環(huán)縫自動焊機是一種能完成各種圓形、環(huán)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(zhuǎn)動，焊槍固定不動，根據(jù)不同工件的外形尺寸及焊接要求設定步進電機的轉(zhuǎn)動速度，并調(diào)節(jié)焊槍的位置實現(xiàn)工件的環(huán)縫自動焊接，同時可以根據(jù)產(chǎn)品的需要實現(xiàn)多個位置的自動焊接作業(yè)。因此，步進電機的控制技術水平直接影響到環(huán)縫自動焊接的效果和質(zhì)量。

目前很多企業(yè)使用的環(huán)縫自動焊機控制系統(tǒng)采用數(shù)字集成電路驅(qū)動步進電機，大多數(shù)情況下能夠保證環(huán)縫自動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)動時，速度相對不穩(wěn)定，影響焊接精度和質(zhì)量；其次，步進電機的正反轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)無法自動完成，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(jīng)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(tǒng)進行改造設計，以提高環(huán)縫自動焊機的工作穩(wěn)定性和精度。

改進前步進電機的驅(qū)動信號是由集成芯片5G605和5G674產(chǎn)生和分配的, 控制的靈活性和準確性較差，同時工作參數(shù)的設定不方便，無法顯示實時的數(shù)據(jù)。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(zhuǎn)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(fā)，分別進行硬件設計與軟件設計，最后總結新系統(tǒng)的控制效果。

1步進電機的工作原理

擬改造的環(huán)縫自動焊機應用的步進電機型號為110BF004，驅(qū)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(nèi)部結構示意圖。

圖1 步進電機內(nèi)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(zhuǎn)子也均勻分布著80個轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子小齒對齊時，其他相磁極小齒與轉(zhuǎn)子小齒卻有一定的錯位。在控制電路的脈沖信號驅(qū)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(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)過一個角度，也就是步距角。

在連續(xù)不斷的脈沖信號作用下，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)動。其轉(zhuǎn)速與驅(qū)動脈動信號頻率成正比，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(wěn)定性，通常采用六拍的工作方式，這時每圈的步進數(shù)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，電機正轉(zhuǎn)；反之，當勵磁繞組按A→AC→C→CB→B→BA的相序通電時，電機反轉(zhuǎn)。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

2 硬件設計

按改進設計的思路控制芯片采用單片機，結合其它改造的要求，步進電機控制系統(tǒng)硬件^[2]主要由單片機、鍵盤、顯示屏、控制按鈕、開關電源、步進電機及其它一些外圍電路組成。硬件框圖如圖3所示，單片機是硬件控制系統(tǒng)的核心，根據(jù)設置的參數(shù)，單片機將從I/O口輸出脈沖信號經(jīng)過光電隔離和驅(qū)動放大后控制步進電機的旋轉(zhuǎn)方向和速度。

鍵盤輸入的控制參數(shù)，通過顯示驅(qū)動芯片傳送到單片機，輸入、輸出單片機的數(shù)據(jù)都可在顯示屏上實時顯示。硬件設計中的單片機選用AT89C51，顯示驅(qū)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

1控制電路設計

改進的環(huán)縫自動焊機是由單片機輸出信號控制步進電機轉(zhuǎn)動，從而帶動工件旋轉(zhuǎn)，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至P1.4設置了正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、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(xù)焊接時，選擇自動焊接方式，通過鍵盤設置參數(shù)，人工將工件安裝好，按下啟動鍵，系統(tǒng)自動完成焊接。步進電機的驅(qū)動信號是由單片機的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(qū)動步進電機各個相，使電機按不同的脈沖信號分別作正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速和停止等動作。

與勵磁繞組串聯(lián)的5.5Ω電阻起限流保護和改善回路時間常數(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間常數(shù)，讓電機繞組產(chǎn)生的反電動勢通過續(xù)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

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(shù)碼管和驅(qū)動芯片8279^[4]等組成, 能完成步進電機控制參數(shù)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(chǎn)生相應的鍵編碼送到先進先出寄存器FIFO中,同時發(fā)送中斷請求信號IRQ到單片機。當單片機響應中斷信號，執(zhí)行中斷服務程序,并從FIFO中讀取編碼數(shù)據(jù)之后, IRQ信號自動撤消。

步進電機參數(shù)的輸入與顯示通過8279芯片與單片機進行數(shù)據(jù)交換，鍵盤輸入和單片機輸出需要顯示的數(shù)據(jù)經(jīng)同相高壓驅(qū)動器7407驅(qū)動完成數(shù)碼管段的選擇,同時譯碼器74LS138掃描SL0-SL2輸出信號后經(jīng)74LS244驅(qū)動完成對數(shù)碼管位的選擇, 并且自動刷新顯示數(shù)據(jù)。

圖5 鍵盤與顯示電路

軟件設計

在環(huán)縫自動焊機的步進電機控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)程序設計主要完成步進電機的轉(zhuǎn)向控制、調(diào)速和鍵盤處理等任務，程序設計流程如圖6所示。系統(tǒng)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(shù)，通過中斷方式傳送到單片機進行處理，同時調(diào)用顯示子程序?qū)?shù)據(jù)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(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。由于信號脈沖頻率與轉(zhuǎn)速成正比，因此調(diào)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(diào)整信號脈沖輸出頻率，從而實現(xiàn)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(jù)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

控制效果

通過采用單片機對環(huán)縫自動焊機步進電機的控制系統(tǒng)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(shù)，在顯示屏上實時顯示數(shù)據(jù)，同時可以根據(jù)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(zhuǎn)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(huán)縫自動焊機的控制精度、焊接質(zhì)量和工作穩(wěn)定性。

結語

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

（編自《電氣技術》，作者為戴壽超。）