软制动技术在车床控制电路中有哪些应用

　　【编者按】车床是最常用的机械加工设备, 虽然现在已经大量的使用数控车床, 但是老式车床仍在许多小型的机械加工企业中大量的使用。车床在工作时经常需要电动机换向, 电动机的直接换向控制会产生强烈的机械冲击和电流冲击, 这样很容易损坏电动机传动用的皮带轮及齿轮组, 从而影响设备的使用寿命, 而且电流冲击也容易造成绕组损坏, 进而缩短了电动机的使用寿命。

　　1. 2 车床直接换向控制会产生的危害
　　
　　首先, 由直接换向控制产生巨大的机械冲击, 电动机的皮带轮上键槽直接承受强烈的机械冲击, 经常出现皮带轮键槽的损坏现象。由于变速箱中相互齿合的齿轮之间存在一定的工作间隙,直接换向产生的反接制动使得变速箱的齿轮变换接触面时产生剧烈的撞击, 常常出现齿轮缺齿、坏齿现象。这样不但增加了设备的使用成本, 而且造成局部停产, 影响企业的经济效益。
　　
　　其次, 由直接换向控制产生的反接制动会造成电动机较长时间过流, 使得定子绕组出现过热而影响电动机的使用寿命, 而且容易造成线路过流和电源过载, 造成电网电压的波动。

最后, 采用直接换向控制, 由于反接制动时转差率大于1, 不但制动电流大, 而且效率和功率因数很低, 从而造成了能量的浪费。

　　2 软制动方案

　　通过以上分析, 要克服直接换向出现的反接制动造成的电流冲击和机械冲击须采用了特殊的制动方法, 这种制动方法是在定子绕组通入直流的能耗制动, 但是不同于一般的能耗制动, 因为一般的能耗制动是"恒流制动", 这种能耗制动的特点是制动电流随制动过程变化。这种制动装置能够在制动过程中产生柔性的制动力矩如图1 所示, 制动开始时产生的制动力矩较小, 以便于减少由齿轮间的间隙造成边沿接触面改变造成的撞击。在传动齿轮变换了接触面后制动力矩要迅速增大, 以缩短制动时间。其最大制动电流根据电动机的额定功率确定, 以避免电动机的绕组受损。这种电动机的能耗制动控制与电动机软起动有许多相似之处, 故谓之曰"软制动"。
　　
　　实现电动机的软制动控制, 也同电动机的软起动控制一样, 需要一个专门的控制装置, 由于采用能耗制动, 一般采用一组直流电源即可, 因此软制动装置要比软启动装置的结构简单, 制作比较容易。
因为电动机的工作电流较大, 如采用线性放大电路提供电动机绕组的制动电流, 晶体管的管耗很大, 因而效率较低, 而且对散热条件的要求很高。采用PWM 调制的方法, 通过调节控制管的占空比, 利用电动机绕组的自感作用配合续流二极管, 可以获得平滑变化的制动电流。
　　
　　采用软制动控制, 必须设计一个专门的制动装置, 这个装置叫做软起动控制器。该装置为了适应不同车床的制动要求, 应设有相应的调节装置。该装置不但可以用到车床控制电路上, 还可以应用到其它需要平滑制动的场合。比如多数电梯仍采用双速异步电动机, 制动时依靠将高速转换低速实现减速制动, 不但增加了电动机的成本,但实际上人们仍然感觉到因减速过快造成的不舒适, 这对于健康人没有多大影响, 但是对于血压不正常的人就有很大的影响, 如果采用软起动和软制动相结合的方法, 则可以解决这个问题。
　　
　　3 制动要求
　　
　　3. 1 制动力矩的变化曲线合适
　　
　　随制动的进行, 其制动力矩随时间不断的变化。按照制动过程可分为三个阶段:
　　
　　3. 1. 1 轮齿接触面更换阶段
　　
　　在电动机运行状态如出现突然断电, 在没有制动的情况下, 主动轮减速比从动轮减速要慢, 相互齿合的两齿轮将继续保持原来的接触状态。根据这个特点, 电动机的初始制动力矩应该略大于从动齿轮的负荷力矩, 使得两齿轮的接触面分开。原来相互齿合两齿轮将因转速差而更换接触面,如果转差很大, 齿轮的重新齿合时必将造成强烈的撞击, 因此减弱齿轮撞击的方法是合理的控制初始制动力矩。
　　
　　由于车床齿轮间隙的差异, 在换向时变换接触面的时间存在较大的差异, 然而实际上这段时间是相当短暂的, 而且撞击强度是转矩与这段时间的累积效应, 因而在此之前转矩的变化没有什么意义。

 　　齿轮更换接触面时的撞击可以通过齿轮箱发出的声音来区分, 初始力矩可以通过齿轮箱发出的声音的变化进行调节。

　　3. 1. 2 产生制动作用阶段

　　当主动齿轮与从动齿轮变换接触面出新齿合后, 制动力矩应该迅速增大, 以缩短制动时间。

　　3. 2 最大制动力矩适当
　　
　　我们采用能耗制动的方法实现软制动, 既要求有较大的制动转距, 又要求定、转子回路中电流不能太大而使绕组过热。制动力矩是由直流电流产生的, 而且制动电流流过电动机的工作绕组, 根据经验, 能耗制动要求笼型异步电动机定子绕组通入的直流电流取额定电流为( 2~ 3) Io。由于制动时间较短, 而且制动绕组的工作电流是按照制动力矩变化曲线变化的, 因此制动电流不能大于电动机工作绕组的额定电流3 倍。
　　
　　3. 3 制动时间控制得当

　　软制动的作用时间不受操作按钮转换时间控制, 而是由专门控制装置控制。软制动的制动开始时间应在电动机的第一种运行状态结束的瞬间立即实施, 制动的结束时间最好在电动机转子转速下降接近零时, 最迟在第二种运行状态将要开始的瞬间实施。对制动时间的控制最好由电动机转速检测电路控制, 如速度继电器, 也可以将转速检测信号直接加到软制动器内, 在软制动器内部增设相应的控制电路实现。在转速检测装置不易安装的情况下, 可以使用时间继电器进行控制。

　　4 采用软制动的车床控制电路

　　5 软制动装置内部电路的组成及原理
　　
　　5. 1 电压变换电路产生两种电压, 一种是制动用的直流高压, 此电压作为IGBT 的工作电压。由于采用PWM 控制的方法控制, 可以适用于不同功率的电动机。另一种是弱电电路的工作电压,一般取15V , 用于给制动力矩形成电路、三角波发生电路和PWM 脉冲形成电路供电。
　　
　　5. 2 制动力矩曲线形成电路
　　
　　在制动力矩曲线形成电路中设有初始制动力矩调节装置, 可以根据车床变速箱中齿轮的间隙进行相应的调整, 其调整范围不能很大; 还设有最大制动力矩调节装置, 以便于用户根据实际需要合理的调节最大制动力矩, 获得最佳效果。
　　
　　制动力矩曲线形成电路用来提供PWM 脉冲形成电路的控制信号。在该电路中: 采用直流偏置的方法产生初始制动力矩, 其偏置电压应能够进行人为调节, 以适应不同情况的要求。采用二次积分的方法产生近似抛物线的制动力矩曲线, 并且其时间常数可以人为调节, 以形成理想的制动力矩随时间变化的曲线。其最高输出电压也能够进行人为的调节, 以控制最大制动力矩。
　　
　　5. 3 三角波发生电路
　　
　　该电路主要为PWM 脉冲形成电路提供幅度和频率合适的三角波脉冲, 作为PWM 脉冲形成电路中的电压比较器的一路输入信号。参照变频器中PWM 调制的载波频率, 根据IGBT 的参数合理的选择三角波脉冲的频率, 在10KHz 左右。
　　
　　三角波产生的方法很多, 考虑简单实用采用555 时基电路构成。
　　
　　5. 4 PWM 脉冲形成电路

　　制动所需的电源均取自动力供电电源的两根火线L1和L2。其中, 电容C1 、C2 , 二极管V1 ~ V4组成软制动电路供电电源, C1 是滤波电容, 由于电动机绕组LY 的储能作用, 所以其容量较小, 二极管V5 是续流二极管, 由于IGBT 的开关频率较高,因此应该选用快恢复二极管。晶体管V7、V8、V9 、V10、VZ , 电阻R1、R2 、R3 、R5 , 电感LT 等组成斩波式开关电源, 给小信号产生电路供电。电阻R6、R7 , 电容C4、C5 组成二次积分, 产生抛物波信号。时基集成电路NE555 以及外围元件组成三角波发生电路。集成运放A 完成PWM 调制, 其输出信号经过三极管V6、V7 进行电流放大后激励IG-BT 工作。电容C2用于限制最大制动电流, 最小制动力矩可以通过可变电阻RP 进行调节。

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