基于單片機的PWM直流電機控制系統設計

鄒愛成，曹軼杰

（桂林航天工業學院，廣西 桂林 541004）

基于單片機的PWM直流電機控制系統設計

鄒愛成，曹軼杰

（桂林航天工業學院，廣西 桂林 541004）

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

自動調高器；直流電機；單片機；PWM

數控切割機是對金屬板材下料的機電設備，作為型材加工的關鍵設備之一，它是集數控技術、計算機軟、硬件等技術為一體的高科技產品，在工業生產中發揮著重要的作用。數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量，為提高加工的精度和質量，切割過程中需要高性能的自動調高器來保證割嘴到鋼板之間高度的恒定。電機控制系統用于實時調整割炬高度，是自動調高器中的關鍵部件。

1 電機控制系統方案設計

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，用另一個直流電壓信號V1（它是設定高度的函數）來表示設定的高度，然后把這兩個直流電壓信號的值相減，根據減得的結果來控制直流電機的運動。

據此思路設計系統的方案如圖1所示。V1和V2首先經過放大濾波電路輸出合適幅值而且穩定電壓信號給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，根據處理結果通過光電隔離控制H橋直流電機的運動。

圖1 控制系統電路方案圖

2 電機控制系統電路圖

直流電機PWM控制系統電路圖如圖2所示。

圖2 直流電機PWM控制系統電路圖

直流電機PWM控制系統采用H橋雙極性驅動控制，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，實現直流電機的方向和速度控制。由于自動調高器的機械部分在設計時有行程的限制，當割炬上升到最高點的時候就不能再上升而只能下降，同樣當割炬下降到最低點后就只能上升，所以在電路上也設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的開關均關閉，電機可以自由的正反轉，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上升，從而實現了上限位；當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下降，從而實現了下限位。

3 軟件設計

3.1 軟件設計關鍵問題分析

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

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個開關管在“開”和“關”的交替時，增加一個低電平延時，如圖3所示。在使某一個開關管在“開”之前，保證另一個開關管處于“關”的狀態。這個電平延時稱為“死區”，死區的長短可根據開關管的種類以及使用要求確定，一般在5～20 us之間。

圖3 “死區”圖

3.2 軟件程序設計

根據前面的分析，設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，則自動控制調高，若為低，則手動調高。手動運行過程延時0.1 s，返回開始重新掃描運行。在自動調高過程中，首先采集ADC0809的IN0通道和IN1通道的速據，連續采集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，則電機停止轉動；若24H-26H≥20，則電機以PSW1設定的速度正轉帶動感應環下降；24H-26H≥10，則電機以PSW 2設定的速度正轉帶動感應環下降；若24H-26H≥1，則電機以PSW 3設定的速度正轉帶動感應環下降；若24H-26H≤-20，則電機以PSW4設定的速度正轉帶動感應環上升；若24H-26H≤-10，則電機以PSW5設定的速度正轉帶動感應環上升；若24H-26H≤-1，則電機以PSW6設定的速度正轉帶動感應環上升。然后延時0.1 s，然后返回開始循環運行。

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；a>0.5電機正轉，a越大，正轉轉速越快；a<0.5電機反轉，a越小，反轉轉速越快。電機每次調用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”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 結束語

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

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

[2]趙 艷.計算機控制的PWM放大器的設計[J].衡水學院學報，2007（1）：38-39.

[3]李錄鋒.探討單片機應用系統抗干擾能力的措施[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學院重點科研項目“基于ARM和電容檢測技術的數控切割機自動調高系統的設計”和廣西壯族自治區教育廳科研項目“基于ARM和電容檢測技術的數控切割機自動調高系統的研究與設計”的階段性研究成果

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