摘要：主轴放大器是伺服控制系统的核心部件之一,其结构与电路研究对数控机床的加工精度和稳定性影响较大。介绍了主轴放大器的功能，基于FANUC伺服控制系统，对主轴放大器的结构和动力板卡的电路进行深入的分析研究。
关键词：主轴放大器;动力板卡;电路
主轴放大器（Spindle Amplifier）是现代运动控制的重要组成部分，是一种用于控制伺服系统中的主轴伺服电机的控制器。主轴放大器的主要功能是放大主轴驱动信号，驱动主轴伺服电机，实现主轴的转速控制和角度控制。基于发动机曲轴生产线数控加工中心设备的伺服控制系统，分析主轴放大器的结构组成和动力板卡的电路特点。
1.主轴放大器的结构
主轴放大器的结构如图1-1所示，主要由以下几部分组成：①控制板卡：是主轴放大器的“大脑”，接收外部信号，控制动力板卡输出相应频率的三相交流电；具有诊断功能，对主轴放大器的关键位置的电压和电流进行检测；②动力板卡：接收控制板卡的控制信号，驱动主轴伺服电机；③逆变桥：将输入的直流电压逆变成三相交流电压；④外壳和散热器：具有要求的防护等级，释放伺服放大器内部产生的热量，保证放大器安全稳定运行。
图1-1 主轴放大器的结构
2.主轴放大器动力板卡的电路分析
主轴放大器动力板卡的电路复杂多样，主要给主轴伺服电机供电，对电能进行变换和控制、检测等等。
2.1主轴放大器的主电路
主轴放大器的主电路是一个三相桥式逆变电路，可以将输入的直流电源转换成三相交流电源。电路图如图2-1所示，直流输入电压来自机床伺服控制系统的电源模块，输出的三相电接主轴旋转伺服电机的U、V、W接口。
V1～V6是6个绝缘栅双极性晶体管（简称IGBT）,控制IGBT轮流导通和关闭，可以使电路的输出端得到三相交流电压。在某一时刻，控制一个IGBT关断，控制另一个IGBT导通，产生一个电流回路，实现换流。以180°导通型换流方式为例，当VT1关断后，VT4导通，而等到VT4关断后，VT1接着导通，其它两个桥臂上的IGBT也是如此。实际上，在一个周期里，每个IGBT导通180°，每一时刻有3个IGBT导通。但是，如果某个桥臂上、下的IGBT（如VT1、VT4）同时导通，会造成直流电源短路。为了防止这个情况的发生，需要采取“先断后通”的方法，及先给应关断的IGBT一个关断信号，在其关断后等待一段时间，然后再给应导通的IGBT发出导通信号，在两者之间留一个短暂的时间，这个时间叫做“死区时间”。死区时间的长短取决于电力电子开关器件的开关速度，开关速度越快，死区时间设置的越短。死去时间会造成输出电压的畸变，所以在保证电路安全的前提下，这个时间越短越好。
在一个周期中，逆变电路输出的线电压的波形为一个矩形波，而相电压则为六阶梯波的交流电。改变6个IGBT导通与关断的频率，就能改变电路输出端交流电的频率；改变直流侧的电压值，就能改变逆变电路输出的交流电的电压幅值。
逆变桥的每个IGBT旁边都反向并联一个二极管，一般为快速恢复二极管或肖特基二极管。在IGBT关断时，伺服电机定子绕组产生感应电动势，电流经二极管流回直流回路，给滤波电容充电，避免高压损坏IGBT。对于感性负载而言，电感线圈可以经过二极管给负载提供持续的电流，避免负载电流产生突变，起到平滑电流的作用。因此，与IGBT并联的反向二极管也称为“续流二极管”。
根据电路直流侧储能元器件的类型不同，逆变电路可分为电压型逆变电路和电流型逆变电路；根据交流侧接的是电源还是负载，逆变电路可分为有源逆变和无源逆变。主轴放大器的主电路的直流侧是以电容作为储能元器件，故该电路是一个电压型逆变电路；交流侧接的是主轴旋转的伺服电机，故该电路属于无源逆变。
图2-1 主轴放大器的主电路
2.2滤波电路
三相电源经电源模块整流之后，转换为直流电，但是这个时候的直流电含有很多的交流成分，需要经过滤波后，才能作为伺服放大器主电路的输入电源，防止其对板卡电路上的电子元器件造成损坏。主轴放大器的滤波电路如图2-2所示，由8个容量800µF、可耐压450VDC的电解电容及2个43KΩ的均压电阻构成。市电经过整流之后，直流电压峰值为
，加上我国的电压许可范围为±10%，直流电压的峰值可达591V，而点解电容的耐压性不能满足那么高的电压，所以需要将4个电容并联为一组，再与另外一组的4个电容串联。由于电容器的电容量是有误差的，所以在电容器的两端并联一个电阻（R1和R2），因为R1=R2，所以可以保证每个电容器两端的电压基本相等，这两个电阻称为“均压电阻”。
图2-2 主轴放大器滤波电路
主轴放大器的滤波电路是一个电容滤波电路，是最常见的一种滤波电路，它的原理是利用电容的充、放电作用，使输出电压趋于平顺。电容具有储能功能，当主电路断电后，电容器上还存储着电能，人体不能直接触摸伺服放大器的导体部位，以免造成触电。主轴放大器直流输入端接有放电电阻和指示灯，放电电阻用于释放滤波电容存储的电能，指示灯指示电荷是否释放完成，并不是用于指示伺服放大器是否通电。如果指示灯亮，表示电容存储的电能没有释放完全。如果电容损坏需要更换时，要注意电容的正、负极不能接反。
2.3逆变触发电路
触发电路是主电路的一个辅助电路,它将主轴放大器控制板卡的控制信号转变为特定频率的脉冲,用这些脉冲控制逆变电路中的6个IGBT器件的导通和关断,最终控制逆变电路输出不同频率和电压的三相电源,以驱动机床主轴伺服电机旋转。触发电路的电路图如图2-3所示，来自控制板卡的24V直流电经T1、T2两个变压器变压后，生成4组幅值相同的触发电压。直流调压采用单端反激式DC/DC变换，变压器T1、T2起隔离和传递储存能量的作用，C25、R43、D13组成漏感尖峰吸收电路。N沟道场效应管2SK1762-E导通时，T1、T2的初级线圈储存能量，场效应管关断时，初级线圈向次级线圈释放能量。在输出端两个快速恢复二极管对输出电压进行半波整流，两个10µF的电容组成滤波电路，最终输出一个触发电压。
图2-3 触发电路
变压器输出的触发电压不是直接施加在IGBT的门极上的，而是受控制板卡的信号控制，进而控制IGBT的导通和关断。以其中一个IGBT的触发为例，控制引脚O1为高电平时，门驱动光电耦合器TLP251F内部的二极管导通，第6管脚输出一个高电平，三极管Q2导通，触发电压+VC经Q2、R3、R2加在IGBT的门极上，C1、R1吸收尖峰电压，触发IGBT导通；控制引脚O1为低电平时，门驱动光电耦合器TLP251F内部的二极管不导通，第6管脚输出一个低电平，三极管Q1导通，拉低IGBT门极的电压，IGBT关断。采用门驱动光电耦合器控制逆变电路的IGBT，可以起到隔离保护作用，如果逆变桥的上下两个桥臂同时导通，直流侧的高电压倒灌回驱动电路，TLP251F将这个高电压和控制板卡隔离开，防止控制板卡被烧坏。
2.4检测电路
主轴放大器驱动的主轴伺服电机转速高、负载大，需要对伺服电机的供电是否正常进行检测。主轴放大器的直流检测电路如图2-4所示。HCPL-7800A是一个光耦隔离运算放大器，是基于Avago的光耦与光电技术的产品。逆变电路直流侧的电流通过外部采样电阻得到一个模拟电压，在隔离侧的另外一边可以得到一个微分电压，此电压的值正比于直流侧的电流，通过光耦放大器转为单端信号，主轴放大器的控制板卡通过检测这个信号，即可判断从电源模块输入的直流电压是否存在异常。现今的开关变频电机驱动系统中普遍存在共模电压在数十纳秒内出现几百伏电压摆幅波动，而HCPL-7800A的抗干扰能力至少为10KV/µS。基于这一特点，HCPL-7800A光耦隔离运算放大器在高噪声的外部环境中也能为电流检测提供极高的稳定性和准确性。
图2-4 检测电路
3.结束语
主轴放大器的主电路是一个三相桥式逆变电路，将输入的直流电逆变成频率可调的三相交流电，控制主轴伺服电机旋转。围绕着主电路，还有许多辅助电路，如滤波电路、触发电路、检测电路等。主轴放大器广泛应用于数控机床中，通过对主轴电机的控制，实现数控加工的精确定位、精确调速。研究主轴放大器的电路原理，对提高数控机床的加工精度以及故障的诊断、维修具有十分重要的意义。
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论文作者:梁德重
论文发表刊物:《基层建设》2019年第17期
论文发表时间:2019/9/11
标签：主轴论文; 电路论文; 放大器论文; 电压论文; 板卡论文; 逆变论文; 导通论文; 《基层建设》2019年第17期论文;