专利名称：一种用于控制航空工业用直流电机的无级调速装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于一种直流调速装置，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装置。
背景技术：
直流调速装置是数控机床应用中较为典型的一种装置。随着交流变频调速技术的快速发展，虽然直流调速一统天下的格局已被打破，但由于其具有良好的起动、制动、正反转及调速性能，目前在航空工业用数控机床的调速领域中仍占有一定地位，特别是一些对精度、快速性要求较高的场合。现有的直流调速系统结构形式种类繁多，驱动电路复杂、驱动本身消耗的功率大，而可控硅直流调速装置由于其具有良好的静态特性，如阻断电压高，漏电流小，导通时压降小，电流容量大，过载能力强等；同时具有良好的开关特性，因此在直流调速系统中备受:未睐。
实用新型内容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，本实用新型要解决的技术问题是提供一种结构简单、小功率的直流伺服驱动装置。本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是一种用于控制航空工业用直流电机的无级调速装置，其特征在于给定积分器、速度调节器、电流调节器、触发脉冲发生器和可控硅装置顺序连接；电流正反馈电路的输入端与可控硅装置输出端连接，输出端与电流调节器的输入端连接；用于测量电机转速的测速反馈电路输出端与速度调节器输入端连接；给定积分器将上位机输入的电压或电流参考信号在预设的启动时间后输出；速度调节器将来自给定积分器的参考信号与来自测速反馈电路的反馈信号进行比较，并将其差值进行放大后输出至电流调节器；电流调节器将电流进行放大处理后输出至触发脉冲发生器；触发脉冲发生器用于电流调节器输出转变为宽度可调的脉冲信号，从而控制可控硅装置导通。电流正反馈电路从主回路取样的电流信号放大，输出至电流调节器；所述速度调节器采用运算放大器INl ;运放INl的反相输入端与给定积分器的输出端、测速反馈电路输出端连接，正相输入端通过电阻接地，输出端通过可调电阻RP6、电阻R21与电流调节器连接。所述电流调节器采用运算放大器2N3 ;运放2N3的反相输入端与速度调节器连接，还通过电阻R20与电流正反馈电路的输出端连接，正相输入端通过电阻R23接地、还通过电容C9与负电源连接，输出端通过电阻R24与触发脉冲发生器连接。所述触发脉冲发生器采用运算放大器和同步变压器TCl ;运放2N4的正相输入端与电流调节器输出端连接，反相输入端与运放1N3的输出端连接，正/反相输入端之间连有电容C10，输出端通过电阻R33连接三极管V45的基极；三极管V45的发射极接地，集电极通过电阻R34与正电源连接、还通过顺序连接的电容C12和R35与三极管V46的基极连接；三极管V46的发射极接地，集电极连接同步变压器的一次输入端，二次侧的两对输出端与可控硅装置的两对输入端连接；运放1N3的反相输入端通过电阻R70与正电源连接，同相输入端通过电阻R32、电阻R30与正电源连接，电阻R32、R30的连接点通过电阻R31接地；运放1N3的反相输入端还与三极管V44的集电极连接，三极管V44的基极通过电阻R28与电阻R26、R27的两条支路连接，两条支路末端分别连接交流电源的正负端；每条支路上都还串联二极管，两条支路末端间连有电容。所述可控硅装置采用可控硅和二极管；可控硅VK1、VK2串联，VKl的门极和触发门与同步变压器二次侧的一对输出端连接，VK2的门极端和触发门与同步变压器二次侧的另一对输出端连接；串联的VK1、VK2的两端之间连有两个二极管VD1、VD2，还连有串联的电容C29、电阻R72，该两端与电机两端连接；VD1、VD2的连接点通过可调电阻RVl连接VKl的阳极，该连接点和VK2的阴极之间串联电阻R76和电容C28。所述电流正反馈电路采用电流互感器；可控硅VK2的阳极与电机端之间连有电流互感器TA，TA 一端与交流电源相连接，另一端通过全桥整流电路与交流电源相连接，全桥整流电路的一个输出端与电流调节器的输入端连接，另一个输出端接地，该两个输出端之间并联多个开关。本实用新型具有以下有益效果及优点1.具有良好的起动、制动、正反转及调速性能。2.可简单地通过改变电机的输入电压或励磁电流对电机进行大范围的无级调速，从而使电机转速平稳，不产生电弧和电火花。3.结构简单，操作方便，本身消耗的功率小，运行成本低，可在多种复杂环境下使用。4.本文使用了大量的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的话，将会非常复杂，而且面积很大。5.模拟信号可以有多种不同的状态，数字信号只有两种状态“O”或“I”。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。6.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。
图1为本实用新型电路结构框图；图2为触发脉冲发生器电路图；图3为可控硅装置和电流检测电路图；图4为保护与报警电路图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本实用新型做进一步的详细说明。[0028]如图1所示，本实用新型之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。本装置电路由速度给定环节、给定积分器、速度调节器、电流调节器、触发脉冲发生器、可控硅装置和保护电路组成。其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，电流调节器的输出去控制触发脉冲发生器，经触发脉冲发生器变换后送给可控硅装置，从而实现对电机的控制。所述速度给定环节设有给定积分器，以满足各种不同机械的启动要求，启动时间1-10S可调。信号给定有电压给定和电流给定两种，以满足一般控制和便于计算机通讯需要。另外还设有给定启动控制，当控制点闭合后给定开始积分输出。所述调节器是由电流内环和速度外环组成的PI调节器。当输出转速受负载扰动和电网及其他因素扰动而升高或降低时，由于电流和和速度环的快速响应，迅速调整至原有的给定速度，由于速度环是PI调节器，实现了速度的无差控制。速度环输出即是电流环的给定，由于电流环的调整时间短，所以调节电流给定值可限制电机堵转电流和启动冲击电流的大小。所述触发脉冲发生器采用锯齿波同步，比单结晶体触发器线性度号，触发功率大和抗干扰强。
所述可控硅主回路即可控硅装置采用两只二极管和两只可控硅组成的单相半控电路。主回路采用阻容保护系统，有电机过载延时保护。当电机由于机械堵转或超负载时有延时保护动作；有过流瞬时保护和失磁保护。保护系统动作后，一方面封锁触发脉冲，并有相对应的报警指示。另一方面由继电器接点输出，供外部接口需要。图2为可控硅触发电路即触发脉冲发生器，INl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INl进行调节放大，2N3为电流调节器，电流给定信号(即速度调节器输出信号)经RP6、R21与电流反馈信号比较后差值送入2N3进行调节放大。TCl为同步变压器，目的是保证触发电路和主电路频率一致，从而保证触发脉冲相位正确。RP5、RP6为电位器，RP5为稳定性调整，当输出转速震荡时，调整RP5使转速稳定。RP6为电流极限调整，调整电机电枢电流的最大值和电机过载保护的起始值。图2中的m、η与90V交流电源连接，图2和图4中的Ν12为-18V直流电源，Ρ12为+18V直流电源，Ρ22为+19V直流电源。图3为可控硅控制主回路(可控硅装置)及电流检测回路，VK1，VK2为可控硅，用于驱动电机运行，VD1、VD2为二极管，构成单相整流桥，给电机提供直流电。C29为电容，构成滤波回路。TA为电流互感器，用于检测主控回路电流，2SK1、2SK3、2SK4为开关，用于控制反馈电流的大小。图4为保护与报警电路，4N为光电隔离器，V28，V29为发光二极管，当有报警出现时，此二极管亮红灯。KAl为继电器线圈，与TA配合使用，当线路发生短路过载等故障时，TA向KAl提供信号切断故障电路，以保护供电系统的安全。图4中电阻R41的输入端与图2中速度调节器INl的输出端连接，Fl和F2为电压取样点。
权利要求1.一种用于控制航空工业用直流电机的无级调速装置，其特征在于给定积分器、速度调节器、电流调节器、触发脉冲发生器和可控硅装置顺序连接；电流正反馈电路的输入端与可控硅装置输出端连接，输出端与电流调节器的输入端连接；用于测量电机转速的测速反馈电路输出端与速度调节器输入端连接； 给定积分器将上位机输入的电压或电流参考信号在预设的启动时间后输出； 速度调节器将来自给定积分器的参考信号与来自测速反馈电路的反馈信号进行比较，并将其差值进行放大后输出至电流调节器； 电流调节器将电流进行放大处理后输出至触发脉冲发生器； 触发脉冲发生器用于电流调节器输出转变为宽度可调的脉冲信号，从而控制可控硅装置导通； 电流正反馈电路从主回路取样的电流信号放大，输出至电流调节器。
2.根据权利要求1所述的一种用于控制航空工业用直流电机的无级调速装置，其特征在于所述速度调节器采用运算放大器INl ;运放INl的反相输入端与给定积分器的输出端、测速反馈电路输出端连接，正相输入端通过电阻接地，输出端通过可调电阻RP6、电阻R21与电流调节器连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于控制航空工业用直流电机的无级调速装置，其特征在于所述电流调节器采用运算放大器2N3 ;运放2N3的反相输入端与速度调节器连接，还通过电阻R20与电流正反馈电路的输出端连接，正相输入端通过电阻R23接地、还通过电容C9与负电源连接，输出端通过电阻R24与触发脉冲发生器连接。
4.根据权利要求1所述的一种用于控制航空工业用直流电机的无级调速装置，其特征在于所述触发脉冲发生器采用运算放大器和同步变压器TCl ;运放2N4的正相输入端与电流调节器输出端连接，反相输入端与运放1N3的输出端连接，正/反相输入端之间连有电容C10，输出端通过电阻R33连接三极管V45的基极；三极管V45的发射极接地，集电极通过电阻R34与正电源连接、还通过顺序连接的电容C12和R35与三极管V46的基极连接；三极管V46的发射极接地，集电极连接同步变压器的一次输入端，二次侧的两对输出端与可控硅装置的两对输入端连接；运放1N3的反相输入端通过电阻R70与正电源连接，同相输入端通过电阻R32、电阻R30与正电源连接，电阻R32、R30的连接点通过电阻R31接地；运放1N3的反相输入端还与三极管V44的集电极连接，三极管V44的基极通过电阻R28与电阻R26、R27的两条支路连接，两条支路末端分别连接交流电源的正负端；每条支路上都还串联二极管，两条支路末端间连有电容。
5.根据权利要求1所述的一种用于控制航空工业用直流电机的无级调速装置，其特征在于所述可控硅装置采用可控硅和二极管；可控硅VK1、VK2串联，VKl的门极和触发门与同步变压器二次侧的一对输出端连接，VK2的门极端和触发门与同步变压器二次侧的另一对输出端连接；串联的VK1、VK2的两端之间连有两个二极管VD1、VD2，还连有串联的电容C29、电阻R72，该两端与电机两端连接；VD1、VD2的连接点通过可调电阻RVl连接VKl的阳极，该连接点和VK2的阴极之间串联电阻R76和电容C28。
6.根据权利要求1所述的一种用于控制航空工业用直流电机的无级调速装置，其特征在于所述电流正反馈电路采用电流互感器；可控硅VK2的阳极与电机端之间连有电流互感器TA，TA 一端与交流电源相连接，另一端通过全桥整流电路与交流电源相连接，全桥整流 电路的一个输出端与电流调节器的输入端连接，另一个输出端接地，该两个输出端之间并联多个开关。
专利摘要本实用新型涉及一种用于控制航空工业用直流电机的无级调速装置，给定积分器、速度调节器、电流调节器、触发脉冲发生器和可控硅装置顺序连接；电流正反馈电路的输入端与可控硅装置输出端连接，输出端与电流调节器的输入端连接；用于测量电机转速的测速反馈电路输出端与速度调节器输入端连接。本实用新型具有良好的起动、制动、正反转及调速性能；可简单地通过改变电机的输入电压或励磁电流对电机进行大范围的无级调速，从而使电机转速平稳，不产生电弧和电火花；结构简单，操作方便，本身消耗的功率小，运行成本低，可在多种复杂环境下使用。
文档编号H02P7/28GK202906816SQ20122060027
公开日2013年4月24日 申请日期2012年11月14日 优先权日2012年11月14日
发明者夏筱筠, 霍淑兰, 柏松, 郭烽 申请人:中国科学院沈阳计算技术研究所有限公司