一種用于控制航空工業(yè)用直流電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于控制航空工業(yè)用直流電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速裝置，給定積分器、速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、觸發(fā)脈沖發(fā)生器和可控硅裝置順序連接；電流正反饋電路的輸入端與可控硅裝置輸出端連接，輸出端與電流調(diào)節(jié)器的輸入端連接；用于測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)速反饋電路輸出端與速度調(diào)節(jié)器輸入端連接。本發(fā)明具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)及調(diào)速性能；可簡(jiǎn)單地通過(guò)改變電機(jī)的輸入電壓或勵(lì)磁電流對(duì)電機(jī)進(jìn)行大范圍的無(wú)級(jí)調(diào)速，從而使電機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，不產(chǎn)生電弧和電火花；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，本身消耗的功率小，運(yùn)行成本低，可在多種復(fù)雜環(huán)境下使用。
【專利說(shuō)明】—種用于控制航空工業(yè)用直流電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于一種直流調(diào)速裝置，適合在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域使用，具體地說(shuō)是一種對(duì)機(jī)床主軸等進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]直流調(diào)速裝置是數(shù)控機(jī)床應(yīng)用中較為典型的一種裝置。隨著交流變頻調(diào)速技術(shù)的快速發(fā)展，雖然直流調(diào)速一統(tǒng)天下的格局已被打破，但由于其具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)及調(diào)速性能，目前在航空工業(yè)用數(shù)控機(jī)床的調(diào)速領(lǐng)域中仍占有一定地位，特別是一些對(duì)精度、快速性要求較高的場(chǎng)合。
[0003]現(xiàn)有的直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式種類繁多，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜、驅(qū)動(dòng)本身消耗的功率大，而可控硅直流調(diào)速裝置由于其具有良好的靜態(tài)特性，如阻斷電壓高，漏電流小，導(dǎo)通時(shí)壓降小，電流容量大，過(guò)載能力強(qiáng)等；同時(shí)具有良好的開(kāi)關(guān)特性，因此在直流調(diào)速系統(tǒng)中備受:未睞。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中直流伺服控制器的驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜、驅(qū)動(dòng)本身消耗的功率大等不足之處，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、小功率的直流伺服驅(qū)動(dòng)裝置。
[0005]本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是:一種用于控制航空工業(yè)用直流電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速裝置，其特征在于:給定積分器、速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、觸發(fā)脈沖發(fā)生器和可控硅裝置順序連接；電流正反饋電路的輸入端與可控硅裝置輸出端連接，輸出端與電流調(diào)節(jié)器的輸入端連接；用于測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)速反饋電路輸出端與速度調(diào)節(jié)器輸入端連接；
[0006]給定積分器:將上位機(jī)輸入的電壓或電流參考信號(hào)在預(yù)設(shè)的啟動(dòng)時(shí)間后輸出；
[0007]速度調(diào)節(jié)器:將來(lái)自給定積分器的參考信號(hào)與來(lái)自測(cè)速反饋電路的反饋信號(hào)進(jìn)行比較，并將其差值進(jìn)行放大后輸出至電流調(diào)節(jié)器；
[0008]電流調(diào)節(jié)器:將電流進(jìn)行放大處理后輸出至觸發(fā)脈沖發(fā)生器；
[0009]觸發(fā)脈沖發(fā)生器:用于電流調(diào)節(jié)器輸出轉(zhuǎn)變?yōu)閷挾瓤烧{(diào)的脈沖信號(hào)，從而控制可控硅裝置導(dǎo)通。
[0010]電流正反饋電路:從主回路取樣的電流信號(hào)放大，輸出至電流調(diào)節(jié)器；
[0011]所述速度調(diào)節(jié)器采用運(yùn)算放大器INl ;運(yùn)放INl的反相輸入端與給定積分器的輸出端、測(cè)速反饋電路輸出端連接，正相輸入端通過(guò)電阻接地，輸出端通過(guò)可調(diào)電阻RP6、電阻R21與電流調(diào)節(jié)器連接。
[0012]所述電流調(diào)節(jié)器采用運(yùn)算放大器2N3 ;運(yùn)放2N3的反相輸入端與速度調(diào)節(jié)器連接，還通過(guò)電阻R20與電流正反饋電路的輸出端連接，正相輸入端通過(guò)電阻R23接地、還通過(guò)電容C9與負(fù)電源連接，輸出端通過(guò)電阻R24與觸發(fā)脈沖發(fā)生器連接。
[0013]所述觸發(fā)脈沖發(fā)生器采用運(yùn)算放大器和同步變壓器TCl ;運(yùn)放2N4的正相輸入端與電流調(diào)節(jié)器輸出端連接，反相輸入端與運(yùn)放1N3的輸出端連接，正/反相輸入端之間連有電容C10，輸出端通過(guò)電阻R33連接三極管V45的基極；三極管V45的發(fā)射極接地，集電極通過(guò)電阻R34與正電源連接、還通過(guò)順序連接的電容C12和R35與三極管V46的基極連接；三極管V46的發(fā)射極接地，集電極連接同步變壓器的一次輸入端，二次側(cè)的兩對(duì)輸出端與可控硅裝置的兩對(duì)輸入端連接；運(yùn)放1N3的反相輸入端通過(guò)電阻R70與正電源連接，同相輸入端通過(guò)電阻R32、電阻R30與正電源連接，電阻R32、R30的連接點(diǎn)通過(guò)電阻R31接地；運(yùn)放1N3的反相輸入端還與三極管V44的集電極連接，三極管V44的基極通過(guò)電阻R28與電阻R26、R27的兩條支路連接，兩條支路末端分別連接交流電源的正負(fù)端；每條支路上都還串聯(lián)二極管，兩條支路末端間連有電容。
[0014]所述可控硅裝置采用可控硅和二極管；可控硅VK1、VK2串聯(lián)，VKl的門極和觸發(fā)門與同步變壓器二次側(cè)的一對(duì)輸出端連接，VK2的門極端和觸發(fā)門與同步變壓器二次側(cè)的另一對(duì)輸出端連接；串聯(lián)的VK1、VK2的兩端之間連有兩個(gè)二極管VD1、VD2，還連有串聯(lián)的電容C29、電阻R72，該兩端與電機(jī)兩端連接；VD1、VD2的連接點(diǎn)通過(guò)可調(diào)電阻RVl連接VKl的陽(yáng)極，該連接點(diǎn)和VK2的陰極之間串聯(lián)電阻R76和電容C28。
[0015]所述電流正反饋電路采用電流互感器；可控硅VK2的陽(yáng)極與電機(jī)端之間連有電流互感器TA，TA 一端與交流電源相連接，另一端通過(guò)全橋整流電路與交流電源相連接，全橋整流電路的一個(gè)輸出端與電流調(diào)節(jié)器的輸入端連接，另一個(gè)輸出端接地，該兩個(gè)輸出端之間并聯(lián)多個(gè)開(kāi)關(guān)。
[0016]本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點(diǎn):
[0017]1.具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)及調(diào)速性能。
[0018]2.可簡(jiǎn)單地通過(guò)改變電機(jī)的輸入電壓或勵(lì)磁電流對(duì)電機(jī)進(jìn)行大范圍的無(wú)級(jí)調(diào)速，從而使電機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，不產(chǎn)生電弧和電火花。
[0019]3.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，本身消耗的功率小，運(yùn)行成本低，可在多種復(fù)雜環(huán)境下使用。
[0020]4.本文使用了大量的PI調(diào)節(jié)器，乘法器，這些電路用模擬電路和只需幾個(gè)電子元件就可以實(shí)現(xiàn)。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高、擴(kuò)展性強(qiáng)，精度高等優(yōu)點(diǎn)。但如果用數(shù)字電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的話，將會(huì)非常復(fù)雜，而且面積很大。
[0021]5.模擬信號(hào)可以有多種不同的狀態(tài)，數(shù)字信號(hào)只有兩種狀態(tài)“O”或“I”。由于本文采用了很多信號(hào)放大電路，因此更適于使用模擬電路。
[0022]6.從頻域上來(lái)講，模擬信號(hào)頻帶范圍寬，而數(shù)字信號(hào)頻帶范圍很窄。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1為本發(fā)明電路結(jié)構(gòu)框圖；
[0024]圖2為觸發(fā)脈沖發(fā)生器電路圖；
[0025]圖3為可控硅裝置和電流檢測(cè)電路圖；
[0026]圖4為保護(hù)與報(bào)警電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0028]如圖1所示，本發(fā)明之結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是這樣實(shí)現(xiàn)的:該裝置是由電流小閉環(huán)和速度大閉環(huán)組成的雙閉環(huán)速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。本裝置電路由速度給定環(huán)節(jié)、給定積分器、速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、觸發(fā)脈沖發(fā)生器、可控硅裝置和保護(hù)電路組成。其連接是電源單元為其他各功能模塊提供電源，速度調(diào)節(jié)器輸出至電流調(diào)節(jié)器，電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制觸發(fā)脈沖發(fā)生器，經(jīng)觸發(fā)脈沖發(fā)生器變換后送給可控硅裝置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。
[0029]所述速度給定環(huán)節(jié)設(shè)有給定積分器，以滿足各種不同機(jī)械的啟動(dòng)要求，啟動(dòng)時(shí)間1-10S可調(diào)。信號(hào)給定有電壓給定和電流給定兩種，以滿足一般控制和便于計(jì)算機(jī)通訊需要。另外還設(shè)有給定啟動(dòng)控制，當(dāng)控制點(diǎn)閉合后給定開(kāi)始積分輸出。
[0030]所述調(diào)節(jié)器是由電流內(nèi)環(huán)和速度外環(huán)組成的PI調(diào)節(jié)器。當(dāng)輸出轉(zhuǎn)速受負(fù)載擾動(dòng)和電網(wǎng)及其他因素?cái)_動(dòng)而升高或降低時(shí)，由于電流和和速度環(huán)的快速響應(yīng)，迅速調(diào)整至原有的給定速度，由于速度環(huán)是PI調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)了速度的無(wú)差控制。速度環(huán)輸出即是電流環(huán)的給定，由于電流環(huán)的調(diào)整時(shí)間短，所以調(diào)節(jié)電流給定值可限制電機(jī)堵轉(zhuǎn)電流和啟動(dòng)沖擊電流的大小。
[0031]所述觸發(fā)脈沖發(fā)生器采用鋸齒波同步，比單結(jié)晶體觸發(fā)器線性度號(hào)，觸發(fā)功率大和抗干擾強(qiáng)。
[0032]所述可控硅主回路即可控硅裝置采用兩只二極管和兩只可控硅組成的單相半控電路。主回路采用阻容保護(hù)系統(tǒng)，有電機(jī)過(guò)載延時(shí)保護(hù)。當(dāng)電機(jī)由于機(jī)械堵轉(zhuǎn)或超負(fù)載時(shí)有延時(shí)保護(hù)動(dòng)作；有過(guò)流瞬時(shí)保護(hù)和失磁保護(hù)。保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作后，一方面封鎖觸發(fā)脈沖，并有相對(duì)應(yīng)的報(bào)警指示。另一方面由繼電器接點(diǎn)輸出，供外部接口需要。
[0033]圖2為可控硅觸發(fā)電路即觸發(fā)脈沖發(fā)生器，INl為速度調(diào)節(jié)器，速度給定信號(hào)與測(cè)速反饋信號(hào)進(jìn)行比較，其差值送入INl進(jìn)行調(diào)節(jié)放大，2N3為電流調(diào)節(jié)器，電流給定信號(hào)(即速度調(diào)節(jié)器輸出信號(hào))經(jīng)RP6、R21與電流反饋信號(hào)比較后差值送入2N3進(jìn)行調(diào)節(jié)放大。TCl為同步變壓器，目的是保證觸發(fā)電路和主電路頻率一致，從而保證觸發(fā)脈沖相位正確。RP5、RP6為電位器，RP5為穩(wěn)定性調(diào)整，當(dāng)輸出轉(zhuǎn)速震蕩時(shí)，調(diào)整RP5使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。RP6為電流極限調(diào)整，調(diào)整電機(jī)電樞電流的最大值和電機(jī)過(guò)載保護(hù)的起始值。圖2中的m、η與90V交流電源連接，圖2和圖4中的Ν12為-18V直流電源，Ρ12為+18V直流電源，Ρ22為+19V直流電源。
[0034]圖3為可控硅控制主回路(可控硅裝置)及電流檢測(cè)回路，VK1，VK2為可控硅，用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，VD1、VD2為二極管，構(gòu)成單相整流橋，給電機(jī)提供直流電。C29為電容，構(gòu)成濾波回路。TA為電流互感器，用于檢測(cè)主控回路電流，2SK1、2SK3、2SK4為開(kāi)關(guān)，用于控制反饋電流的大小。
[0035]圖4為保護(hù)與報(bào)警電路，4N為光電隔離器，V28，V29為發(fā)光二極管，當(dāng)有報(bào)警出現(xiàn)時(shí)，此二極管亮紅燈。KAl為繼電器線圈，與TA配合使用，當(dāng)線路發(fā)生短路過(guò)載等故障時(shí)，TA向KAl提供信號(hào)切斷故障電路，以保護(hù)供電系統(tǒng)的安全。圖4中電阻R41的輸入端與圖2中速度調(diào)節(jié)器INl的輸出端連接，F(xiàn)l和F2為電壓取樣點(diǎn)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于控制航空工業(yè)用直流電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速裝置，其特征在于:給定積分器、速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、觸發(fā)脈沖發(fā)生器和可控硅裝置順序連接；電流正反饋電路的輸入端與可控硅裝置輸出端連接，輸出端與電流調(diào)節(jié)器的輸入端連接；用于測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)速反饋電路輸出端與速度調(diào)節(jié)器輸入端連接；給定積分器:將上位機(jī)輸入的電壓或電流參考信號(hào)在預(yù)設(shè)的啟動(dòng)時(shí)間后輸出；速度調(diào)節(jié)器:將來(lái)自給定積分器的參考信號(hào)與來(lái)自測(cè)速反饋電路的反饋信號(hào)進(jìn)行比較，并將其差值進(jìn)行放大后輸出至電流調(diào)節(jié)器； 電流調(diào)節(jié)器:將電流進(jìn)行放大處理后輸出至觸發(fā)脈沖發(fā)生器； 觸發(fā)脈沖發(fā)生器:用于電流調(diào)節(jié)器輸出轉(zhuǎn)變?yōu)閷挾瓤烧{(diào)的脈沖信號(hào)，從而控制可控硅裝置導(dǎo)通； 電流正反饋電路:從主回路取樣的電流信號(hào)放大，輸出至電流調(diào)節(jié)器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于控制航空工業(yè)用直流電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速裝置，其特征在于:所述速度調(diào)節(jié)器采用運(yùn)算放大器INl ;運(yùn)放INl的反相輸入端與給定積分器的輸出端、測(cè)速反饋電路輸出端連接，正相輸入端通過(guò)電阻接地，輸出端通過(guò)可調(diào)電阻RP6、電阻R21與電流調(diào)節(jié)器連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于控制航空工業(yè)用直流電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速裝置，其特征在于:所述電流調(diào)節(jié)器采用運(yùn)算放大器2N3 ;運(yùn)放2N3的反相輸入端與速度調(diào)節(jié)器連接，還通過(guò)電阻R20與電流正反饋電路的輸出端連接，正相輸入端通過(guò)電阻R23接地、還通過(guò)電容C9與負(fù)電源連接，輸出端通過(guò)電阻R24與觸發(fā)脈沖發(fā)生器連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于控制航空工業(yè)用直流電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速裝置，其特征在于:所述觸發(fā)脈沖發(fā)生器采用運(yùn)算放大器和同步變壓器TCl ;運(yùn)放2N4的正相輸入端與電流調(diào)節(jié)器輸出端連接，反相輸入端與運(yùn)放1N3的輸出端連接，正/反相輸入端之間連有電容C10，輸出端通過(guò)電阻R33連接三極管V45的基極；三極管V45的發(fā)射極接地，集電極通過(guò)電阻R34與正電源連接、還通過(guò)順序連接的電容C12和R35與三極管V46的基極連接；三極管V46的發(fā)射極接地，集電極連接同步變壓器的一次輸入端，二次側(cè)的兩對(duì)輸出端與可控硅裝置的兩對(duì)輸入端連接；運(yùn)放1N3的反相輸入端通過(guò)電阻R70與正電源連接，同相輸入端通過(guò)電阻R32、電阻R30與正電源連接，電阻R32、R30的連接點(diǎn)通過(guò)電阻R31接地；運(yùn)放1N3的反相輸入端還與三極管V44的集電極連接，三極管V44的基極通過(guò)電阻R28與電阻R26、R27的兩條支路連接，兩條支路末端分別連接交流電源的正負(fù)端；每條支路上都還串聯(lián)二極管，兩條支路末端間連有電容。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于控制航空工業(yè)用直流電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速裝置，其特征在于:所述可控硅裝置采用可控硅和二極管；可控硅VK1、VK2串聯(lián)，VKl的門極和觸發(fā)門與同步變壓器二次側(cè)的一對(duì)輸出端連接，VK2的門極端和觸發(fā)門與同步變壓器二次側(cè)的另一對(duì)輸出端連接；串聯(lián)的VK1、VK2的兩端之間連有兩個(gè)二極管VD1、VD2，還連有串聯(lián)的電容C29、電阻R72，該兩端與電機(jī)兩端連接；VD1、VD2的連接點(diǎn)通過(guò)可調(diào)電阻RVl連接VKl的陽(yáng)極，該連接點(diǎn)和VK2的陰極之間串聯(lián)電阻R76和電容C28。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于控制航空工業(yè)用直流電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速裝置，其特征在于:所述電流正反饋電路 采用電流互感器；可控硅VK2的陽(yáng)極與電機(jī)端之間連有電流互感器TA，TA 一端與交流電源相連接，另一端通過(guò)全橋整流電路與交流電源相連接，全橋整流電路的一個(gè)輸出端與電流調(diào)節(jié)器的輸入端連接，另一個(gè)輸出端接地，該兩個(gè)輸出端之間并聯(lián)多個(gè) 開(kāi)關(guān)。
【文檔編號(hào)】H02P7/28GK103812402SQ201210457134
【公開(kāi)日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2012年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月14日
【發(fā)明者】夏筱筠, 劉飛, 霍淑蘭, 郭建, 陸迺田, 李南 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)計(jì)算技術(shù)研究所有限公司