專利名稱：一種用于控制航空工業(yè)用直流電機的無級調(diào)速裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于一種直流調(diào)速裝置，適合在數(shù)控機床領(lǐng)域使用，具體地說是一種對機床主軸等進行無級調(diào)速的裝置。
背景技術(shù)：
直流調(diào)速裝置是數(shù)控機床應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、制動、正反轉(zhuǎn)及調(diào)速性能，目前在航空工業(yè)用數(shù)控機床的調(diào)速領(lǐng)域中仍占有一定地位，特別是一些對精度、快速性要求較高的場合?，F(xiàn)有的直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式種類繁多，驅(qū)動電路復雜、驅(qū)動本身消耗的功率大，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，導通時壓降小，電流容量大，過載能力強等；同時具有良好的開關(guān)特性，因此在直流調(diào)速系統(tǒng)中備受:未睞。

實用新型內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)中直流伺服控制器的驅(qū)動電路復雜、驅(qū)動本身消耗的功率大等不足之處，本實用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、小功率的直流伺服驅(qū)動裝置。本實用新型為實現(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)用直流電機的無級調(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；用于測量電機轉(zhuǎn)速的測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輸入的電壓或電流參考信號在預設(shè)的啟動時間后輸出；速度調(diào)節(jié)器將來自給定積分器的參考信號與來自測速反饋電路的反饋信號進行比較，并將其差值進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，從而控制可控硅裝置導通。電流正反饋電路從主回路取樣的電流信號放大，輸出至電流調(diào)節(jié)器；所述速度調(diào)節(jié)器采用運算放大器INl ;運放INl的反相輸入端與給定積分器的輸出端、測速反饋電路輸出端連接，正相輸入端通過電阻接地，輸出端通過可調(diào)電阻RP6、電阻R21與電流調(diào)節(jié)器連接。所述電流調(diào)節(jié)器采用運算放大器2N3 ;運放2N3的反相輸入端與速度調(diào)節(jié)器連接，還通過電阻R20與電流正反饋電路的輸出端連接，正相輸入端通過電阻R23接地、還通過電容C9與負電源連接，輸出端通過電阻R24與觸發(fā)脈沖發(fā)生器連接。所述觸發(fā)脈沖發(fā)生器采用運算放大器和同步變壓器TCl ;運放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，集電極通過電阻R34與正電源連接、還通過順序連接的電容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)的兩對輸出端與可控硅裝置的兩對輸入端連接；運放1N3的反相輸入端通過電阻R70與正電源連接，同相輸入端通過電阻R32、電阻R30與正電源連接，電阻R32、R30的連接點通過電阻R31接地；運放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。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)的另一對輸出端連接；串聯(lián)的VK1、VK2的兩端之間連有兩個二極管VD1、VD2，還連有串聯(lián)的電容C29、電阻R72，該兩端與電機兩端連接；VD1、VD2的連接點通過可調(diào)電阻RVl連接VKl的陽極，該連接點和VK2的陰極之間串聯(lián)電阻R76和電容C28。所述電流正反饋電路采用電流互感器；可控硅VK2的陽極與電機端之間連有電流互感器TA，TA 一端與交流電源相連接，另一端通過全橋整流電路與交流電源相連接，全橋整流電路的一個輸出端與電流調(diào)節(jié)器的輸入端連接，另一個輸出端接地，該兩個輸出端之間并聯(lián)多個開關(guān)。本實用新型具有以下有益效果及優(yōu)點1.具有良好的起動、制動、正反轉(zhuǎn)及調(diào)速性能。2.可簡單地通過改變電機的輸入電壓或勵磁電流對電機進行大范圍的無級調(diào)速，從而使電機轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，不產(chǎn)生電弧和電火花。3.結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，本身消耗的功率小，運行成本低，可在多種復雜環(huán)境下使用。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電子元件就可以實現(xiàn)。具有結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性高、擴展性強，精度高等優(yōu)點。但如果用數(shù)字電路來實現(xiàn)的話，將會非常復雜，而且面積很大。5.模擬信號可以有多種不同的狀態(tài)，數(shù)字信號只有兩種狀態(tài)“O”或“I”。由于本文采用了很多信號放大電路，因此更適于使用模擬電路。6.從頻域上來講，模擬信號頻帶范圍寬，而數(shù)字信號頻帶范圍很窄。

圖1為本實用新型電路結(jié)構(gòu)框圖；圖2為觸發(fā)脈沖發(fā)生器電路圖；圖3為可控硅裝置和電流檢測電路圖；圖4為保護與報警電路圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖及實施例對本實用新型做進一步的詳細說明。[0028]如圖1所示，本實用新型之結(jié)構(gòu)設(shè)計是這樣實現(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，從而實現(xiàn)對電機的控制。所述速度給定環(huán)節(jié)設(shè)有給定積分器，以滿足各種不同機械的啟動要求，啟動時間1-10S可調(diào)。信號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算機通訊需要。另外還設(shè)有給定啟動控制，當控制點閉合后給定開始積分輸出。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。當輸出轉(zhuǎn)速受負載擾動和電網(wǎng)及其他因素擾動而升高或降低時，由于電流和和速度環(huán)的快速響應，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，實現(xiàn)了速度的無差控制。速度環(huán)輸出即是電流環(huán)的給定，由于電流環(huán)的調(diào)整時間短，所以調(diào)節(jié)電流給定值可限制電機堵轉(zhuǎn)電流和啟動沖擊電流的大小。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，觸發(fā)功率大和抗干擾強。
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系統(tǒng)，有電機過載延時保護。當電機由于機械堵轉(zhuǎn)或超負載時有延時保護動作；有過流瞬時保護和失磁保護。保護系統(tǒng)動作后，一方面封鎖觸發(fā)脈沖，并有相對應的報警指示。另一方面由繼電器接點輸出，供外部接口需要。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，速度給定信號與測速反饋信號進行比較，其差值送入INl進行調(diào)節(jié)放大，2N3為電流調(diào)節(jié)器，電流給定信號(即速度調(diào)節(jié)器輸出信號)經(jīng)RP6、R21與電流反饋信號比較后差值送入2N3進行調(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，當輸出轉(zhuǎn)速震蕩時，調(diào)整RP5使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。RP6為電流極限調(diào)整，調(diào)整電機電樞電流的最大值和電機過載保護的起始值。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。圖3為可控硅控制主回路(可控硅裝置)及電流檢測回路，VK1，VK2為可控硅，用于驅(qū)動電機運行，VD1、VD2為二極管，構(gòu)成單相整流橋，給電機提供直流電。C29為電容，構(gòu)成濾波回路。TA為電流互感器，用于檢測主控回路電流，2SK1、2SK3、2SK4為開關(guān)，用于控制反饋電流的大小。圖4為保護與報警電路，4N為光電隔離器，V28，V29為發(fā)光二極管，當有報警出現(xiàn)時，此二極管亮紅燈。KAl為繼電器線圈，與TA配合使用，當線路發(fā)生短路過載等故障時，TA向KAl提供信號切斷故障電路，以保護供電系統(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。
權(quán)利要求1.一種用于控制航空工業(yè)用直流電機的無級調(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；用于測量電機轉(zhuǎn)速的測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輸入的電壓或電流參考信號在預設(shè)的啟動時間后輸出； 速度調(diào)節(jié)器將來自給定積分器的參考信號與來自測速反饋電路的反饋信號進行比較，并將其差值進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，從而控制可控硅裝置導通； 電流正反饋電路從主回路取樣的電流信號放大，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)用直流電機的無級調(diào)速裝置，其特征在于所述速度調(diào)節(jié)器采用運算放大器INl ;運放INl的反相輸入端與給定積分器的輸出端、測速反饋電路輸出端連接，正相輸入端通過電阻接地，輸出端通過可調(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)用直流電機的無級調(diào)速裝置，其特征在于所述電流調(diào)節(jié)器采用運算放大器2N3 ;運放2N3的反相輸入端與速度調(diào)節(jié)器連接，還通過電阻R20與電流正反饋電路的輸出端連接，正相輸入端通過電阻R23接地、還通過電容C9與負電源連接，輸出端通過電阻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)用直流電機的無級調(diào)速裝置，其特征在于所述觸發(fā)脈沖發(fā)生器采用運算放大器和同步變壓器TCl ;運放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，集電極通過電阻R34與正電源連接、還通過順序連接的電容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)的兩對輸出端與可控硅裝置的兩對輸入端連接；運放1N3的反相輸入端通過電阻R70與正電源連接，同相輸入端通過電阻R32、電阻R30與正電源連接，電阻R32、R30的連接點通過電阻R31接地；運放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)用直流電機的無級調(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)的另一對輸出端連接；串聯(lián)的VK1、VK2的兩端之間連有兩個二極管VD1、VD2，還連有串聯(lián)的電容C29、電阻R72，該兩端與電機兩端連接；VD1、VD2的連接點通過可調(diào)電阻RVl連接VKl的陽極，該連接點和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)用直流電機的無級調(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的陽極與電機端之間連有電流互感器TA，TA 一端與交流電源相連接，另一端通過全橋整流電路與交流電源相連接，全橋整流 電路的一個輸出端與電流調(diào)節(jié)器的輸入端連接，另一個輸出端接地，該兩個輸出端之間并聯(lián)多個開關(guān)。
專利摘要本實用新型涉及一種用于控制航空工業(yè)用直流電機的無級調(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；用于測量電機轉(zhuǎn)速的測速反饋電路輸出端與速度調(diào)節(jié)器輸入端連接。本實用新型具有良好的起動、制動、正反轉(zhuǎn)及調(diào)速性能；可簡單地通過改變電機的輸入電壓或勵磁電流對電機進行大范圍的無級調(diào)速，從而使電機轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，不產(chǎn)生電弧和電火花；結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，本身消耗的功率小，運行成本低，可在多種復雜環(huán)境下使用。
文檔編號H02P7/28GK202906816SQ20122060027
公開日2013年4月24日 申請日期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, 霍淑蘭, 柏松, 郭烽 申請人:中國科學院沈陽計算技術(shù)研究所有限公司