立式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、国内有很大的市场。目前市场上主要存在液压型、全电动型和混合型3种主要的立式注塑机类型。美国AmitKANUNGO博士在2008年的一篇文章中详细对比了3种立式注塑机的能耗，指出在中小型工件注塑中，全电动型立式注塑机相比于液压型立式注塑机可实现60%～70%节能效果，混合型立式注塑机则可达到40%～50%的节能效果。液压型立式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。立式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立式注塑机而转用全电动型立式注塑机。所以如何将液压立式注塑机改造成为混合型立式注塑机，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一个关键问题。作者将对两种PWM波形的电压转换方法进行分析和实验，提出最合适立式注塑机改造的方案。

1    硬件电路改造及PWM波形分析

1.1    系统硬件电路改造

        将以某液压型立式注塑机控制系统为例进行分析。该种立式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立式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0～800mA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。改造后的系统将PWM信号取出后通过一个PWM波形电压转换器将不同脉宽的PWM信号转换为基本成线性关系的直流电压输出至变频器或伺服控制器，从而改变电机转速，进而通过液压泵转速的变化调节系统压力值。

1.2    PWM波形分析

        流量信号给定值为0时，脉冲周期大约为4.58ms，脉冲宽度为3.15ms。在执行座退任务时，流量信号给定值为30MPa，脉冲周期仍为4.58ms，脉冲宽度变为2.18ms。在进行PWM波形电压转换时，由于系统要求快速响应，响应时间一般要低于300ms，所以在脉冲宽度变化时，转换器的时间延迟过大会对系统产生不良影响。这一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一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

        常用的模拟型PWM波变换器有两种。简单的RC滤波电路。RC双重滤波加电压跟随器的方式。T=R×C，即输入信号变化时，输出跟踪上输入所需要的时间。R=100kΩ时，C=1μF的信号跟踪图线。可看出:系统跟踪时间大约为0.989s，直流电压输出纹波绝对值达到40mV，纹波系数为3.3%。可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1s的时间延迟，大大超出了系统的要求，将会严重影响立式注塑机系统的工作。若要减少跟踪时间T，则需减小电容，但输出电压纹波将会更大。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。硬件电路将流量的PWM信号通过一个光耦开关输入至单片机的P0.0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，由于PWM信号是变化的，其最小宽度只有0.16ms，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11.0592MHz的晶振，可以在0.16ms内产生13个计数值，才能够满足要求。D/A输出芯片需采用16位的D/A转换模块，以适应该系统最小0.16ms的脉冲宽度。

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入的PWM波形，寻找波形变化的时间点，在信号由低电平变为高电平的t0时，开始启动单片机内部定时器T0，直到信号由高电平再次变为低电平的t1时停止定时器T0，并输出定时器的计数值N。定时器T0的分辨率是时钟振荡频率的1/12，即其每个计数值代表11.94ns，通过公式:T=N×tj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4.58ms，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。从数据来看，纹波绝对值为10mV，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

        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、信号基本固定的场合。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场合。综合优缺点，单片机系统更加适合于立式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。