環縫自動焊機步進電動機 控制系統的改進設計

戴壽超

（閩西職業技術學院，福建 龍巖 364021）

1 引言

環縫自動焊機是一種能完成各種圓形、環形焊縫焊接的自動焊接設備。焊機采用人工方式上下料，在焊接過程中由步進電機控制工件轉動，焊槍固定不動，根據不同工件的外形尺寸及焊接要求設定步進電機的轉動速度，并調節焊槍的位置實現工件的環縫自動焊接，同時可以根據產品的需要實現多個位置的自動焊接作業。因此，步進電機[1]的控制技術水平直接影響到環縫自動焊接的效果和質量。目前很多企業使用的環縫自動焊機控制系統采用數字集成電路驅動步進電機，大多數情況下能夠保證環縫自動焊接的功能和焊接質量，但也存在明顯的不足。首先，在低速轉動時，速度相對不穩定，影響焊接精度和質量；其次，步進電機的正反轉控制系統無法自動完成，需要在電源端外加專門的正反轉控制電路，操作使用不方便；最后，步進電機的控制電路復雜，工作電源的前端需要變壓器先降壓然后經過橋式整流，控制裝置體積大，功能少，性能相對較差，維修不便。因此，有必要對步進電機的控制系統進行改造設計，以提高環縫自動焊機的工作穩定性和精度。

改進前步進電機的驅動信號是由集成芯片5G605和5G674產生和分配的,控制的靈活性和準確性較差，同時工作參數的設定不方便，無法顯示實時的數據。因此，改進設計的關鍵在于升級步進電機的控制芯片，增加輸入和顯示裝置，通過合理編程，整合正反轉控制功能，采用軟硬件結合方式達到精確控制的目的。

改進設計先從步進電機的工作原理出發，分別進行硬件設計與軟件設計，最后總結新系統的控制效果。

2 步進電機的工作原理

擬改造的環縫自動焊機應用的步進電機型號為110BF004，驅動電壓為30V，電流為4A，步距角為0.75°/1.5°，圖1是步進電機內部結構示意圖。

圖1 步進電機內部結構示意圖

步進電機定子上均勻分布3個勵磁繞組，6個磁極，轉子也均勻分布著80個轉子小齒，其齒距與定子磁極小齒齒距相同，當一相磁極的小齒與轉子小齒對齊時，其他相磁極小齒與轉子小齒卻有一定的錯位。在控制電路的脈沖信號驅動下， A、B、C三相繞組按一定的時間順序輪流接通直流電壓，根據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，轉子轉過一個角度，也就是步距角。步距角

式中，ZR為轉子小齒數，Km為運行拍數。

在連續不斷的脈沖信號作用下，實現電機轉動。其轉速與驅動脈動信號頻率成正比，旋轉方向則由三相定子繞組通電循環順序所決定。步進電機有三種工作方式，分別為單三拍、雙三拍和六拍。為保證步進電機低速運行的穩定性，通常采用六拍的工作方式，這時每圈的步進數為3600/0.750=480。當勵磁繞組通過開關控制，按A→AB→B→BC→C→CA的相序通電時，電動機正轉；反之，當勵磁繞組按A→AC→ C→CB→B→BA的相序通電時，電機反轉。六拍工作方式的勵磁繞組脈沖信號波形如圖2所示。

圖2 六拍工作方式的勵磁繞組脈沖信號波形圖

3 硬件設計

按改進設計的思路控制芯片采用單片機，結合其他改造的要求，步進電機控制系統硬件[2]主要由單片機、鍵盤、顯示屏、控制按鈕、開關電源、步進電機及其他一些外圍電路組成。硬件框圖如圖3所示，單片機是硬件控制系統的核心，根據設置的參數，單片機將從I/O口輸出脈沖信號經過光電隔離和驅動放大后控制步進電機的旋轉方向和速度。鍵盤輸入的控制參數，通過顯示驅動芯片傳送到單片機，輸入、輸出單片機的數據都可在顯示屏上實時顯示。硬件設計中的單片機選用AT89C51[3]，顯示驅動芯片選用8279，開關電源采用上海衡孚HF300W-D-A。

圖3 步進電機控制硬件控制框圖

3.1 控制電路設計

改進的環縫自動焊機是由單片機輸出信號控制步進電機轉動，從而帶動工件旋轉，具有手動和自動焊接功能?？刂齐娐啡鐖D4所示，單片機AT89C51的P1.0-P1.4設置了正轉、反轉、加速、減速、停止功能按鈕,完成手動操作功能，并把這些信號通過與門電路接入單片機的外部中斷，當有按鈕按下時，單片機通過掃描檢測，確定步進電機工作方式。當工件需要連續焊接時，選擇自動焊接方式，通過鍵盤設置參數，人工將工件安裝好，按下啟動鍵，系統自動完成焊接。步進電機的驅動信號是由單片機的P1口中的P1.5-P1.7輸出，經過74LS14反相后控制TLP621光電耦合器進行信號的光電隔離，低頻高反壓功率管BU406將脈沖信號進行功率放大，驅動步進電機各個相，使電機按不同的脈沖信號分別作正轉、反轉、加速、減速和停止等動作。與勵磁繞組串聯的5.5Ω電阻起限流保護和改善回路時間常數的作用；電路中二極管起續流作用,續流電路中100Ω電阻可減小回路的放電時間常數，讓電機繞組產生的反電動勢通過續流二極管而衰減掉，從而保護放大電路的正常工作。

圖4 三相步進電機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

單片機與鍵盤、顯示接口電路如圖5所示，它主要由鍵盤、LED數碼管和驅動芯片8279[4]等組成，能完成步進電機控制參數的輸入和顯示功能。每按下一個鍵，8279芯片能自動識別鍵號，產生相應的鍵編碼送到先進先出寄存器FIFO中，同時發送中斷請求信號IRQ到單片機。當單片機響應中斷信號，執行中斷服務程序，并從FIFO中讀取編碼數據之后，IRQ信號自動撤消。步進電機參數的輸入與顯示通過8279芯片與單片機進行數據交換，鍵盤輸入和單片機輸出需要顯示的數據經同相高壓驅動器7407驅動完成數碼管段的選擇，同時譯碼器74LS138掃描SL0-SL2輸出信號后經74LS244驅動完成對數碼管位的選擇，并且自動刷新顯示數據。

3.3 軟件設計

在環縫自動焊機的步進電機控制系統中，系統程序設計主要完成步進電機的轉向控制、調速和鍵盤處理等任務[5]，程序設計流程如圖6所示。系統啟動后，先進行控制方式的選擇，如果選擇自動控制方式，則在鍵盤設置參數，通過中斷方式傳送到單片機進行處理，同時調用顯示子程序將數據顯示出來。如果選擇手動控制方式，先對按鈕進行掃描，判斷是否有按鈕按下，轉向是正轉還是反轉，分別調用不同轉向的子程序。由于信號脈沖頻率與轉速成正比，因此調速采用定時器中斷方法，在中斷服務子程序中不斷改變定時器的初值,調整信號脈沖輸出頻率，從而實現速度控制。鍵盤處理流程如圖7所示，當有鍵按下時,確定按鍵值,根據所得鍵值進行中斷處理并顯示。

圖6 程序設計流程圖

圖7 鍵盤處理流程圖

4 控制效果

通過采用單片機對環縫自動焊機步進電機的控制系統進行的改進設計，用戶可以方便地從鍵盤輸入控制步進電機的參數，在顯示屏上實時顯示數據，同時可以根據焊接加工需要選擇手動和自動焊接模式，電路中還整合正反轉切換功能，因此設備的功能得到增強，操作非常方便；由單片機為主的硬件設施升級結合軟件程序的合理編程，提高了環縫自動焊機的控制精度、焊接質量和工作穩定性。

5 結論

通過一段時間的實際使用，改進后環縫自動焊機步進電機的控制系統運行穩定，達到了預期的目標，有類似機型的用戶可參考借鑒。

[1] 坂本正文.步進電機應用技術[M].北京：科學出版社,2010.5.

[2] 許洪斌,等.步進電機控制系統設計[J].重慶工學院學報,2008,22(5)：32-34.

[3] 張永華.步進電機運動控制系統硬件部分的設計[J].裝備制造技術,2010,5：71-72.

[4] 熊慶國.多片8279與單片機及鍵盤/顯示器接口電路設計[J].武漢科技大學學報,2002,25(3)：293-294.

[5] 孟武勝等.基于AT89C52單片機的步進電機控制系統設計[J].微電機,2007,40(3)：64-66.