環(huán)縫自動(dòng)焊機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 控制系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

戴壽超

（閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 龍巖 364021）

1 引言

環(huán)縫自動(dòng)焊機(jī)是一種能完成各種圓形、環(huán)形焊縫焊接的自動(dòng)焊接設(shè)備。焊機(jī)采用人工方式上下料，在焊接過程中由步進(jìn)電機(jī)控制工件轉(zhuǎn)動(dòng)，焊槍固定不動(dòng)，根據(jù)不同工件的外形尺寸及焊接要求設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，并調(diào)節(jié)焊槍的位置實(shí)現(xiàn)工件的環(huán)縫自動(dòng)焊接，同時(shí)可以根據(jù)產(chǎn)品的需要實(shí)現(xiàn)多個(gè)位置的自動(dòng)焊接作業(yè)。因此，步進(jìn)電機(jī)[1]的控制技術(shù)水平直接影響到環(huán)縫自動(dòng)焊接的效果和質(zhì)量。目前很多企業(yè)使用的環(huán)縫自動(dòng)焊機(jī)控制系統(tǒng)采用數(shù)字集成電路驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，大多數(shù)情況下能夠保證環(huán)縫自動(dòng)焊接的功能和焊接質(zhì)量，但也存在明顯的不足。首先，在低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，速度相對(duì)不穩(wěn)定，影響焊接精度和質(zhì)量；其次，步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)無法自動(dòng)完成，需要在電源端外加專門的正反轉(zhuǎn)控制電路，操作使用不方便；最后，步進(jìn)電機(jī)的控制電路復(fù)雜，工作電源的前端需要變壓器先降壓然后經(jīng)過橋式整流，控制裝置體積大，功能少，性能相對(duì)較差，維修不便。因此，有必要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，以提高環(huán)縫自動(dòng)焊機(jī)的工作穩(wěn)定性和精度。

改進(jìn)前步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是由集成芯片5G605和5G674產(chǎn)生和分配的,控制的靈活性和準(zhǔn)確性較差，同時(shí)工作參數(shù)的設(shè)定不方便，無法顯示實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)。因此，改進(jìn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于升級(jí)步進(jìn)電機(jī)的控制芯片，增加輸入和顯示裝置，通過合理編程，整合正反轉(zhuǎn)控制功能，采用軟硬件結(jié)合方式達(dá)到精確控制的目的。

改進(jìn)設(shè)計(jì)先從步進(jìn)電機(jī)的工作原理出發(fā)，分別進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)，最后總結(jié)新系統(tǒng)的控制效果。

2 步進(jìn)電機(jī)的工作原理

擬改造的環(huán)縫自動(dòng)焊機(jī)應(yīng)用的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為110BF004，驅(qū)動(dòng)電壓為30V，電流為4A，步距角為0.75°/1.5°，圖1是步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

步進(jìn)電機(jī)定子上均勻分布3個(gè)勵(lì)磁繞組，6個(gè)磁極，轉(zhuǎn)子也均勻分布著80個(gè)轉(zhuǎn)子小齒，其齒距與定子磁極小齒齒距相同，當(dāng)一相磁極的小齒與轉(zhuǎn)子小齒對(duì)齊時(shí)，其他相磁極小齒與轉(zhuǎn)子小齒卻有一定的錯(cuò)位。在控制電路的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)下， A、B、C三相繞組按一定的時(shí)間順序輪流接通直流電壓，根據(jù)磁通總是沿磁阻最小的路徑閉合的原理，三相定子繞組每變換一次通電方式，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，也就是步距角。步距角

式中，ZR為轉(zhuǎn)子小齒數(shù)，Km為運(yùn)行拍數(shù)。

在連續(xù)不斷的脈沖信號(hào)作用下，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。其轉(zhuǎn)速與驅(qū)動(dòng)脈動(dòng)信號(hào)頻率成正比，旋轉(zhuǎn)方向則由三相定子繞組通電循環(huán)順序所決定。步進(jìn)電機(jī)有三種工作方式，分別為單三拍、雙三拍和六拍。為保證步進(jìn)電機(jī)低速運(yùn)行的穩(wěn)定性，通常采用六拍的工作方式，這時(shí)每圈的步進(jìn)數(shù)為3600/0.750=480。當(dāng)勵(lì)磁繞組通過開關(guān)控制，按A→AB→B→BC→C→CA的相序通電時(shí)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；反之，當(dāng)勵(lì)磁繞組按A→AC→ C→CB→B→BA的相序通電時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。六拍工作方式的勵(lì)磁繞組脈沖信號(hào)波形如圖2所示。

圖2 六拍工作方式的勵(lì)磁繞組脈沖信號(hào)波形圖

3 硬件設(shè)計(jì)

按改進(jìn)設(shè)計(jì)的思路控制芯片采用單片機(jī)，結(jié)合其他改造的要求，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件[2]主要由單片機(jī)、鍵盤、顯示屏、控制按鈕、開關(guān)電源、步進(jìn)電機(jī)及其他一些外圍電路組成。硬件框圖如圖3所示，單片機(jī)是硬件控制系統(tǒng)的核心，根據(jù)設(shè)置的參數(shù)，單片機(jī)將從I/O口輸出脈沖信號(hào)經(jīng)過光電隔離和驅(qū)動(dòng)放大后控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和速度。鍵盤輸入的控制參數(shù)，通過顯示驅(qū)動(dòng)芯片傳送到單片機(jī)，輸入、輸出單片機(jī)的數(shù)據(jù)都可在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示。硬件設(shè)計(jì)中的單片機(jī)選用AT89C51[3]，顯示驅(qū)動(dòng)芯片選用8279，開關(guān)電源采用上海衡孚HF300W-D-A。

圖3 步進(jìn)電機(jī)控制硬件控制框圖

3.1 控制電路設(shè)計(jì)

改進(jìn)的環(huán)縫自動(dòng)焊機(jī)是由單片機(jī)輸出信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)，具有手動(dòng)和自動(dòng)焊接功能。控制電路如圖4所示，單片機(jī)AT89C51的P1.0-P1.4設(shè)置了正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止功能按鈕,完成手動(dòng)操作功能，并把這些信號(hào)通過與門電路接入單片機(jī)的外部中斷，當(dāng)有按鈕按下時(shí)，單片機(jī)通過掃描檢測(cè)，確定步進(jìn)電機(jī)工作方式。當(dāng)工件需要連續(xù)焊接時(shí)，選擇自動(dòng)焊接方式，通過鍵盤設(shè)置參數(shù)，人工將工件安裝好，按下啟動(dòng)鍵，系統(tǒng)自動(dòng)完成焊接。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是由單片機(jī)的P1口中的P1.5-P1.7輸出，經(jīng)過74LS14反相后控制TLP621光電耦合器進(jìn)行信號(hào)的光電隔離，低頻高反壓功率管BU406將脈沖信號(hào)進(jìn)行功率放大，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)各個(gè)相，使電機(jī)按不同的脈沖信號(hào)分別作正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速和停止等動(dòng)作。與勵(lì)磁繞組串聯(lián)的5.5Ω電阻起限流保護(hù)和改善回路時(shí)間常數(shù)的作用；電路中二極管起續(xù)流作用,續(xù)流電路中100Ω電阻可減小回路的放電時(shí)間常數(shù)，讓電機(jī)繞組產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)通過續(xù)流二極管而衰減掉，從而保護(hù)放大電路的正常工作。

圖4 三相步進(jìn)電機(jī)控制脈沖輸出硬件原理圖

圖5 鍵盤與顯示電路

3.2 鍵盤與顯示電路

單片機(jī)與鍵盤、顯示接口電路如圖5所示，它主要由鍵盤、LED數(shù)碼管和驅(qū)動(dòng)芯片8279[4]等組成，能完成步進(jìn)電機(jī)控制參數(shù)的輸入和顯示功能。每按下一個(gè)鍵，8279芯片能自動(dòng)識(shí)別鍵號(hào)，產(chǎn)生相應(yīng)的鍵編碼送到先進(jìn)先出寄存器FIFO中，同時(shí)發(fā)送中斷請(qǐng)求信號(hào)IRQ到單片機(jī)。當(dāng)單片機(jī)響應(yīng)中斷信號(hào)，執(zhí)行中斷服務(wù)程序，并從FIFO中讀取編碼數(shù)據(jù)之后，IRQ信號(hào)自動(dòng)撤消。步進(jìn)電機(jī)參數(shù)的輸入與顯示通過8279芯片與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，鍵盤輸入和單片機(jī)輸出需要顯示的數(shù)據(jù)經(jīng)同相高壓驅(qū)動(dòng)器7407驅(qū)動(dòng)完成數(shù)碼管段的選擇，同時(shí)譯碼器74LS138掃描SL0-SL2輸出信號(hào)后經(jīng)74LS244驅(qū)動(dòng)完成對(duì)數(shù)碼管位的選擇，并且自動(dòng)刷新顯示數(shù)據(jù)。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

在環(huán)縫自動(dòng)焊機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)主要完成步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制、調(diào)速和鍵盤處理等任務(wù)[5]，程序設(shè)計(jì)流程如圖6所示。系統(tǒng)啟動(dòng)后，先進(jìn)行控制方式的選擇，如果選擇自動(dòng)控制方式，則在鍵盤設(shè)置參數(shù)，通過中斷方式傳送到單片機(jī)進(jìn)行處理，同時(shí)調(diào)用顯示子程序?qū)?shù)據(jù)顯示出來。如果選擇手動(dòng)控制方式，先對(duì)按鈕進(jìn)行掃描，判斷是否有按鈕按下，轉(zhuǎn)向是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，分別調(diào)用不同轉(zhuǎn)向的子程序。由于信號(hào)脈沖頻率與轉(zhuǎn)速成正比，因此調(diào)速采用定時(shí)器中斷方法，在中斷服務(wù)子程序中不斷改變定時(shí)器的初值,調(diào)整信號(hào)脈沖輸出頻率，從而實(shí)現(xiàn)速度控制。鍵盤處理流程如圖7所示，當(dāng)有鍵按下時(shí),確定按鍵值,根據(jù)所得鍵值進(jìn)行中斷處理并顯示。

圖6 程序設(shè)計(jì)流程圖

圖7 鍵盤處理流程圖

4 控制效果

通過采用單片機(jī)對(duì)環(huán)縫自動(dòng)焊機(jī)步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行的改進(jìn)設(shè)計(jì)，用戶可以方便地從鍵盤輸入控制步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)，在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，同時(shí)可以根據(jù)焊接加工需要選擇手動(dòng)和自動(dòng)焊接模式，電路中還整合正反轉(zhuǎn)切換功能，因此設(shè)備的功能得到增強(qiáng)，操作非常方便；由單片機(jī)為主的硬件設(shè)施升級(jí)結(jié)合軟件程序的合理編程，提高了環(huán)縫自動(dòng)焊機(jī)的控制精度、焊接質(zhì)量和工作穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

通過一段時(shí)間的實(shí)際使用，改進(jìn)后環(huán)縫自動(dòng)焊機(jī)步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，有類似機(jī)型的用戶可參考借鑒。

[1] 坂本正文.步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社,2010.5.

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[3] 張永華.步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)[J].裝備制造技術(shù),2010,5：71-72.

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[5] 孟武勝等.基于AT89C52單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微電機(jī),2007,40(3)：64-66.