精密机床数控系统中开关电源保护电路工作原理分析

数控系统是数字控制系统的简称，英文名称为(Numerical Control System)，根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。通过利用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制，它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和开关量。

数控系统及相关的自动化产品主要是为数控机床配套。数控机床是以数控系统为代表的新技术对传统机械制造产业的渗透而形成的机电一体化产品：数控系统装备的机床大大提高了零件加工的精度、速度和效率。这种数控的工作母机是国家工业现代化的重要物质基础之一。数值控制(简称“数控”或“NC”)的概念是把被加工的机械零件的要求，如形状、尺寸等信息转换成数值数据指令信号传送到电子控制装置，由该装置控制驱动机床刀具的运动而加工出零件。而在传统的手动机械加工中，这些过程都需要经过人工操纵机械而实现，很难满足复杂零件对加工的要求，特别对于多品种、小批量的零件，加工效率低、精度差。1952年，美国麻省理工学院与帕森斯公司进行合作，发明了世界上第一台三坐标数控铣床。控制装置由2000多个电子管组成，约一个普通实验室大小。伺服机构采用一台小伺服马达改变液压马达斜盘角度以控制液动机速度。其插补装置采用脉冲乘法器。这台NC机床的研制成功标志着NC技术的开创和机械制造的一个新的、数值控制时代的开始。

精密机床数控系统由CNC 控制器、内置PLC 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证。本文主要介绍了一种机床数控系统用开关电源各种保护电路的工作原理和实现方法， 通过实际研制， 使得该系统开关电源稳定性大大提高， 保护功能稳定可靠， 满足了批量生产要求。

1 保护电路工作原理分析

机床数控用开关电源包含有软启动保护、过压保护、过流保护、欠压掉电保护等电路。

(1) 软启动电路

由于开关电源输入整流电路后级大多采用电容性滤波电路滤波， 在电源合闸瞬间， 往往会产生电流幅值高达几十甚至几百安培的浪涌电流， 此种浪涌电流十分有害， 会造成开关电源启动故障甚至损坏。常用的软启动电路有可控硅和限流电阻组成的防浪涌软启动保护、继电器触点组成的软启动保护、负温度系数电阻组成的软启动保护电路等。

本系统开关电源采用负温度系数电阻组成的软启动保护电路， 简单实用， 工作可靠。如图1, 220 V 交流电经线圈L1滤波共模干扰后， 整流产生约三百伏左右直流电压， RT 电阻为负温度系数热敏电阻， 型号为M02-7Ω。当电源合闸瞬间， 浪涌电流使得热敏电阻发热， 阻值迅速减小， 输出直流电压逐渐建立， 可有效防止浪涌电流对电源电路的冲击， 使得整个电源半桥变换电路稳定可靠。

图1 负温度系数电阻组成的输入软启动电路

在开关电源启动时， 由于脉宽调制器尚未建立稳定的驱动脉冲， 需采取措施使得驱动脉冲逐渐建立起来， 该开关电源脉宽调制器采用性价比较高的脉宽调制器T L494。如图2, TL494 的第四脚为死区控制， 它既可以为变换功率管提供安全的死区时间控制， 也可以作为驱动芯片的软启动控制。开机瞬间， 电容器C1上未建立电压， + 5 V 通过电容C1 送TL494: 4 脚， 封锁脉宽调制器的输出脉冲。随着电容C1 两端电压逐渐升高， T L494: 4 脚电压逐渐下降， 驱动脉冲宽度逐渐展宽。当辅助电源+ 15 V 出现故障时， 三级管V1迅速导通， + 5 V 电压经三极管V1 送T L494: 4 脚， 切断驱动脉冲， 使开关电源停止工作而不致损坏。

图2 利用TL494:4 脚进行驱动软启动及电源保护

(2) 过压保护电路

通常的数字信号处理电路大多采用TT L 或CMOS 系列的集成门电路。对于T TL 集成门电路，往往工作电压不能大于5. 5 V。该数控系统开关电源输出有多路， 有+ 5 V, + 15 V, - 15 V, + 24 V 等多路输出， 在开关电源系统中， 对主变换电压+ 5 V 进行过压保护， 具体电路见图3。

图3 数控开关电源过压保护电路

工作原理： 数控开关电源由辅助电源+ 15 V 提供给可控硅V4管阳极工作电压， 实际输出取样电压送至稳压管V5 , 当超出保护电压阈值+ 5. 5 V 时， 输出电压经稳压管、电阻R3 、R4 分压触发可控硅V4 导通， 将辅助电源+ 15 V 通过电阻R1接地， 同时通过二极管V2切断8 脚电源。调节RP 电位器， 可以对输出电压保护阈值点进行设置。

(3) 过流保护电路

本开关电源过流保护电路的工作原理见图4。变压器T 1原边串接在开关电源主变压器原边回路中， 通过实验选择合理的变压器原副边匝数比， 感应开关电源变换时的原边电流值， 经二极管V1 ~ V4 整流， R1、C1 滤波后送电位器RP。原边电流越大， 电流取样变压器整流出的电压越大， 电位器RP 中心点电压越低，TL494: 2 脚电压随之下降， 使得TL494: 3 脚电压升高， 送入脉宽调制器， 将T L494 驱动脉冲宽度逐渐减少， 从而得到过流保护的目的。图中电容C4、C5、R10为TL494 误差放大器的反馈元件， 使得放大电路稳定可靠。

图4 数控开关电源过流保护电路电路图

(4) 欠压保护电路

利用+ 5 V 及PF ( POWER FAIL) 信号进行比较， 在+ 5 V 掉电时， PF 信号至少需维持10 ms 时间，以便存储相关信息。欠压保护电路如图5 所示。

(a) 利用LM339 电压比较器实现的掉电保护

(b) 上电时序及掉电保护时序图

图5 数控开关电源的欠压保护电路

2 保护电路调试与实现

(1) 软启动电路调试

热敏电阻软启动电路， 可用电烙铁对负温度系数热敏电阻贴近进行烘烤， 用万用表测量其电阻值变化，同时计时并估算其电阻变化率， 进行初步检验。将不同阻值的热敏电阻分别装入电路， 用示波器高压探头测试开机时整流电路输出的高压波形， 比较其电压建立时间， 从而选择合适的负温度系数热敏电阻。

(2) 过压保护电路调试

过压保护电路中的可控硅触发电路要求： 1) 触发时要求能供出足够的触发电压和电流。2) 不触发时， 触发端电压应小于0. 15 V ~ 0. 2 V, 为防止误触发， 一般宜加1~ 2 V 的负偏压。3) 触发脉冲的上升前沿要陡， 最好在10us 以下， 使触发电压准确。4) 触发脉冲必须有足够的宽度， 因可控硅的开通时间一般在6us 以下， 故脉冲宽度应大于6us, 最好有20us~ 50us。

过压保护电路调试： 将输出电压逐渐调至5. 5 V,用万用表测试可控硅的触发极电压， 同时用示波器观察驱动芯片TL494: 8 脚、11 脚波形， 调节过压保护多圈电位器RP, 直到保护电路动作， 驱动波形消失为止， 此时保持多圈电位器RP 旋钮位置不变。逐渐调低输出电压， 保护电路因可控硅不触发而不动作。如再调高输出电压至5. 5 V, 保护电路将动作， 反复试验， 直至保护电路工作稳定可靠。

(3) 过流保护电路调试

过流保护电路选择高频铁氧体磁芯EE12, 原边电感量为0. 013 mH, 副边电感量为0. 74 mH 。该开关电源+ 5 V 最大输出电流为25 A, 截取直径为 1. 2mm 的漆包线一段， 量取其电阻值为0. 2Ω , 将此模拟负载接在电路中， 测量过流整流输出电压Ui, 调整过流保护多圈电位器， 电路在Ui= - 0. 57 V 时开始保护。改变输出模拟负载， 反复调试过流保护电路参数，直到过流保护电路稳定可靠。

3 结论

本文通过对数控开关电源保护电路的工作原理分析及调试， 提出了一种软启动保护、过压过流保护的具体实用电路， 最终合理设定了各保护电路的工作参数，使得数控系统开关电源的保护功能稳定可靠， 整机性能得到了提升， 为数控系统的批量生产奠定了基础。