单片机程序控制步进电机实现回旋体工件的焊接加工Word文件下载.docx

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2、双电压驱动:

双电压驱动电路如图(3),这种电路采用两种电源电压的驱动,由于这两种电源电压分别为高压和低压电源,也称为高低压驱动电路。

其原理如下:

高压开关管T1的输入脉冲Vh和低压开关U1同时起步,但Vh的脉宽要比V2的脉宽要窄得多,两个脉冲同时使开关管T1、管T2导通,使高电压Vh为电动机绕组供电,这使得绕组中的电流Vi快速上升电流波形的前沿很陡,如图(4)当脉冲Uh降为低电平时,高压开关管T1截止,高电压被切断,低电压UL通过二极管D1继续为绕组供电,由于绕组电阻小,,回路中又没有串联电阻,所以低电压只需数伏就可以为绕组提供较大的电流。

由于这种驱动方式在低频时电流有较大的上冲,电动机低频噪音较大。

3、斩波驱动:

高低压驱动时,电流波形在高低压交接处有一凹陷,这会引起输出转矩下降。

斩波驱动原理和波形如图(5、6)

T1是高频开关管,T2开关管的发射极,接一只小电阻R,电动机绕组的电流经这个电阻到地,所以这个电阻是电流取样电阻,比较器一端接给定电压UC,另一端接取样电阻上的压降,当取样电压小于给定电压时,比较器输出高电平,当控制脉冲Ui为低电平时,T1和T2截止,当Ui为高电平时T1和T1均导通,电源对绕组开始供电,由于绕组的电感作用,电阻R上的电压慢慢升高,当超过给定电压UC时,比较器输出低电平,使和门输出低电平。

T1截止,电源被切断,取样电阻上的电压下降,当下降到小于给定电压时,比较器输出高电平,由于这时Ui为高电平,所以和门输出高电平,T1又导通,电源又开始向绕组供电,这样反复循环,直到Ui为低电平。

以上的驱动过程表现为T2导通一次,T1导通多次,且绕组的电流为锯齿形,这种电路电源效率较高,且能有效的抑制共振,由于无需外接时间常数的限流电阻,所以高频特性较高,但由于电流波形为锯齿形,将会产生较大的电磁噪声。

4、其它还有细分驱动,集成电路驱动不在赘述

对于本产品的工艺要求采用第二种操作方案及单电压驱动方案

步进电机的单片机控制。

1、步进电机的驱动电路根据控制信号工作,在步进电机的单片机控制中,控制信号由单片机产生,其控制作用如下:

(1)、控制换相顺序

步进电机的通电换相顺序严格按照步进电动机的工作方式进行,即脉冲分配,过去由硬件环行分配器来分配脉冲换相,现在由于技术的发展可通过单片机软件控制,非常方便的实现换相,如四相步进机的单四拍工作方式,其各顺序为A→B→C→D→A,四相步进电相的双四拍工作方式AB→BC→CD→DA,以及四相八拍控制方式为A→AB→B→BC→C→CD→D→DA。

(2)步进电机的转向控制

如果按给定的工作方式正序通电换相,步进电机就正转;

如果按反序通电换相,则电动机就反转,如四相步进电机按双死拍方式,正转换相顺序是AB→BC→CD→DA,则反转为AD→DC→CB→BA的换相顺序。

本方案中需单方向运转即可。

(3)步进电机的速度控制

如果给步进电机发出一个脉冲,它就转一步,再发一个脉冲,它会再转一步,两脉冲之间的间隔时间越短,步进电机就转得越快,故此脉冲频率决定了步进电机的转速。

(4)步进电机的位置控制:

步进电机每给一个脉冲步进电机就转一个给定角度,如果一个四相步进电机,齿数为50齿,采用四相双拍控制,则每给一个脉冲步进电机转动角度为360o/(4×

50)=1.8o,步进电机转动一周就需200个脉冲,假如转动16周就需200×

16=3200个脉冲。

怎样利用单片机实现工件整圈定位和恒线速度控制

(1)通过软件实现脉冲分配

软件法是完全用软件的方式,按照给定的通电换相顺序,通过单片电机的I/O口向驱动电路发出控制脉冲,如图(7)是用这种方法的四项步进电机的硬件接口,其双四拍换相顺序为AB→BC→CD→DA共四个通电状态,如果P2口的输出的控制信号中“O”代表使绕组通电,“1”代表使绕组断电,则这四个控制字如表1

表1四相双四拍工作方式的控制字

通电状态

P1.3(D)

P1.2(C)

P1.1(B)

P1.0(A)

控制字

AB

1

FCH

BC

F9H

CD

F3H

DA

F6H

在程序中,只需要依次将这四个控制字送到P2口,步进电机就会转动一个步距角,每送一个控制字,就完成一拍,步进电机就转过一个步距角,如用R3作状态计数器,来指示第几拍,每走一步R3加1,则程序如下:

START:

MOVR3,#OH;

计数器初值。

START1:

MOVA,R3;

计数器值送A

MOVDPTR,#TABRUN;

指向运转数据表首地址

MOVCA,@A+DPTR;

取控制字

MOVP2,A;

送控制符到P2口

LCALLDELAY1;

调用步进马达脉冲发送频率控制程序

INCR3计数器加1

CJNER3,#4,START1;

计数器不为4返回START1

MOVR3#0;

计数器值为4,修正计数器值为0

RET

TABRUN:

DB0FCH0F9H0F3H0F6H

(2)加工工件的恒线速控制

根据工艺要求:

工件和焊枪之间的相对线速为20毫米/秒,允许偏差±

10%,工件直径分别为(Ø

100mm~Ø

210mm),于是主轴转速和工件直径有关,其所对应关系为:

n=60V/лD=60*20/3.14D=1200/3.14D(转/分)

式中:

NZ——主轴转速,单位为转/分

V——工件线速度,为20毫米/秒

D——工件直径,单位为毫米(规格为100、110、120、135、150、180、195、210)

步进电机采用四相,转子齿数为50,并采用四相四拍方式控制。

则步距角为1.8º

,步进电机运转一周就需200个脉冲,为保证主轴在低速运行时连续平稳运转,不出现脉动轴转现象,不采用电机直接拖动主轴,而用1:

16的减速箱主轴系统,即主轴箱输入端旋16转(即步进电机转16转)主轴旋转一转,则可求出电机转速为NO=16NZ=16×

1200/3.14D=19200/3.14D(转/分)步进电机每秒接受的脉冲数,即换相频率f=NO×

200=19200×

200/(3.14×

60×

D)=20371/D。

由上式可以看出步进电机转速和工件直径D有关,D越大步进电机转速越慢,D越小步进电机转速就越快,将上述常数20371/D化为16进制为4F93H,将高位#4FH存入10HRAM中,#93H存入41HRAM中,并将工件直径(Ø

210mm)存入地址为50H~57H的RAM中,再将20371/D的MAIN1:

20371/D,结果进43HRAM。

MOV40H,#4FH;

20371的十六进制数的高位值放入40H中;

MOV41H,#93H;

20371的十六进制数的低位值放入41H中;

MOV42H,@RO;

RO和按键有关,其值在950H~#57H之间;

MOV43H,#O;

43HRAM以便计算结果准确;

MOVR2,40H;

高位值放入R2;

MOVA,41H;

低位值放入A;

HDIV:

高位除法:

MOV41H,A;

高位余数和低位值内容相加结果送回41H;

MOVA,#FFH;

将高位“1”看作低位255+1;

MOVB,42H;

将工件直径放入B;

DIVAB

ADDA,43H;

除法商和计算结果相加;

MOV43H,A

MOVA,B

CLRC

ADDA,41H;

高位除法余数和低位内容相加;

JCHDIV;

溢出重做高位除法;

MOV41H,A;

不溢出高位除法余数和低位相加结果送回41H;

ADDA,#01H;

补256~255的偏差;

JCHDIV

MOV41H,A

DJNZR2,HDIV;

高位值没有计算完转高位除法;

LDIV:

低位除法

MOVA,41H

MOVB,42H

ADDA,43H

四舍五入,由于除数等于42H中的值,所以只要42H中的值除以2减B,C不溢出,即余数小于42H中的值的一半,可以舍去。

MOV44H,B;

余数暂存

MOVA,42H

MOVB,#2

SNBBA,44H

JNCLOOP

INC43H;

除法商加1

LOOP:

RET

以上程序即将步进电机换相频率值存入43H中,再将换相频率值转化为定时时间常数存入49H和4AH中,等于频率控制,其频率控制程序,其实就是一个时子程序,如:

DELAY1:

MOV40H,49H;

时间常数值高位送40H;

MOV4EH,4AH;

时间常数值低位送4EH

DELAY2:

DJNZ4EH,DELAY2;

4EH减1不为零循环

MOVA,40H

JZDELAY4;

40H为零结束时子程序

DJNZ40H,DELAY2;

40H减1不为零循环

DELAY4:

其中时间常数高位49H和低位4AH的求出方法为:

设时间常数为T,由于89C51单片机的DJNZE指令为二个机四周期,而机器周期MC=12/晶振频率=12/12MHZ=1MS(采用12MHZ晶振)

故T=106×

1/9÷

2(微秒)=5000/9×

10

将上式采用类似于MAIN1的程序方法,即可求出49H和4AH程序略。

(3)加工工件的整圈定位控制

加工工件的整圈定位控制的基本思想已在四.1.(4)中给予说明。

下面就单片机控制步进电机运转程序加以说明。

由于电机运转16圈等于工件运转1圈,故可控制电机运转16圈停止,电机运转16圈需16×

200=3200脉冲,转化为16进制等于HOC80H

MOV48H,#0DH;

MOV4CH,#080H;

步进电机换相控制程序

START2:

OJNZ4CH,START1

OJNZ4BH,START1

由于4BH经DJNZDIRREL运算缺1,所以需加1。

1、焊机的启、停控制

当按下启动按钮时,步进电机运转程序开始调用,故由程序即可启动焊机。

START4:

CLRP2.7;

启动焊机

LCALLDELAY0-5;

延时0.5秒,焊机引弧用

步进电机换相控制程序结束

SETBP2.7;

关闭焊机

2、键盘

键盘硬件电路如图(8),其中:

key1为启动按键,启动加工程序;

key2为暂停键,暂停加工程序,按启动可持续加工;

key3为停止键,强制结束加工程序;

key4为产品规格许则键,单方向以值到最大值时返回到最小值,其中key1和key4在运转过程中还有点动停止功能。

3、LED显示

LED显示控制如图(9)所示,由P0口输出三位7字段的段码,P1.0~P1.2输出三位选码,控制LED动态显示。

当按键key4按下时,寄存器R0自动加1,R0从#50~#57(十进制),其P0口数据开,内PRAM22H,显示数字百位位,21H,显示数字十位位,20H,显示数字个位位,具体程序不在此展开。

本文后附本控制程序系统的全部程序。

由于在步进电机运转程序运行过程中,LED保持显示,即在

步进电机运转时,需调用LED程序,所求控制系统的程序在计算步进电机脉冲时,常数时已考虑了调用LED程序所需要的时间。

4、步进电机的驱动:

步进电机功率P=2∏Tn/60

其中:

T为力矩(静力矩);

n为轴速。

其静力矩由机械工程师给出,T=4N.M;

n取本系统最高转速,其最小工价直径运转的速度最高运转一周所需时间(t)

t=3.14×

100/20=15.7秒

由于采用1:

16的速比,则电机运转1周所需时间约1秒,即每分钟60转,所以P=2∏×

60/6025W

故本系统功率较小,且速度低,所以可采用单电源方式,其原理图如图(10),具体参数由调整确定。

六、结论

本系统单片机程序设计和调试已完成,调试时采用微型步进电机,其相数和齿数和本系统吻合,从试运行情况来看,是能满足控制要求的,起运行速度控制和定位情况良好,且操作比原数控系统方便,调试过程中,发现按下任何按键时,电机会停转,而焊机照常运行,,这样会使工件报废,因此加入了,在加工过程中按下任何按键,焊机自动停止,并将key1和key4改为点动停止。

另外,由于在加工过程中调用LED程序,使原计算出的电机脉冲时间常数需要重新调整,如果电机脉冲频率要求精度较高时,需采用单片机内部定时中断程序控制。

八、参考文献

1、陈光东《单片微型计算机原理和接口技术》第二版

华中理工大学出版社1999.4

2、吴金戌沈庆阳郭庭吉《8051单片机实践和使用》

清华大学出版社2001.8

3、王晓明《电动机的单片机控制》

北京航空航天大学出版社2002.5

4、余永权汪明懋黄英《单片机在控制系统中的使用》

电子工业出版社2003.10

在此致谢以上各位老师和前辈,对我这次任务的支持。

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