CN105846736B - 一种木工车床控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种木工车床控制系统，包括微控制器、正反转按键检测电路、电机以及IGBT驱动电路，所述正反转按键检测电路与微控制器相连；还包括母线电压采样模块、电机电压采样模块和电流采样模块，分别用以检测母线电压、电机电压和电机电流，并将检测的数值传输到微控制器，微控制器通过IGBT驱动电路控制电机动作。本发明不仅可以实现电机正反转功能，还有效的防止了电机正反转切换误操作，同时系统的电压电流保护也更加全面，实现无极调速与恒转矩输出，降低成本，方便木工车床的切削操作，提高工作效率、精度及操作安全性，具有广泛的推广意义。

Description

一种木工车床控制系统

技术领域

本发明涉及木工车床控制领域，具体涉及一种木工车床控制系统。

背景技术

台式木工车床是一种结构简单，操作方便的家用和工业实用车床。车床主轴由电机带动皮带传动驱动，该电机分为直流电机、交流异步电机以及伺服电机。木工车床的工作原理为: 由电机通过皮带传动机构,带动车床主轴旋转,主轴又通过顶尖或者卡盘带动被加工零件旋转，然后用刀具对工件进行切削,从而加工出不同形状的回转体。由于工件的形状和大小不同以及人们对木工车的切削力、安全性能、操作便利性能和加工表面的光洁度要求越来越高，就需要木工机床在加工工作能中提供尽量大的输出扭矩、主轴不同的转向和不同的转速,因此市场上对于拥有恒转矩、正反转以及无级调速功能的木工车需求量日益增多。

目前市场上绝大多数的木工车都是交流异步电动机的木工车，只能提供3档或者6档的固定速度,不能实现无级调速的功能,也没有正反转功能，上电后直接以某一恒定转速运行，且在切削时扭矩下降很快，不利于进行高质量的切削工作，变频器控制器体积大、并且成本也很高。虽然有些小木工车可以实现电机调速，但仍然解决不了以下技术问题：一是不具有电机正反转功能；二是正反转功能不能防止操作者误操作，一旦误操作正反转，驱动系统或者电机很容易损坏，甚至操作者被突然换向旋转的工件或者主轴伤害到，威胁人身安全；三是没有过载、过压、过流保护功能，或是电压电流保护过于单一，不适于木工车床的实际应用；由于木工爱好者都是手工操作刀具切削，因此时常出现过载现象，这样木工车控制系统很容易烧坏，投诉很多。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于对现有木工车床不可换向、电流电压保护点单一、保护形势简单，不利于木工车床的使用和安全操作等缺陷进行改进，提出的一种木工车床控制系统，使木工车床使用更安全、操作更方便。

为了达到上述目的，本发明提出一种木工车床控制系统，包括微控制器、正反转按键检测电路、电机以及IGBT驱动电路，所述正反转按键检测电路与微控制器相连；还包括母线电压采样模块、电机电压采样模块和电流采样模块,分别用以检测母线电压、电机电压和电机电流，并将检测的数值传输到微控制器，微控制器通过IGBT驱动电路控制电机动作。

优选的，所述电机两端连接有续流二极管。

优选的，所述电流采样模块采用电流采样电阻进行电流采样。

进一步的，所述微控制器还包括电压保护点设置模块，所述电压保护点包括母线过压保护点、母线欠压保护点和电机电压保护点，通过对电机电压与母线电压的检测，对电机电压保护更加全面，保障系统和人身安全。

进一步的，所述微控制器还包括电流保护点设置模块，所述电流保护点包括硬件保护点、软件保护点和堵转保护点，根据电机特性，设计不同的保护点，对电机电流保护更全面，保证设备正常安全运转。

进一步的，所述正反转按键检测电路包括按键接口，以及与按键接口串联连接组成回路的第一电容C1和第二电阻R2；第一电容C1与第二电阻R2的连接端通过第一电阻R1接高电平，且连接端为I/O端；第一电容C1的另一端接地。

进一步的，所述电流采样模块通过电流滤波，然后经电压比较器和运算放大器与微控制器相连，方便对数据处理。

进一步的，所述微控制器包括无极调速与扭矩调节模块，由于直流电机的扭矩与电流成正比，通过对电流采样，反馈、补偿的方式，实时由无极调速与扭矩调节模块控制电机电流，以实现对扭矩调节的控制。

进一步的，还包括与微控制器相连的电位器检测模块，微控制器检测电位器电压大小，从而调整电机驱动信号（PWM信号的脉冲宽度）来调整电机电压，实现电机无极调速，方便用户切削不同的材料。

进一步的，还包括与微控制器相连的数码管，通过数字显示提示操作人员，方便操作。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

1. 本发明通过微控制器控制，可以实现电机正反转功能，方便切削不同形状和大小的工件，并且通过微控制器检测按键切换状态，实现电机正反转误操作防护控制。切削过程中在任意时刻触动电机正反转，木工车都会自动停机,不会直接进行反向运转,有效的提高操作安全性、防止了人员误操作，既保护了操作者，又保护了设备，延长了车床使用寿命。

2. 通过设置微控制器控制，设置多个电压保护点和电流保护点，对电机实现全面电流电压保护，通过电机电压采样模块、母线电压采样模块和电流采样模块分别对电机电压、母线电压、电机电流检测，与设好的保护点进行比较，通过微控制器做出相应的控制，实现对电机和系统的全面保护，既保证了使用过程中,木工车床有充沛的动力输出,又避免了木工车因过载而导致车床驱动系统受损。

3. 通过电位器检测模块和电流采样模块，由微控制器控制及无极调速与扭矩调节模块控制，实现低速大扭矩，保障电机的工作性能；通过微控制器实现驱动信号脉宽调整，改变电机电压，实现电机无极调速，保证电机转速平滑连续变化，而且可以在整个转速的调节范围内的任意一点稳定运行，保障木工车床的安全稳定运作，提高切削效率与切削精度。

附图说明

图1为本发明实施例控制系统结构示意图；

图2为图1中正反转切换按键检测电路结构示意图；

图3为本发明实施例中电机换向原理框图；

图4为本发明实施例中电压保护原理框图；

图5为本发明实施例中电流保护原理框图；

图6为本发明实施例中电机无极调速与扭矩调节控制原理框图。

具体实施方式

本发明提供一种木工车床控制系统，下面结合具体实施例对本发明做进一步地说明。

参考图1，为本实施例木工车床控制系统结构示意图，包括微控制器、正反转按键检测电路、电机以及IGBT驱动电路，电机两端连接有续流二极管，所述正反转按键检测电路与微控制器相连；还包括母线电压采样模块、电机电压采样模块和电流采样模块,分别用以检测母线电压、电机电压和电机电流，并将检测的数值传输到微控制器，微控制器通过IGBT驱动电路控制电机动作，本实施例中微控制器采用STM8S系列单片机。

为了方便操作人员操作，所述微控制器还连接有数码管（图中未示意），通过数字显示提示操作人员，方便操作

参考图2，所述正反转按键检测电路包括按键接口，以及与按键接口（换向开关）串联连接组成回路的第一电容C1和第二电阻R2；第一电容C1与第二电阻R2的连接端通过第一电阻R1与电源相连，且连接端为I/O端；第一电容C1的另一端接地，通过设计按键检测电路，操作简单，使用方便，提高安全性能。

实施例中，为了进一步说明电机正反转切换的原理，参考图3进一步说明：对于本实施例控制系统，实现电机正反转换向功能可以采用以下两种方式：

1、若要对电机换向，可以先将电机停机，然后切换电机方向，再重新启动达到换向的目的；

2、还可以在电机旋转的任意时刻去按换向开关，这时候单片机检测到按键切换，控制电机自动停机，通过数码管显示提示符，如06，提示操作人员电机已换向，然后重启电源，电机换向正常运转，保证木工车床切削效率。

并且，电机旋转过程中，若工作人员误操作，本实施例还可以通过单片机检测到按键状态，控制IGBT驱动电路（IGBT为绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，驱动功率小而饱和压降低）关闭IGBT，使电机停机，起到安全防护作用，保障操作人员人身安全。

另外，为了对控制系统和木工车床进行更全面电压电流的保护，所述微控制器还包括电压保护点设置模块和电流保护点设置模块；所述电压保护点包括母线过压保护点、母线欠压保护点和电机电压保护点，所述电流保护点包括硬件保护点、软件保护点和堵转保护点。根据电机特性，设计不同的保护点，电流电压保护更全面，有效保障设备正常安全运转和人身安全。

下面对本实施例的电压保护和电流保护做进一步的说明：

电压保护：参考图4、电机运行，通过电机电压采样模块和母线电压采样模块分别对电机电压与母线电压的检测，实时获取电压值并传输到微控制器，与电压保护点设置模块的母线欠压保护点B、母线过压保护点A和电机电压保护点C相比较，所述母线欠压和过压保护点是根据该木工车床使用地方的电力情况和该控制系统的承受能力进行设计的，母线过压保护是对控制器本身的一种保护，如果电压过高而没有保护措施则会损坏控制器；所述电机电压保护点C是根据电机的额定电压来设定的，电机如果长时间过压运行一则损坏电机，二则电机转速过高，危及人身安全，所以该保护也可以理解为一个超速保护。

当检测到母线电压达到母线过压保护点A时，直接停机，单片机控制输入过压保护，数码管显示07状态；当检测到母线电压不到保护点B时，此时微控制器控制电压保护，电机不能运行，数码管显示03状态；当检测到电机电压达到电机保护点C时，直接停机，输出过压保护，数码管显示08状态。通过操作人员观察数码管显示，方便直接，操作安全。

电流保护：参考图5，这里分别设置硬件保护点和软件保护点是考虑到软件保护较硬件保护慢，所以为了防止软件保护没有起到作用而增加了硬件保护，提高木工车床的使用、操作安全。

电机启动后，电流增大，通过电流采样电阻实时采集电机电流值，并通过滤波模块滤除噪声，由于此时的电流值较小，通过运算放大器和电压比较器放大处理后传输到单片机，与设置好的电流保护点进行比较。

若检测到的电流达到硬件保护点A’，则通过单片机控制IGBT驱动电路，使电机直接停机，起到保护作用，并通过数码管显示01状态；若没有达到硬件保护点A’，电机继续运转，采样电阻实时采集电机电流，当检测到达到软件保护点B’时，通过单片机控制，使电机直接停机，起到保护作用，并通过数码管显示02状态；若没有达到软件保护点B’，电机继续运转；在木工车床的使用过程中，由于是手动进刀所以难免会出现堵转情况，堵转的同时会出现较大电流，如果长时间堵转则会损坏电机和控制器，所以当检测到堵转后，达到堵转保护点C’时，先计时维持一段时间（如6S），若堵转消除，则电机可以正常继续运转，通过采样电阻实时比较并做出控制；若果堵转还没有撤销就要降低电流运行，通过单片机控制IGBT驱动电路减小IGBT驱动信号（PWM脉冲宽度），使电机电压减小，从而减小电机电流，使此时电机在额定保护点E’（电机的额定工作电流）以下运行，电机正常运转。

同时，为了实现电机无极调速和恒转矩功能，方便用户切削不同的材料，提高操作便利性，本实施例还包括与微控制器相连的电位器检测模块, 用以检测电机电流的电流采样模块，所述电流采样模块优选采用电流采样电阻，当然也可以采用电流传感器和电流互感器进行电机电流采样，所述电流采样电阻与微控制器之间还连接有电流滤波电路，通过滤波滤除电流噪声，由于采集的电流较小，然后通过电压比较器和运算放大器将电流放大传输到微控制器。

由于直流电机的扭矩与电流成正比，参考图6，为无极调速与扭矩调节控制原理框图，通过单片机对电流采样，反馈、补偿的方式，实时由微控制器的无极调速与扭矩调节模块控制电机电流，以实现对扭矩调节的控制；无极调速的实现通过电位器检测电压大小，从而控制调整电机驱动信号（PWM信号的脉冲宽度）来调整电机电压，并且在电机低速运行时通过微控制器对电机电流进行控制，使电机输出较大的扭矩，其效果明显优于简单控制的异步电机和变频器。

本实施例所述的方案，在木工车床领域设计新思路，不仅可以实现电机正反转功能，还有效的防止了电机正反转切换误操作，同时系统的电压电流保护也更加全面；采用驱动器控制系统加直流电机的方案实现无级调速功能，恒转矩输出，比变频器加交流电机的方案极大的节省了成本,并且变速过程中可以比变频器加交流电机提供更充沛的动力输出，方便木工车床的切削操作，提高工作效率、精度及操作安全性，具有广泛的推广意义。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种木工车床控制系统，其特征在于，包括微控制器、正反转按键检测电路、电机以及IGBT驱动电路，所述正反转按键检测电路与微控制器相连，微控制器通过IGBT驱动电路控制电机动作，电机两端连接有续流二极管；切削过程中，任意时刻触动电机正反转按键，微控制器检测正反转按键检测电路按键切换状态，控制电机自动停机；

还包括母线电压采样模块、电机电压采样模块和电流采样模块,分别用以检测母线电压、电机电压和电机电流，并将检测的数值传输到微控制器；所述微控制器还包括电压保护点设置模块和电流保护点设置模块，所述电压保护点包括母线过压保护点、母线欠压保护点和电机电压保护点，所述电流保护点包括硬件保护点、软件保护点和堵转保护点；

所述母线过压保护点和母线欠压保护点根据木工车床应用场所的电力情况和该控制系统的承受能力进行设计，以实现对该控制系统的保护，电机电压保护点根据电机的额定功率进行设定，以实现对电机的超速保护；当检测到母线电压达到母线过压保护点时，直接停机，微控制器控制输入过压保护；当检测的母线电压不到母线欠压保护点时，此时微控制器控制电压保护，电机不能运行；当检测到电机电压达到电机电压保护点时，直接停机，输出过压保护；

所述硬件保护点和软件保护点实现电机的电流保护，若检测到电流达到硬件保护点，则通过微控制器控制IGBT驱动电路，使电机直接停机，若没有达到硬件保护点，电机继续运转；电流采样模块实时采集电机电流，当检测到达到软件保护点时，控制电机直接停机；若没有达到软件保护点，电机继续运运转；

所述堵转保护点为了防止电机长时间堵转而损坏电机和控制器进行设计，检测到发生堵转后，达到堵转保护点时，先计时维持一段时间，若堵转消除，则电机继续正常运转，通过电流采样模块实时采样比较并做出控制，若一段时间后，堵转没有撤销则需降低电流运行，通过微控制器控制IGBT驱动电路减小IGBT驱动信号，使电机电压减小，从而减小电机电流实现堵转保护。

2.根据权利要求1所述的木工车床控制系统，其特征在于：所述正反转按键检测电路包括按键接口，以及与按键接口串联连接组成回路的第一电容C1和第二电阻R2；第一电容C1与第二电阻R2的连接端通过第一电阻R1接高电平，且连接端为I/O端；第一电容C1的另一端接地。

3.根据权利要求1所述的木工车床控制系统，其特征在于：所述电流采样模块通过电流滤波，然后经电压比较器和运算放大器与微控制器相连。

4.根据权利要求3所述的木工车床控制系统，其特征在于：所述电流采样模块采用电流采样电阻。

5.根据权利要求1所述的木工车床控制系统，其特征在于：所述微控制器包括无极调速与扭矩调节模块。

6.根据权利要求1所述的木工车床控制系统，其特征在于：还包括与微控制器相连的电位器检测模块。

7.根据权利要求1所述的木工车床控制系统，其特征在于：还包括与微控制器相连的数码管。