CN102832010A - 一种机床工件退磁控制装置及其退磁方法 - Google Patents

一种机床工件退磁控制装置及其退磁方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种机床工件退磁控制装置及其退磁方法，在待退磁装置的励磁线圈两端施加极性交替变换的PWM波形式的退磁电压，其中，退磁电压经H桥逆变电路施加于励磁线圈；H桥逆变电路所需的直流电压由DC/DCBoost升压电路产生；由数字信号处理器产生施加在励磁线圈上的参数辨识所需的伪随机二进制序列信号，利用AD对励磁线圈中的电流进行采样，然后采用相关分析方法辨识励磁线圈的等效时间常数；每隔3-5倍的时间常数，通过H桥逆变电路改变PWM波的极性。本发明自主确定改变施加于励磁线圈两端退磁电压的极性的时刻，极大的提高了退磁效率。同时可适应各种待退磁装置，降低了设备操作和整定的难度。

Description

一种机床工件退磁控制装置及其退磁方法
技术领域
本发明涉及退磁领域，尤其涉及一种机床工件退磁控制装置及其退磁方法。 
背景技术
在机械加工过程中，对夹持待加工工件的电磁吸盘进行充磁与退磁是经常遇到的一个辅助加工环节。以平面磨床为例，该设备是一种以电磁吸盘吸附工件，由砂轮对工件进行平面磨削的设备。电磁吸盘的工作原理就是电磁场理论中著名的安培全电流定律：∫Hdl=Jds+?D/?t。在需要电磁吸盘吸附待加工工件时，可在电磁吸盘的励磁线圈两端施加励磁电压，产生励磁电流，从而产生吸附待加工工件的磁场，这个过程就是充磁过程。在加工过程结束后，需要将加工好的工件从吸盘上拆卸下来时，仅仅消除励磁电流是不够的。公知的，铁磁物质具有磁滞现象，因此消除励磁电流，在铁磁物质中依然会有剩磁存在，使得工件难于拆卸。此时就需要对电磁吸盘进行退磁，以抵消剩磁对加工完毕工件的吸附力，这个过程就是退磁过程。 
目前国内现有的电磁吸盘的退磁控制装置基本都采用直流换向衰减法，直流换向衰减法通过不断改变励磁电压的大小和方向，使通过负载线圈的电流逐渐衰减到零，从而进行退磁。这些退磁控制装置的基本结构都采用PWM波驱动由可控开关管构成的H桥逆变电路，如图1所示。在图1中，Q1、Q4管导通Q2、Q3截止时，电感L当中的电流从左至右流过；Q2、Q3管导通Q1、Q4截止时，电感L当中的电流从右至左流过，因此通过改变加在Q1、Q2、Q3、Q4门极逻辑电平的高低，可以改变励磁电流的方向。改变加在PWM波占空比时，可改变图1中直流电源U的大小，从而控制励磁电流的大小。 
从电路理论角度来看，电磁吸盘可视为感性负载。当采用直流换向衰减法进行退磁时，由于线圈中的电流是衰减的，从而使得磁场不断衰减。根据法拉第电磁感应定律，衰减的磁场将在线圈两端感应出感生电动势，感生电动势的大小和线圈电感与电流的变化率成正比。因此在采用直流换向衰减法进行退磁时必须注意：加在励磁线圈两端的反向电压应在线圈中的电流衰减至零后再施加在线圈两端，否则感生电动势将和反向电压同向串联，导致线路中的电流过大，有可能对电路中的元件造成损坏。由电路理论可知，电感中的电流将在经过3到5倍时间常数后基本衰减至零，所以对于退磁装置应在线圈两端每经过3到5倍时间常数施加一次反压。对于电感元件，其时间常数和线路的电感值及电阻有关，因此要想确定施加反压的时间间隔必须知道电路的相关参数。但是对于不同的电磁吸盘，其电感及电阻值均不相同，为此，为了确保线路的安全只能按照最大值确定，从而造成整个退磁过程时间变长，退磁效率低下。 
为了可靠退磁，除了保证每次换向时励磁电流衰减到零，还要使换向次数必须足够多，而且每次衰减幅度要尽可能小。因此，在退磁操作中，控制器输出一组占空比逐步变小、正反极性交替的方波序列，直至方波的占空比接近零。图3是采用现有技术的电感线圈的电流电压波形图。图中，占空比不断减小，直至电流衰减至接近零,所以每次的续流时间也越来越短，但是每次的续流时间都是Td，造成了效率的极大降低。 
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种能够适应不同电磁吸盘，自动调整施加退磁反压时间和励磁电压的一种机床工件退磁控制装置及其退磁方法。 
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种机床工件退磁控制装置，包括电源输入端和电源输出端，电源输入端与变压整流稳压电路电联，变压整流稳压电路的输出端经DC/DC 变换电路输出直流电压至H桥逆变电路；还包括由数字信号处理器构成的控制回路，控制回路通过AD转换器采集励磁线圈的信息，并根据计算出的励磁线圈等效时间常数产生PWM波，PWM波通过数字信号处理器的输出端输出至DC/DC变换电路，同时PWM波控制H桥逆变电路开关管的轮换导通，以产生幅度衰减、极性可调的退磁电压。 
上述数字信号处理器采用采用BF531。 
上述机床工件退磁控制装置的退磁方法，在待退磁装置的励磁线圈两端施加极性交替变换的PWM波形式的退磁电压，其中，交流电压经DC/DC 变换电路产生直流电压至H桥逆变电路，然后施加于励磁线圈；由数字信号处理器产生施加在励磁线圈上的参数辨识所需的伪随机二进制序列信号，利用AD转换器对励磁线圈中的电流进行采样，然后根据采样信息采用相关分析方法辨识励磁线圈的等效时间常数；每隔3-5倍的时间常数，通过H桥逆变电路改变PWM波的极性。 
所述DC/DC变换电路采用DC/DC Boost升压电路，其输出直流电压充当H桥逆变电路所需直流电源。 
本发明带来的有益效果为：由于采用了DC/DC变换技术和参数辨识技术，可根据实际励磁线圈驱动电压的不同，改变DC/DC模块的输出，使得控制装置可以自动适应各种型号的电磁吸盘，无需针对不同的电磁吸盘进行退磁时间的整定，降低了设备操作和整定的难度。应用相关分析的方法，识别待退磁装置励磁线圈等效时间常数，可精确控制对励磁线圈施加反压的时刻，确保在励磁线圈电流衰减为零的条件下进行换流，降低了元件损坏的风险，极大的提高了退磁效率。 
附图说明
图1是由可控开关管构成的H桥逆变电路； 
图2是本发明的原理框图；
图3是现有技术中退磁控制装置对电磁吸盘进行退磁时励磁线圈电压电流变化示意图；
图4是本发明中电磁吸盘励磁线圈电压电流变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。 
本发明以磨床电磁吸盘控制器为例作进一步说明。本发明将参数辨识技术和DC/DC变换技术引入电磁吸盘控制器设计中，如图2所示，包括电源输入端和电源输出端，电源输入端与变压整流稳压电路电联，变压整流稳压电路的输出端经DC/DC变换电路输出直流电压至H桥逆变电路。还包括由数字信号处理器构成的控制回路；控制回路通过AD转换器采集励磁线圈的信息，并根据计算出的励磁线圈等效时间常数产生PWM波，PWM波通过数字信号处理器的输出端输出至DC/DC变换电路，同时PWM波输出至H桥逆变电路，控制H桥逆变电路开关管的轮换导通，以产生幅度衰减、极性可调的退磁电压。其中，控制回路采用DSP（数字信号处理器），在该实例中电磁吸盘控制器硬件基于ADI公司的BF531DSP，利用DSP器件的高速运算能力，采用相关分析的方法对电磁吸盘励磁线圈的脉冲响应进行辨识，从而确定其等效时间常数。在时间常数确定的情况下，只需按照电路理论经过3-5倍时间常数对励磁线圈施加反压即可。 
利用此退磁控制装置的退磁方法对磨床电磁吸盘进行退磁的步骤： 
（1）根据励磁线圈的额定工作电压，对控制器中的DC/DC环节进行设定，以满足励磁线圈额定电压的要求。
（2）由BF531 DSP产生施加在电磁吸盘励磁线圈上的参数辨识所需的PRBS（伪随机二进制序列）信号，利用AD对励磁线圈中的电流进行采样。 
（3）根据第二步所获得的电磁吸盘励磁线圈的输入输出数据，采用相关分析的方法对励磁线圈等效时间常数进行辨识。 
（4）利用BF531 DSP内部的定时计数器产生退磁所需的PWM波，相邻PWM波的间隔时间为3-5倍时间常数，即施加反压的间隔时间由辨识结果自动确定。 
（5）PWM波经H桥逆变电路施加在励磁线圈两端，对电磁吸盘进行退磁。 
由于不同电磁吸盘励磁线圈所对应的励磁电压不同，为此使用DC/DC变换技术将5V直流变换至电磁吸盘励磁线圈对应的额定驱动电压，提高退磁控制装置的适应性。DC/DC环节设定的方法是通过交互式人机界面设定退磁时励磁线圈两端施加退磁电压的最大值，退磁电压将以此电压为基准，逐步衰减至零。具体的电路结构为DC/DC boost升压电路。 
其中，利用相关分析方法对励磁线圈等效时间常数进行辨识的方法，本质上就是对线圈脉冲响应的辨识，其理论依据就是著名的Wiener-Hopf方程: 
Figure 2012102878420100002DEST_PATH_IMAGE001
式中RXY(t)：励磁线圈两端电压和励磁电流的互相关函数；
RXX(t)：励磁线圈两端电压的自相关函数；
g(t)：励磁线圈的脉冲响应；
当励磁线圈两端电压为PRBS信号时，由于PRBS信号的自相关函数RXX(t)=δ(t)，此时，Wiener-Hopf方程变为RXY(t)= g(t)，即只需计算出励磁线圈两端电压和励磁电流的互相关函数便可得出励磁线圈的脉冲响应g(t)，由g(t)便可直接确定系统等效时间常数。
采用该控制方法的电磁吸盘励磁线圈在退磁过程中的电压电流示意图如图4所示。初始时开关管Q1，Q4导通；根据初始设定的占空比，t1时刻，控制一支路两个开关管Q1，Q4关断，由于失去供电，电感线圈开始放电，线圈中的电流不断减小，经过3-5倍时间常数放电结束，电流下降到零，立即导通开关管Q2，Q3，则负载电压和电流均反向，电流开始增加。对比图3和图4可以很容易的看出，在PWM波周期不变的前提下，使用本装置可显著缩短退磁时间，并且由于在本装置中使用了参数辨识方法，因此控制器的智能水平显著提高，可自适应各种电磁吸盘，无需对退磁时间进行人工整定。采用此退磁方法的退磁时间是传统退磁时间的三分之一，有效提高了退磁效率。 
以上所述，仅是本发明的较佳实施实例而已，并非对本发明做任何形式上的限定，车床、磨床、铣床只要使用了电磁夹具，都可以使用这种退磁方法进行退磁。任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术方案加以变更或修饰为等同变化的等效实施实例，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对上述实施实例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的范围内。 

Claims (4)

1.一种机床工件退磁控制装置，包括电源输入端和电源输出端，电源输入端与变压整流稳压电路电联，其特征在于：变压整流稳压电路的输出端经DC/DC 变换电路输出直流电压至H桥逆变电路；还包括由数字信号处理器构成的控制回路，控制回路通过AD转换器采集励磁线圈的信息，并根据计算出的励磁线圈等效时间常数产生PWM波，PWM波通过数字信号处理器的输出端输出至DC/DC变换电路，同时PWM波控制H桥逆变电路开关管的轮换导通，以产生幅度衰减、极性可调的退磁电压。
2.根据权利要求1所述的一种机床工件退磁控制装置，其特征在于：所述数字信号处理器采用BF531。
3.根据权利要求1或2所述的一种机床工件退磁控制装置的退磁方法，在待退磁装置的励磁线圈两端施加极性交替变换的PWM波形式的退磁电压，其特征在于：交流电压经DC/DC 变换电路产生直流电压至H桥逆变电路，然后施加于励磁线圈；其中，由数字信号处理器产生施加在励磁线圈上的参数辨识所需的伪随机二进制序列信号，利用AD转换器对励磁线圈中的电流进行采样，然后根据采样信息采用相关分析方法辨识励磁线圈的等效时间常数；每隔3-5倍的时间常数，通过H桥逆变电路改变PWM波的极性。
4.根据权利要求3所述的一种机床工件退磁控制装置的退磁方法，其特征在于：所述DC/DC变换电路采用DC/DC Boost升压电路，其输出直流电压充当H桥逆变电路所需直流电源。
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