数控机床中开关电源的优化与改造

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  摘 要:众所周知,数控机床的出现大大减轻了工人的体力劳动强度,提高了生产效率。数控系统包括数控装置、电源系统、控制系统、伺服系统以及执行系统等,其中电源系统作为整个数控系统的前级,它的稳定性和可靠性显得尤为重要。该文介绍了开关电源在数控系统中的优化改造,通过增加防浪涌软启动装置、二次测稳压调节装置、输出过压保护装置以及RCD缓冲网络、提高了电源系统的输出精度,并且提升了电源系统的稳定性及可靠性,解除了机床的异常警报,使得机床系统得以顺利工作运行。
  关键词:开关电源 优化 数控机床
  中图分类号:TN78 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2016)05(a)-0059-03
  数控机床由于其高精度及高稳定性,在当前的机械加工中得到越来越广泛的应用。精密机床数控系统由CNC控制器、内置可编程逻辑控制器、开关电源电路、CRT显示器、输入输出接口、光电编码器等设备组成。而开关电源电路负责为整个机床数控系统各部分设备提供电源。在机床加工车间等场所,因有较多大功率用电设备,在这种复杂电磁环境下,如果开关电源可靠性不高、保护功能缺乏,会使得数控机床系统工作异常,很容易出现飞车等重大事故。因此,具有各种保护功能的高可靠性开关电源是数控机床系统稳定工作的重要保證。该文主要介绍了一种机床数控系统用开关电源二次测稳压调节装置以及各种保护电路,经过实际测试,数控机床开关电源的精度和稳定性都大大提升,并且提供了可靠的保护功能,使得日常生产作业得以顺利进行。
  1 数控机床中的开关电源
  开关电源的原理是利用无损器件电感来存储能量,再将能量传输至输出的。采用半导体器件作为控制开关,通过周期性地反复开关,达到将能量传输至输出的目的。其控制方式主要有3种:脉冲宽度调制、脉冲频率调制和混合调制。采用开关电源后能够极大地提高效率,并且输出电压可随意调节为高低电压进行多路输出。
  对于前级的AC转DC电路来说,其主要组成部分有前级整流电路、检测电路、控制电路、辅助电路四大部份组成。如图1所示。
  前级整流电路通过整流二级管将AC输入信号整流为平滑的直流电平,并且经过低通滤波后传递给后级电路。整流二级管要求能够承受一定的电压和电流,为了得到很好的效率,还可以在前级加入功率因子校正电路,使得电流和电压同相位,减少功率的损失。
  检测电路检测各种输出信号,包括多路输出电压,输出电流等信息,将其信号传递给控制电路和辅助电路,从而使得开关电路正常运转。检测电路要求具有较高的精度和速度,达到需求中的灵敏度指标。
  控制电路根据检测电路传递来的各种信号对功率开关管进行开关控制,包括过流控制、过压控制等。为了驱动低阻抗的功率开关管,在功率管的前级还要加上驱动电路,使得功率管较快地进行开关切换,降低开关损耗,提高开关电源效率。
  辅助电路是为了保护开关电源在各种异常情况下仍然能够正常工作而设计的。具体包括软启动电路、短路保护电路和过电压保护电路等。
  2 开关电源的异常问题
  2.1 多路输出精度差
  多路输出时主输出电压通过电阻反馈形成闭环,系统会进行自发调节,如图2所示,但是辅助输出保持在开环状态,仅仅跟随主输出的变化而变化。这样,当主输出和辅助输出有不同的负载时候,辅助输出的精度会较差,尤其当其工作于不连续模式时。输出纹波过大,会引起系统不稳定,若超出规范,将会引起输出级次系统无法正常运行。
  2.2 启动浪涌电流过大
  输入交流电源经过整流后再经过滤波对后一级输出,若滤波电容值较大,则在刚上电时候,会产生很大的浪涌电流,其冲击电流可能达到100 A以上,如图3所示。如此大的浪涌电流会将输入保险丝熔断,造成开关电源开路,使得其无法正常输出供电。因此需要输入电路设置防止冲击电流的软启动电路,以保证系统正常可靠地运行。
  2.3 输出电压过冲
  输出端会出现各种电压过冲:当遇到风、雪、雷击等恶劣天气时,输电线会产生剧烈的扰动;当变压器一次侧突然断开时,二次侧通过耦合会形成很高的电压冲击尖峰;当前级出现短路过流状态时,二次侧通过耦合也会产生电压过冲。为了防止因为过高冲击电压造成后一级损坏,通常需要在系统的输入端加入过压钳位电阻模块,保证输出电压不高于所允许的最大电压。但电阻有一定的恢复时间,无法适应电源的快速开关切换场合,同时电阻也会造成一定的损耗,降低系统的效率。
  2.4 高频毛刺电压
  当开关电源工作在高频时,开关快速切换,寄生电感会产生大量高频尖峰毛刺电压,这些高频毛刺电压将要求电动机绕组具有更高的绝缘强度。同时这些寄生电感会形成高频天线,向外辐射大量电磁波,产生电磁干扰,扰乱其他电源模块的正常运行。
  由上可见,由于各种非理想状况会产生非正常扰动,严重地影响了电源系统的正常输出,恶劣时候甚至能将输出系统击穿打坏,为此需要对开关电源系统进行优化并增加各种保护措施,使机床得以在各种状况下顺利运转。
  3 开关电源系统的优化改进与增加保护措施
  3.1 多路输出同步输出控制方式
  对于多路输出电源,辅助输出端采用同步输出控制方式:通过在二级管D2后面增加开关管S2以及相应的控制开关电路,使其输出电压形成闭环系统,可以进一步精确地调节辅助输出端的电压。当输出负载较小时候,通过控制模块控制开关管S2的导通时间,使得输出电压保持在正常工作状态;当负载增加时候,通过控制模块增加开关管S2的导通时间,使得输出电压维持在原来工作状态。由上可见,通过增加了一个开关管,就可以使输出电压的精度大幅提高,并且损耗和体积并没有增加太多。二次侧控制中还可以增加过流、短路保护机制,进一步提高输出的稳定性,电路原理图如图4所示。
  该文采用安森美公司的NCP4326芯片对二次侧进行控制,可在占空比0%~100%之间进行调节,输出精度可以达到+/-1%。   3.2 防浪涌电流装置
  常用软启动电路采用功率热敏电阻电路,热敏电阻具有负温度特性,当电源刚接通时,热敏电阻阻值较大,流过其中的电流较小,发热也比较小。当电流逐渐增大时,发热量也逐渐增加,根据热敏电阻的负温度特性,其电阻值将会变小,电路得以正常工作。但是热敏电阻反向恢复需要一定的时间,不能适应快速反复开关的应用场合。并且电阻具有一定的阻值,增加了系统不必要的损耗,降低了电源系统的效率。
  该文采用的启动电路将一个继电器K1与启动电阻R1并联,如图5所示。当电源刚接通时,继电器K1断开,电源经过电阻R1对电容C1充电,电阻R1起到了限制电流的作用。同时通过辅助绕组T2以及稳压源7812对继电器控制端电容C2充电,当C2端电压达到一定阈值后,继电器K1闭合,将启动电阻R1旁路,达到了降低功耗的作用。当电源掉电后,辅助绕组端電容C2会放电低于阈值电压,使得继电器K1断开,等待下一个上电周期来临。
  3.3 输出过压钳位保护装置
  输出系统有模拟系统和数字系统,模拟系统包括变频器以及监视器的电源等,数字系统包括MCU等数字处理单元。对于数字系统电路,往往工作电压不能大于5.5 V。若电源输出电压超过一定的阈值,将会引起后级系统的失效及损坏。按照输出电压来分,开关电源输出有多路,有+5 V、+15 V、-15 V、+24 V等多路输出,在该文中,以主变换电压+24 V为例进行过压保护。
  过压保护电路中的要求:触发时要求能够在一定的持续时间内吸收足够大的电流;不触发时,漏电流要足够小,以便减少损耗,提高效率。具体电路如图6所示,当输出电压有一个很陡峭的提升时,由于电阻R1和C1的延迟作用,PMOS管的栅极电位从零电位开始逐步提升。这样在开始时候,M1管导通,将高压管M2的栅极电位上拉至输出电位,M2导通,将输出端的电流泄放到地,达到抑制电压尖峰的作用。当输出电压缓慢提高时候,高压管M2栅极电位由电阻R2和R3分压也逐步提升,当达到其阈值电压时,M2导通,将输出电压钳位在一个固定值,达到直流钳位的作用。
  3.4 RCD缓冲保护
  开关管在快速导通关断时,有较大di/dt变化,在漏感作用下,会产生较大的电压毛刺尖峰,若不采取防护措施,高电压会使开关管的工作点超出安全工作区而将其损坏,因此常常设置缓冲吸收电路,防止瞬时过压、过流,减少开关管的开关损耗,确保其工作在安全工作区。常见的RCD电路如图7所示。
  通过加RCD网络可以显著地限制开关管关断瞬间其两端的最大尖峰电压,并且降低了开关管的损耗,提高了电路的可靠性,同时电压上升率的减慢也降低了高频电磁干扰。
  4 改善开关电源系统的效果
  (1)提高了输出精确度。通过增加二次侧同步控制电路,使得二次侧电压能够根据负载情况进行自发调节,使得输出精度得到大幅度提升。
  (2)减少了对电网的冲击。采用防浪涌措施调节后,系统实现了软启动,并且可以应对电源反复开关的状况,减少了对电网的冲击,提高了效率。
  (3)可靠性提升。通过在输出端增加过压钳位保护装置,将冗余的能量泄放掉,达到抑制电压尖峰和直流钳位的作用,保护了后级的子系统,使机床的可靠性大大提升。
  (4)抗干扰性提高。通过增加RCD缓冲网络,显著地限制开关管关断瞬间其两端的最大尖峰电压,增强了开关管的可靠型,降低了高频电磁干扰。
  通过对数控机床的开关电源系统进行优化改进,增加了抗浪涌电流装置、过压保护装置以及抗干扰保护电路装置,极大地提高了输出电压的精确度,提高了电源系统的可靠性和稳定性,使得数控机床更好、更高效可靠地顺利运行。
  参考文献
  [1]孙汉卿.数控机床维修技术[M].机械工业出版社,2007.
  [2]Keith Billings,Taylor Morey.开关电源手册[M].3版.人民邮电出版社,2012.
  [3]王水平.开关电源原理及应用设计[M].电子工业出版社,2015.
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