基于單片機(jī)的PWM直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(jī)的PWM直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄒愛成，曹軼杰

（桂林航天工業(yè)學(xué)院，廣西 桂林 541004）

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

自動(dòng)調(diào)高器；直流電機(jī)；單片機(jī)；PWM

數(shù)控切割機(jī)是對(duì)金屬板材下料的機(jī)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(jì)算機(jī)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(jī)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(huì)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(dòng)調(diào)高器來保證割嘴到鋼板之間高度的恒定。電機(jī)控制系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)調(diào)整割炬高度，是自動(dòng)調(diào)高器中的關(guān)鍵部件。

1 電機(jī)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

從傳感器輸出的直流電壓信號(hào)V2是鋼板和割炬之間距離（dx）的函數(shù)，用另一個(gè)直流電壓信號(hào)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(gè)直流電壓信號(hào)的值相減，根據(jù)減得的結(jié)果來控制直流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。

據(jù)此思路設(shè)計(jì)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(hào)給A/D電路，由A/D電路分別采集之后送給單片機(jī)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(jī)的運(yùn)動(dòng)。

圖1 控制系統(tǒng)電路方案圖

2 電機(jī)控制系統(tǒng)電路圖

直流電機(jī)PWM控制系統(tǒng)電路圖如圖2所示。

圖2 直流電機(jī)PWM控制系統(tǒng)電路圖

直流電機(jī)PWM控制系統(tǒng)采用H橋雙極性驅(qū)動(dòng)控制，由 Q1、Q2、Q3、Q4、D8、D9、D10、D11等組成 H橋，單片機(jī)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(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的方向和速度控制。由于自動(dòng)調(diào)高器的機(jī)械部分在設(shè)計(jì)時(shí)有行程的限制，當(dāng)割炬上升到最高點(diǎn)的時(shí)候就不能再上升而只能下降，同樣當(dāng)割炬下降到最低點(diǎn)后就只能上升，所以在電路上也設(shè)計(jì)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(jī)可以自由的正反轉(zhuǎn)，電流的方向?yàn)镈15的P到D12的P時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)割炬上升，電流的方向?yàn)镈12的P到D15的P時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)割炬下降；當(dāng)割炬上升到最高點(diǎn)時(shí)，碰到S1并使其合上，此時(shí)K1的線圈得電，其開關(guān)斷開，由于P12的原因，此時(shí)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(shí)現(xiàn)了上限位；當(dāng)割炬下降到最低點(diǎn)時(shí)，碰到S2并使其合上，此時(shí)K2的線圈得電，其開關(guān)斷開，由于P15的原因，此時(shí)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(shí)現(xiàn)了下限位。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)跟蹤響應(yīng)特性和較高的控制精度，用單片機(jī)的P1.1和P1.2模擬PWM輸出是軟件設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容。但是在實(shí)際的電路試驗(yàn)中還有一個(gè)重要的問題：開關(guān)管很容易出現(xiàn)發(fā)熱，如果時(shí)間稍長(zhǎng)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(dòng)下工作時(shí)，由于開關(guān)管自身都有開關(guān)延時(shí)，并且“開”和“關(guān)”的延時(shí)時(shí)間不同，所以在同一橋臂上的2個(gè)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(jìn)而導(dǎo)致短路。

這個(gè)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(gè)開關(guān)管在“開”和“關(guān)”的交替時(shí)，增加一個(gè)低電平延時(shí)，如圖3所示。在使某一個(gè)開關(guān)管在“開”之前，保證另一個(gè)開關(guān)管處于“關(guān)”的狀態(tài)。這個(gè)電平延時(shí)稱為“死區(qū)”，死區(qū)的長(zhǎng)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(jì)

根據(jù)前面的分析，設(shè)計(jì)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(jī)檢測(cè)P1.5口，若為高，則自動(dòng)控制調(diào)高，若為低，則手動(dòng)調(diào)高。手動(dòng)運(yùn)行過程延時(shí)0.1 s，返回開始重新掃描運(yùn)行。在自動(dòng)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(jì)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(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)；若24H-26H≥20，則電機(jī)以PSW1設(shè)定的速度正轉(zhuǎn)帶動(dòng)感應(yīng)環(huán)下降；24H-26H≥10，則電機(jī)以PSW 2設(shè)定的速度正轉(zhuǎn)帶動(dòng)感應(yīng)環(huán)下降；若24H-26H≥1，則電機(jī)以PSW 3設(shè)定的速度正轉(zhuǎn)帶動(dòng)感應(yīng)環(huán)下降；若24H-26H≤-20，則電機(jī)以PSW4設(shè)定的速度正轉(zhuǎn)帶動(dòng)感應(yīng)環(huán)上升；若24H-26H≤-10，則電機(jī)以PSW5設(shè)定的速度正轉(zhuǎn)帶動(dòng)感應(yīng)環(huán)上升；若24H-26H≤-1，則電機(jī)以PSW6設(shè)定的速度正轉(zhuǎn)帶動(dòng)感應(yīng)環(huán)上升。然后延時(shí)0.1 s，然后返回開始循環(huán)運(yùn)行。

PWM程序流程如圖5所示，圖4中每個(gè)PWM控制程序的流程都是相同的，不同之處在于“延時(shí)Aus”，“延時(shí)Bus”它們的值決定了電機(jī)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(jī)停轉(zhuǎn)；a>0.5電機(jī)正轉(zhuǎn)，a越大，正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速越快；a<0.5電機(jī)反轉(zhuǎn)，a越小，反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速越快。電機(jī)每次調(diào)用PWM程序的時(shí)候，運(yùn)行500個(gè)周期。程序流程分析如下：首先給計(jì)數(shù)器R2、R3賦值；然后把P1.1置高，P1.2置低；然后延時(shí)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(shí)10 us，再把P1.2置高；延時(shí)Bus；同樣P1.2置低，延時(shí)10 us；R3減1，R2減1判斷是否運(yùn)行完。

4 結(jié)束語

本文提出了自動(dòng)調(diào)高器中電機(jī)控制系統(tǒng)的方案，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的PWM直流電機(jī)控制硬件電路和相應(yīng)的控制軟件，較好地解決了電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣性對(duì)調(diào)高精度的影響。

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

[2]趙 艷.計(jì)算機(jī)控制的PWM放大器的設(shè)計(jì)[J].衡水學(xué)院學(xué)報(bào)，2007（1）：38-39.

[3]李錄鋒.探討單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾能力的措施[J].機(jī)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(diǎn)科研項(xiàng)目“基于ARM和電容檢測(cè)技術(shù)的數(shù)控切割機(jī)自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)的設(shè)計(jì)”和廣西壯族自治區(qū)教育廳科研項(xiàng)目“基于ARM和電容檢測(cè)技術(shù)的數(shù)控切割機(jī)自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)”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?yàn)椋簷C(jī)電工程。