鄒愛成，曹軼杰

（桂林航天工業(yè)學(xué)院，廣西 桂林 541004）

基于單片機的PWM直流電機控制系統(tǒng)設(shè)計

鄒愛成，曹軼杰

（桂林航天工業(yè)學(xué)院，廣西 桂林 541004）

電機控制系統(tǒng)是數(shù)控火焰切割機自動調(diào)高器中的關(guān)鍵部件。提出了自動調(diào)高器中電機控制系統(tǒng)的方案，設(shè)計了基于單片機的PWM直流電機控制硬件電路，指出了本系統(tǒng)軟件設(shè)計需解決的關(guān)鍵問題，并設(shè)計了相應(yīng)的控制軟件。該系統(tǒng)設(shè)計了一種實用新型的切割機自動調(diào)高系統(tǒng)，較好地解決了電機轉(zhuǎn)動慣性對調(diào)高精度的影響。

自動調(diào)高器；直流電機；單片機；PWM

數(shù)控切割機是對金屬板材下料的機電設(shè)備，作為型材加工的關(guān)鍵設(shè)備之一，它是集數(shù)控技術(shù)、計算機軟、硬件等技術(shù)為一體的高科技產(chǎn)品，在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用。數(shù)控切割機在切割鋼板的過程中，由于鋼板高低不平或者傾斜等其它原因會影響加工質(zhì)量，為提高加工的精度和質(zhì)量，切割過程中需要高性能的自動調(diào)高器來保證割嘴到鋼板之間高度的恒定。電機控制系統(tǒng)用于實時調(diào)整割炬高度，是自動調(diào)高器中的關(guān)鍵部件。

1 電機控制系統(tǒng)方案設(shè)計

從傳感器輸出的直流電壓信號V2是鋼板和割炬之間距離（dx）的函數(shù)，用另一個直流電壓信號V1（它是設(shè)定高度的函數(shù)）來表示設(shè)定的高度，然后把這兩個直流電壓信號的值相減，根據(jù)減得的結(jié)果來控制直流電機的運動。

據(jù)此思路設(shè)計系統(tǒng)的方案如圖1所示。V1和V2首先經(jīng)過放大濾波電路輸出合適幅值而且穩(wěn)定電壓信號給A/D電路，由A/D電路分別采集之后送給單片機控制電路處理，根據(jù)處理結(jié)果通過光電隔離控制H橋直流電機的運動。

圖1 控制系統(tǒng)電路方案圖

2 電機控制系統(tǒng)電路圖

直流電機PWM控制系統(tǒng)電路圖如圖2所示。

圖2 直流電機PWM控制系統(tǒng)電路圖

直流電機PWM控制系統(tǒng)采用H橋雙極性驅(qū)動控制，由 Q1、Q2、Q3、Q4、D8、D9、D10、D11等組成 H橋，單片機的P1.1和P1.2模擬PWM輸出通過光電耦合器控制Q1、Q2、Q3、Q4的開關(guān)，實現(xiàn)直流電機的方向和速度控制。由于自動調(diào)高器的機械部分在設(shè)計時有行程的限制，當(dāng)割炬上升到最高點的時候就不能再上升而只能下降，同樣當(dāng)割炬下降到最低點后就只能上升，所以在電路上也設(shè)計了上限位控制電路和下限位控制電路，圖2中的常閉的繼電器K1，二極管D12、D13、D14，電阻R20和常開的限位開關(guān)S1組成了上限位控制電路，常閉的繼電器K2，二極管D15、D16、D17，電阻R21和常開的限位開關(guān)S2組成下限位控制電路。

其工作原理如下：正常情況下，K1和K2的開關(guān)均關(guān)閉，電機可以自由的正反轉(zhuǎn)，電流的方向為D15的P到D12的P時，電機帶動割炬上升，電流的方向為D12的P到D15的P時，電機帶動割炬下降；當(dāng)割炬上升到最高點時，碰到S1并使其合上，此時K1的線圈得電，其開關(guān)斷開，由于P12的原因，此時電流不能從D15的P到D12的P，而只能從D12的P到D15的P，也就是只能下降而不能繼續(xù)上升，從而實現(xiàn)了上限位；當(dāng)割炬下降到最低點時，碰到S2并使其合上，此時K2的線圈得電，其開關(guān)斷開，由于P15的原因，此時電流不能從D12的P到D15的P，而只能從D15的P到D12的P，也就是只能上升而不能繼續(xù)下降，從而實現(xiàn)了下限位。

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件設(shè)計關(guān)鍵問題分析

采用H橋雙極性PWM控制可以得到較好的動態(tài)跟蹤響應(yīng)特性和較高的控制精度，用單片機的P1.1和P1.2模擬PWM輸出是軟件設(shè)計的一個重要內(nèi)容。但是在實際的電路試驗中還有一個重要的問題：開關(guān)管很容易出現(xiàn)發(fā)熱，如果時間稍長則容易燒壞開關(guān)管甚至燒壞電源。經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)是如下原因造成的：在雙極性驅(qū)動下工作時，由于開關(guān)管自身都有開關(guān)延時，并且“開”和“關(guān)”的延時時間不同，所以在同一橋臂上的2個開關(guān)管容易出現(xiàn)直通的現(xiàn)象，由于開關(guān)管的導(dǎo)通電阻很低，進而導(dǎo)致短路。

這個問題可以從軟件上解決，具體思路如下：為了防止直通，同一橋臂上的2個開關(guān)管在“開”和“關(guān)”的交替時，增加一個低電平延時，如圖3所示。在使某一個開關(guān)管在“開”之前，保證另一個開關(guān)管處于“關(guān)”的狀態(tài)。這個電平延時稱為“死區(qū)”，死區(qū)的長短可根據(jù)開關(guān)管的種類以及使用要求確定，一般在5～20 us之間。

圖3 “死區(qū)”圖

3.2 軟件程序設(shè)計

根據(jù)前面的分析，設(shè)計的軟件主程序流程如圖4所示。

圖4 軟件主程序流程圖圖

圖5 PWM控制程序流程圖

“PSW0”、“PSW1”、“PSW2”、“PSW3”、“PSW4”、“PSW5”、“PSW6”均為子程序。開始后，單片機檢測P1.5口，若為高，則自動控制調(diào)高，若為低，則手動調(diào)高。手動運行過程延時0.1 s，返回開始重新掃描運行。在自動調(diào)高過程中，首先采集ADC0809的IN0通道和IN1通道的速據(jù)，連續(xù)采集16次，INO的值保存在30H～3FH中，IN1的值保存在40H～4FH中；然后計算IN0和IN1的平均值，IN0的平均值保存在24H中，IN1的平均值保存在26H中；再把兩者比較，24H-26H，若-1≤24H-26H≤1，則電機停止轉(zhuǎn)動；若24H-26H≥20，則電機以PSW1設(shè)定的速度正轉(zhuǎn)帶動感應(yīng)環(huán)下降；24H-26H≥10，則電機以PSW 2設(shè)定的速度正轉(zhuǎn)帶動感應(yīng)環(huán)下降；若24H-26H≥1，則電機以PSW 3設(shè)定的速度正轉(zhuǎn)帶動感應(yīng)環(huán)下降；若24H-26H≤-20，則電機以PSW4設(shè)定的速度正轉(zhuǎn)帶動感應(yīng)環(huán)上升；若24H-26H≤-10，則電機以PSW5設(shè)定的速度正轉(zhuǎn)帶動感應(yīng)環(huán)上升；若24H-26H≤-1，則電機以PSW6設(shè)定的速度正轉(zhuǎn)帶動感應(yīng)環(huán)上升。然后延時0.1 s，然后返回開始循環(huán)運行。

PWM程序流程如圖5所示，圖4中每個PWM控制程序的流程都是相同的，不同之處在于“延時Aus”，“延時Bus”它們的值決定了電機的正反轉(zhuǎn)的方向和速度。PWM的周期T=1ms，頻率f=1K，A+B=980,其占空比a=(A+10)/1 000。如果a=0.5，電機停轉(zhuǎn)；a>0.5電機正轉(zhuǎn)，a越大，正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速越快；a<0.5電機反轉(zhuǎn)，a越小，反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速越快。電機每次調(diào)用PWM程序的時候，運行500個周期。程序流程分析如下：首先給計數(shù)器R2、R3賦值；然后把P1.1置高，P1.2置低；然后延時Aus；為了解決直通問題，采用“死區(qū)”的解決辦法，把P1.1置低，然后延時10 us，再把P1.2置高；延時Bus；同樣P1.2置低，延時10 us；R3減1，R2減1判斷是否運行完。

4 結(jié)束語

本文提出了自動調(diào)高器中電機控制系統(tǒng)的方案，設(shè)計了基于單片機的PWM直流電機控制硬件電路和相應(yīng)的控制軟件，較好地解決了電機轉(zhuǎn)動慣性對調(diào)高精度的影響。

[1]周 林.PWM控制瞬時值比較法的穩(wěn)定性分析[J].電氣應(yīng)用，2007（1）：45-46.

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[3]李錄鋒.探討單片機應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾能力的措施[J].機床與液壓，2005（12）：85-86.

Design of DC Motor ControlSystem in NC Flame Cutter Height Automatic Ad justmentDevice

ZOU Ai-cheng，CAOYi-jie
(Guilin College of Aerospace Technologe,Guilin Guangxi541004，China)

Motor control system is CNC flame cutting machine automatic increase is a key component.Automatic increase is proposed in themotor control system solutions designed microcontroller PWM DCmotor control hardware circuit,pointed out the key issues to be addressed in this system software design,and the design of the corresponding control software based.The system design of a utility model cutting machine automatic adjusting system,solves the impactofhigh-precisionmotor rotational inertia swap.

heightautomatic adjustmentdevice；DCmotor；single-chip；PWM

TM 33

B

1672-545X（2014）04-0027-03

2014-01-06

本文是桂林航天工業(yè)學(xué)院重點科研項目“基于ARM和電容檢測技術(shù)的數(shù)控切割機自動調(diào)高系統(tǒng)的設(shè)計”和廣西壯族自治區(qū)教育廳科研項目“基于ARM和電容檢測技術(shù)的數(shù)控切割機自動調(diào)高系統(tǒng)的研究與設(shè)計”的階段性研究成果

鄒愛成（1981—），男，湖北監(jiān)利人，講師，碩士研究生，主要研究方向為：機電工程。