基于超聲電機的數控切割機高精度自動調高器設計

鄒愛成，王群英，韓興國

(桂林航天工業學院汽車工程系，廣西桂林 541004)

數控切割機是對金屬板材下料的主要機電設備，它是集機電控制技術、數控技術、計算機技術等于一體的高科技產品，在工業生產中發揮著重要的作用。自動調高器是數控切割機的關鍵部件之一，其主要功能是在數控切割機切割金屬板材的過程中，動態調整割炬的升降，精確保持割炬的割嘴和金屬板材之間高度的恒定，提高切割的質量。在自動調高器的設計中，需要對割炬的升降進行快速精確的控制，割炬的升降是由電機來實現，故電機類型和控制方式的設計直接影響割炬的運動。

由傳統的伺服電機及步進電機來驅動數控切割機自動調高器時，有幾個問題: (1)響應速度較慢，不能快速定位; (2)電機慣性較大，較難實現精確定位。超聲電機是一種基于壓電陶瓷逆壓電效應的新型電機，與一般電磁電機相比，超聲電機能直接輸出低轉速大力矩，且瞬態響應快，定位精度高。目前超聲電機已廣泛應用于照相機的自動調焦系統，在精密儀器以及航空航天領域也有諸多應用。文中研究了行波型超聲電機在數控切割機自動調高系統中的應用，設計了基于ARM控制器和超聲電機的數控切割機高精度自動調高器［1］。

1 總體方案設計

總體方案如圖1所示，由兩大部分構成: (1)傳感器、割炬升降系統，由感應環、金屬板材、信號檢測電路、高度設定電位器和超聲電機執行部件組成，此部分主要功能是設定、檢測割嘴與金屬板材之間的高度，用超聲電機實時帶動割炬升降; (2)控制系統，由ARM控制器和超聲電機驅動電路組成，此部分的主要功能是處理傳感器的信號、控制超聲電機的運行。

該自動調高器是一個閉環自動控制系統，控制量是感應環和鋼板之間的高度d，該控制量反映到傳感器上就是電容Cx，Cx的變化就體現了高度d的變化。調高器工作時，首先通過高度定位設定器設定需要的高度值d(對應電壓信號V1)，然后通過信號檢測電路檢測Cx得到對應電壓信號V2，再通過ARM控制電路對V1和V2進行處理，利用處理的結果，通過超聲電機驅動電路驅動超聲電機正反轉，帶動割炬升降運動，進而動態調整控制量d。

圖1 系統總體方案圖

2 電容傳感器設計

電容傳感器用于檢測圖1中感應環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，檢測到Cx就能計算出割炬和金屬板材之間的高度。電容傳感器主要由運算法電容檢測電路和檢波電路構成。

運算法電容檢測電路如圖2所示。采用“T型”網絡電阻的設計。R1、R2和R3組成的“T型”網絡大阻值電阻，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。在實際的電路中，需要至少3 MΩ以上的電阻Rf，如果用單個的電阻來代替“T型”網絡電阻，則會在U2的數尺端產生大約0.4 mV的聲電壓，這大大降低了檢測的分辨率。如果用“T型”網絡電阻，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 運算法電容檢測電路

檢波電路設計如圖3所示。電容值Cx包含在運算法電容檢測電路輸出的信號V2(t)的振幅中，因此需設計一套能調制出V2(t)幅值的電路，檢波電路可以實現此功能。圖3中U3是過零比較器，U1、U2和U5是運算放大器，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構成低通濾波器，U5、R6、R7和R8組成增益放大電路，調整輸出電壓。

圖3 檢波電路

3 控制系統設計

3.1 控制系統方案

控制系統方案如圖4所示。放大濾波電路處理從傳感器輸出的電壓信號V2和設定的高度電壓信號V1;ARM控制電路把這2個電壓信號作比較，根據減得的結果采用簡單模糊控制方法來控制超聲電機的運動;LPC2124接收ARM控制電路的信號，同時產生2路相位差為90°的方波，2路方波經或非門后與原來的2路方波組成4路方波，4路方波經隔離驅動、直流逆變和諧振匹配后，得到超聲波電機工作所需的正弦交流信號。

圖4 控制系統方案圖

3.2 隔離驅動、逆變和諧振電路

隔離驅動、逆變和諧振電路如圖5所示。LPC2124產生2路相位差為90°的方波 PWM-1和PWM-2，2路方波分別經74HC02D或非門后形成2路相應的反相方波PWM-3和PWM-4，與原來的2路方波組成相位依次相差 90°的 4路方波。PWM-1、PWM-3經MAX4427CSA隔離驅動放大后，利用2個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PWM-5，PWM-2、PWM-4經MAX4427CSA隔離驅動放大后，利用2個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 PWM-6。PWM-5和PWM-6的相位差為90°。由于超聲波電機工作需要的是正弦交流信號，且超聲波電機屬容性負載，所以用串聯電感L1和L2的方式進行諧振匹配。

圖5 隔離驅動、逆變和諧振電路

電路的輸入輸出如圖6所示。設定LPC2124的方波輸出頻率為33.82 kHz，圖6(a)是LPC2124輸出的方波信號PWM-1和PWM-2。2路方波經74HC02D或非門后和原方波信號形成4路方波信號，經MOS管將信號幅值提升到10 V后經過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。從圖6(b)可以看出輸出的SIN和COS交流方波信號有明顯的毛刺，故在其后串聯電感諧振之后得到驅動超聲電機的交流信號。

圖6 輸入輸出圖

3.3 ARM控制軟件設計

ARM控制器主要用于處理電容傳感器的輸出信號V1和V2，然后控制LPC2124的運行。ARM控制器運算速度快，采用它能快速處理信號并輸出控制信號。文中ARM控制器的設計關鍵是利用其快速處理功能作簡單模糊控制，用于快速精確地實現超聲電機的速度控制。實現方法是根據V1和V2的差值大小，調整超聲電機的速度。當V1和V2的差值較大時，說明割炬的高度離設定高度還有較大距離，此時控制超聲電機快速運行，使割炬快速接近設定的高度;當V1和V2的差值較小時，說明割炬的高度接近設定高度，此時控制超聲電機較慢速度運行，便于割炬精確定位。

4 試驗結果

試驗采用上述方法設計的數控切割機自動調高器，對其響應時間和定位精度進行了測試，結果如下:

待調距離不大于5 mm時，響應時間不大于0.5 s，調整精度不大于±0.1 mm;待調距離不大于10 mm時，響應時間不大于0.5 s，調整精度不大于±0.2 mm;待調距離不大于15 mm時，響應時間不大于0.8 s，調整精度不大于±0.2 mm;待調距離不大于30 mm時，響應時間不大于0.8 s，調整精度不大于±0.3 mm;待調距離不大于50 mm時，響應時間不大于1 s，調整精度不大于±0.3 mm;待調距離大于50 mm時，響應時間不大于1 s，調整精度不大于 ±0.5 mm。

綜上所述，采用超聲電機和ARM控制器設計的數控切割機自動調高器能很好地實現快速響應和高精度定位控制，較好地克服了電磁伺服電機的慣性影響，滿足實際需求。

［1］袁世明，周鐵英.高性能超聲電機驅動及控制電路的研制［J］.電子應用技術，2003(4):32.

［2］鄒愛成，秦展田，韓興國.數控火焰切割機高性能電容式自動調高系統設計［J］.桂林航天工業高等專科學校學報，2009(3):287－289.

［3］陳俊，張德，趙先鋒，等.基于LPC2124的超聲波電機驅動控制系統［J］.電子工程設計，2011，19(4):95 －97.