基于数控机床工作台或主轴的无级调速装置

王廷俊

（中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，辽宁 沈阳 110043）

机床的数控化率是衡量制造业现代化程度的重要标志。目前为了提高机床数控系统的加工精度，生产出高精度高水准的零件非常重要，所以设计者必须对数控系统的加工精度进行提高，而提高数控系统的加工精度最直接的方式就是提高数控系统的调速装置的进给精度。现有的机床调速装置存在结构复杂、本身消耗功率大、所提供的输出电流具有较大的脉动分量，存在电流断续现象，且失控时间和死区电压较大，结果限制了系统的频带宽带和调速范围。

针对现有技术中直流伺服控制器的驱动电路复杂、驱动本身消耗的功率大等不足之处，本论文介绍了一种基于数控机床工作台或主轴的无级调速装置，适合在数控机床领域使用，具体地说是一种对机床主轴等进行无级调速的电路。其核心的技术是提供一种结构简单、小功率的直流伺服驱动装置。

1 无级调速装置的设备简介

该装置的具体结构如图1所示。

其具体结构单元如下：速度调节器、电流调节器、三角波发生器、脉宽调制解调器、晶体管功放电路、电流信号放大器和测速反馈电路；速度调节器、电流调节器、脉宽调制解调器和晶体管功放电路顺序连接；三角波发生器与脉宽调制解调器连接；电流信号放大器输入端与晶体管功放电路的输出端连接，电流信号放大器输出端与电流调节器输入端连接；用于测量电机转速的测速反馈电路的输出端与速度调节器的输入端连接。

图1 无级调速装置的结构框图

速度调节器：用于将上位机的速度给定信号和测速反馈电路的反馈信号进行比较的差值放大，再输出至电流调节器。

电流调节器：用于将速度调节器的输出与电流信号放大器输出之差值进行放大，再输出至脉宽调制解调器。

脉宽调制解调器：将电流调节器的输出信号和三角波发生器的输出进行比较，并将生成的脉冲信号输出至晶体管功放电路。

晶体管功放电路：将PWM信号进行多级放大，生成的控制信号输出至电流信号放大器和电机。

速度调节器采用运算放大器2N1A；运算放大器2N1A的反相输入端与上位机、测速反馈电路的输出端连接，正相输入端与反相输入端间连有由二极管V1、V2组成的保护电路，运放2N1A反相输入端与输出端之间连有比例积分电路；其参考电压正端连接正电压，其参考电压负端连接负电压，输出端依次经过由电阻R8和电容C3的滤波电路、电阻R9与电流调节器的输入端连接。

电流调节器采用运算放大器1N1A；运算放大器1N1A反相输入端与速度调节器的输出端连接，还与电流信号放大器输出端连接，正相输入端通过电阻R10、R4与运算放大器2N1A的正相输入端连接，1N1A的参考电压正端连接正电压，其参考电压负端连接负电压，1N1A的输出端通过电阻R21与脉宽调制解调器连接。

三角波发生器采用运算放大器2N2B；运放2N2B的参考电压正端连接正电压，其参考电压负端连接负电压；运算放大器2N2B的反相输入端经电容C5、电阻R4与运算放大器2N1A的正相输入端连接，还经过电阻R16与运放2N2B输出端连接；运放2N2B正相输入端经电阻R18、R4与运算放大器2N1A的正相输入端连接，其正相输入端还通过电阻R17与输出端连接；运放2N2B输出端通过由电阻R19和电容C8组成的滤波电路、电阻R20与脉宽调制解调器连接。

脉宽调制解调器采用运算放大器1N2B；运放1N2B的参考电压正端连接正电压，其参考电压负端连接负电压；运放1N2B的反相输入端通过电阻R23与正电源连接，还与三角波发生器的输出端连接；运放1N2B的正相输入端与电流调节器的输出端连接；运放1N2B的输出端连接通过保护电路与晶体管功放电路连接。

晶体管功放电路采用晶体管组V14、V15；晶体管组V14包括4个并联的晶体管，即4个晶体管的基极相互连接，集电极相互连接，发射极相互连接；晶体管组V15是由两个NPN晶体管组成的复合NPN型管，一个晶体管的发射极与另一个晶体管的基极连接，两只晶体管集电极通过电阻R42连接；V14的共同基极与V15的发射极连接；V14的共同集电极与共同发射极之间连接有并联的二极管V11、V12，V14的共同发射极通过电阻R40和电容C13的并联电路与V11串联；V14的共同发射极通过二极管与整流桥的输出负端连接，共同集电极与整流桥的输出正端连接，共同发射极与共同集电极之间连有电阻R39和电容C12的并联电路；整流桥的输入端连接交流电源127V。

2 无级调速装置的工作原理与电路结构

2.1 该装置的工作原理

如图1所示，该装置的结构设计是这样实现的：该装置是由电流小闭环和速度大闭环组成的双闭环速度调节系统，用来对电机进行调速控制。控制回路由速度调节器、电流调节器、三角波发生器、脉宽调制解调器组成。主回路由整流电路及晶体管功放电路组成。

其联接是：电源单元具有整流、滤波电路，电源稳压电路，为其他功能模块提供+5V，-5V，+12V，-12V直流电源。速度调节器及电流调节器均采用比例积分调节器。两者之间采用相互串联的连接方式，速度调节器输出作为电流调节器的输入，电流调节器的输出作为脉宽调制器的控制电压，此控制电压与三角波发生器产生的三角波信号进行叠加，产生脉宽调制方波，此方波经过晶体管功放电路放大后直接驱动电机运行。

该装置是由电流小闭环和速度大闭环组成的双闭环速度调节系统。控制回路由速度调节器、电流调节器、三角波发生器、脉宽调制解调器组成。主回路由整流电路及晶体管PWM调制器组成。连接是电源单元为其他各功能模块提供电源，速度调节器输出至电流调节器，电流调节器的输出与三角波发生器输出进行比较后，经脉宽调节器调制后送给晶体管PWM调制器，从而实现对电机的控制。

速度调节器采用比例积分调节器。速度给定信号由放大器反相放大后经同测速反馈信号进行比较，其差值送入速度调节器进行调节放大。其放大倍数可通过调节电位器进行改变。

电流调节器采用比例积分调节器。速度调节器输出信号与电流反馈信号比较后差值送入电流调节器进行调节放大。

三角波发生器是由放大器（2N2B）、电阻(R19，R22)及电容（C6）组成，放大器2N2输出的方波经电阻R19、C6变换成三角波。

脉宽调制器由放大器（1N2B）组成。其任务是产生频率不变、宽度可调的脉冲信号。电流调节器输出信号与三角波发生器输出进行比较。随着电流调节器输出电压信号的提高，使脉冲宽度增加。

电源单元为数控系统提供+5V，-5V，+12V，-12V直流电源，具有整流电路、保护电路等。

2.2 该装置的电路结构

（1）控制回路电路结构。如图2为控制回路原理图，2N1A为速度调节器，速度给定信号与测速反馈信号进行比较，其差值送入2N1A进行调节放大。1N1A为电流调节器，电流给定信号（即速度调节器输出信号）经R8、R9与电流反馈信号比较后差值送入1N1A进行调节放大，其放大倍数由R11与R8+R9的比值决定；时间常数由R11与C4的乘积决定。RP5是输出限幅调节电位器。三角波发生器由2N2B及R16，R17，R18，R19，R22，C6组成。2N2B的输出方波经R19、C8变换成三角波。脉宽调制器由1N2B组成。

（2）主回路电路结构。图3为控制回路原理图，V14、V15构成晶体管PWM调制器。其中V14是由4个晶体管相互并联组成，即4个晶体管的基极相互连接，集电极相互连接，发射极相互连接，目的是提高输出电流，从而达到较高的输出功率。V15是由两只NPN晶体管组成的复合NPN型管，两只晶体管集电极相互连接，从而提高了电流放大系数。

图2 控制回路电路原理图

图3 主回路电路原理图

（3）保护回路电路结构

图4为保护回路原理图，保护回路由晶体管T1、T2、T3、T4、 二极 管 V29、V30、V31、V32、V33、V34、 电 阻 R56、R57、R58、R59、R60、R62、R63、R64、R65、R66、电容 C29、C30组成。二极管V29和V34的负极与晶体管功放电路的V15的集电极连接，V30的负极、V31的正极与晶体管功放电路的V15的基极连接。

晶体管T1的发射极经过电阻R57与+5V电源相连接，并与晶体管T3的集电极相连接，T1的集电极经过V33与R61接地，并通过R58与晶体管T4的基极相连接，T1的基极通过电阻R56与T3发射极相连接。T2发射极连接至+5V电源，T2集电极与T3发射极相连接，并通过电阻R65与T4集电极相连接，T2基极通过电阻R65上拉至+5V。当电机过流或过载时，通过此电路可防止烧毁电机。

3 结语

本文设计了一种用于数控机床工作台或主轴的无级调速装置，适合在数控机床领域使用，具体地说是一种对机床主轴等进行无级调速的电路。它的优点及有益效果如下。

（1）频带宽、频率高：晶体管“结电容”小，开关频率远高于可控（50Hz），可达2～10kHz。快速性好。

图4 保护回路电路原理图

（2）电流脉动小：由于PWM调制频率高，电机负载成感性，对电流脉动有平滑作用，波形系数接近于1。

（3）电源的功率因数高：PWM系统的直流电源为不受控的整流输出，功率因数高。

（4）动态硬度好：校正瞬态负载扰动能力强，频带宽，动态硬度高。

（5）本装置使用了大量的PI调节器，乘法器，这些电路用模拟电路和只需几个电子元件就可以实现，具有结构简单，稳定性高、扩展性强，精度高等优点。但如果用数字电路来实现，将会非常复杂，而且面积很大。

（6）模拟信号可以有多种不同的状态，数字信号只有两种状态“0”或“1”。由于本文采用了很多信号放大电路，因此更适于使用模拟电路。

（7）从频域上来讲，模拟信号频带范围宽，而数字信号频带范围很窄。