1 刀库调速系统的组成

1. 比例调速系统电源 将外部提供的+24V电源转换成调节器所需的±9V及+15V电源，供电子线路使用。
2. 给定值调节单元 将外部各级速度选择信号u₁～u₄转换成调节器的速度给定电压。
3. 斜坡发生器 将速度的阶跃给定转换为斜坡给定，以改变加、减速时间。
4. PID调节器 将给定量与实例的阀位置反馈进行比较放大、闭环控制比例阀输出流量及确保调速系统具有良好的动态特性。
5. PWM调制器 将调节器输出量转换为PWM调制波。
6. U/I转换单元 将PWM调制后的电压信号转换成电磁铁的电流信号。
7. 零速给定单元 在刀库静止时，即调节器无输出信号时，在电磁铁上产生平均值为0的脉动电流，使电磁铁保持热态，提高系统的动态响应速度。
8. 比例阀阀芯位置检测单元 通过电感量的变化来测量阀芯的实际位置，信号经放大后供闭环调节用。图1中a为振荡源，b为整流回路。
9. 比例阀 通过阀芯的位置变化来控制油马达的流量，从而达到控制刀库回转速度的目的。

2 各组成部分的原理分析

1. 电源 调速系统的电源在调节板里是由集成稳压块B3170及电阻R₁～R₄，电容C₁～C₄、C₁₁、C₁₂，电阻器W79，运放A1等元件组成，限于篇幅线路从略(各元件代号全部和实物一致)。以上B3170为18V稳压块，R₁、R₂、W79是B3170的取样回路，调节W79可使稳压输出为18V。运放A1和R₃、R₄构成了内部±9V稳压源，运放的输出端为内部地，注意切不可与外输入的0V相连。
2. 给定值调节单元 这部分线路由调节板里的固态继电器K1～K4，电位器W80～W83，电阻R₅～R₁₀，运放A2及发光二极管V16～V19等组成(线路从略)。外部控制信号通过固态继电器K1～K4使运放A2的输入端得到不同的给定电压，以选择不同的刀库旋转速度。调节W80～W83即可改变相应的速度值。此外，该单元设有外部给定端uset.EXT，输入0～±9V的模拟电压，也可实现无级调速的要求。调节板上的V16～V19为设在面板上的指示信号，用来检查实际生效的速度选择。当要求速度超过4级时，可通过u1～u4的不同组合实现2⁴=16级可调速度的选择。此时A2还起全加器的作用。
3. 斜坡发生器 斜坡发生器的原理如图2所示。由运放A3和A4及R₁₁～R₁₅，W84组成，实取R₁₃=2.2MW远大于R₁₁=R₁₂=10kW，使运放A3有高增益。其原理：当uset实加给定时，因为输出端u_a(0)=0，A3迅速输出饱和电压并通过W84，R₁₅对C充电，充电电流为i_c(t)=V_dd/(R₁₃+W84)(恒流)；×V_dd/(R₁₃+W84)，t呈线性上升，一旦u_a=u_set时，由于R₁₁=R₁₂，使A3输出电压为0V，电容停止充电，u_a=u_set保持不变。u_a的输出波形如图3所示，加减速时间。
   

   图2 斜坡发生器原理	图3 ua输出波形
   图4 PTD调节器原理
   图5 PWM调制器原理1

   调节W84即可改变上升时间，同时当W84一旦固定后t_a∝u_set即保证了各种给定下的恒加速上升。
4. PTD调节器 如图4所示，R₃₁，R₃₂，C₂₂为反馈滤波单元，R₃₄，C₅组成了微分负反馈。目的是提高系统响应速度和改善动态性能。W85为调零输入端。调节器对输入u_a的传递函数为 D(s)=K·(1+t_DS)/(1+t_tS)式中 K=R₂₀/R₁₇,t_D=R₁₉C₆，t_t=t_D(1+R₂₀/R₁₉)，为典型的PTD调节器。
5. PWM调制器 如图5所示，u_d为零速给定输入(此电压幅值很小，正常回转时可忽略不计)，A6为速度给定和零速给定的全加器，正常回转时A6输入u_i=u_b+u_d≈u_b。当u_b=0时，u_i=u_d。R₂₇～R₃₀及C₁₀、A7、A8组成了PWM调制器中的三角波发生器，其原理如下：
   初始时刻设A6输出0，A7正反馈，设u^′_c=-V_dd，C₁₀由i_c=+V_dd/R₃₀进行恒流充电，u_c线性上升，运放A7的同相输入端电压为

   u+=	uc+Vdd	R29-Vdd
   	————
   	(R28+R29)

   一旦u₊≥0，运放A7即输出正向饱和电压+V_dd，这时C₁₀被反向充电，u_c线性下降，从而在u_c端可以输出标准的三角波，u_c又通过图6所示的比较电路，可在u_e+上输出PWM调制波了(反组同，在此从略)。
   

   图6 PWM原理2

   当输入为0时，三角波的峰值可计算如下，令u₊=0得：u_cmax=(R₂₈/R₂₉)V_dd
   上升时间：t_a=R₃₀C₁₀(R₂₈/R₂₉)
   在CW800中实际取：R₂₈=8.2kW，R₂₉=24kW，R₃₀=47kW，C₁₀=0.01µF，V_dd=9V，代入后可求得

   ucmax=	8.2	×9=3V
   	—
   	24

   ta=47×0.01×10-6×	8.2×103	=0.16ms
   	———
   	24

   此时由于u_c的峰值u_cmax≤3V，u_e+无PWM波输出。PWM的频率f=1/2t=3.125kHz。各点的波形见图7所示。
   当u_b输入不为零时，经A6 1:1反相后，相当于将比较电平提高了u_b，这时三角波的输出峰值将大于3V，在A10或A11的输出端可以得到PWM波。
   当u_b=4.2V时，实测u_c，u_e+的波形如图8所示，完全与理论计算相符。由下面分析可知， 图中阴影部分是控制输出的有效部分。
   

   图7 输入为0时uc端波形	图9 零速给定单元原理
   图8 输入不为0时的输出	图10 零速给定单元输出

6. 零速给定单元 零速给定单元的原理如图9所示，是由A9，R₆₉～R₇₁,C₇构成的多谐振荡器，振荡周期T可计算如下 T=2R₇₁C₇ln[2(R₇₀/R₆₉)+1]
   CW800实取R₆₉=100kW， R₇₀=1.5kW， R₇₁=1.6MW，C₇=0.22µF，得 T=2µ1.6µ10⁶µ0.22µ10^-6ln[2µ(1.5/100)+1]
   即f=1/0.02=50Hz，各点波形如图10。W88用于调节零速给定脉动电流的峰值。
7. U/I转换单元 如图11所示，T₂₅、T₂₆、R₄₄组成了正向电磁铁的电压/电流转换单元，T₃₀为驱动管。实际线路中反向电磁铁的U/I转换由T₂₈、T₂₉、R₅₄组成，T₂₇，R₄₉、R₅₁为反相器(反组线路从略)。L₁为平波电感，C₁₅为加速电容，工作原理如下：
   

   图11 U/I转换单元原理

   图12 ub=+4.2V时输出波形

   图13 阀芯位置检测单元原理

   当u_e+=+9V时，T₂₅饱和，u_ce=0.3V,i_b+≈2mA保持不变，经T₂₆，T₃₀放大，y₁得到恒定电流。当u_e+=-9V时，T₂₅截止i_b+=0，T₃₀无电流输出。经L₁平波后，Y₁可以得到平均值与给定电压成正比的控制电流，从而达到调速的目的，当u_b=+4.2V时，各点实测波形如图12。
   此时由于u_e-为+9V,T₂₇截止，因此反向电磁铁无驱动电流。
8. 阀芯位置检测单元 如图13所示，正向电磁铁的位置反馈通过R₈输入A12，反向电磁铁的位置反馈通过R₉输入A12，A12的输出即为位置反馈信号。
   图13中的R₃～R₅,C₃,A13组成振荡源，产生加在原边的激励信号。其原理与图10零速给定单元相同，振荡频率f为：f={2R₅C₃ln[2(R₃/R₄)+1]}
   CW800取：R₅=51kW，C₃=6800pF，R₃=16kW，R₄=100kW代入后得：f=5kHz。
   电磁铁产生位移后，引起正(反)检测线圈电感量的变化，从而可在u_f+(或u_f-)上得到不同的整流直流电压，经A12放大后供调节板作位置反馈用。

3 安装调试注意事项

1. 调节板的接地端绝对不可以和外部+24V电源的0V端相连，否则将会使内部的-9V电源取消，导致调节板无法正常工作。
2. 因调节板和比例阀距离很远，因此阀芯位置反馈信号线必须使用带屏蔽的电缆。
3. 阀芯位置反馈信号u_f在刀库不转时输出必须调节到u_f=0，调节用比例阀的调节螺钉进行，以保证同样的给定电压正反转速度一致。
4. 阀芯位置反馈中的移动铁芯在比例阀中是借助弹簧复位的，使用年代较长的机床应更换相同规格的弹簧，以防止由于弹簧老化而带来的转速不稳。
5. 对于零速给定单元的调整应注意，不可使u_d的幅值太大，只要保证Y₁、Y₂在停止时保持热态就可以了。(一般取0.5V)。
6. 刀库正常工作前(如维修或初始安装后)必须用示波器实测PWM调制器是否已正常起振，并将u_c端波形和图7相比较，其幅值和频率对控制系统的工作都至关重要，误差应保证在10%以内，必要时用R₂₉调整。