基于单片机的PWM直流电机控制系统设计

邹爱成，曹轶杰

（桂林航天工业学院，广西 桂林 541004）

基于单片机的PWM直流电机控制系统设计

邹爱成，曹轶杰

（桂林航天工业学院，广西 桂林 541004）

电机控制系统是数控火焰切割机自动调高器中的关键部件。提出了自动调高器中电机控制系统的方案，设计了基于单片机的PWM直流电机控制硬件电路，指出了本系统软件设计需解决的关键问题，并设计了相应的控制软件。该系统设计了一种实用新型的切割机自动调高系统，较好地解决了电机转动惯性对调高精度的影响。

自动调高器；直流电机；单片机；PWM

数控切割机是对金属板材下料的机电设备，作为型材加工的关键设备之一，它是集数控技术、计算机软、硬件等技术为一体的高科技产品，在工业生产中发挥着重要的作用。数控切割机在切割钢板的过程中，由于钢板高低不平或者倾斜等其它原因会影响加工质量，为提高加工的精度和质量，切割过程中需要高性能的自动调高器来保证割嘴到钢板之间高度的恒定。电机控制系统用于实时调整割炬高度，是自动调高器中的关键部件。

1 电机控制系统方案设计

从传感器输出的直流电压信号V2是钢板和割炬之间距离（dx）的函数，用另一个直流电压信号V1（它是设定高度的函数）来表示设定的高度，然后把这两个直流电压信号的值相减，根据减得的结果来控制直流电机的运动。

据此思路设计系统的方案如图1所示。V1和V2首先经过放大滤波电路输出合适幅值而且稳定电压信号给A/D电路，由A/D电路分别采集之后送给单片机控制电路处理，根据处理结果通过光电隔离控制H桥直流电机的运动。

图1 控制系统电路方案图

2 电机控制系统电路图

直流电机PWM控制系统电路图如图2所示。

图2 直流电机PWM控制系统电路图

直流电机PWM控制系统采用H桥双极性驱动控制，由 Q1、Q2、Q3、Q4、D8、D9、D10、D11等组成 H桥，单片机的P1.1和P1.2模拟PWM输出通过光电耦合器控制Q1、Q2、Q3、Q4的开关，实现直流电机的方向和速度控制。由于自动调高器的机械部分在设计时有行程的限制，当割炬上升到最高点的时候就不能再上升而只能下降，同样当割炬下降到最低点后就只能上升，所以在电路上也设计了上限位控制电路和下限位控制电路，图2中的常闭的继电器K1，二极管D12、D13、D14，电阻R20和常开的限位开关S1组成了上限位控制电路，常闭的继电器K2，二极管D15、D16、D17，电阻R21和常开的限位开关S2组成下限位控制电路。

其工作原理如下：正常情况下，K1和K2的开关均关闭，电机可以自由的正反转，电流的方向为D15的P到D12的P时，电机带动割炬上升，电流的方向为D12的P到D15的P时，电机带动割炬下降；当割炬上升到最高点时，碰到S1并使其合上，此时K1的线圈得电，其开关断开，由于P12的原因，此时电流不能从D15的P到D12的P，而只能从D12的P到D15的P，也就是只能下降而不能继续上升，从而实现了上限位；当割炬下降到最低点时，碰到S2并使其合上，此时K2的线圈得电，其开关断开，由于P15的原因，此时电流不能从D12的P到D15的P，而只能从D15的P到D12的P，也就是只能上升而不能继续下降，从而实现了下限位。

3 软件设计

3.1 软件设计关键问题分析

采用H桥双极性PWM控制可以得到较好的动态跟踪响应特性和较高的控制精度，用单片机的P1.1和P1.2模拟PWM输出是软件设计的一个重要内容。但是在实际的电路试验中还有一个重要的问题：开关管很容易出现发热，如果时间稍长则容易烧坏开关管甚至烧坏电源。经过分析，发现是如下原因造成的：在双极性驱动下工作时，由于开关管自身都有开关延时，并且“开”和“关”的延时时间不同，所以在同一桥臂上的2个开关管容易出现直通的现象，由于开关管的导通电阻很低，进而导致短路。

这个问题可以从软件上解决，具体思路如下：为了防止直通，同一桥臂上的2个开关管在“开”和“关”的交替时，增加一个低电平延时，如图3所示。在使某一个开关管在“开”之前，保证另一个开关管处于“关”的状态。这个电平延时称为“死区”，死区的长短可根据开关管的种类以及使用要求确定，一般在5～20 us之间。

图3 “死区”图

3.2 软件程序设计

根据前面的分析，设计的软件主程序流程如图4所示。

图4 软件主程序流程图图

图5 PWM控制程序流程图

“PSW0”、“PSW1”、“PSW2”、“PSW3”、“PSW4”、“PSW5”、“PSW6”均为子程序。开始后，单片机检测P1.5口，若为高，则自动控制调高，若为低，则手动调高。手动运行过程延时0.1 s，返回开始重新扫描运行。在自动调高过程中，首先采集ADC0809的IN0通道和IN1通道的速据，连续采集16次，INO的值保存在30H～3FH中，IN1的值保存在40H～4FH中；然后计算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；再把两者比较，24H-26H，若-1≤24H-26H≤1，则电机停止转动；若24H-26H≥20，则电机以PSW1设定的速度正转带动感应环下降；24H-26H≥10，则电机以PSW 2设定的速度正转带动感应环下降；若24H-26H≥1，则电机以PSW 3设定的速度正转带动感应环下降；若24H-26H≤-20，则电机以PSW4设定的速度正转带动感应环上升；若24H-26H≤-10，则电机以PSW5设定的速度正转带动感应环上升；若24H-26H≤-1，则电机以PSW6设定的速度正转带动感应环上升。然后延时0.1 s，然后返回开始循环运行。

PWM程序流程如图5所示，图4中每个PWM控制程序的流程都是相同的，不同之处在于“延时Aus”，“延时Bus”它们的值决定了电机的正反转的方向和速度。PWM的周期T=1ms，频率f=1K，A+B=980,其占空比a=(A+10)/1 000。如果a=0.5，电机停转；a>0.5电机正转，a越大，正转转速越快；a<0.5电机反转，a越小，反转转速越快。电机每次调用PWM程序的时候，运行500个周期。程序流程分析如下：首先给计数器R2、R3赋值；然后把P1.1置高，P1.2置低；然后延时Aus；为了解决直通问题，采用“死区”的解决办法，把P1.1置低，然后延时10 us，再把P1.2置高；延时Bus；同样P1.2置低，延时10 us；R3减1，R2减1判断是否运行完。

4 结束语

本文提出了自动调高器中电机控制系统的方案，设计了基于单片机的PWM直流电机控制硬件电路和相应的控制软件，较好地解决了电机转动惯性对调高精度的影响。

[1]周 林.PWM控制瞬时值比较法的稳定性分析[J].电气应用，2007（1）：45-46.

[2]赵 艳.计算机控制的PWM放大器的设计[J].衡水学院学报，2007（1）：38-39.

[3]李录锋.探讨单片机应用系统抗干扰能力的措施[J].机床与液压，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

本文是桂林航天工业学院重点科研项目“基于ARM和电容检测技术的数控切割机自动调高系统的设计”和广西壮族自治区教育厅科研项目“基于ARM和电容检测技术的数控切割机自动调高系统的研究与设计”的阶段性研究成果

邹爱成（1981—），男，湖北监利人，讲师，硕士研究生，主要研究方向为：机电工程。