畢業(yè)設(shè)計(jì)焊縫跟蹤系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)控制的課程設(shè)計(jì)論文

1、課程設(shè)計(jì)（論文）題 目焊縫跟蹤器運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)控制設(shè)計(jì) 姓 名學(xué) 號(hào)專業(yè)班級(jí)指導(dǎo)教師分 院完成日期20 / 23摘 要步進(jìn)電機(jī)是一種純粹的數(shù)字控制電機(jī)，是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在焊縫跟蹤運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)過步進(jìn)電機(jī)的控制來實(shí)現(xiàn)精確焊縫跟蹤的目的，通過發(fā)送控制脈沖信號(hào)來控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，控制焊槍的二維運(yùn)動(dòng)。本文重點(diǎn)介紹了步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，闡釋了步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)以與控制實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞：焊縫跟蹤，步進(jìn)電機(jī)目 錄摘要I第1章概述11.1焊縫運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)背景11.2焊縫運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求21.3焊縫運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案21.3.1系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)2第2章步進(jìn)電

2、機(jī)42.1步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)，工作原理42.1.1步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)42.1.2步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)42.1.3步進(jìn)電機(jī)的工作原理62.2步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)72.2.1單電壓功率驅(qū)動(dòng)接口82.2.2雙電壓功率驅(qū)動(dòng)接口82.2.3高低功率驅(qū)動(dòng)接口82.2.4橋式功率驅(qū)動(dòng)接口92.3步進(jìn)電機(jī)的控制102.3.1步進(jìn)電機(jī)速度控制102.3.1步進(jìn)電機(jī)位置控制112.3.1步進(jìn)電機(jī)加減控制11第3章焊縫運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)143.1焊縫運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)框圖143.2焊縫運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)流程153.2.1基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制15第4章總結(jié)與展望18參考文獻(xiàn)19附錄19致21第1章 概述1.1 焊縫運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3、背景隨著焊接技術(shù)的不斷發(fā)展，它在生產(chǎn)中的應(yīng)用日趨廣泛，到目前為止已經(jīng)成為一種重要的加工手段。從日常生活用品，如家用電器、水暖設(shè)備等的生產(chǎn)到飛機(jī)、潛艇、火箭、飛船等尖端科技產(chǎn)品都離不開高效率、現(xiàn)代化的焊接技術(shù)，進(jìn)一步提高焊接質(zhì)量、改善勞動(dòng)條件、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率已經(jīng)成為所有焊接工作者的強(qiáng)烈的愿望，而采用自動(dòng)控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)上述的的正確途徑。焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的研究作為焊接領(lǐng)域的一個(gè)重要的方面，為了進(jìn)行精確的自動(dòng)焊接，必須進(jìn)行焊縫自動(dòng)跟蹤。焊接作為一項(xiàng)與新興學(xué)科發(fā)展緊密相關(guān)的綜合性先進(jìn)工藝技術(shù)1，其自動(dòng)化技術(shù)涉與材料、機(jī)械、電子、信息、控制等多學(xué)科交叉領(lǐng)域，其自動(dòng)生產(chǎn)過程包括備料、切割、裝配、焊接、檢驗(yàn)等

4、工序組成的一個(gè)焊接產(chǎn)品生產(chǎn)全過程的自動(dòng)化，只有實(shí)現(xiàn)這一過程能保證提高焊接質(zhì)量，同時(shí)獲得較高的勞動(dòng)生產(chǎn)率。研究和發(fā)展自動(dòng)化、智能化焊接過程控制系統(tǒng)是保證焊接質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件的重要手段，是未來焊接技術(shù)的發(fā)展方向。一般說來，焊接自動(dòng)控制系統(tǒng)可由被控對(duì)象、檢測(cè)環(huán)節(jié)、比較器與控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成，而檢測(cè)環(huán)節(jié)中的傳感器是最有活力的環(huán)節(jié)。目前焊縫跟蹤傳感器的傳感方式以由早期的接觸式和電磁式變?yōu)橐曈X傳感方式。自從1970年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功第一只電荷藕合器件CCD以來， CCD圖像傳感器作為一種新型光電轉(zhuǎn)換器現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于攝像、圖像采集、掃描儀以與工業(yè)測(cè)量等領(lǐng)域。近年來，隨著固體攝像器

5、件特別是CCD集成光電器件的應(yīng)用以與計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的飛速發(fā)展，視覺傳感器在焊接過程控制、焊縫跟蹤以與焊接質(zhì)量檢測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。使用視覺傳感器進(jìn)行焊縫跟蹤，具有跟蹤精度高、獲取焊縫區(qū)的信息豐富、智能化程度高、適應(yīng)不同接頭能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，還可以同時(shí)計(jì)算縫隙大小、識(shí)別接頭形式，能在自動(dòng)跟蹤焊縫的過程中同時(shí)對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)智能化焊接。1.2 焊縫運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求眾所周知,焊工可以通過眼睛或者工業(yè)電視觀察焊接熔池來對(duì)工件或焊槍進(jìn)行調(diào)整并能達(dá)到很高的精度。但是這依賴于焊工個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)、帶有主觀性、勞動(dòng)強(qiáng)度大、并受煙塵和弧光的影響,也會(huì)產(chǎn)生偏差。因此，很有必要實(shí)現(xiàn)焊縫偏差的自動(dòng)控制

6、。但在實(shí)際生產(chǎn)中,由于工件的加工、安裝誤差,以與工件的熱變形等使得焊接過程是一個(gè)復(fù)雜的過程，具有時(shí)變、非線性與干擾因素多等特點(diǎn)。所以，所設(shè)計(jì)的跟蹤焊接裝置應(yīng)該能夠在焊接時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)光、強(qiáng)熱環(huán)境下正常工作。1.3 焊縫運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案本文所設(shè)計(jì)的是通過視覺傳感器來攝取焊接點(diǎn)前焊縫圖像，利用截取圖像處理，將圖像信息進(jìn)行分析獲得焊縫與焊槍的偏差量，再由發(fā)送控制脈沖信號(hào)來控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，控制焊槍的二維運(yùn)動(dòng)，來實(shí)現(xiàn)焊縫運(yùn)動(dòng)跟蹤的目的?；旧辖鉀Q了弧光、飛濺等干擾問題，實(shí)現(xiàn)了精確的焊縫跟蹤。整個(gè)焊縫跟蹤系統(tǒng)主要由光路系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。由激光發(fā)射器發(fā)射的激光，經(jīng)過只允

7、許激光通過的濾波片。照射在埋弧焊機(jī)機(jī)頭前方焊道(或坡口)處，攝取圖像信息后，通過圖像信息進(jìn)行處理后傳遞給可編程邏輯控制器，邏輯控制器將焊縫圖像信息與焊槍位置進(jìn)行對(duì)比分析，根據(jù)偏差來控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)而控制焊槍的移動(dòng)。從而實(shí)現(xiàn)埋弧焊機(jī)機(jī)頭對(duì)焊縫的跟蹤，確保焊接質(zhì)量。1.3.1 系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)中執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接控制著焊槍的移動(dòng)，在裝置中起著至關(guān)重要的作用。所選電機(jī)的驅(qū)動(dòng)性能直接關(guān)系著焊接精度的大小。步進(jìn)電機(jī)是一種能將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線性位移的執(zhí)行器件,廣泛應(yīng)用在數(shù)控設(shè)備中。步進(jìn)電機(jī)的角位移或線性位移與控制脈沖數(shù)成正比,所以電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。通過改變脈沖頻率就

8、可以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)電機(jī)的快速啟?；驌Q向。步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制用途電機(jī)的最大特點(diǎn)是，它可接受數(shù)字控制信號(hào)（電脈沖信號(hào)）并轉(zhuǎn)化成與之相對(duì)應(yīng)的角位移或直線位移，因而本身就是一個(gè)完成數(shù)字模擬轉(zhuǎn)化的執(zhí)行元件。 而且它能進(jìn)行開環(huán)位置控制，輸入一個(gè)脈沖信號(hào)就得到一個(gè)規(guī)定的位置增量。這樣的增量位置控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的直流伺服系統(tǒng)相比，其成本明顯降低，幾乎不必進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)整。步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行中精度沒有積累誤差的特點(diǎn)，使其廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)，特別是開環(huán)控制系統(tǒng)。所以，我們?cè)谒O(shè)計(jì)的跟蹤焊縫系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)。 第2章 步進(jìn)電機(jī)2.1 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)，工作原理電機(jī)是指依據(jù)電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)電能

9、的轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置。電動(dòng)機(jī)也稱（俗稱馬達(dá)），在電路中用字母“M”（舊標(biāo)準(zhǔn)用“D”）表示。它的主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，作為用電器或各種機(jī)械的動(dòng)力源。2.1.1 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)(1) 精度高，輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格和電機(jī)的角位移成正比,電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一周后沒有積累誤差,因此具有良好的跟隨特性;(2)由于其良好的跟隨特性,步進(jìn)電機(jī)可以與驅(qū)動(dòng)器電路組成開環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng),同時(shí),也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)。(3)步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,易于啟動(dòng)和停止、正反轉(zhuǎn)和變速。如果負(fù)荷不超過步電機(jī)能提供的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩值，就能夠在一剎那間使步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)和停轉(zhuǎn)。(4)速度可以在相當(dāng)寬的圍平滑調(diào)節(jié);在低速動(dòng)作狀態(tài)

10、下仍能保證獲得大的轉(zhuǎn)矩。2.1.2 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖2.1 步進(jìn)電機(jī)部結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示，步進(jìn)電機(jī)分為轉(zhuǎn)子和定子兩部分：1. 定子：由硅鋼片疊成的，定子上有6大磁極，每2個(gè)相對(duì)的磁極（，S）組成一對(duì)，共有3對(duì)。定子齒有三個(gè)勵(lì)磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯(cuò)開。 0、1/3、2/3,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以表示），即A與齒1相對(duì)齊，B與齒2向右錯(cuò)開1/3，C與齒3向右錯(cuò)開2/3，A'與齒5相對(duì)齊，（A'就是A，齒5就是齒1）。2. 轉(zhuǎn)子：由軟磁材料制成，其外表面也均勻地分布著小齒,與定子上的小齒一樣，并且小齒的大小一樣，間距一樣。圖2.2 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子展開圖步

11、進(jìn)電機(jī)的動(dòng)力來源于電磁力，只有電機(jī)存在錯(cuò)齒現(xiàn)象才能轉(zhuǎn)動(dòng)。在電磁力的作用下，轉(zhuǎn)子被推動(dòng)到最大磁導(dǎo)率的位置，定子小齒與轉(zhuǎn)子小齒對(duì)齊的位置，并處于平衡狀態(tài)，如圖2.2中的A相位置，這種現(xiàn)象被稱為對(duì)齒。而對(duì)于三相步進(jìn)電機(jī)來說，當(dāng)某一相得磁極處于最大磁導(dǎo)位置時(shí)，另外兩相必須處于非最大磁導(dǎo)位置，即定子和轉(zhuǎn)子不對(duì)齊位置2.1.3 步進(jìn)電機(jī)的工作原理圖2.3 步進(jìn)電機(jī)三相接線圖如圖2.3所示，U1、V1、W1接電源，分別有三個(gè)開關(guān)控制，U2、V2、W2分別接地。如果給處于錯(cuò)齒狀態(tài)的相通電，則轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下，將向磁導(dǎo)率最大（即最小磁阻位置）位置轉(zhuǎn)動(dòng)，即向趨于對(duì)齒的狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)，它的工作

12、原理是利用電子電路，將直流電變成分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn)電機(jī)才能正常工作，驅(qū)動(dòng)器就是為步進(jìn)電機(jī)分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制器 。以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例：如A相通電，B，C相不通電時(shí)，由于磁場(chǎng)作用，齒1與A對(duì)齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。 如B相通電，A，C相不通電時(shí)，齒2應(yīng)與B對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子向右移過1/3，此時(shí)齒3與C偏移為1/3，齒4與A偏移（-1/3）=2/3。 如C相通電，A，B相不通電，齒3應(yīng)與C對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子又向右移過1/3，此時(shí)齒4與A偏移為1/3對(duì)齊。 如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對(duì)齊，轉(zhuǎn)子又向右移過1/3 這樣經(jīng)過A、B、C、A

13、分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1前一齒）移到A相，電機(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距，如果不斷地按A，B，C，A通電，電機(jī)就每步（每脈沖）1/3,向右旋轉(zhuǎn)。如按A，C，B，A通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 由此可見：電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。 不過，出于對(duì)力矩、平穩(wěn)、噪音與減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BCC-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來每步1/3改變?yōu)?/6。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3變?yōu)?/12，1/24，這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本理論依據(jù)。 不難推出：電機(jī)定子上有m相勵(lì)磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m,2/m(m-1)/m,1

14、。并且導(dǎo)電按一定的相序電機(jī)就能正反轉(zhuǎn)被控制這是旋轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進(jìn)電機(jī)，出于成本等多方面考慮，市場(chǎng)上一般以二、三、四、五相為多。表2.1 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)三種工作方式的性能比較工作方式單三拍雙三拍六拍步進(jìn)周期TTT每相通電時(shí)間T2T3T走齒周期3T3T6T相電流小較大最大高頻性能差較好較好轉(zhuǎn)矩小中大電磁阻尼小較大較大振蕩容易較容易不容易功耗小大中由表2.1可以看出這三種工作方式中，六拍的性能最好，單三拍的性能最差，因此，在步進(jìn)電機(jī)的控制應(yīng)用中，選擇合適的工作方式非常重要。2.2 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用

15、的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、保護(hù)單元等組成。驅(qū)動(dòng)單元與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)直接耦合，也可理解成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)微機(jī)控制器的功率接口，這里予以簡單介紹。2.2.1 單電壓功率驅(qū)動(dòng)接口單電壓驅(qū)動(dòng)是指電動(dòng)機(jī)繞組在工作時(shí)，只用一個(gè)電壓電源對(duì)繞組供電，它的特點(diǎn)是電路最簡單。步進(jìn)電機(jī)使用脈沖電源工作，脈沖電源的獲得可通過下圖說明，開關(guān)管T是按照控制脈沖的規(guī)律“開”和“關(guān)”，使直流電源以脈沖方式向繞組L供電，這一過程我們稱為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。實(shí)用電路如下圖所示。在電機(jī)繞組回路中串有電阻Rs，使電機(jī)回路時(shí)間常數(shù)減小，高頻時(shí)電機(jī)能產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩，還能緩解電機(jī)的低頻共振現(xiàn)象，但它引起附加的損耗。一般

16、情況下，簡單單電壓驅(qū)動(dòng)線路中，Rs是不可缺少的。Rs對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單步響應(yīng)的改善如圖2.4所示：圖2.4 單電壓功率驅(qū)動(dòng)接口電路圖在圖2.4中，電路中只有一個(gè)電源V，電路中的限流電阻R1決定了時(shí)間常數(shù)，但R1太大會(huì)使繞組供電電流減小。這一矛盾不能解決時(shí)，會(huì)使電動(dòng)機(jī)的高頻性能下降，可在R1兩端并聯(lián)一個(gè)電容，以使電流的上升波形變陡，來改善高頻特性，但這樣做又使低頻性能變差。R1在工作中腰消耗一定的能量，所以這個(gè)電路損耗大，效率低，一般只用于小功率步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。2.2.2 雙電壓功率驅(qū)動(dòng)接口用提高電壓的方法可以使繞組中的電流上升波形變陡，這樣就產(chǎn)生了雙電壓驅(qū)動(dòng)。雙電壓驅(qū)動(dòng)有兩種工作方式：雙電壓法和高

17、低壓法。雙電壓驅(qū)動(dòng)的基本思路是在較低（低頻段）用較低的電壓UL驅(qū)動(dòng)，而在高速（高頻段）時(shí)用較高的電壓UH驅(qū)動(dòng)。這種功率接口需要兩個(gè)控制信號(hào)，Uh為高壓有效控制信號(hào)，U為脈沖調(diào)寬驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。圖2.5中，功率管TH和二極管DL構(gòu)成電源轉(zhuǎn)換電路。當(dāng)Uh低電平，TH關(guān)斷，DL正偏置，低電壓UL對(duì)繞組供電。反之Uh高電平，TH導(dǎo)通，DL反偏，高電壓UH對(duì)繞組供電。這種電路可使電機(jī)在高頻段也有較大出力，而靜止鎖定時(shí)功耗減小。其電路圖如下所示：圖2.5 雙電壓功率驅(qū)動(dòng)接口電路雖然這方法保證了低頻段仍然具有單電壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，在高頻段具有良好的高頻特性，但仍沒有擺脫單電壓驅(qū)動(dòng)的弱點(diǎn)，在限流電阻R上仍然會(huì)產(chǎn)生損

18、耗和發(fā)熱。2.2.3 高低功率驅(qū)動(dòng)接口高低壓驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)思想是，不論電機(jī)工作頻率如何，均利用高電壓UH供電來提高導(dǎo)通相繞組的電流前沿，而在前沿過后，用低電壓UL來維持繞組的電流。這一作用同樣改善了驅(qū)動(dòng)器的高頻性能，而且不必再串聯(lián)電阻Rs，消除了附加損耗。高低壓驅(qū)動(dòng)功率接口也有兩個(gè)輸入控制信號(hào)Uh和Ul，它們應(yīng)保持同步，且前沿在同一時(shí)刻跳變，高壓管VTH的導(dǎo)通時(shí)間tl不能太大，也不能太小，太大時(shí)，電機(jī)電流過載；太小時(shí)，動(dòng)態(tài)性能改善不明顯。一般可取13ms。（當(dāng)這個(gè)數(shù)值與電機(jī)的電氣時(shí)間常數(shù)相當(dāng)時(shí)比較合適）。高低壓驅(qū)動(dòng)電路如下圖所示：圖2.6高低壓驅(qū)動(dòng)接口電路圖高低壓驅(qū)動(dòng)法是目前普遍應(yīng)用的一種方法，由

19、于這種驅(qū)動(dòng)在低頻時(shí)電流有較大的上沖，電動(dòng)機(jī)低頻噪聲較大，低頻共振現(xiàn)象存在，使用時(shí)要注意。2.3 步進(jìn)電機(jī)的控制圖2.7 用微型機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)原理系統(tǒng)圖2.3.1 步進(jìn)電機(jī)速度控制步進(jìn)電機(jī)的速度控制是通過單片機(jī)發(fā)出的步進(jìn)脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)，對(duì)于軟脈沖分配方式，可以采用調(diào)整兩個(gè)控制字之間的時(shí)間間隔來實(shí)現(xiàn)調(diào)速，對(duì)于硬脈沖分配方式，可以控制步進(jìn)脈沖的頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)速?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)的速度的方法可有兩種：1. 軟件延時(shí)法：改變延時(shí)的時(shí)間長度就可以改變輸出脈沖的頻率，但這種方法CPU長時(shí)間等待，占用大量的機(jī)時(shí)，因此沒有實(shí)踐價(jià)值。2. 定時(shí)器中斷法：在中斷服務(wù)子程序中進(jìn)行脈沖輸出操作，調(diào)整定時(shí)器的定時(shí)常數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)

20、調(diào)速，這種方法占有的CPU時(shí)間較少，在各種單片機(jī)中都能實(shí)現(xiàn)，是一種比較實(shí)用理想的調(diào)速方法。定時(shí)器法利用定時(shí)器進(jìn)行工作，為了產(chǎn)生步進(jìn)脈沖，要根據(jù)給定的脈沖頻率和單片機(jī)的機(jī)器周期來計(jì)算定時(shí)常數(shù)，這個(gè)定時(shí)器決定了定時(shí)時(shí)間，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到而使定時(shí)器產(chǎn)生溢出時(shí)發(fā)生中斷，在中斷子程序中進(jìn)行改變P1.0的電平狀態(tài)的操作，這樣就可以得到一個(gè)給定頻率的方波輸出，改變定時(shí)常數(shù)，就可以改變方波的頻率，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。2.3.2 步進(jìn)電機(jī)位置控制步進(jìn)電機(jī)的位置控制，指的是控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)從一個(gè)位置精確地運(yùn)行到另一個(gè)位置，步進(jìn)電機(jī)的位置控制是步進(jìn)電機(jī)的一大優(yōu)點(diǎn)，它可以不用借助位置傳感器而只需要簡單的開環(huán)控制就能達(dá)到

21、足夠的位置精度，因此應(yīng)用很廣。步進(jìn)電機(jī)的位置控制需要兩個(gè)參數(shù)：1.第一個(gè)參數(shù)：步進(jìn)電機(jī)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)當(dāng)前的位置參數(shù)（我們稱為絕對(duì)位置），絕對(duì)位置時(shí)有極限的，其極限時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的圍，超越了這個(gè)極限就應(yīng)報(bào)警。2.第二個(gè)參數(shù)：從當(dāng)前位置移動(dòng)到目標(biāo)位置的距離 我們可以用折算的方式將這個(gè)距離折算成步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)，這個(gè)參數(shù)是外界通過鍵盤或可調(diào)電位器旋鈕輸入的，所以折算的工作應(yīng)該在鍵盤程序或A/D轉(zhuǎn)換程序中完成。 對(duì)步進(jìn)電機(jī)位置控制的一般作法是：步進(jìn)電機(jī)每走一步，步數(shù)減1，如果沒有失步存在，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)，步數(shù)正好減到0，因此，用步數(shù)等于0來判斷是否移動(dòng)到目標(biāo)位，作為步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)行的信號(hào)。2.3

22、.3 步進(jìn)電機(jī)加減控制步距角和轉(zhuǎn)速大小不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響，也不受各種環(huán)境條件諸如溫度、壓力、振動(dòng)、沖擊等影響，而僅僅與脈沖頻率成正比，通過改變脈沖頻率的高低可以大圍地調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并能實(shí)現(xiàn)快速起動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、加減速，而且有自鎖的能力，不需要機(jī)械制動(dòng)裝置，不經(jīng)減速器也可獲得低速運(yùn)行。它每轉(zhuǎn)過一周的步數(shù)是固定的，只要不丟步，角位移誤差不存在長期積累的情況，主要用于數(shù)字控制系統(tǒng)中，精度高，運(yùn)行可靠。如采用位置檢測(cè)和速度反饋，亦可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)從A點(diǎn)到B點(diǎn)移動(dòng)的時(shí)，要經(jīng)歷升速，恒速，減速過程，如果啟動(dòng)時(shí)一次將速度升到給定速度，由于啟動(dòng)頻率超過極限啟動(dòng)頻率，步進(jìn)電機(jī)就

23、有失步現(xiàn)象，因此會(huì)造成不能正常啟動(dòng)，如果到終點(diǎn)時(shí)突然停下來，由于慣性作用 ，步進(jìn)電機(jī)會(huì)發(fā)生過沖現(xiàn)象，會(huì)造成位置精度降低。如果升速非常緩慢的升降速，步進(jìn)電機(jī)雖然不會(huì)發(fā)生失步和過沖現(xiàn)象，但影響執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作效率，所以，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的加減速要有嚴(yán)格的要求，那就是保證在不失步和過沖的前提下，用最快的速度（或最短的時(shí)間）移動(dòng)到有可能指定位置。為滿足加減速要求，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行通常按照加減速曲線進(jìn)行。圖2.8是加減速運(yùn)行曲線。加減速運(yùn)行曲線沒有 一個(gè)固定的模式，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)得到的。最簡單的是勻加速和勻減速曲線，如下圖所示：圖2.8 加減速曲線圖其加減速曲線都是直線，因此容易編程實(shí)現(xiàn)。按直線加速時(shí)，加速度

24、是不變的，因此要求轉(zhuǎn)矩也應(yīng)該是不變的。但是，由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩玉轉(zhuǎn)速時(shí)非曲線關(guān)系，因而加速度玉頻率也應(yīng)該是非曲線關(guān)系。因此，實(shí)際上當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，轉(zhuǎn)矩下降，所以，按直線加速時(shí)，有可能造成因轉(zhuǎn)矩不足而產(chǎn)生失步的現(xiàn)象。采用指數(shù)加、減速曲線或S形（分段指數(shù)曲線）加、減速曲線是最好的選擇。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行可以根據(jù)距離的長短分如下3種情況處理：1. 短距離由于距離較短，來不與升到最高速，因此，在這種情況下，步進(jìn)電機(jī)以潔凈啟動(dòng)頻率運(yùn)行，運(yùn)行過程沒有加、減速。2. 中、短距離在這樣的距離里，步進(jìn)電機(jī)只有加、減速過程，而沒有恒速過程。3. 中、長距離在這樣的距離里，步進(jìn)電機(jī)不經(jīng)有加、減速過程，而且還有恒速過

25、程。由于距離較長，要盡量縮短用時(shí)，保證快速反應(yīng)性。因此，在加速時(shí)，盡量用接近啟動(dòng)頻率啟動(dòng)，在恒速時(shí)，盡量工作在最高速。單片機(jī)在用定時(shí)器法調(diào)速時(shí)，用改變定時(shí)常數(shù)的方法來改變輸入步進(jìn)脈沖頻率，達(dá)到改變轉(zhuǎn)速的目的，對(duì)于MCS-51系列單片機(jī)，其定時(shí)器屬于加1定時(shí)器。因此，在步進(jìn)電機(jī)加速時(shí)，定時(shí)常數(shù)應(yīng)增加；減速時(shí)，定時(shí)常數(shù)應(yīng)減小。如果采用非線性加、減速曲線，要用離散法將加減速曲線離散化，將離散所得的轉(zhuǎn)速序列所對(duì)應(yīng)的定時(shí)常數(shù)序列，做成表格存儲(chǔ)在程序存儲(chǔ)器重。在程序運(yùn)行中，使用查表得方式重裝定時(shí)常數(shù)，這樣做比用計(jì)算機(jī)節(jié)省時(shí)間，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。在下章的程序中，參數(shù)除了有速度級(jí)數(shù)N和極步數(shù)NC以外，還有以

26、下參數(shù)：1. 加速過程的總步數(shù)：電動(dòng)機(jī)在升速過程中每走一步，加速總步數(shù)就減1，直到減為0，加速過程結(jié)束，進(jìn)入恒速過程。2. 恒速過程的總步數(shù)：電動(dòng)機(jī)在恒速過程中每走一步，恒速總步數(shù)就減1，直到減為0，恒速過程結(jié)束，進(jìn)入減速過程。3. 減速過程的總步數(shù)：電動(dòng)機(jī)在減速過程中每走一步，減速總步數(shù)就減1，直到減為0，減速過程結(jié)束，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。第3章 焊縫運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)3.1 焊縫運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)框圖濾波系統(tǒng)攝像機(jī)圖像處理焊槍電弧區(qū)工作臺(tái)絲杠傳動(dòng)裝置x、y步進(jìn)電機(jī)x、y步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源控制器圖3.1 焊縫運(yùn)動(dòng)跟蹤焊縫控制系統(tǒng)總體構(gòu)成系統(tǒng)的組成如下所示：圖像采集裝置焊縫 圖像處理裝置跟蹤裝置控制裝置：

27、可編程邏輯控制器步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行系統(tǒng)裝置絲杠傳送裝置系統(tǒng)啟動(dòng)3.2 焊縫運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程初始參數(shù)設(shè)置采集時(shí)間到？是檢測(cè)焊槍對(duì)焊縫的偏差是偏差>4mm?比例控制否調(diào)整焊槍方向跟蹤焊縫否焊接結(jié)束?是系統(tǒng)結(jié)束圖3.2焊縫運(yùn)動(dòng)跟蹤流程圖系統(tǒng)軟件與硬件配合實(shí)現(xiàn)了焊縫運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。由圖像處理檢測(cè)出焊槍對(duì)焊縫的偏差后, 判斷偏差是否大于分段閾值, 并采用比例控制進(jìn)行焊縫的糾偏, 產(chǎn)生控制信號(hào)送入焊槍調(diào)節(jié)裝置, 實(shí)現(xiàn)焊槍對(duì)焊縫的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)跟蹤。3.2.1 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制在焊縫運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)的控制是關(guān)鍵，本文通過使用AT89C51單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制。流程圖如下：圖3.3 基于單片機(jī)

28、的步進(jìn)電機(jī)控制程序框圖是否是否否反轉(zhuǎn)改變P0.0狀態(tài)P0.0=0？正轉(zhuǎn)加速步數(shù)減1極步數(shù)減1級(jí)步數(shù)=0？加速1級(jí)計(jì)算級(jí)步數(shù)加速步數(shù)=0？指針指向恒速減速步數(shù)減1級(jí)步數(shù)減1復(fù)位級(jí)步數(shù)=0？減速一級(jí)計(jì)算級(jí)步數(shù)減速步數(shù)=0？是本程序的資源分配如下：R0中間寄存器；R1儲(chǔ)存速度級(jí)數(shù)；R2儲(chǔ)存級(jí)數(shù)步數(shù)；R3加減速狀態(tài)指針，加速時(shí)指向35H，恒速時(shí)指向37H，減速時(shí)指向3AH;32H34H存放絕對(duì)參數(shù)（假設(shè)用3個(gè)字節(jié)），低位在前；35H、36H存放加速總步數(shù)（假設(shè)2個(gè)字節(jié)），低位在前；37H39H存放恒速總步數(shù)（假設(shè)3個(gè)字節(jié)），低位在前；3AH、3BH存放減速總步數(shù)（假設(shè)2個(gè)字節(jié)），低位在前；P0.0正轉(zhuǎn)脈沖輸入；P0.1反轉(zhuǎn)脈沖輸入；P1.3正轉(zhuǎn)按鈕K1；P1.4反轉(zhuǎn)按鈕K2；P1.5加速按鈕K3；P1.6減速按鈕K4；定時(shí)常數(shù)序列放在以ABC為起始地址的ROM中。初始R3=35H,R1、R2都有初始值。第4章 總結(jié)與展望在本文中，首先對(duì)焊縫運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)做了的介紹。然后是詳細(xì)介紹了焊縫運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)，