注塑机改造中PWM波形的电压转换方法研究

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Research on PWM Waves Voltage Conversion Method in Reform of the InjectionMolding MachineLIU Bin (Taiyuan Institute of Technology，Taiyuan Shanxi 030008，China)Abstract：A method applied to the equipment reform from traditional type hydraulic injection molding machine to mixed injectionmachine was discussed，which could be used to convert pulse width modulation(PWM)signal to 0～10 V linear DC voltage.The DCvoltage could be used to control and change the speed of servo motor.Two transformation sehemes：RC conversion circuit and sine-chip microcomputer(MCU)sampling circuit were put forward.By analyzing the experimental data，the characteristics of tracking andrippling were compared during changing of the pulse width of PWM waves in application of these two methods. It is concluded that theMCU sampling circuit has.beter characteristics than RC conversion circuit for its faster tracking speed and smaler ripple coeficient。

The MCU sampling circuit has been applied in practice and good result is achieved。

Keywords：Injection molding machine reform；PWM；Voltage transformation；Tracking characteristics注塑机是将热塑性或热固性塑料利用塑料成型模具制成各种形状的塑料制品的主要成型设备，在国际、国内有很大的市常目前市场上主要存在液压型、全电动型和混合型3种主要的注塑机类型。美国Amit KANUNGO博士在 2008年的-篇文章中详细对比了 3种注塑机的能耗，指出在中小型工件注塑中，全电动型注塑机相 比于液压型注塑机可实现 60% ～70%节能效果，混合型注塑机则可达到40% ～50%的节能效果。液压型注塑机由于能耗较高，在很多领域面临淘汰，但目前在中国还占有较大的比例。注塑机属于大型设备，几十万元的投资使得企业不愿直接舍弃液压型注塑机而转用全电动型注塑机。所以如何将液压注塑机改造成为混合型注塑机，从而实现节能和高效成为首选方案。

改造时常使用变频器定量泵或者伺服电机 定量泵的方式对液压回路进行改造，从而改变原有三相异步电机定量泵 节流阀的控制方式。在改造过程中，如何将原系统中控制节流阀动作实现调速的PWM信号转换为线性对应的直流电压供变频器或伺服控制器调速使用是-个关键问题。作者将对两种PWM波形的电压转换方法进行分析和实验，提出最合适注塑机改造的方案。

1 硬件电路改造及 PWM波形分析1.1 系统硬件电路改造将以某液压型注塑机控制系统为例进行分析。该种注塑机原使用三相异步电机定量泵 节流阀，经改造后使用博世力士乐公司的注塑机专用伺服电机定量泵的方式实现电液混合控制。系统原压力控制电路如图1(a)所示，由单片机发出两路 PWM波形信号，分别控制压力和流量。作者主要通过分析流量信号研究转换方法，压力信号同理可得。原流量信号通过PS2501光电耦合器后，再使用集成运算放大器SB1390将PWM信号成线性比例放大为0～800 mA电流控制电液比例溢流调速阀 EFBG.10的开度，得到所需的压力值。图1(b)为改造后的系统原理图，是将 PWM信号取出后通过-个 PWM波形电压转换器收稿日期：2012-02-01基金项目：国家自然科学基金资助项目 (51775156)作者简介：刘彬 (1975-)，男，博士研究生，讲师，主要研究方向为机电液智能控制，机电传动。E-mail：liubinflyl###sina.corn。

· 112· 机床与液压 第 41卷将不同脉宽的PWM信号转换为基本成线性关系的直 速，进而通过液压泵转速的变化调节系统压力值。

流电压输出至变频器或伺服控制器，从而改变电机转EFBG-10]流调速阀1.2 PWM波形分析系统 PWM波形如图 2所示。

出脚1 3.15 mfl出孽 蘧黏 啦 ；- 茎 堡H塑型墨H：H墨图 1 系统硬件原理图 -2.18，。--。

(a)压力给定为0时的PW M坡形 (b)压力给定为30 MPa时的PW M波形图2 压力信号的 PWM波形流量信号给定值为0时，波形如图2(a)，脉冲周期大约为4.58 mS，脉冲宽度为3.15 ms。在执行座退任务时，流量信号给定值为30 MPa，波形如图2(b)所示，脉冲周期仍为 4.58 ms，脉冲宽度变为2.18 ms。在进行 PWM波形电压转换时，由于系统要求快速响应，响应时间-般要低于 300 Ils，所以在脉PW M0 1 0肌 - I，波形输入 上冲宽度变化时，转换器的时间延迟过大会对系统产生不良影响。这-因素是设计电压转换电路的关键。

2 PWM波形的电压转换电路分析与实验将 PWM波形转换为对应线性直流电压输出-般分为模拟量和数字量两种方案。模拟量型主要以RC电路方式实现，数字量型主要以单片机采样计算的方式实现。很多文章对此都有比较详细的论述，但都是在恒定脉宽的PWM波形上实现，而且主要以分析电路实现原理为主，未分析 PWM脉宽变化时的跟踪特性和转换后直流电压的纹波特性。作者将主要从PWM脉宽变化时的跟踪特性和纹波特性两个方面进行论述。

2.1 RC转换电路分析如图3所示，常用的模拟型 PWM波变换器有两种。图3(a)是简单的RC滤波电路。图3(b)是RC双重滤波加电压跟随器的方式。

： (b)RC双重滤波加电压跟随器图3 常用模拟型电压变换器跟踪 图线∩看 出： 图4 转换电路信系统跟踪时间大约为 号跟踪特性0.989 s，直流电压输出纹波绝对值达到40 mV，纹波系数为3.3%∩见系统流量信号发生变化时，通过该变换器将使信号产生将近 1 s的时间延迟，大大超出了系统的要求，将会严重影响注塑机系统的工作。

若要减少跟踪时间 ，则需减小电容，但输出电压纹波将会更大。使用图 3(b)所示系统时，开关管TRF530可以将 PWM波整形，随后通过两级滤波可以实现较小的纹波，使用 OP07构成的电压跟随器可以使电路负载能力增强。但由于两级滤波产生的系统延时更长，在PWM信号经常变化、跟踪时间要求较高的系统中根本无法使用。

2.2 单片机转换电路分析2.2.1 系统硬件构成这种方案使用单片机的高速采样功能和 D/A转换电路完成电压变换。硬件电路如图5所示，将流量的PWM信号通过-个光耦开关输入至单片机的PO.0端口。通过该光电耦合器主要是为了保护单片机电路和转换电平，但会使 PWM信号反向。在该系统中，第8期 刘彬：注塑机改造中PWM波形的电压转换方法研究 ·113·由于 PWM信号是变化的，其最许度只有0.16 ms，所以要想保证测量精度，需要在此时间间隔之内至少产生 10个以上的计数值，所以单片机系统应该采用11.059 2 MHz的晶振，可以在 0.16 ms内产生 13个计数值，才能够满足要求。D/A输出芯片需采用 l6位的D/A转换拈，以适应该系统最小0.16 ms的脉冲宽度。

10V图5 PWM信号单片机采样电路原理图2.2.2 单片机PWM信号转换实验系统启动后通过不断采集输人的 PWM波形，寻找波形变化的时间点，如图2(a)所示，在信号由低电平变为高电平的t。时，开始启动单片机内部定时器 rID，直到信号由高电平再次变为低电平的t 时停止定时器 ，并输出定时器的计数值Ⅳ。定时器的分辨率是时钟振荡频率的1/12，即其每个计数值代表 11.94 138，通过公式：TN× 即可计算 PWM波型的脉冲宽度。由于整个 PWM波形周期基本恒定为4.58 ms，所以只需采样脉冲宽度数据即可，其他数据可通过计算得到。

信号变换曲线如图6所示。为保证输出信号的准确性，消除干扰，系统采用了数字平均滤波算法，即对每10个采用数据进行平均后再输出，能够消除系统中偶尔出现的波动值，但也使系统产生了大约 160ms的信号延迟，但依然能 够 满足 系 统 300ms延时限制。从数据 旨来看，纹波绝对值为 忸。

10 mV，纹波系数只有0.193%。而且在实验 中，该 延迟 时间在不同的脉宽下均未产生变化。

3 结论图6 单片机系统PWM电压转换曲线通过表 1可知，RC系统造价低，易于实现，但跟踪特性差，适用于系统精度要求比较低、信号基本固定的诚。而单片机系统跟踪特性和负载能力都比较强，但实现难度大，成本稍高，适用于系统精度要求高、信号经常变化且跟踪时间要求比较短的诚。

综合优缺点，单片机系统更加适合于注塑机系统改造要求。在实际应用中单片机系统也完全能够适应系统改造任务，并取得了良好的控制效果。

表 1 RC与单片机系统在 PWM波形电压变换中的适用性能比较