輸入端與速度調節器的輸出端連接，還與電流信號放大器輸出端連接，正相輸入端通過電阻R10、R4與運算放大器2N1A的正相輸入端連接，1N1A的參考電壓正端連接正電壓，其參考電壓負端連接負電壓，1N1A的輸出端通過電阻R21與脈寬調制解調器連接。

三角波發生器采用運算放大器2N2B；運放2N2B的參考電壓正端連接正電壓，其參考電壓負端連接負電壓；運算放大器2N2B的反相輸入端經電容C5、電阻R4與運算放大器2N1A的正相輸入端連接，還經過電阻R16與運放2N2B輸出端連接；運放2N2B正相輸入端經電阻R18、R4與運算放大器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與脈寬調制解調器連接。

脈寬調制解調器采用運算放大器1N2B；運放1N2B的參考電壓正端連接正電壓，其參考電壓負端連接負電壓；運放1N2B的反相輸入端通過電阻R23與正電源連接，還與三角波發生器的輸出端連接；運放1N2B的正相輸入端與電流調節器的輸出端連接；運放1N2B的輸出端連接通過保護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個并聯的晶體管，即4個晶體管的基極相互連接，集電極相互連接，發射極相互連接；晶體管組V15是由兩個NPN晶體管組成的復合NPN型管，一個晶體管的發射極與另一個晶體管的基極連接，兩只晶體管集電極通過電阻R42連接；V14的共同基極與V15的發射極連接；V14的共同集電極與共同發射極之間連接有并聯的二極管V11、V12，V14的共同發射極通過電阻R40和電容C13的并聯電路與V11串聯；V14的共同發射極通過二極管與整流橋的輸出負端連接，共同集電極與整流橋的輸出正端連接，共同發射極與共同集電極之間連有電阻R39和電容C12的并聯電路；整流橋的輸入端連接交流電源127V。

2 無級調速裝置的工作原理與電路結構

2.1 該裝置的工作原理

如圖1所示，該裝置的結構設計是這樣實現的：該裝置是由電流小閉環和速度大閉環組成的雙閉環速度調節系統，用來對電機進行調速控制?？刂苹芈酚伤俣日{節器、電流調節器、三角波發生器、脈寬調制解調器組成。主回路由整流電路及晶體管功放電路組成。

其聯接是：電源單元具有整流、濾波電路，電源穩壓電路，為其他功能模塊提供+5V，-5V，+12V，-12V直流電源。速度調節器及電流調節器均采用比例積分調節器。兩者之間采用相互串聯的連接方式，速度調節器輸出作為電流調節器的輸入，電流調節器的輸出作為脈寬調制器的控制電壓，此控制電壓與三角波發生器產生的三角波信號進行疊加，產生脈寬調制方波，此方波經過晶體管功放電路放大后直接驅動電機運行。

該裝置是由電流小閉環和速度大閉環組成的雙閉環速度調節系統?？刂苹芈酚伤俣日{節器、電流調節器、三角波發生器、脈寬調制解調器組成。主回路由整流電路及晶體管PWM調制器組成。連接是電源單元為其他各功能模塊提供電源，速度調節器輸出至電流調節器，電流調節器的輸出與三角波發生器輸出進行比較后，經脈寬調節器調制后送給晶體管PWM調制器，從而實現對電機的控制。

速度調節器采用比例積分調節器。速度給定信號由放大器反相放大后經同測速反饋信號進行比較，其差值送入速度調節器進行調節放大。其放大倍數可通過調節電位器進行改變。

電流調節器采用比例積分調節器。速度調節器輸出信號與電流反饋信號比較后差值送入電流調節器進行調節放大。

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

脈寬調制器由放大器（1N2B）組成。其任務是產生頻率不變、寬度可調的脈沖信號。電流調節器輸出信號與三角波發生器輸出進行比較。隨著電流調節器輸出電壓信號的提高，使脈沖寬度增加。

電源單元為數控系統提供+5V，-5V，+12V，-12V直流電源，具有整流電路、保護電路等。

2.2 該裝置的電路結構

（1）控制回路電路結構。如圖2為控制回路原理圖，2N1A為速度調節器，速度給定信號與測速反饋信號進行比較，其差值送入2N1A進行調節放大。1N1A為電流調節器，電流給定信號（即速度調節器輸出信號）經R8、R9與電流反饋信號比較后差值送入1N1A進行調節放大，其放大倍數由R11與R8+R9的比值決定；時間常數由R11與C4的乘積決定。RP5是輸出限幅調節電位器。三角波發生器由2N2B及R16，R17，R18，R19，R22，C6組成。2N2B的輸出方波經R19、C8變換成三角波。脈寬調制器由1N2B組成。

（2）主回路電路結構。圖3為控制回路原理圖，V14、V15構成晶體管PWM調制器。其中V14是由4個晶體管相互并聯組成，即4個晶體管的基極相互連接，集電極相互連接，發射極相互連接，目的是提高輸出電流，從而達到較高的輸出功率。V15是由兩只NPN晶體管組成的復合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。

圖2 控制回路電路原理圖

圖3 主回路電路原理圖

（3）保護回路電路結構

圖4為保護回路原理圖，保護回路由晶體管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的負極與晶體管功放電路的V15的集電極連接，V30的負極、V31的正極與晶體管功放電路的V15的基極連接。

晶體管T1的發射極經過電阻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發射極相連接。T2發射極連接至+5V電源，T2集電極與T3發射極相連接，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。當電機過流或過載時，通過此電路可防止燒毀電機。

3 結語

本文設計了一種用于數控機床工作臺或主軸的無級調速裝置，適合在數控機床領域使用，具體地說是一種對機床主軸等進行無級調速的電路。它的優點及有益效果如下。

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

圖4 保護回路電路原理圖

（2）電流脈動小：由于PWM調制頻率高，電機負載成感性，對電流脈動有平滑作用，波形系數接近于1。

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

（4）動態硬度好：校正瞬態負載擾動能力強，頻帶寬，動態硬度高。

（5）本裝置使用了大量的PI調節器，乘法器，這些電路用模擬電路和只需幾個電子元件就可以實現，具有結構簡單，穩定性高、擴展性強，精度高等優點。但如果用數字電路來實現，將會非常復雜，而且面積很大。

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

（7）從頻域上來講，模擬信號頻帶范圍寬，而數字信號頻帶范圍很窄。