开贴研究MACH3控制主轴转速，变频调速搞定，系转载

zhiyiyunmeng@ · 发表于 2012-10-2 00:02:57

2010年对手里的小铣床做了一番研究，发现铣床的主轴调速居然是0-10.5V的直流电压控制的，与常见的变频器调速原理相同，这几天忙里偷闲，从PWM转0-10V的电路板做起：
PWM转0-10V电路板

PWM端输入PWM波，power接12v电源，OUT端输出0-10V模拟电压；

板上R1与C3构成积分电路，可调电阻Rp1可调节输出范围，比如调到0-8V，0-11v等，好与你的被调速对象匹配。

R3的作用是如果工作过程中PWM波接线断开时，使输出尽快归零

zhiyiyunmeng@ · 发表于 2012-10-2 00:04:30

想要用雕刻机刻板，布成单面板：

zhiyiyunmeng@ · 发表于 2012-10-2 00:05:29

zhiyiyunmeng@ 发表于 2012-10-2 00:04
想要用雕刻机刻板，布成单面板：

软件转换成刀路，模拟显示一下（没有忘记左右镜像一下吧，呵呵）

zhiyiyunmeng@ · 发表于 2012-10-2 00:06:20

zhiyiyunmeng@ 发表于 2012-10-2 00:05
软件转换成刀路，模拟显示一下（没有忘记左右镜像一下吧，呵呵）

君子动口也动手，哈哈：

做出来了：

zhiyiyunmeng@ · 发表于 2012-10-2 00:07:47

zhiyiyunmeng@ 发表于 2012-10-2 00:06
君子动口也动手，哈哈：

做出来了：

接下来验证一下这个转换电路的“线性”，所谓线性，就是指PWM波的占空比提高10%，OUT端输出电压也升高10%，
理想化的电路可以调教成：PWM占空比=10% 时，输出1=v；PWM占空比=20%时，输出=2v。。。
以此类推，当PWM占空比=80%时，输出=8v。。。PWM占空比=100%时，输出=10v；
这就算“线性”令人满意了。
借图科普一下：

PWM波是占空比变化的方波，每个PWM有3个要素：
1、峰值电压，MACH3外接并口引脚输出的是5V；
2、波形频率，MAVH3控制并口引脚输出的PWM波的频率是可以设置的，见下图说明；
3、占空比，占空比越高，等效电压越高。

zhiyiyunmeng@ · 发表于 2012-10-2 00:09:23

zhiyiyunmeng@ 发表于 2012-10-2 00:07
接下来验证一下这个转换电路的“线性”，所谓线性，就是指PWM波的占空比提高10%，OUT端输出电压也升高10% ...

饭要一口一口吃，先抛开我们心爱的小床，用信号发生器来调教一下这个PWM转0-10V的转换板，顺便验证一下它的“线性”
我手里的信号发生器只能够制造占空比20%到80%的PWM波，如图

频率选择了1KHz = 1000Hz，峰值电压=5V，

占空比=20%波形：

占空比=80%时的波形：

zhiyiyunmeng@ · 发表于 2012-10-2 00:09:54

zhiyiyunmeng@ 发表于 2012-10-2 00:09
饭要一口一口吃，先抛开我们心爱的小床，用信号发生器来调教一下这个PWM转0-10V的转换板，顺便验证一下它 ...

频率=1KHz = 1000Hz，在MACH3里面可以设定（其实这个频率与使用效果关系不大的。=800HZ或300Hz测试结果一样的）
峰值电压=5V，正好与MACH3控制电脑并口引脚产生的PWM波参数一致，
所以我们把这个PWM波改变不同的占空比输入到转换板，然后检测OUT端输出的直流电压对应值，就可以模拟转换板在MACH3的驱动下的工作效果了

zhiyiyunmeng@ · 发表于 2012-10-2 00:10:56

zhiyiyunmeng@ 发表于 2012-10-2 00:09
频率=1KHz = 1000Hz，在MACH3里面可以设定（其实这个频率与使用效果关系不大的。=800HZ或300Hz测试结果一 ...

电路连接：

接入信号发生器送来的PWM波，并用示波器监视，

接入12v直流电源

OUT端接了一块万用表监测输出电压：

zhiyiyunmeng@ · 发表于 2012-10-2 00:12:10

zhiyiyunmeng@ 发表于 2012-10-2 00:10
电路连接：

接入信号发生器送来的PWM波，并用示波器监视，

连接好后，输入PWM信号的占空比调到50%，小心翼翼的调整可调电阻，使输出OUT端输出的电压=5V，

PWM=50%时，OUT=5v，这样比较直观。

为了让大家看到测试效果，我费尽心机把相关仪器弄到接近同一个焦平面，以利于合影

图中的示波器与信号发生器是同一个仪器（示波器带简单的信号发生器功能）

zhiyiyunmeng@ · 发表于 2012-10-2 00:16:21

本帖最后由 zhiyiyunmeng@ 于 2012-10-2 00:21 编辑

zhiyiyunmeng@ 发表于 2012-10-2 00:12
连接好后，输入PWM信号的占空比调到50%，小心翼翼的调整可调电阻，使输出OUT端输出的电压=5V，

PWM=50% ...

然后改变PWM波的占空比，得到结果如下：

zhiyiyunmeng@ · 发表于 2012-10-2 00:21:51

zhiyiyunmeng@ 发表于 2012-10-2 00:16
然后改变PWM波的占空比，得到结果如下：

统计一下输入输出的数据：
输入PWM波占空比=20%，输出电压=2.0028v
输入PWM波占空比=30%，输出电压=3.005v
输入PWM波占空比=40%，输出电压=4.008v
输入PWM波占空比=50%，输出电压=5.009v
输入PWM波占空比=60%，输出电压=6.010v
输入PWM波占空比=70%，输出电压=7.012v
输入PWM波占空比=80%，输出电压=8.013v

线性度完全可以了，哈哈
后面要折腾的是将这块PWM转0-10v转换板来控制一个变频器的试验，

转换板将MACH3送出的PWM波转换成对应的直流电压，控制变频器的转速，应该不难，

zhiyiyunmeng@ · 发表于 2012-10-2 00:23:52

zhiyiyunmeng@ 发表于 2012-10-2 00:21
统计一下输入输出的数据：
输入PWM波占空比=20%，输出电压=2.0028v
输入PWM波占空比=30%，输出电压=3.005 ...

转接板上机之前，找点变频器的资料来复习一下：

zhiyiyunmeng@ · 发表于 2012-10-2 00:24:15

上图中，AVI端就是外接电压调速信号的输入端口，参考端是GND；

圆圈中内容表示这台变频器调速适应的电压是 0-10VDC（直流）；

zhiyiyunmeng@ · 发表于 2012-10-2 00:24:45

本帖最后由 zhiyiyunmeng@ 于 2012-10-2 00:30 编辑

转换板性能基本可信了，放下转换板，调头来研究一下我们使用的MACH3软件的相关问题，

这里涉及到的是MACH3软件中关于主轴PWM调速的设置和一个意外发现的问题：MACH3输出PWM的线性问题。

软件设置：

针脚设置中选择正确的PWM针脚（你用并口的哪条线就是哪条啦）及其他注意问题：

主轴设置：

根据您的实际情况，设置一下主轴电机的最高转速，还是有必要的，这样MACH3将来显示的转速才会与你的主轴一样的：

我的主轴是24000转的变频主轴，这样设置：

第一步：

先不要急着接PWM转0-10v转换板和你的主轴调速器（直流调速器或交流变频调速器）

设置完成之后，你在MACH3软件中点一下【主轴速度】输入转速比如“24000”，点一下确定，

然后点一下【主轴正转】，此时你指定的并口针脚上（如46楼指定的17）就会有信号产生，点几次【主轴正转】下面的 “ - ”号，使【主轴修调】显示值为“12000”，

zhiyiyunmeng@ · 发表于 2012-10-2 00:31:31

本帖最后由 zhiyiyunmeng@ 于 2012-10-2 00:32 编辑

很意外的发现，MACH3输出的调速PWM波，并不理想，下面通过实验测试数据来总结、猜想、解决MACH3主轴调速的PWM波的线性问题
出于职业习惯，在连接电脑与新做的转换板之前，对MACH3通过并口17号针脚送出的主轴调速PWM波做了简单的测试，结果大跌眼镜！

当MACH3将主轴速度调到最高的时候，输出的PWM波的占空比居然只有88%，我勒个去。。。

如图：PWM波的频率接近1kHz，占空比88%，理论值应该是接近100%的啊（当然不能=100%），否则怎么调速啊？？？？

zhiyiyunmeng@ · 发表于 2012-10-2 00:34:01

瞎分析一番：
我们使用PWM占空比一般只会用到 10%，20%。。。80%，90%，和接近100%，
25级的分辨率，10的分度只会影响输出精度，不会影响输出线性；
换句话说也不至于设置100%实际输出只有88%，应是100% * 24/25 = 96%才对
理论分析有时候不如试验总结来的快，瞎猜一番之后，决定试验测定一下，根据猜想这个东西可能与PWM的频率有关，

理由是PWM是由软件计算产生的，PWM的频率越高，计算机的数据处理负荷越重。。。。【个人猜想，可能谬误】

改变PWM频率和主轴速度修调值，测试结果如下表：

zhiyiyunmeng@ · 发表于 2012-10-2 00:35:36

从测试表上看，PWM频率低一些，线性度会很好，其中100Hz的线性度与50Hz的线性度都可以，不同的是50Hz的最高输出更接近100%；

个人对25Hz与更低的频率不看好，因为PWM的频率太低，经过积分放大之后的直流电压纹波会更高（除非使用更大的积分电容等手段。。。不讨论了）

zhiyiyunmeng@ · 发表于 2012-10-2 00:36:37

所谓的“纹波”（放大后的交流波形）：
我们要的理想输出（PWM转换出来的0-10v直流电压）波形是一条水平直线，但实际上总会纹波电压叠加在上面。

zhiyiyunmeng@ · 发表于 2012-10-2 00:37:32

本帖最后由 zhiyiyunmeng@ 于 2012-10-2 00:42 编辑

言归正传，既然有了线性的PWM波，又有了线性的PWM转DC0-10v的转换板，那么后面应该可以用MACH3来控制主轴的转速了，计划做两个试验：
1、使用 MACH3 +PWM转DC0-10v的转换板控制变频器调速试验；

2、使用 MACH3 + PWM转DC0-10v的转换板控制25LV原机调速器的试验；

力求MACH3界面显示速度与主轴实际速度一致。

zhiyiyunmeng@ · 发表于 2012-10-2 00:43:51

点击MACH3界面上的主轴修调的减速按钮，每按动一次，主轴速度降低10%

zhiyiyunmeng@ · 发表于 2012-10-2 00:45:00

这是PWM转0-10v转换板的雕刻刀路中PCB切割刀路（长方形的落料刀路）的CNC代码：

G00 G90 G94 G71 G40 G54 G80
T4 M06
M03 S18000
G00 F300
G00 Z2
G00 X-2.14 Y2.14
G00 Z0
G01 F140 Z-2.1
G01 F300 X-48.66
G01 Y37.23
G01 X-2.49
G01 X-2.14 Y36.88
G01 Y2.14
G00 Z2
M05
M02
%

代码中红色一行中的 S18000被执行后，主轴转速会自动跟随为18000转，这样你就不用每次使用这个刀路时都要想着调整主轴转速了；

zhiyiyunmeng@ · 发表于 2012-10-2 00:45:22

使用MACH3直接控制主轴的转速另一个方便的地方是：我们可以在同一个CNC文件中，多次修改主轴的转速，以适应加工动作。

比如下面这一段PCB先钻孔，后切割的CNC刀路：

G00 G90 G94 G71 G40 G54 G80
T1 M06
M03 S12000（钻孔，主轴转速12000
G00 F3000
G00 Z2
G00 X-15.11 Y22.74
G00 Z0
。。。。。省略若干行，
G01 X-44.7
G00 Z2
M05
T1 M06
M03 S16000 （切割，主轴转速16000）
G00 F3000
G00 Z2
G00 X-2.14 Y2.14
G00 Z0
G01 F300 Z-1.7
G01 X-48.66
G01 Y37.23
G01 X-2.49
G01 X-2.14 Y36.88
G01 Y2.14
G00 Z2
M05
M02
%

这样雕刻机就会以12000转的主轴转速完成电路板的钻孔，然后自动调整主轴转速到16000转完成切割，很方便吧？

zhiyiyunmeng@ · 发表于 2012-10-2 00:45:38

我使用的雕刻机是PVC的，在咨询我坛高手林大夫之后，将原来的8000转直流主轴换成了号称36000转的变频主轴降格到24000转使用，所以变频器输出最高频率设置为400Hz，对应到主轴的转速则是：

变频器输出400Hz，主轴转速 2万4千转
变频器输出300Hz，主轴转速 1万8千转
。。。。。
依次类推，主轴转速 = 变频器输出频率 * 60；

在实际使用时，我们并不需要这个60的倍数，只要在代码中指定主轴转速值，MACH3就会自动计算输出PWM的占空比，控制变频器的输出。

zhiyiyunmeng@ · 发表于 2012-10-2 00:45:54

至此，使用MACH3控制变频主轴的试验大功告成，完全可以使用了。

但是，新的问题被发现了：如果先开雕刻机驱动箱的电源并使变频器处于RUN状态，

然后启动电脑，在电脑的启动过程中，主轴会突然启动，并以最高转速转一段时间，有一定的危险性！

这个问题的原因是并口输出针脚在电脑启动过程中会有一段时间输出稳定的5v直流电压（相当于100%的PWM）！

比较勉强的办法是，牢记先启动电脑，然后再启动变频器到RUN状态就可以了，

但是这有点不符合DIY到底的精神，

所以X机器同学又要折腾一下用MACH3控制变频器的启动与停止了
所有的变频器都支持外部开关控制启动与停止，当然这个功能一般需要在变频器的编程设置中做一下设置，

设置方法参考您的变频器实用编程手册，都是很简单的；

设置完成后，我们看一下这个变频器配线原理图，

我们只要控制图中M0 与GND 之间的通断就可以了，当需要主轴启动时，就将M0与GND接通，需要停止时，就断开

zhiyiyunmeng@ · 发表于 2012-10-2 00:48:32

转载整理分享给论坛好友看看！也许论坛有网友看过！

手手不乖 · 发表于 2012-10-2 08:25:36

mark,这个可以有

nos001 · 发表于 2012-10-2 17:16:25

还以为自己设计变频器呢

showgu · 发表于 2012-10-2 17:36:32

呵呵，我也以为是，这个示波器不错啊。我在想做一个100价位的单相变频是不是又市场。

chukchi · 发表于 2012-10-6 12:27:52

楼主写的很详细，谢谢分享！

xo37 · 发表于 2012-10-8 19:30:43

帮顶楼主很强大……

hxkj2012 · 发表于 2012-10-12 14:08:09

谢谢分享，学习了。

爱上DIY的汤姆猫 · 发表于 2012-10-19 16:35:27

学习了，谢谢分享！

Honey_comb · 发表于 2012-12-11 14:55:28

正用到

apeng2012 · 发表于 2012-12-25 16:49:49

楼主辛苦。好帖呀！

wzavr · 发表于 2013-3-10 14:55:09

lz的示波器看了好舒服啊

cqwp1211 · 发表于 2013-3-10 23:40:07

好贴，学习了

mc34 · 发表于 2013-3-11 05:52:01

示波器好东西啊。
想入MSOX3系列的，还没凑齐米，4系列的又出了。

liyute · 发表于 2013-4-1 08:28:57

记号，参考学习

wangqing_gxu · 发表于 2013-4-1 11:28:27

用MEGA64做过PWM输出经运放后去控制变频器的,
变频器我都没见过,只是用示波器在0-10V输出电压那里看一下,整个项目居然OK.简直不相信自己.
刚开始还考虑去哪里找三相电做调试呢.

小丶北 · 发表于 2013-4-1 14:53:27

mark~~~学习

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