注塑機改造中PWM波形的電壓轉換方法研究

劉彬

(太原工業學院，山西太原 030008)

注塑機改造中PWM波形的電壓轉換方法研究

劉彬

(太原工業學院，山西太原 030008)

討論在傳統液壓型注塑機改造為混合型注塑機過程中將PWM信號轉換為0～10 V線性直流電壓供伺服調速使用的方法，提出RC轉換電路和單片機采樣電路兩種轉換方案，通過分析實驗數據比較采用這兩種方法時PWM波形的脈沖寬度變化時的跟蹤特性、紋波特性，可知單片機采樣系統具有更快的跟隨特性、更小的紋波系數。最終在實際應用中取得了良好效果。

注塑機改造;PWM;電壓轉換;跟蹤特性

注塑機是將熱塑性或熱固性塑料利用塑料成型模具制成各種形狀的塑料制品的主要成型設備，在國際、國內有很大的市場。目前市場上主要存在液壓型、全電動型和混合型3種主要的注塑機類型。美國Amit KANUNGO博士在2008年的一篇文章中詳細對比了3種注塑機的能耗，指出在中小型工件注塑中，全電動型注塑機相比于液壓型注塑機可實現60%～70%節能效果，混合型注塑機則可達到40%～50%的節能效果。液壓型注塑機由于能耗較高，在很多領域面臨淘汰，但目前在中國還占有較大的比例。注塑機屬于大型設備，幾十萬元的投資使得企業不愿直接舍棄液壓型注塑機而轉用全電動型注塑機。所以如何將液壓注塑機改造成為混合型注塑機，從而實現節能和高效成為首選方案。

改造時常使用變頻器+定量泵或者伺服電機+定量泵的方式對液壓回路進行改造，從而改變原有三相異步電機+定量泵+節流閥的控制方式。在改造過程中，如何將原系統中控制節流閥動作實現調速的PWM信號轉換為線性對應的直流電壓供變頻器或伺服控制器調速使用是一個關鍵問題。作者將對兩種PWM波形的電壓轉換方法進行分析和實驗，提出最合適注塑機改造的方案。

1 硬件電路改造及PWM波形分析

1.1 系統硬件電路改造

將以某液壓型注塑機控制系統為例進行分析。該種注塑機原使用三相異步電機+定量泵+節流閥，經改造后使用博世力士樂公司的注塑機專用伺服電機+定量泵的方式實現電液混合控制。系統原壓力控制電路如圖1(a)所示，由單片機發出兩路PWM波形信號，分別控制壓力和流量。作者主要通過分析流量信號研究轉換方法，壓力信號同理可得。原流量信號通過PS2501光電耦合器后，再使用集成運算放大器SB1390將PWM信號成線性比例放大為0～800 mA電流控制電液比例溢流調速閥EFBG-10的開度，得到所需的壓力值。圖1(b)為改造后的系統原理圖，是將PWM信號取出后通過一個PWM波形電壓轉換器將不同脈寬的PWM信號轉換為基本成線性關系的直流電壓輸出至變頻器或伺服控制器，從而改變電機轉速，進而通過液壓泵轉速的變化調節系統壓力值。

圖1 系統硬件原理圖

1.2 PWM波形分析

系統PWM波形如圖2所示。

圖2 壓力信號的PWM波形

流量信號給定值為0時，波形如圖2(a)，脈沖周期大約為4.58 ms，脈沖寬度為3.15 ms。在執行座退任務時，流量信號給定值為30 MPa，波形如圖2(b)所示，脈沖周期仍為4.58 ms，脈沖寬度變為2.18 ms。在進行PWM波形電壓轉換時，由于系統要求快速響應，響應時間一般要低于300 ms，所以在脈沖寬度變化時，轉換器的時間延遲過大會對系統產生不良影響。這一因素是設計電壓轉換電路的關鍵。

2 PWM波形的電壓轉換電路分析與實驗

將PWM波形轉換為對應線性直流電壓輸出一般分為模擬量和數字量兩種方案。模擬量型主要以RC電路方式實現，數字量型主要以單片機采樣計算的方式實現。很多文章對此都有比較詳細的論述，但都是在恒定脈寬的PWM波形上實現，而且主要以分析電路實現原理為主，未分析PWM脈寬變化時的跟蹤特性和轉換后直流電壓的紋波特性。作者將主要從PWM脈寬變化時的跟蹤特性和紋波特性兩個方面進行論述。

2.1 RC轉換電路分析

如圖3所示，常用的模擬型PWM波變換器有兩種。圖3(a)是簡單的RC濾波電路。圖3(b)是RC雙重濾波加電壓跟隨器的方式。

圖3 常用模擬型電壓變換器

在圖4中，T=R×C，即輸入信號變化時，輸出跟蹤上輸入所需要的時間。圖4所示為 R=100 kΩ時，C=1μF的信號跟蹤圖線。可看出:系統跟蹤時間大約為0.989 s，直流電壓輸出紋波絕對值達到40 mV，紋波系數為3.3%。可見系統流量信號發生變化時，通過該變換器將使信號產生將近1 s的時間延遲，大大超出了系統的要求，將會嚴重影響注塑機系統的工作。

圖4 轉換電路信號跟蹤特性

若要減少跟蹤時間T，則需減小電容，但輸出電壓紋波將會更大。使用圖3(b)所示系統時，開關管TRF530可以將PWM波整形，隨后通過兩級濾波可以實現較小的紋波，使用OP07構成的電壓跟隨器可以使電路負載能力增強。但由于兩級濾波產生的系統延時更長，在PWM信號經常變化、跟蹤時間要求較高的系統中根本無法使用。

2.2 單片機轉換電路分析

2.2.1 系統硬件構成

這種方案使用單片機的高速采樣功能和D/A轉換電路完成電壓變換。硬件電路如圖5所示，將流量的PWM信號通過一個光耦開關輸入至單片機的P0.0端口。通過該光電耦合器主要是為了保護單片機電路和轉換電平，但會使PWM信號反向。在該系統中，由于PWM信號是變化的，其最小寬度只有0.16 ms，所以要想保證測量精度，需要在此時間間隔之內至少產生10個以上的計數值，所以單片機系統應該采用11.059 2 MHz的晶振，可以在0.16 ms內產生13個計數值，才能夠滿足要求。D/A輸出芯片需采用16位的D/A轉換模塊，以適應該系統最小0.16 ms的脈沖寬度。

圖5 PWM信號單片機采樣電路原理圖

2.2.2 單片機PWM信號轉換實驗

系統啟動后通過不斷采集輸入的PWM波形，尋找波形變化的時間點，如圖2(a)所示，在信號由低電平變為高電平的t0時，開始啟動單片機內部定時器T0，直到信號由高電平再次變為低電平的t1時停止定時器T0，并輸出定時器的計數值N。定時器T0的分辨率是時鐘振蕩頻率的1/12，即其每個計數值代表11.94 ns，通過公式:T=N×tj即可計算PWM波型的脈沖寬度。由于整個PWM波形周期基本恒定為4.58 ms，所以只需采樣脈沖寬度數據即可，其他數據可通過計算得到。

信號變換曲線如圖6所示。為保證輸出信號的準確性，消除干擾，系統采用了數字平均濾波算法，即對每10個采用數據進行平均后再輸出，能夠消除系統中偶爾出現的波動值，但也使系統產生了大約160 ms的信號延遲，但依然能夠滿足系統300 ms延時限制。從數據來看，紋波絕對值為10 mV，紋波系數只有0.193%。而且在實驗中，該延遲時間在不同的脈寬下均未產生變化。

圖6 單片機系統PWM電壓轉換曲線

3 結論

通過表1可知，RC系統造價低，易于實現，但跟蹤特性差，適用于系統精度要求比較低、信號基本固定的場合。而單片機系統跟蹤特性和負載能力都比較強，但實現難度大，成本稍高，適用于系統精度要求高、信號經常變化且跟蹤時間要求比較短的場合。綜合優缺點，單片機系統更加適合于注塑機系統改造要求。在實際應用中單片機系統也完全能夠適應系統改造任務，并取得了良好的控制效果。

表1 RC與單片機系統在PWM波形電壓變換中的適用性能比較

【1】段曉軍，吳成富，康鳳舉，等.無人機舵機控制脈寬采集模塊開發［J］.計算機測量與控制，2010(6):1455－1457.

【2】張永坡.脈沖寬度精密測量技術［J］.理論與研究，2008(3):6－8.

【3】余海勇.S7-300C集成的PWM和頻率測量功能應用［J］.兵工自動化，2007，26(5):85.

【4】朱玉紅.MCS-51單片機對連續脈沖寬度測量的實現［J］.自動化與儀器儀表，2003(1):35 －36.

【5】秦健.一種基于PWM的電壓輸出DAC電路設計［J］.現代電子技術，2004(14):81－83.

【6】韋波.用PWM實現廉價隔離型標準電流輸出D/A轉換器［J］.電子工程師，2004(6):69－71.

【7】WOODWARD Steve，HILL Chapel.Combine Two 8-bit Outputs to Make one 16-bit DAC.EDN Magazine-Electrical Design News，2004:85.

Research on PWMW aves Voltage Conversion Method in Reform of the Injection Molding Machine

LIU Bin
(Taiyuan Institute of Technology，Taiyuan Shanxi030008，China)

A method applied to the equipment reform from traditional type hydraulic injection moldingmachine tomixed injection machine was discussed，which could be used to convertpulsewidthmodulation(PWM)signal to0 ～10 V linear DC voltage.The DC voltage could be used to control and change the speed of servomotor.Two transformation schemes:RC conversion circuit and singlechip microcomputer(MCU)sampling circuitwere put forward.By analyzing the experimental data，the characteristics of tracking and rippling were compared during changing of the pulsewidth of PWMwaves in application of these twomethods.It is concluded that the MCU sampling circuit has better characteristics than RC conversion circuit for its faster tracking speed and smaller ripple coefficient.The MCU sampling circuit has been applied in practice and good result is achieved.

Injectionmoldingmachine reform;PWM;Voltage transformation;Tracking characteristics

TH137

A

1001－3881(2013)8－111－3

10.3969/j.issn.1001 －3881.2013.08.038

2012－02－01

國家自然科學基金資助項目 (51775156)

劉彬 (1975—)，男，博士研究生，講師，主要研究方向為機電液智能控制，機電傳動。E－mail:liubinfly1@sina.com。