針對(duì)原環(huán)縫自動(dòng)焊機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題，采用單片機(jī)作為控制核心，改進(jìn)控制系統(tǒng)，升級(jí)，軟硬件設(shè)計(jì)相結(jié)合，合理編程，增加輸入和顯示裝置，實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制功能，提高環(huán)縫自動(dòng)焊機(jī)的控制精度、焊接質(zhì)量和操作穩(wěn)定性

環(huán)縫自動(dòng)焊接機(jī)是能完成各種圓形、圓形焊接的自動(dòng)焊接設(shè)備。焊接機(jī)采用手動(dòng)上下，在焊接過(guò)程中由步進(jìn)電機(jī)控制工件旋轉(zhuǎn)，焊槍固定，根據(jù)各種工件的外形和焊接要求設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)整焊槍的位置，自動(dòng)焊接工件的環(huán)形縫。同時(shí)，根據(jù)產(chǎn)品的需要，可以在多個(gè)位置執(zhí)行自動(dòng)焊接操作。因此步進(jìn)電機(jī)的控制技術(shù)水平直接影響環(huán)縫自動(dòng)焊接的效果和質(zhì)量。

目前，許多企業(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)，在大多數(shù)情況下，環(huán)縫自動(dòng)焊接的功能和焊接質(zhì)量可以得到保證，但存在相當(dāng)大的缺陷。第一，低速旋轉(zhuǎn)時(shí)速度相對(duì)不穩(wěn)定，影響焊接精度和質(zhì)量。第二，步進(jìn)電機(jī)的正向控制系統(tǒng)不能自動(dòng)完成，需要在電源側(cè)添加專用的正向控制電路，操作不便。最后，步進(jìn)電機(jī)的控制電路復(fù)雜，工作電源前端需要變壓器先降低壓力，經(jīng)過(guò)橋式整流，控制裝置體積大，功能少，性能相對(duì)差，維修不方便。因此，為了提高環(huán)縫自動(dòng)焊機(jī)的工作穩(wěn)定性和精度，必須對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。

改進(jìn)后的前步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由集成芯片5G605和5G674生成和分配，控制靈活性和準(zhǔn)確性差，同時(shí)操作參數(shù)設(shè)置不方便，無(wú)法顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。因此，改進(jìn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是升級(jí)步進(jìn)電機(jī)的控制芯片，增加輸入和顯示設(shè)備，通過(guò)合理的編程整合正向反轉(zhuǎn)控制功能，并結(jié)合軟硬件實(shí)現(xiàn)精確控制。

改進(jìn)后的設(shè)計(jì)首先從步進(jìn)電機(jī)的工作原理入手，分別進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，最后總結(jié)了新系統(tǒng)的控制效果。

1步進(jìn)電機(jī)工作原理

應(yīng)用于要改造的環(huán)縫自動(dòng)焊機(jī)的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為110BF004，驅(qū)動(dòng)電壓為30V，電流為4A，步進(jìn)角度為0.75，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)定子上分布著3個(gè)女繞組、6個(gè)磁極、轉(zhuǎn)子也均勻分布著80個(gè)轉(zhuǎn)子小齒，其距離等于定子極小齒距。當(dāng)一相磁極的小牙齒與轉(zhuǎn)子小牙齒對(duì)齊時(shí)，其他上極小牙齒與轉(zhuǎn)子小牙齒有一定的錯(cuò)位。由控制電路的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)的A、B、C三相繞組按一定的時(shí)間順序交替連接DC電壓，磁通總是按照磁電阻最小的路徑閉合的原理，三相定子繞組每次通電一次，轉(zhuǎn)子就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，即相位角度。

在連續(xù)脈沖信號(hào)的作用下實(shí)現(xiàn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)速與驅(qū)動(dòng)脈動(dòng)信號(hào)頻率成正比，旋轉(zhuǎn)方向由三相定子繞組的電源循環(huán)順序決定。步進(jìn)電機(jī)有三種工作方式：?jiǎn)稳淖?、雙三拍子和六拍子。

為了保證步進(jìn)電機(jī)低速運(yùn)行的穩(wěn)定性，一般采用6拍的工作方式，在這種情況下，一圈的步進(jìn)為3600。如果女子繞組通過(guò)開(kāi)關(guān)控制，并且按照AABBBCCCA的相位順序通電，電機(jī)將正向旋轉(zhuǎn)。相反，如果磁繞組按照AACCCBBBA的相順序通電，電機(jī)將反轉(zhuǎn)。六拍工作方式的女子繞組脈沖信號(hào)波形如圖2所示。

圖2 6位工作方式的勵(lì)磁繞組脈沖信號(hào)波形圖

2硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)改進(jìn)的設(shè)計(jì)思想控制芯片，結(jié)合單片機(jī)、其他改造要求，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(kāi)關(guān)電源、步進(jìn)電機(jī)和其他周邊電路組成。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)定的參數(shù)，單片機(jī)從I/O端口輸出脈沖信號(hào)，通過(guò)光電隔離和擴(kuò)大驅(qū)動(dòng)來(lái)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(guò)顯示驅(qū)動(dòng)芯片傳遞到單片機(jī)，輸入和輸出單片機(jī)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在顯示屏上。硬件設(shè)計(jì)的單片機(jī)使用AT89C51，顯示屏驅(qū)動(dòng)芯片選擇8279，開(kāi)關(guān)電源使用上海恒福HF300W-D-A。

圖3步進(jìn)電機(jī)控制硬件控制框圖

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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?？刂齐娐啡鐖D4所示，單片機(jī)AT89C51的P1.0至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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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

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(guò)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)。

圖5 鍵盤與顯示電路

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)，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(guò)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(lái)。

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

控制效果

通過(guò)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。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)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。

（編自《電氣技術(shù)》，作者為戴壽超。）