精密機床數(shù)控系統(tǒng)中開關(guān)電源保護電路工作原理分析

數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)字控制系統(tǒng)的簡稱，英文名稱為(Numerical Control System)，根據(jù)計算機存儲器中存儲的控制程序，執(zhí)行部分或全部數(shù)值控制功能，并配有接口電路和伺服驅(qū)動裝置的專用計算機系統(tǒng)。通過利用數(shù)字、文字和符號組成的數(shù)字指令來實現(xiàn)一臺或多臺機械設(shè)備動作控制，它所控制的通常是位置、角度、速度等機械量和開關(guān)量。

數(shù)控系統(tǒng)及相關(guān)的自動化產(chǎn)品主要是為數(shù)控機床配套。數(shù)控機床是以數(shù)控系統(tǒng)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)機械制造產(chǎn)業(yè)的滲透而形成的機電一體化產(chǎn)品：數(shù)控系統(tǒng)裝備的機床大大提高了零件加工的精度、速度和效率。這種數(shù)控的工作母機是國家工業(yè)現(xiàn)代化的重要物質(zhì)基礎(chǔ)之一。數(shù)值控制(簡稱“數(shù)控”或“NC”)的概念是把被加工的機械零件的要求，如形狀、尺寸等信息轉(zhuǎn)換成數(shù)值數(shù)據(jù)指令信號傳送到電子控制裝置，由該裝置控制驅(qū)動機床刀具的運動而加工出零件。而在傳統(tǒng)的手動機械加工中，這些過程都需要經(jīng)過人工操縱機械而實現(xiàn)，很難滿足復雜零件對加工的要求，特別對于多品種、小批量的零件，加工效率低、精度差。1952年，美國麻省理工學院與帕森斯公司進行合作，發(fā)明了世界上第一臺三坐標數(shù)控銑床?？刂蒲b置由2000多個電子管組成，約一個普通實驗室大小。伺服機構(gòu)采用一臺小伺服馬達改變液壓馬達斜盤角度以控制液動機速度。其插補裝置采用脈沖乘法器。這臺NC機床的研制成功標志著NC技術(shù)的開創(chuàng)和機械制造的一個新的、數(shù)值控制時代的開始。

精密機床數(shù)控系統(tǒng)由CNC 控制器、內(nèi)置PLC 控制器、開關(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。而開關(guān)電源電路負責為整個機床數(shù)控系統(tǒng)各部分設(shè)備提供電源。在機床加工車間等場所，因有較多大功率用電設(shè)備， 在這種復雜電磁環(huán)境下， 如果開關(guān)電源可靠性不高、保護功能缺乏， 會使得數(shù)控機床系統(tǒng)工作異常， 很容易出現(xiàn)飛車等重大事故。因此，具有各種保護功能的高可靠性開關(guān)電源是數(shù)控機床系統(tǒng)穩(wěn)定工作的重要保證。本文主要介紹了一種機床數(shù)控系統(tǒng)用開關(guān)電源各種保護電路的工作原理和實現(xiàn)方法， 通過實際研制， 使得該系統(tǒng)開關(guān)電源穩(wěn)定性大大提高， 保護功能穩(wěn)定可靠， 滿足了批量生產(chǎn)要求。

1 保護電路工作原理分析

機床數(shù)控用開關(guān)電源包含有軟啟動保護、過壓保護、過流保護、欠壓掉電保護等電路。

(1) 軟啟動電路

由于開關(guān)電源輸入整流電路后級大多采用電容性濾波電路濾波， 在電源合閘瞬間， 往往會產(chǎn)生電流幅值高達幾十甚至幾百安培的浪涌電流， 此種浪涌電流十分有害， 會造成開關(guān)電源啟動故障甚至損壞。常用的軟啟動電路有可控硅和限流電阻組成的防浪涌軟啟動保護、繼電器觸點組成的軟啟動保護、負溫度系數(shù)電阻組成的軟啟動保護電路等。

本系統(tǒng)開關(guān)電源采用負溫度系數(shù)電阻組成的軟啟動保護電路， 簡單實用， 工作可靠。如圖1, 220 V 交流電經(jīng)線圈L1濾波共模干擾后， 整流產(chǎn)生約三百伏左右直流電壓， RT 電阻為負溫度系數(shù)熱敏電阻， 型號為M02-7Ω。當電源合閘瞬間， 浪涌電流使得熱敏電阻發(fā)熱， 阻值迅速減小， 輸出直流電壓逐漸建立， 可有效防止浪涌電流對電源電路的沖擊， 使得整個電源半橋變換電路穩(wěn)定可靠。

圖1 負溫度系數(shù)電阻組成的輸入軟啟動電路

在開關(guān)電源啟動時， 由于脈寬調(diào)制器尚未建立穩(wěn)定的驅(qū)動脈沖， 需采取措施使得驅(qū)動脈沖逐漸建立起來， 該開關(guān)電源脈寬調(diào)制器采用性價比較高的脈寬調(diào)制器T L494。如圖2, TL494 的第四腳為死區(qū)控制， 它既可以為變換功率管提供安全的死區(qū)時間控制， 也可以作為驅(qū)動芯片的軟啟動控制。開機瞬間， 電容器C1上未建立電壓， + 5 V 通過電容C1 送TL494: 4 腳， 封鎖脈寬調(diào)制器的輸出脈沖。隨著電容C1 兩端電壓逐漸升高， T L494: 4 腳電壓逐漸下降， 驅(qū)動脈沖寬度逐漸展寬。當輔助電源+ 15 V 出現(xiàn)故障時， 三級管V1迅速導通， + 5 V 電壓經(jīng)三極管V1 送T L494: 4 腳， 切斷驅(qū)動脈沖， 使開關(guān)電源停止工作而不致?lián)p壞。

圖2 利用TL494:4 腳進行驅(qū)動軟啟動及電源保護

(2) 過壓保護電路

通常的數(shù)字信號處理電路大多采用TT L 或CMOS 系列的集成門電路。對于T TL 集成門電路，往往工作電壓不能大于5. 5 V。該數(shù)控系統(tǒng)開關(guān)電源輸出有多路， 有+ 5 V, + 15 V, - 15 V, + 24 V 等多路輸出， 在開關(guān)電源系統(tǒng)中， 對主變換電壓+ 5 V 進行過壓保護， 具體電路見圖3。

圖3 數(shù)控開關(guān)電源過壓保護電路

工作原理： 數(shù)控開關(guān)電源由輔助電源+ 15 V 提供給可控硅V4管陽極工作電壓， 實際輸出取樣電壓送至穩(wěn)壓管V5 , 當超出保護電壓閾值+ 5. 5 V 時， 輸出電壓經(jīng)穩(wěn)壓管、電阻R3 、R4 分壓觸發(fā)可控硅V4 導通， 將輔助電源+ 15 V 通過電阻R1接地， 同時通過二極管V2切斷8 腳電源。調(diào)節(jié)RP 電位器， 可以對輸出電壓保護閾值點進行設(shè)置。

(3) 過流保護電路

本開關(guān)電源過流保護電路的工作原理見圖4。變壓器T 1原邊串接在開關(guān)電源主變壓器原邊回路中， 通過實驗選擇合理的變壓器原副邊匝數(shù)比， 感應(yīng)開關(guān)電源變換時的原邊電流值， 經(jīng)二極管V1 ~ V4 整流， R1、C1 濾波后送電位器RP。原邊電流越大， 電流取樣變壓器整流出的電壓越大， 電位器RP 中心點電壓越低，TL494: 2 腳電壓隨之下降， 使得TL494: 3 腳電壓升高， 送入脈寬調(diào)制器， 將T L494 驅(qū)動脈沖寬度逐漸減少， 從而得到過流保護的目的。圖中電容C4、C5、R10為TL494 誤差放大器的反饋元件， 使得放大電路穩(wěn)定可靠。

圖4 數(shù)控開關(guān)電源過流保護電路電路圖

(4) 欠壓保護電路

利用+ 5 V 及PF ( POWER FAIL) 信號進行比較， 在+ 5 V 掉電時， PF 信號至少需維持10 ms 時間，以便存儲相關(guān)信息。欠壓保護電路如圖5 所示。

(a) 利用LM339 電壓比較器實現(xiàn)的掉電保護

(b) 上電時序及掉電保護時序圖

圖5 數(shù)控開關(guān)電源的欠壓保護電路

2 保護電路調(diào)試與實現(xiàn)

(1) 軟啟動電路調(diào)試

熱敏電阻軟啟動電路， 可用電烙鐵對負溫度系數(shù)熱敏電阻貼近進行烘烤， 用萬用表測量其電阻值變化，同時計時并估算其電阻變化率， 進行初步檢驗。將不同阻值的熱敏電阻分別裝入電路， 用示波器高壓探頭測試開機時整流電路輸出的高壓波形， 比較其電壓建立時間， 從而選擇合適的負溫度系數(shù)熱敏電阻。

(2) 過壓保護電路調(diào)試

過壓保護電路中的可控硅觸發(fā)電路要求： 1) 觸發(fā)時要求能供出足夠的觸發(fā)電壓和電流。2) 不觸發(fā)時， 觸發(fā)端電壓應(yīng)小于0. 15 V ~ 0. 2 V, 為防止誤觸發(fā)， 一般宜加1~ 2 V 的負偏壓。3) 觸發(fā)脈沖的上升前沿要陡， 最好在10us 以下， 使觸發(fā)電壓準確。4) 觸發(fā)脈沖必須有足夠的寬度， 因可控硅的開通時間一般在6us 以下， 故脈沖寬度應(yīng)大于6us, 最好有20us~ 50us。

過壓保護電路調(diào)試： 將輸出電壓逐漸調(diào)至5. 5 V,用萬用表測試可控硅的觸發(fā)極電壓， 同時用示波器觀察驅(qū)動芯片TL494: 8 腳、11 腳波形， 調(diào)節(jié)過壓保護多圈電位器RP, 直到保護電路動作， 驅(qū)動波形消失為止， 此時保持多圈電位器RP 旋鈕位置不變。逐漸調(diào)低輸出電壓， 保護電路因可控硅不觸發(fā)而不動作。如再調(diào)高輸出電壓至5. 5 V, 保護電路將動作， 反復試驗， 直至保護電路工作穩(wěn)定可靠。

(3) 過流保護電路調(diào)試

過流保護電路選擇高頻鐵氧體磁芯EE12, 原邊電感量為0. 013 mH, 副邊電感量為0. 74 mH 。該開關(guān)電源+ 5 V 最大輸出電流為25 A, 截取直徑為 1. 2mm 的漆包線一段， 量取其電阻值為0. 2Ω , 將此模擬負載接在電路中， 測量過流整流輸出電壓Ui, 調(diào)整過流保護多圈電位器， 電路在Ui= - 0. 57 V 時開始保護。改變輸出模擬負載， 反復調(diào)試過流保護電路參數(shù)，直到過流保護電路穩(wěn)定可靠。

3 結(jié)論

本文通過對數(shù)控開關(guān)電源保護電路的工作原理分析及調(diào)試， 提出了一種軟啟動保護、過壓過流保護的具體實用電路， 最終合理設(shè)定了各保護電路的工作參數(shù)，使得數(shù)控系統(tǒng)開關(guān)電源的保護功能穩(wěn)定可靠， 整機性能得到了提升， 為數(shù)控系統(tǒng)的批量生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。