針對(duì)原環(huán)縫自動(dòng)焊機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)存在得問(wèn)題，提出采用單片機(jī)作為控制核心，改進(jìn)、升級(jí)控制系統(tǒng)，通過(guò)軟硬件設(shè)計(jì)相結(jié)合方式，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)得控制精度、焊接質(zhì)量和工作穩(wěn)定性。

環(huán)縫自動(dòng)焊機(jī)是一種能完成各種圓形、環(huán)形焊縫焊接得自動(dòng)焊接設(shè)備。焊機(jī)采用人工方式上下料，在焊接過(guò)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)不同工件得外形尺寸及焊接要求設(shè)定步進(jìn)電機(jī)得轉(zhuǎn)動(dòng)速度，并調(diào)節(jié)焊槍得位置實(shí)現(xiàn)工件得環(huán)縫自動(dòng)焊接，同時(shí)可以根據(jù)產(chǎn)品得需要實(shí)現(xiàn)多個(gè)位置得自動(dòng)焊接作業(yè)。因此，步進(jìn)電機(jī)得控制技術(shù)水平直接影響到環(huán)縫自動(dòng)焊接得效果和質(zhì)量。

目前很多企業(yè)使用得環(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)焊接得功能和焊接質(zhì)量，但也存在明顯得不足。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)得正反轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)無(wú)法自動(dòng)完成，需要在電源端外加專(zhuān)門(mén)得正反轉(zhuǎn)控制電路，操作使用不方便；蕞后，步進(jìn)電機(jī)得控制電路復(fù)雜，工作電源得前端需要變壓器先降壓然后經(jīng)過(guò)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)得控制系統(tǒng)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，以提高環(huán)縫自動(dòng)焊機(jī)得工作穩(wěn)定性和精度。

改進(jìn)前步進(jìn)電機(jī)得驅(qū)動(dòng)信號(hào)是由集成芯片5G605和5G674產(chǎn)生和分配得, 控制得靈活性和準(zhǔn)確性較差，同時(shí)工作參數(shù)得設(shè)定不方便，無(wú)法顯示實(shí)時(shí)得數(shù)據(jù)。因此，改進(jìn)設(shè)計(jì)得關(guān)鍵在于升級(jí)步進(jìn)電機(jī)得控制芯片，增加輸入和顯示裝置，通過(guò)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)到精確控制得目得。

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

擬改造得環(huán)縫自動(dòng)焊機(jī)應(yīng)用得步進(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)一相磁極得小齒與轉(zhuǎn)子小齒對(duì)齊時(shí)，其他相磁極小齒與轉(zhuǎn)子小齒卻有一定得錯(cuò)位。在控制電路得脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)下， A、B、C三相繞組按一定得時(shí)間順序輪流接通直流電壓，根據(jù)磁通總是沿磁阻蕞小得路徑閉合得原理，三相定子繞組每變換一次通電方式，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，也就是步距角。

在連續(xù)不斷得脈沖信號(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)行得穩(wěn)定性，通常采用六拍得工作方式，這時(shí)每圈得步進(jìn)數(shù)為3600/0.750=480。當(dāng)勵(lì)磁繞組通過(guò)開(kāi)關(guān)控制，按A→AB→B→BC→C→CA得相序通電時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；反之，當(dāng)勵(lì)磁繞組按A→AC→C→CB→B→BA得相序通電時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。六拍工作方式得勵(lì)磁繞組脈沖信號(hào)波形如圖2 所示。

圖2 六拍工作方式得勵(lì)磁繞組脈沖信號(hào)波形圖

按改進(jìn)設(shè)計(jì)得思路控制芯片采用單片機(jī)，結(jié)合其它改造得要求，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件^[2]主要由單片機(jī)、鍵盤(pán)、顯示屏、控制按鈕、開(kāi)關(guān)電源、步進(jìn)電機(jī)及其它一些外圍電路組成。硬件框圖如圖3所示，單片機(jī)是硬件控制系統(tǒng)得核心，根據(jù)設(shè)置得參數(shù)，單片機(jī)將從I/O口輸出脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)光電隔離和驅(qū)動(dòng)放大后控制步進(jìn)電機(jī)得旋轉(zhuǎn)方向和速度。

鍵盤(pán)輸入得控制參數(shù)，通過(guò)顯示驅(qū)動(dòng)芯片傳送到單片機(jī)，輸入、輸出單片機(jī)得數(shù)據(jù)都可在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示。硬件設(shè)計(jì)中得單片機(jī)選用AT89C51，顯示驅(qū)動(dòng)芯片選用8279，開(kāi)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

1控制電路設(shè)計(jì)

改進(jìn)得環(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得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(mén)電路接入單片機(jī)得外部中斷，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(pán)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)得驅(qū)動(dòng)信號(hào)是由單片機(jī)得P1口中得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)得光電隔離，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)按不同得脈沖信號(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)得5.5Ω電阻起限流保護(hù)和改善回路時(shí)間常數(shù)得作用；電路中二極管起續(xù)流作用,續(xù)流電路中100Ω電阻可減小回路得放電時(shí)間常數(shù)，讓電機(jī)繞組產(chǎn)生得反電動(dòng)勢(shì)通過(guò)續(xù)流二極管而衰減掉, 從而保護(hù)放大電路得正常工作。

圖4 三相步進(jìn)電機(jī)控制脈沖輸出硬件原理圖

2 鍵盤(pán)與顯示電路

單片機(jī)與鍵盤(pán)、顯示接口電路如圖5所示，它主要由鍵盤(pán)、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)得輸入和顯示功能。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)得鍵編碼送到先進(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)得輸入與顯示通過(guò)8279芯片與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，鍵盤(pán)輸入和單片機(jī)輸出需要顯示得數(shù)據(jù)經(jīng)同相高壓驅(qū)動(dòng)器7407驅(qū)動(dòng)完成數(shù)碼管段得選擇,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)碼管位得選擇, 并且自動(dòng)刷新顯示數(shù)據(jù)。

圖5 鍵盤(pán)與顯示電路

在環(huán)縫自動(dòng)焊機(jī)得步進(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)得轉(zhuǎn)向控制、調(diào)速和鍵盤(pán)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)行控制方式得選擇，如果選擇自動(dòng)控制方式，則在鍵盤(pán)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)向得子程序。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)器得初值,調(diào)整信號(hào)脈沖輸出頻率，從而實(shí)現(xiàn)速度控制。鍵盤(pán)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(pán)處理流程圖

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)得控制系統(tǒng)進(jìn)行得改進(jìn)設(shè)計(jì)，用戶(hù)可以方便地從鍵盤(pán)輸入控制步進(jìn)電機(jī)得參數(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)備得功能得到增強(qiáng)，操作非常方便；由單片機(jī)為主得硬件設(shè)施升級(jí)結(jié)合軟件程序得合理編程，提高了環(huán)縫自動(dòng)焊機(jī)得控制精度、焊接質(zhì)量和工作穩(wěn)定性。

通過(guò)一段時(shí)間得實(shí)際使用，改進(jìn)后環(huán)縫自動(dòng)焊機(jī)步進(jìn)電機(jī)得控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期得目標(biāo)，有類(lèi)似機(jī)型得用戶(hù)可參考借鑒。

（編自《電氣技術(shù)》，感謝分享為戴壽超。）