等離子坡口切割弧壓高度控制器的設計

張濤然 唐先存 周利平

(①西華大學機械工程與自動化學院，四川成都 610039;②山推工程機械股份有限公司，山東濟寧 272073)

伴隨著數控切割機的蓬勃發展，用于調節割槍與工件表面距離的高度控制器也在不斷發展。常用的數控切割機的調高器主要有兩種:電容調高器和弧壓調高器。其中弧壓高度控制器就是通過檢測弧壓的變化，然后經過對弧壓信號進行一系列的處理，最后通過控制升降電動機來控制割槍與工件之間的距離，保持弧電壓基本不變，同時保持割槍高度基本不變。目前國外生產的弧壓調高器，控制精度和性能都不錯，如海寶、伊薩等控制器產品，但價格太高，不適合國內普通用戶;國內高度控制器生產廠家主要有深圳宏宇達等。我國等離子切割機用戶使用的一部分弧壓高度控制器還停留在使用模擬控制的階段，其控制精度和響應速度都不是很高。針對這一情況，迫切需要開發出一款符合國內切割機市場實際情況的弧壓高度控制器。這不僅可以增加數控等離子切割機的經濟性，還可增加國內企業的市場競爭力，更有助于切割機的推廣。

1 弧壓高度控制器總體設計方案

數控等離子切割機工作環境一般較惡劣，且生產車間里可能運行著多種設備和多臺數控等離子切割機，它們之間會產生相互干擾和沖擊。為了消除或減少這些因素對弧壓高度控制器所造成的干擾，運用以下4種措施加以解決:(1)優化控制器的電路設計，弧壓信號采集電路和單片機處理電路分別在兩塊電路板上設計，它們之間通過屏蔽線纜相連接，這樣便產生了分壓板和主電路板;(2)分壓板和主電路板都采用濾波電路和隔離器件，盡可能降低干擾;(3)使用伏頻轉換電路，把模擬信號轉換為數字信號，這種頻率信號，既提高了抗干擾能力又能進行遠距離傳輸;(4)設計多套電源，對不同的功能模塊供電，以減少各芯片之間相互干擾。通過綜合考慮，設計了基于高性能工業級單片機的弧壓高度控制器系統，圖1是其功能示意圖。

弧壓高度控制器選用抗干擾能力強且價格合理的STC單片機為控制核心，經光電隔離器件與外圍電路連接。使用直流電動機作為割槍升降的驅動電動機，其驅動方式采用脈寬調制(PWM)方式。由單片機產生PWM控制H橋驅動芯片來驅動DC24電動機。分壓板采集弧壓信號，然后經過V/F變換，把脈沖信號送至單片機進行處理。LED可以顯示設定弧壓和實時變化的弧壓。通過CNC或鍵盤可以選擇高度控制器處于手動控制狀態還是自動控制狀態。

2 工作原理

弧壓高度控制器工作原理如圖2所示。首先割槍上下動作會引起弧壓的變化，分壓板會檢測到發生變化了的弧壓;分壓板對弧壓信號進行處理，經V/F(電壓頻率轉換)變換電路后得到脈沖信號，通過屏蔽線纜把頻率信號送至單片機;單片機通過其計數器，計算出脈沖頻率，根據頻率和電壓之間的對應關系，便可以得到弧壓值，然后與設定的弧壓進行比較，經過一系列運算處理，做出判斷;單片機產生PWM控制信號，通過H橋驅動直流電動機正反轉，從而帶動割槍上下移動。經過這樣一個過程，便形成了一個閉環控制系統，這和常規電動機控制系統有很大差別。常規直流電動機控制系統一般會通過聯軸器與光電編碼器聯接，單片機、直流電動機和編碼器等設備組成閉環控制系統。因為弧壓對割槍高度的變化響應迅速，通過檢測弧壓來控制割槍高度是可取的，組成的閉環控制系統完全符合數控等離子切割機的工作要求。

3 控制系統總體設計

3.1 硬件系統設計

控制系統硬件結構可劃分為主控模塊、光電隔離模塊、I/O模塊、直流電動機驅動模塊、電源模塊等。

3.1.1 主控模塊

主控模塊是弧壓高度控制器的核心部件，承擔著整個系統的運算與控制任務?；焊叨瓤刂破鞴ぷ鳝h境比較惡劣，周圍環境布滿了各種干擾。芯片必須具有超強的抗干擾能力并且能產生PWM，同時擁有高運算速度和低功耗。經過仔細查找資料選用STC12C5A60S2系列單片機，該系列單片機有44個I/O口(新增P4口和P5口)。這些I/O口有四種工作方式，分別是:準雙向口/弱上拉、強推挽輸出/強上拉、僅為輸入(高阻)和開漏輸出?？梢酝ㄟ^軟件對控制寄存器進行編程，把任意一個I/O口配置成上述4種方式中的一種。但是每次復位后，I/O口恢復默認的準雙向口/弱上拉輸入輸出方式。當使用默認方式時不需要重新配置輸出狀態，因為輸出為1時，準雙向口的驅動能力很弱，當輸出為低時，灌電流可以達到20 mA，具有很強的驅動能力。實際應用中可以對單片機的I/O口增加上拉電阻，使用其灌電流方式驅動如發光二極管、按鍵等設備。考慮到程序需要經過多次調試和修改才能達到預期效果，所以設計時引出4條線Gnd/P3.1/P3.0/Vcc 方便程序的下載。

本文選用LQFP－48封裝形式的STC12C5A60S2單片機，其引腳如圖3所示。

3.1.2 I/O 模塊

系統的輸入設備包括控制器供電電路、起弧使能信號電路、弧壓信號處理與單片機接口電路和接口電路。各電路作用如下:(1)控制器供電電路:高度控制器所需電源由安裝在控制柜中的開關電源提供，開關電源提供兩路電源24 V和12 V。24 V電源主要給H橋驅動芯片BTM7710G和使能驅動芯片BTS737供電。單片機STC12C5A60S2工作電壓為5 V，需要通過一個DC－DC轉換穩壓芯片將12 V轉換為5 V電壓。(2)起弧使能信號電路:弧壓高度控制器需要給等離子電源系統一個起弧信號，來使能等離子電源系統起弧。這個信號一般為開關量信號，整個切割過程中，信號會一直持續，直到切割結束。(3)弧壓信號處理與單片機接口電路:經分壓板處理的弧壓信號為頻率信號，通過屏蔽雙絞線電纜送到主控制器進行處理。經過長距離的線纜傳輸以后，弧壓信號會夾雜著一些干擾信號，所以弧壓信號仍然需要進行處理，然后才能經過光耦送到單片機。(4)接口電路:包括弧壓高度控制器與CNC系統接口電路、接近開關接口電路和限位開關接口電路。

3.1.3 光電隔離模塊

由于數控等離子切割機所處的工作環境使得高度控制器的周圍充滿了各種各樣的干擾信號。這些干擾信號如果不加隔離，便會隨著導線進入控制系統，將會嚴重影響控制系統的穩定性，控制器可能出現誤操作。光電隔離器是把發光器件和光敏器件封裝在同一管殼里，以光為傳輸媒質，實現由電到光再到電轉換的器件。光耦的輸入與輸出之間不共地，能實現很好的電氣隔離，廣泛應用于各種信號隔離電路中［1］。

3.1.4 直流電動機驅動模塊

針對直流電動機在起動、制動及調速等方面的良好性能，根據數控等離子坡口切割機工作的實際情況，選擇了直流電動機作為割炬升降裝置的工作電動機。另外，為便于調節電動機轉速，并使具有剎車功能，設計了驅動直流電動機的H橋電路，并采用調速范圍廣、精度高、響應迅速的PWM方式控制直流電動機的速度［2］。H橋電路驅動原理如圖4所示。

從圖4可看出，接通繼電器A、D或B、C，電動機便可以通電轉動。如果我們假設A、D接通時，電動機為正向轉動;那么當B、C接通時，直流電動機將反向轉動，從而實現了直流電動機的正轉和反轉。通過這4個繼電器的通斷，還可以獲得電動機的其他2個工作狀態:

①剎車:如果將繼電器B、D(或A、C)接通，則直流電動機由于慣性轉動而產生的電動勢將被短路，形成阻礙運動的反電動勢，形成“剎車”作用。

②惰行:如果將4個繼電器全部斷開，則直流電動機由于慣性所產生的電動勢將無法形成回路，從而也就不會產生阻礙運動的反電動勢，故電動機可以慣性轉動一段時間。

3.2 軟件系統設計

開發軟件時，為簡化調試步驟和降低調試難度，應遵循模塊化結構原則，將整個系統按功能分塊設計，對每一個子模塊分別進行調試與修改，最后通過程序的調用，將各功能模塊諸如延時、檢測、運算、驅動等功能模塊集成起來組成一個完整的系統軟件。

3.2.1 程序主體

首先編寫程序流程圖，然后在Keil－μVision4開發環境編寫程序，其主程序流程圖如圖5。程序開始首先要進行初始化，初始化內容主要有:各 I/O端口的初始化，外部計數器T0的初始化，定時器T1的初始化，PCA模塊PWM初始化。初始化完畢后進入工作方式選擇，有手動和自動控制兩種方式供選擇。如果控制器收到來自CNC的自動控制信號，系統將調用自動控制子程序，控制割槍進入自動控制的運行狀態;如果是手動信號，系統將根據按鍵內容控制割槍上升或下降。通常用戶都會選擇使用自動控制功能來完成切割任務，手動控制功能用來快速調整割槍的上下位置，或進行參數設定時驗證參數是否合適，或遇到緊急情況時，能快速提升割槍，防止割槍碰撞到鋼板受到破壞。

3.2.2 初始定位子程序

數控等離子切割機床在切割鋼板時首先要進行初始定位，目的是確定割槍和鋼板的距離，初始定位時割槍提升的高度是由切割工藝給定的，當切割不同材料的板材時，初始定位高度會有所不同。初始定位子程序流程圖如圖6所示。

其工作流程如下:弧壓高度控制器收到初始定位指令后，割槍開始下降，當割槍碰到鋼板時會立即上升，上升至某一設定的高度，然后判斷是否為初始定位測試，如果是則會返回參數模式定位結束;如果不是，控制器會向等離子電源系統發出工作信號，并控制起弧裝置進行起弧，起弧成功以后會向數控系統發出起弧成功信號，待穿孔完成以后，CNC將控制機床運動，實施切割任務。

3.2.3 弧壓高度控制系統自動控制

事先根據工藝情況設定一個經驗弧壓值U0。單片機采集到頻率信號后，根據頻率和電壓之間的關系，將頻率大小換算成電壓值UIN。根據實際需要調整精度，設置一個波動值δ，那么規定弧電壓下限為U1=U0－δ，弧電壓上限為U2=U0+δ。根據弧壓調高的原理，有如下結論:如果采集到的弧壓UIN處于U1和U2之間即 U1＜UIN＜U2，割槍不運動;如果 UIN＞U2，割槍向下運動;如果UIN＜U1，割槍向上運動。圖7為弧壓高度控制器的自動控制程序流程圖。

4 弧壓高度控制器的實驗與調試

弧壓高度控制器的實驗主要分2個部分:一部分是設計過程中各種主要芯片的測試，主要測試芯片的性能是否滿足設計要求;另一部分是控制器與切割機的聯機測試，主要測試控制器的整體性能，查找問題，對控制器進行改進和優化。

4.1 選擇芯片過程中所進行的實驗

例如對V/F轉換芯片AD654進行了測試，圖8為AD654實驗情況圖片。按照實驗原理圖，在面包板上插接必要的外圍電路，使用2臺電源，1臺給芯片提供電源，另1臺模擬輸入的電壓信號，通過邏輯分析儀檢測信號的頻率。實驗期間使用不同的電壓給AD654供電，測試其結果;在同一電壓下，使用不同的電容(瓷片電容和鉭電容)進行測試，通過比較選用12 V電壓和NPO瓷片電容。

4.2 弧壓高度控制器的聯機調試

調試過程中出現的問題:割槍定位結束后不能起弧，通過檢查得知是因為穿孔高度太高，通過降低穿孔高度排除故障;定位時，割槍接觸到鋼板不抬起，是因為初始定位時間設置太短，增加初始定位時間后，故障消失;自動控制狀態下割槍發生振蕩，不穩定，經過檢查，原因是靈敏度設置太高，通過降低靈敏度解決了問題。經過測試，取得了預期的效果。如圖9所示為聯機調試切割現場圖片。

5 結語

本文在分析了等離子切割原理和弧壓調高原理的基礎上，設計了以STC單片機為控制核心的弧壓高度控制器，使其具有功耗低、速度快、抗干擾能力強等特點。在設計弧壓采集電路時，應用了電感和電容進行濾波;應用伏頻轉換電路將分壓得到的電壓信號轉換成頻率信號，然后通過光耦隔離和功率放大電路將信號送出，使信號的抗干擾能力大為增強。

［1］熊蕊.信號與控制綜合實驗指導書［M］.武漢:華中科技大學出版社，2007:113－118.

［2］周文衛.直流PWM調速系統的研究［J］.電氣技術，2009(7):37－39.

［3］鄧星鐘.機電傳動控制［M］.4版.武漢:華中科技大學出版社，2006:288－290.

［4］張欣，孫宏昌，尹霞.單片機原理與C51程序設計基礎教程［M］.北京:清華大學出版社，2010:65－68.

［5］徐愛鈞.智能化測量控制儀表原理與設計［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2008:263－272.

［6］Werner Jillek .Past－ present－ future of printed circuit boards(1)［J］.Printed Circuit Information，2005(7):9 －13.