晶體管PWM直流調(diào)速裝置的應用

霍淑蘭，李瑞福，金 重，蔡 丹

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

坐標鏜床的位置精度要求較高，其工作臺要求以極低的速度移動，從而獲得精確的定位。但工作臺以極低的速度移動時，往往會出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，這種爬行現(xiàn)象會破壞工件表面的質(zhì)量。為了避免出現(xiàn)以上情況，對工作臺的電機驅(qū)動裝置提出了較高的要求。

晶體管PWM直流調(diào)速裝置因其具有頻率高、晶體管“結(jié)電容”小、電流脈動小及電源的功率因數(shù)高等特點，被廣泛應用于坐標鏜床的工作臺運行控制中。

一、晶體管PWM直流調(diào)速裝置的組成及工作原理

晶體管PWM直流調(diào)速系統(tǒng)，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)，包括主電路、控制電路、驅(qū)動電路三部分?？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PWM調(diào)制器組成。其部分設計框圖如圖1所示。

其工作原理是：電源單元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，控制電壓與三角波發(fā)生器產(chǎn)生的三角波信號進行疊加，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)動電機運行。

二、晶體管PWM直流調(diào)速裝置在坐標鏜床中的應用方案

晶體管PWM直流調(diào)速裝置具有功能強大、控制更可靠、結(jié)構更緊湊、維護保養(yǎng)簡單等優(yōu)點。本案例中采用的直流電機額定直流輸出電壓0～110V，電流10～20A。

1.系統(tǒng)配置及電氣連接。

系統(tǒng)框圖如圖2所示。方案中，選用晶體管PWM直流調(diào)速裝置作為坐標鏜床的工作臺主電機的驅(qū)動器，調(diào)速器額定電流為20A，速度反饋采用測速發(fā)電機反饋形成速度閉環(huán)，輸出電壓非線性誤差不超過額定電壓的0.1%～0.5%，精度很高。同時，回路系統(tǒng)配有輸入電抗器、快速熔斷器以及直流電機的散熱風機的控制與保護回路。

由于設備內(nèi)部連鎖較復雜，控制要求該系統(tǒng)電動機能夠可逆運行，邏輯控制環(huán)節(jié)采用西門子S7-200小型可編程序控制器來實現(xiàn)，工作臺速度通過外接電位器來設定。通過以上控制產(chǎn)品的結(jié)合，充分利用了成熟的高新技術使直流電動機的調(diào)速系統(tǒng)能在本質(zhì)上得到極大改善，使坐標鏜床充分發(fā)揮了它高效穩(wěn)定的加工能力，創(chuàng)造出較高的經(jīng)濟效益。

2.參數(shù)調(diào)節(jié)。

晶體管PWM直流調(diào)速裝置設有6個可調(diào)電位器，分別為速度調(diào)節(jié)器比例放大倍數(shù)調(diào)節(jié)、速度調(diào)節(jié)器輸出限幅值調(diào)節(jié)、反饋電壓調(diào)節(jié)、電流正反饋調(diào)節(jié)、電流調(diào)節(jié)器輸出限幅值調(diào)節(jié)及給定電壓調(diào)節(jié)。

設備安裝就緒后，需要專業(yè)人員根據(jù)電機及負載具體情況對各電位器進行調(diào)整，設備才能正常運行。

在調(diào)試的過程中，加減速時間的調(diào)整對工作臺有很大影響，如果減速時間太長，會導致切換方向時工作臺不能及時停止而沖出限位，發(fā)生事故；但如果加減速時間太短，則換向時間太短，工作臺容易發(fā)生很大的聲響。

三、晶體管PWM直流調(diào)速裝置的有益效果及優(yōu)點

1.采用在低轉(zhuǎn)速、小電流下的速度自適應技術和并聯(lián)限流技術而大大的加寬了調(diào)速范圍，采用直流伺服電動機調(diào)速范圍可超過1:1 000，可以用于精密數(shù)控機床進給控制系統(tǒng)上。

2.該裝置可與主電路共地運行，且只需一路控制電源，克服了常規(guī)驅(qū)動器裝置需要多路隔離電源的缺點。同時，可接受40～70Hz范圍內(nèi)的電源頻率，而且具有抗電源干擾的性能。電樞控制裝置不受相序旋轉(zhuǎn)的影響。

3.該裝置是一種雙閉環(huán)邏輯無環(huán)流電樞可逆的調(diào)速系統(tǒng)，采用一個帶并聯(lián)限流環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是一個參數(shù)分別可調(diào)的PI調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出通過限流電路直接驅(qū)動觸發(fā)電路，避免了由于電流內(nèi)環(huán)而產(chǎn)生的延時。低速時，與轉(zhuǎn)速給定有關的反饋改變產(chǎn)生了良好的動態(tài)響應。

四、結(jié)語

用晶體管PWM直流調(diào)速裝置控制坐標鏜床的工作臺后，工作臺主傳動、進給傳動、啟制動及調(diào)速性能都很好，實踐證明該系統(tǒng)具有較高的性能價格比、參數(shù)調(diào)節(jié)方便、自身保護完備以及故障率低等優(yōu)點，取得了良好的經(jīng)濟效應。

[1]秦繼榮，沈安俊.現(xiàn)代直流伺服控制技術及其系統(tǒng)設計[M].機械工業(yè)出版社.1999.

[2]黃家善.電力電子技術[M].機械工業(yè)出版社.

[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.

[4]李五坡.直流電機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的限流措施[M].商丘：商丘職業(yè)技術學院學報，2006.