數(shù)控機(jī)床中開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)化與改造

魏娜

摘 要：眾所周知，數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)大大減輕了工人的體力勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。數(shù)控系統(tǒng)包括數(shù)控裝置、電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)以及執(zhí)行系統(tǒng)等，其中電源系統(tǒng)作為整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的前級(jí)，它的穩(wěn)定性和可靠性顯得尤為重要。該文介紹了開(kāi)關(guān)電源在數(shù)控系統(tǒng)中的優(yōu)化改造，通過(guò)增加防浪涌軟啟動(dòng)裝置、二次測(cè)穩(wěn)壓調(diào)節(jié)裝置、輸出過(guò)壓保護(hù)裝置以及RCD緩沖網(wǎng)絡(luò)、提高了電源系統(tǒng)的輸出精度，并且提升了電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性，解除了機(jī)床的異常警報(bào)，使得機(jī)床系統(tǒng)得以順利工作運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電源 優(yōu)化 數(shù)控機(jī)床

中圖分類號(hào)：TN78 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）05（a）-0059-03

數(shù)控機(jī)床由于其高精度及高穩(wěn)定性，在當(dāng)前的機(jī)械加工中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。精密機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)由CNC控制器、內(nèi)置可編程邏輯控制器、開(kāi)關(guān)電源電路、CRT顯示器、輸入輸出接口、光電編碼器等設(shè)備組成。而開(kāi)關(guān)電源電路負(fù)責(zé)為整個(gè)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)各部分設(shè)備提供電源。在機(jī)床加工車間等場(chǎng)所，因有較多大功率用電設(shè)備，在這種復(fù)雜電磁環(huán)境下，如果開(kāi)關(guān)電源可靠性不高、保護(hù)功能缺乏，會(huì)使得數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)工作異常，很容易出現(xiàn)飛車等重大事故。因此，具有各種保護(hù)功能的高可靠性開(kāi)關(guān)電源是數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)穩(wěn)定工作的重要保證。該文主要介紹了一種機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)用開(kāi)關(guān)電源二次測(cè)穩(wěn)壓調(diào)節(jié)裝置以及各種保護(hù)電路，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，數(shù)控機(jī)床開(kāi)關(guān)電源的精度和穩(wěn)定性都大大提升，并且提供了可靠的保護(hù)功能，使得日常生產(chǎn)作業(yè)得以順利進(jìn)行。

1 數(shù)控機(jī)床中的開(kāi)關(guān)電源

開(kāi)關(guān)電源的原理是利用無(wú)損器件電感來(lái)存儲(chǔ)能量，再將能量傳輸至輸出的。采用半導(dǎo)體器件作為控制開(kāi)關(guān)，通過(guò)周期性地反復(fù)開(kāi)關(guān)，達(dá)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(diào)制、脈沖頻率調(diào)制和混合調(diào)制。采用開(kāi)關(guān)電源后能夠極大地提高效率，并且輸出電壓可隨意調(diào)節(jié)為高低電壓進(jìn)行多路輸出。

對(duì)于前級(jí)的AC轉(zhuǎn)DC電路來(lái)說(shuō)，其主要組成部分有前級(jí)整流電路、檢測(cè)電路、控制電路、輔助電路四大部份組成。如圖1所示。

前級(jí)整流電路通過(guò)整流二級(jí)管將AC輸入信號(hào)整流為平滑的直流電平，并且經(jīng)過(guò)低通濾波后傳遞給后級(jí)電路。整流二級(jí)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(jí)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(cè)電路檢測(cè)各種輸出信號(hào)，包括多路輸出電壓，輸出電流等信息，將其信號(hào)傳遞給控制電路和輔助電路，從而使得開(kāi)關(guān)電路正常運(yùn)轉(zhuǎn)。檢測(cè)電路要求具有較高的精度和速度，達(dá)到需求中的靈敏度指標(biāo)。

控制電路根據(jù)檢測(cè)電路傳遞來(lái)的各種信號(hào)對(duì)功率開(kāi)關(guān)管進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，包括過(guò)流控制、過(guò)壓控制等。為了驅(qū)動(dòng)低阻抗的功率開(kāi)關(guān)管，在功率管的前級(jí)還要加上驅(qū)動(dòng)電路，使得功率管較快地進(jìn)行開(kāi)關(guān)切換，降低開(kāi)關(guān)損耗，提高開(kāi)關(guān)電源效率。

輔助電路是為了保護(hù)開(kāi)關(guān)電源在各種異常情況下仍然能夠正常工作而設(shè)計(jì)的。具體包括軟啟動(dòng)電路、短路保護(hù)電路和過(guò)電壓保護(hù)電路等。

2 開(kāi)關(guān)電源的異常問(wèn)題

2.1 多路輸出精度差

多路輸出時(shí)主輸出電壓通過(guò)電阻反饋形成閉環(huán)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行自發(fā)調(diào)節(jié)，如圖2所示，但是輔助輸出保持在開(kāi)環(huán)狀態(tài)，僅僅跟隨主輸出的變化而變化。這樣，當(dāng)主輸出和輔助輸出有不同的負(fù)載時(shí)候，輔助輸出的精度會(huì)較差，尤其當(dāng)其工作于不連續(xù)模式時(shí)。輸出紋波過(guò)大，會(huì)引起系統(tǒng)不穩(wěn)定，若超出規(guī)范，將會(huì)引起輸出級(jí)次系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行。

2.2 啟動(dòng)浪涌電流過(guò)大

輸入交流電源經(jīng)過(guò)整流后再經(jīng)過(guò)濾波對(duì)后一級(jí)輸出，若濾波電容值較大，則在剛上電時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生很大的浪涌電流，其沖擊電流可能達(dá)到100 A以上，如圖3所示。如此大的浪涌電流會(huì)將輸入保險(xiǎn)絲熔斷，造成開(kāi)關(guān)電源開(kāi)路，使得其無(wú)法正常輸出供電。因此需要輸入電路設(shè)置防止沖擊電流的軟啟動(dòng)電路，以保證系統(tǒng)正?？煽康剡\(yùn)行。

2.3 輸出電壓過(guò)沖

輸出端會(huì)出現(xiàn)各種電壓過(guò)沖：當(dāng)遇到風(fēng)、雪、雷擊等惡劣天氣時(shí)，輸電線會(huì)產(chǎn)生劇烈的擾動(dòng)；當(dāng)變壓器一次側(cè)突然斷開(kāi)時(shí)，二次側(cè)通過(guò)耦合會(huì)形成很高的電壓沖擊尖峰；當(dāng)前級(jí)出現(xiàn)短路過(guò)流狀態(tài)時(shí)，二次側(cè)通過(guò)耦合也會(huì)產(chǎn)生電壓過(guò)沖。為了防止因?yàn)檫^(guò)高沖擊電壓造成后一級(jí)損壞，通常需要在系統(tǒng)的輸入端加入過(guò)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(fù)時(shí)間，無(wú)法適應(yīng)電源的快速開(kāi)關(guān)切換場(chǎng)合，同時(shí)電阻也會(huì)造成一定的損耗，降低系統(tǒng)的效率。

2.4 高頻毛刺電壓

當(dāng)開(kāi)關(guān)電源工作在高頻時(shí)，開(kāi)關(guān)快速切換，寄生電感會(huì)產(chǎn)生大量高頻尖峰毛刺電壓，這些高頻毛刺電壓將要求電動(dòng)機(jī)繞組具有更高的絕緣強(qiáng)度。同時(shí)這些寄生電感會(huì)形成高頻天線，向外輻射大量電磁波，產(chǎn)生電磁干擾，擾亂其他電源模塊的正常運(yùn)行。

由上可見(jiàn)，由于各種非理想狀況會(huì)產(chǎn)生非正常擾動(dòng)，嚴(yán)重地影響了電源系統(tǒng)的正常輸出，惡劣時(shí)候甚至能將輸出系統(tǒng)擊穿打壞，為此需要對(duì)開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化并增加各種保護(hù)措施，使機(jī)床得以在各種狀況下順利運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)與增加保護(hù)措施

3.1 多路輸出同步輸出控制方式

對(duì)于多路輸出電源，輔助輸出端采用同步輸出控制方式：通過(guò)在二級(jí)管D2后面增加開(kāi)關(guān)管S2以及相應(yīng)的控制開(kāi)關(guān)電路，使其輸出電壓形成閉環(huán)系統(tǒng)，可以進(jìn)一步精確地調(diào)節(jié)輔助輸出端的電壓。當(dāng)輸出負(fù)載較小時(shí)候，通過(guò)控制模塊控制開(kāi)關(guān)管S2的導(dǎo)通時(shí)間，使得輸出電壓保持在正常工作狀態(tài)；當(dāng)負(fù)載增加時(shí)候，通過(guò)控制模塊增加開(kāi)關(guān)管S2的導(dǎo)通時(shí)間，使得輸出電壓維持在原來(lái)工作狀態(tài)。由上可見(jiàn)，通過(guò)增加了一個(gè)開(kāi)關(guān)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(méi)有增加太多。二次側(cè)控制中還可以增加過(guò)流、短路保護(hù)機(jī)制，進(jìn)一步提高輸出的穩(wěn)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(duì)二次側(cè)進(jìn)行控制，可在占空比0%～100%之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出精度可以達(dá)到+/-1%。

3.2 防浪涌電流裝置

常用軟啟動(dòng)電路采用功率熱敏電阻電路，熱敏電阻具有負(fù)溫度特性，當(dāng)電源剛接通時(shí)，熱敏電阻阻值較大，流過(guò)其中的電流較小，發(fā)熱也比較小。當(dāng)電流逐漸增大時(shí)，發(fā)熱量也逐漸增加，根據(jù)熱敏電阻的負(fù)溫度特性，其電阻值將會(huì)變小，電路得以正常工作。但是熱敏電阻反向恢復(fù)需要一定的時(shí)間，不能適應(yīng)快速反復(fù)開(kāi)關(guān)的應(yīng)用場(chǎng)合。并且電阻具有一定的阻值，增加了系統(tǒng)不必要的損耗，降低了電源系統(tǒng)的效率。

該文采用的啟動(dòng)電路將一個(gè)繼電器K1與啟動(dòng)電阻R1并聯(lián)，如圖5所示。當(dāng)電源剛接通時(shí)，繼電器K1斷開(kāi)，電源經(jīng)過(guò)電阻R1對(duì)電容C1充電，電阻R1起到了限制電流的作用。同時(shí)通過(guò)輔助繞組T2以及穩(wěn)壓源7812對(duì)繼電器控制端電容C2充電，當(dāng)C2端電壓達(dá)到一定閾值后，繼電器K1閉合，將啟動(dòng)電阻R1旁路，達(dá)到了降低功耗的作用。當(dāng)電源掉電后，輔助繞組端電容C2會(huì)放電低于閾值電壓，使得繼電器K1斷開(kāi)，等待下一個(gè)上電周期來(lái)臨。

3.3 輸出過(guò)壓鉗位保護(hù)裝置

輸出系統(tǒng)有模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)，模擬系統(tǒng)包括變頻器以及監(jiān)視器的電源等，數(shù)字系統(tǒng)包括MCU等數(shù)字處理單元。對(duì)于數(shù)字系統(tǒng)電路，往往工作電壓不能大于5.5 V。若電源輸出電壓超過(guò)一定的閾值，將會(huì)引起后級(jí)系統(tǒng)的失效及損壞。按照輸出電壓來(lái)分，開(kāi)關(guān)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(jìn)行過(guò)壓保護(hù)。

過(guò)壓保護(hù)電路中的要求：觸發(fā)時(shí)要求能夠在一定的持續(xù)時(shí)間內(nèi)吸收足夠大的電流；不觸發(fā)時(shí)，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(dāng)輸出電壓有一個(gè)很陡峭的提升時(shí)，由于電阻R1和C1的延遲作用，PMOS管的柵極電位從零電位開(kāi)始逐步提升。這樣在開(kāi)始時(shí)候，M1管導(dǎo)通，將高壓管M2的柵極電位上拉至輸出電位，M2導(dǎo)通，將輸出端的電流泄放到地，達(dá)到抑制電壓尖峰的作用。當(dāng)輸出電壓緩慢提高時(shí)候，高壓管M2柵極電位由電阻R2和R3分壓也逐步提升，當(dāng)達(dá)到其閾值電壓時(shí)，M2導(dǎo)通，將輸出電壓鉗位在一個(gè)固定值，達(dá)到直流鉗位的作用。

3.4 RCD緩沖保護(hù)

開(kāi)關(guān)管在快速導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)，有較大di/dt變化，在漏感作用下，會(huì)產(chǎn)生較大的電壓毛刺尖峰，若不采取防護(hù)措施，高電壓會(huì)使開(kāi)關(guān)管的工作點(diǎn)超出安全工作區(qū)而將其損壞，因此常常設(shè)置緩沖吸收電路，防止瞬時(shí)過(guò)壓、過(guò)流，減少開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗，確保其工作在安全工作區(qū)。常見(jiàn)的RCD電路如圖7所示。

通過(guò)加RCD網(wǎng)絡(luò)可以顯著地限制開(kāi)關(guān)管關(guān)斷瞬間其兩端的最大尖峰電壓，并且降低了開(kāi)關(guān)管的損耗，提高了電路的可靠性，同時(shí)電壓上升率的減慢也降低了高頻電磁干擾。

4 改善開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的效果

（1）提高了輸出精確度。通過(guò)增加二次側(cè)同步控制電路，使得二次側(cè)電壓能夠根據(jù)負(fù)載情況進(jìn)行自發(fā)調(diào)節(jié)，使得輸出精度得到大幅度提升。

（2）減少了對(duì)電網(wǎng)的沖擊。采用防浪涌措施調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，并且可以應(yīng)對(duì)電源反復(fù)開(kāi)關(guān)的狀況，減少了對(duì)電網(wǎng)的沖擊，提高了效率。

（3）可靠性提升。通過(guò)在輸出端增加過(guò)壓鉗位保護(hù)裝置，將冗余的能量泄放掉，達(dá)到抑制電壓尖峰和直流鉗位的作用，保護(hù)了后級(jí)的子系統(tǒng)，使機(jī)床的可靠性大大提升。

（4）抗干擾性提高。通過(guò)增加RCD緩沖網(wǎng)絡(luò)，顯著地限制開(kāi)關(guān)管關(guān)斷瞬間其兩端的最大尖峰電壓，增強(qiáng)了開(kāi)關(guān)管的可靠型，降低了高頻電磁干擾。

通過(guò)對(duì)數(shù)控機(jī)床的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，增加了抗浪涌電流裝置、過(guò)壓保護(hù)裝置以及抗干擾保護(hù)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(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，使得數(shù)控機(jī)床更好、更高效可靠地順利運(yùn)行。

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