數控機床絕對值編碼器供電系統的改進

龐崇祿

（廣州市公用事業高級技工學校，廣東廣州510000）

0 引言

絕對值編碼器是數控機床伺服系統的重要反饋檢測部件，編碼器的精度和性能會直接影響到數控機床的加工精度。目前數控機床存儲在絕對值編碼器的系統參數是依靠干電池供電來保存的，當遇到干電池的電量不足時會丟失，需要重新設置，否則機床無法使用。

我校目前擁有數控機床近50臺，機床中的絕對值編碼器每逢寒暑假持續長時間不通電電池就會失電，導致部分機床的系統參數丟失，嚴重影響實訓教學。因此，改造這些數控機床中絕對值編碼器的供電系統是非常必要的。

1 改進思路

結合實際問題，分析了原編碼器單一供電方式的缺點，將系統改造成兩種供電方式，即外接電網供電和蓄電池供電。在數控機床接通電網電源時，編碼器供電系統自動切換為電網供電；當斷開電網時，系統則自動切換為蓄電池供電，而且切換時間非常短暫，在任何時刻，都能確保編碼器的供電不間斷。系統框圖如圖1所示。

圖1 供電系統組成框圖

2 改進過程

改進后的數控機床絕對值編碼器供電系統主要由轉換電源電路、充電控制電路、電源自動切換電路及蓄電池四部分組成。轉換電源為蓄電池充電和編碼器供電提供DC 7.2 V，最大輸出電流為1 A的電源；充電控制電路主要是將蓄電池的充電狀況及時反饋給轉換電源以調整輸出電壓，同時指示充電的狀態；電源切換電路主要是負責自動快速切換電網或蓄電池給編碼器供電，同時提供短路、開路、極性接反的保護作用。

2.1 轉換電源電路

圖2是系統的轉換電源電路，主要功能是將電網的AC 220 V交流電轉換為合適的直流電壓，對蓄電池充電和絕對值編碼器供電。二極管D4～D7的作用是將交流電整流成脈動的直流電，經過電容C2濾波后，得到比較平滑的直流電。以THX203為核心控制器，以變壓器TB1、光耦PC817等元件組成開關電源變換器，將直流電轉換高頻率的交流電，再經SR3100整流為直流電。光耦PC817將輸出電壓的大小反饋回THX203，THX203根據反饋電壓的大小自動調整電源的開關頻率。PC817反饋電壓變低，則輸出占空比增加、輸出電壓升高；PC817反饋電壓變高，則輸出占空比減少，輸出電壓降低，起到自動調節的作用。PC817反饋的電壓大小由TL431控制的基準電壓和來自充電反饋的OutB電壓控制。TL431控制的基準電壓大小由R14、R15、R18、R22以及C9決定，正常情況下為6 V；OutB的電壓大小由充電控制電路決定。

圖2 轉換電源電路

2.2 充電控制電路

如圖3所示，充電控制電路是以運算放大器LM358為核心，完成充電狀態指示和充電過程控制。由三端可調分流基準源TL431產生穩定的2.5 V參考電壓，經過R20與R23串聯分壓得到0.01 V輸入到LM358運放A的反相輸入端，來自開關電源輸出電壓OutB的交流成分接在運放A的同相輸入端，輸出高低電平控制雙色LED指示燈的亮滅，低電平輸出則紅色LED亮，高電平輸出則綠色LED亮。由R21與R24串聯分壓得到0.03 V輸入到LM358運放B的同相輸入端，來自開關電源輸出電壓OutB的交流成分接在運放B的反相輸入端。

圖3 充電控制電路

剛開始充電時，蓄電池的電壓小于6 V，由于內阻小，致使輸出VCC小于6 V，此時光耦導通截止，FB反饋電壓為0，經THX203調節后，占空比增加，VCC增大，但由于蓄電池將VCC拉低，經反饋后占空比繼續增大到極限，此時輸出的電壓VCC最大，但仍然被蓄電池拉低，此時輸出電流最大1 A輸出，稱為恒流充電。當電池的電壓逐步升高，充電電流減少。當蓄電池電壓升至6 V時，進入第二階段充電——恒壓充電，電流進一步減小。當蓄電池電壓繼續升高，進入第三階段懸浮充，此時電流更小，充電效果更好。當電池電壓達到7.2 V，OutB反饋量大于0.03 V時，反相后OutB輸出低電平，D8導通，光耦導通增大，FB反饋電壓增大，輸出占空比減少，VCC下降，保持7.2 V，充電完成，充電器進入休眠省電狀態。而當OutB反饋量小于0.03 V時，反相后OutB輸出高電平，D8截止，此時由T1參考源的輸出電壓控制光耦的導通程度。控制電路精確地自動檢測電池電壓，實現最佳的全自動充電模式，及時去除電池的極板硫化，修復電池，去極化，降低充電電壓，提高充電效率，從而使電池既不易失水，也不會充膨充脹，可以達到快充、充足之目的。

2.3 電源自動切換電路

如圖4所示，電源切換電路負責自動切換兩路電源給編碼器供電。當外接電網時，U3繼電器接通，在接上蓄電池的情況下，蓄電池電流經過D9使得三極管Q2導通，進而使得U4繼電器導通，VCC經過U4、U3向編碼器供電，硅材料二極管D10和D11是用于降壓和單向導電，確保絕對值編碼器的供電電壓和極性正確。VCC同時對蓄電池進行充電，如6 V蓄電池短路、開路或極性接反，則無法讓U4繼電器導通，自動切斷VCC對蓄電池的充電回路，保護開關電源和蓄電池，同時蓄電池也無法給編碼器供電，保護了編碼器。

圖4 電源切換電路

當斷開外接電網時，U3繼電器斷開蓄電池與開關電源部分的電路，蓄電池經過二極管D10、D11向編碼器供電，確保編碼器不間斷供電。U3繼電器斷開，阻斷了蓄電池反向給開關電源供電，避免了蓄電池的電能浪費。

3 性能測試

供電系統經使用測試，工作過程為接上6 V蓄電池和絕對值編碼器，接通電網，狀態指示燈由綠色轉為紅色，表示開關電源對蓄電池進行恒流充電；隨著蓄電池電壓逐步升高，狀態指示燈由紅色轉為橙色，表示開關電源對蓄電池進行恒壓充電；隨著蓄電池電壓繼續逐步升高，狀態指示燈由橙色轉為綠色，表示開關電源對蓄電池進行懸浮充電，此時蓄電池充電基本完成。經過實際測量，該供電系統的性能參數均達到設計的安全要求。

4 經濟效益

改造前，使用專用干電池給絕對值編碼器供電，大約1.5年后專用干電池電量耗盡（如遇質量較差干電池至多使用0.5年），然后絕對值編碼器的數據丟失，需要更換電池（費用約780元/組），并且聘請專業技術人員調試恢復編碼器的數據（費用約為1 200元/天），這過程需要至少3天的時間甚至更長，生產或教學被迫暫停，損失較大。

改造后，采用了電網供電和蓄電池供電雙路電源供電方式，確保了編碼器的正常供電需求。系統具備以下特點：

（1）電網供電和蓄電池供電兩種方式自動切換，無需人工干涉，安全可靠。

（2）采用免維護的蓄電池，可以反復充電、容量較大，可以保證編碼器長時間正常供電，有效避免因電量不足而導致編碼器數據丟失。

（3）系統具有智能短路安全保護功能。當蓄電池或編碼器發生短路時，系統自動斷開輸出，保證了蓄電池和編碼器的安全。短路故障消失后，系統重新恢復正常。當蓄電池充電完畢，可以自動關斷充電電流，保護電池，使用方便，安全可靠。

（4）改造成本低廉（成本約為65元），效能高。一次改造完成后，免除了日后購買專用電池和聘請專業技術人員調試編碼器需要花費的時間和金錢，確保了不間斷生產，產生了良好的經濟效益。

5 結語

該項目改造編碼器供電系統的設計要求是根據我校多臺數控機床經常因編碼器電池耗盡而遇到的困難提出的，經過電路設計和仿真、PCB板制作、元件焊接、電路調試、參數修改之后，安裝到數控機床上驗證，試運行半年，效果良好，已仿照樣品改進和制作多臺供電系統，安裝在我校多臺數控機床上運行使用。

經過一年半的使用驗證，編碼器供電系統的各項性能指標都達到設計預期要求，有效解決了因電池電量耗盡而導致數據丟失等問題。計劃在對穩定性和安全性進行評估合格后，對我校的數十臺數控加工中心、數控銑床等設備也進行改造。

該絕對值編碼器供電系統成本低廉，改造實施過程簡單，數控機床供電系統改造后，能夠避免因編碼器電池電量耗盡而導致生產中斷、成本增加等問題，因此，該絕對值編碼器供電系統可廣泛應用于數控機床等領域的絕對值編碼器供電系統上。

[1]趙建平.電力電子技術[M].北京：電子工業出版社，2011.

[2]王成安.電子產品制造技術與檢驗[M].北京：人民郵電出版社，2011.