单片机程序控制步进电机实现回旋体工件的焊接加工.docx
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单片机程序控制步进电机实现回旋体工件的焊接加工
单片机程序控制步进电机实现回旋体恒线速度及整圆定位控制
博世电动工具（中国）有限公司
摘要：
我们单位为了生产某类型产品，需要进行回旋焊接，为此需要进行恒线速度（20毫米/秒）回旋控制及整圈定位控制，且要求回旋体运转时通过控制焊机，令焊机启动，当整圈运转结束时，焊机关闭，由于不同规格的产品其直径不同，为保证工件和焊枪之间的相对运动速度（即恒线速度）需要对不同直径的产品采用不同的转速控制，为此采用外购经济型数控车床，并将该数控车床的主轴控制改为位置轴控制，加工时对主轴进行编程控制。
令主轴恒线速度回旋及整圈定位运转，但该方案设备购买费用较高，且编程困难，为此想到了用单片机控制步进电机的方案实现生产本产品的所需功能。
下文就论述怎样用单片机控制步进电机对不同直径的工件进行回旋体恒线速度整圈定位，焊接设备接口组成自动启、停焊机，构成自动焊机系统，为企业降低设备的购置费用，提高经济效益。
关键词：
单片机、步进电机、按键、LED。
前言：
为实现恒线速度（20毫米/秒）控制及整圈定位控制，采用经济型数控车床时，将主轴改为位置轴控制方案，即原数控车床变为单轴控制系统，并用G01X14.4F20指令，其中X14.4的值控制整轴定位。
F控制线速度，不同的工件直径F的值不同，工件直径越大F值越小，即转速越慢，工件直径越小F值越大，即轴速越快，以上的两项需经过特定的计算方法求得。
因此计算编程比较困难，但可将第一次求得的结果保存起来，以备更换产品时调用，并根据不同的工艺情况加以修改线速度。
由于本产品实际加工时恒线速度误差允许达到±10%，且产品规格为几个固定值，因此考虑将产品规格及恒线速度值直接写入单片机程序中，并将恒线速度计算公式以此程序的方法编入程序，操作者只需通过按键选择出需要生产的产品规格，按启动按钮，工件就会自动进行恒线速度运转且整圈完成定位停止，并关闭焊机，比起一个数控系统来大大的降低了购置费用。
正文：
一、本系统控制图；
二、操作方案：
1、由数字键盘输入产品规格，加工线速度参数，通过单片内部固化程序计算出步进电机转速拍数和运转速度，优点是产品规格变换灵活，加工线速度可根据工艺情况调整，但程序结构复杂，且不同的操作者对线速度状况掌握不一致，反而产品质量不稳定；
2、由于本产品规格为几个固定值，且恒线速度有一定的可波动范围，故可将产品规格和线速度固化在程序中，通过按键取出产品规格，再通过单片机内部数字模形计算出不同规格的直径的运转速度来控制步进电机的运转速度。
三、步进电机驱动方案：
1、单电压驱动：
单电压驱动如图
（2），只用一个电压电源对绕组供电，它的特点电路简单，在电路中晶体管T用做开关，L是步进电机的一项绕组，R为限流电阻，D为续流二极管。
当T的基极加上控制电压时T导通，线圈得电；当T的基极为低电压时T截止，线圈通过续流二极管放电，电源在高频工作状态时其效率较差。
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
1
0
0
FCH
BC
1
0
0
1
F9H
CD
0
0
1
1
F3H
DA
0
1
1
0
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（Ø100mm～Ø210mm），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（Ø100mm～Ø210mm）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；
CLRC
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
DIVAB
ADDA，43H
MOV43H，A
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
DIVAB
CLRC
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：
RET
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；
START1：
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
START1：
步进电机换相控制程序
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∏×4×60/6025W
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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