鄒愛(ài)成，王群英，韓興國(guó)

(桂林航天工業(yè)學(xué)院汽車工程系，廣西桂林 541004)

數(shù)控切割機(jī)是對(duì)金屬板材下料的主要機(jī)電設(shè)備，它是集機(jī)電控制技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等于一體的高科技產(chǎn)品，在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用。自動(dòng)調(diào)高器是數(shù)控切割機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其主要功能是在數(shù)控切割機(jī)切割金屬板材的過(guò)程中，動(dòng)態(tài)調(diào)整割炬的升降，精確保持割炬的割嘴和金屬板材之間高度的恒定，提高切割的質(zhì)量。在自動(dòng)調(diào)高器的設(shè)計(jì)中，需要對(duì)割炬的升降進(jìn)行快速精確的控制，割炬的升降是由電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，故電機(jī)類型和控制方式的設(shè)計(jì)直接影響割炬的運(yùn)動(dòng)。

由傳統(tǒng)的伺服電機(jī)及步進(jìn)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)控切割機(jī)自動(dòng)調(diào)高器時(shí)，有幾個(gè)問(wèn)題: (1)響應(yīng)速度較慢，不能快速定位; (2)電機(jī)慣性較大，較難實(shí)現(xiàn)精確定位。超聲電機(jī)是一種基于壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)的新型電機(jī)，與一般電磁電機(jī)相比，超聲電機(jī)能直接輸出低轉(zhuǎn)速大力矩，且瞬態(tài)響應(yīng)快，定位精度高。目前超聲電機(jī)已廣泛應(yīng)用于照相機(jī)的自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)，在精密儀器以及航空航天領(lǐng)域也有諸多應(yīng)用。文中研究了行波型超聲電機(jī)在數(shù)控切割機(jī)自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了基于ARM控制器和超聲電機(jī)的數(shù)控切割機(jī)高精度自動(dòng)調(diào)高器［1］。

1 總體方案設(shè)計(jì)

總體方案如圖1所示，由兩大部分構(gòu)成: (1)傳感器、割炬升降系統(tǒng)，由感應(yīng)環(huán)、金屬板材、信號(hào)檢測(cè)電路、高度設(shè)定電位器和超聲電機(jī)執(zhí)行部件組成，此部分主要功能是設(shè)定、檢測(cè)割嘴與金屬板材之間的高度，用超聲電機(jī)實(shí)時(shí)帶動(dòng)割炬升降; (2)控制系統(tǒng)，由ARM控制器和超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路組成，此部分的主要功能是處理傳感器的信號(hào)、控制超聲電機(jī)的運(yùn)行。

該自動(dòng)調(diào)高器是一個(gè)閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，控制量是感應(yīng)環(huán)和鋼板之間的高度d，該控制量反映到傳感器上就是電容Cx，Cx的變化就體現(xiàn)了高度d的變化。調(diào)高器工作時(shí)，首先通過(guò)高度定位設(shè)定器設(shè)定需要的高度值d(對(duì)應(yīng)電壓信號(hào)V1)，然后通過(guò)信號(hào)檢測(cè)電路檢測(cè)Cx得到對(duì)應(yīng)電壓信號(hào)V2，再通過(guò)ARM控制電路對(duì)V1和V2進(jìn)行處理，利用處理的結(jié)果，通過(guò)超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)超聲電機(jī)正反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)割炬升降運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而動(dòng)態(tài)調(diào)整控制量d。

圖1 系統(tǒng)總體方案圖

2 電容傳感器設(shè)計(jì)

電容傳感器用于檢測(cè)圖1中感應(yīng)環(huán)和金屬板材之間的電容值Cx，此電容值Cx包含了割炬和金屬板材之間的高度信息，檢測(cè)到Cx就能計(jì)算出割炬和金屬板材之間的高度。電容傳感器主要由運(yùn)算法電容檢測(cè)電路和檢波電路構(gòu)成。

運(yùn)算法電容檢測(cè)電路如圖2所示。采用“T型”網(wǎng)絡(luò)電阻的設(shè)計(jì)。R1、R2和R3組成的“T型”網(wǎng)絡(luò)大阻值電阻，可以以較小的電阻獲得較大阻值的電阻，從而降低輸出端的噪聲電壓，其等效電阻為:Rf=R1+R1R3/R2+R3。在實(shí)際的電路中，需要至少3 MΩ以上的電阻Rf，如果用單個(gè)的電阻來(lái)代替“T型”網(wǎng)絡(luò)電阻，則會(huì)在U2的數(shù)尺端產(chǎn)生大約0.4 mV的聲電壓，這大大降低了檢測(cè)的分辨率。如果用“T型”網(wǎng)絡(luò)電阻，取R1=R3=100 kΩ，R2=1 kΩ，則其等效電阻為10.2 MΩ，而輸出的噪聲電壓主要由R1決定，而R1的值較小，因此可以很大程度上減小噪聲電壓［2］。

圖2 運(yùn)算法電容檢測(cè)電路

檢波電路設(shè)計(jì)如圖3所示。電容值Cx包含在運(yùn)算法電容檢測(cè)電路輸出的信號(hào)V2(t)的振幅中，因此需設(shè)計(jì)一套能調(diào)制出V2(t)幅值的電路，檢波電路可以實(shí)現(xiàn)此功能。圖3中U3是過(guò)零比較器，U1、U2和U5是運(yùn)算放大器，U4是反向器，N3是 NMOS管。U1、U3、U4、R1、R2、R3和 N3組成檢波電路，U2、R4、R5和C1構(gòu)成低通濾波器，U5、R6、R7和R8組成增益放大電路，調(diào)整輸出電壓。

圖3 檢波電路

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)方案

控制系統(tǒng)方案如圖4所示。放大濾波電路處理從傳感器輸出的電壓信號(hào)V2和設(shè)定的高度電壓信號(hào)V1;ARM控制電路把這2個(gè)電壓信號(hào)作比較，根據(jù)減得的結(jié)果采用簡(jiǎn)單模糊控制方法來(lái)控制超聲電機(jī)的運(yùn)動(dòng);LPC2124接收ARM控制電路的信號(hào)，同時(shí)產(chǎn)生2路相位差為90°的方波，2路方波經(jīng)或非門后與原來(lái)的2路方波組成4路方波，4路方波經(jīng)隔離驅(qū)動(dòng)、直流逆變和諧振匹配后，得到超聲波電機(jī)工作所需的正弦交流信號(hào)。

圖4 控制系統(tǒng)方案圖

3.2 隔離驅(qū)動(dòng)、逆變和諧振電路

隔離驅(qū)動(dòng)、逆變和諧振電路如圖5所示。LPC2124產(chǎn)生2路相位差為90°的方波 PWM-1和PWM-2，2路方波分別經(jīng)74HC02D或非門后形成2路相應(yīng)的反相方波PWM-3和PWM-4，與原來(lái)的2路方波組成相位依次相差 90°的 4路方波。PWM-1、PWM-3經(jīng)MAX4427CSA隔離驅(qū)動(dòng)放大后，利用2個(gè)MOS管 (IRFR320)(V1、V2)與中間帶抽頭的變壓器T1組成推挽電路，得到方波信號(hào)PWM-5，PWM-2、PWM-4經(jīng)MAX4427CSA隔離驅(qū)動(dòng)放大后，利用2個(gè)MOS管 (IRFR320)(V3、V4)與中間帶抽頭的變壓器 T2組成推挽電路，得到方波信號(hào) PWM-6。PWM-5和PWM-6的相位差為90°。由于超聲波電機(jī)工作需要的是正弦交流信號(hào)，且超聲波電機(jī)屬容性負(fù)載，所以用串聯(lián)電感L1和L2的方式進(jìn)行諧振匹配。

圖5 隔離驅(qū)動(dòng)、逆變和諧振電路

電路的輸入輸出如圖6所示。設(shè)定LPC2124的方波輸出頻率為33.82 kHz，圖6(a)是LPC2124輸出的方波信號(hào)PWM-1和PWM-2。2路方波經(jīng)74HC02D或非門后和原方波信號(hào)形成4路方波信號(hào)，經(jīng)MOS管將信號(hào)幅值提升到10 V后經(jīng)過(guò)1∶4抽頭的變壓器，得到圖6(b)所示的峰值為80 V的交流方波信號(hào)。從圖6(b)可以看出輸出的SIN和COS交流方波信號(hào)有明顯的毛刺，故在其后串聯(lián)電感諧振之后得到驅(qū)動(dòng)超聲電機(jī)的交流信號(hào)。

圖6 輸入輸出圖

3.3 ARM控制軟件設(shè)計(jì)

ARM控制器主要用于處理電容傳感器的輸出信號(hào)V1和V2，然后控制LPC2124的運(yùn)行。ARM控制器運(yùn)算速度快，采用它能快速處理信號(hào)并輸出控制信號(hào)。文中ARM控制器的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是利用其快速處理功能作簡(jiǎn)單模糊控制，用于快速精確地實(shí)現(xiàn)超聲電機(jī)的速度控制。實(shí)現(xiàn)方法是根據(jù)V1和V2的差值大小，調(diào)整超聲電機(jī)的速度。當(dāng)V1和V2的差值較大時(shí)，說(shuō)明割炬的高度離設(shè)定高度還有較大距離，此時(shí)控制超聲電機(jī)快速運(yùn)行，使割炬快速接近設(shè)定的高度;當(dāng)V1和V2的差值較小時(shí)，說(shuō)明割炬的高度接近設(shè)定高度，此時(shí)控制超聲電機(jī)較慢速度運(yùn)行，便于割炬精確定位。

4 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)采用上述方法設(shè)計(jì)的數(shù)控切割機(jī)自動(dòng)調(diào)高器，對(duì)其響應(yīng)時(shí)間和定位精度進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如下:

待調(diào)距離不大于5 mm時(shí)，響應(yīng)時(shí)間不大于0.5 s，調(diào)整精度不大于±0.1 mm;待調(diào)距離不大于10 mm時(shí)，響應(yīng)時(shí)間不大于0.5 s，調(diào)整精度不大于±0.2 mm;待調(diào)距離不大于15 mm時(shí)，響應(yīng)時(shí)間不大于0.8 s，調(diào)整精度不大于±0.2 mm;待調(diào)距離不大于30 mm時(shí)，響應(yīng)時(shí)間不大于0.8 s，調(diào)整精度不大于±0.3 mm;待調(diào)距離不大于50 mm時(shí)，響應(yīng)時(shí)間不大于1 s，調(diào)整精度不大于±0.3 mm;待調(diào)距離大于50 mm時(shí)，響應(yīng)時(shí)間不大于1 s，調(diào)整精度不大于 ±0.5 mm。

綜上所述，采用超聲電機(jī)和ARM控制器設(shè)計(jì)的數(shù)控切割機(jī)自動(dòng)調(diào)高器能很好地實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)和高精度定位控制，較好地克服了電磁伺服電機(jī)的慣性影響，滿足實(shí)際需求。

［1］袁世明，周鐵英.高性能超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制電路的研制［J］.電子應(yīng)用技術(shù)，2003(4):32.

［2］鄒愛(ài)成，秦展田，韓興國(guó).數(shù)控火焰切割機(jī)高性能電容式自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.桂林航天工業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2009(3):287－289.

［3］陳俊，張德，趙先鋒，等.基于LPC2124的超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)［J］.電子工程設(shè)計(jì)，2011，19(4):95 －97.