关于焊缝跟踪系统中步进电机控制的课程设计论文

1、 课程设计（论文）题 目 焊缝跟踪器运动控制系统的步进电机控制设计 姓 名 学 号 专业班级 指导教师 分 院 完成日期 摘 要步进电机是一种纯粹的数字控制电机，是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在焊缝跟踪运动系统中通过步进电机的控制来实现精确焊缝跟踪的目的，通过发送控制脉冲信号来控制两个步进电机的运行，控制焊枪的二维运动。本文重点介绍了步进电机的结构和工作原理，阐释了步进电机的驱动以及控制实现。关键词：焊缝跟踪，步进电机目 录摘 要I第1章概述11.1焊缝运动跟踪系统的设计背景11.2焊缝运动跟踪系统的设计要求21.3焊缝运动跟踪系统的设计方案21.3.1系统的执行机构2第2

2、章步进电机42.1步进电机的特点，结构，工作原理42.1.1步进电机的特点42.1.2步进电机的结构42.1.3步进电机的工作原理62.2步进电机的驱动72.2.1单电压功率驱动接口82.2.2双电压功率驱动接口82.2.3高低功率驱动接口82.2.4桥式功率驱动接口92.3步进电机的控制102.3.1步进电机速度控制102.3.1步进电机位置控制112.3.1步进电机加减控制11第3章焊缝运动跟踪系统的实现143.1焊缝运动跟踪系统框图143.2焊缝运动跟踪系统的实现流程153.2.1基于单片机的步进电机控制15第4章总结与展望18参考文献19附 录19致 谢2117第1章 概述1.1 焊缝

3、运动跟踪系统的设计背景随着焊接技术的不断发展，它在生产中的应用日趋广泛，到目前为止已经成为一种重要的加工手段。从日常生活用品，如家用电器、水暖设备等的生产到飞机、潜艇、火箭、飞船等尖端科技产品都离不开高效率、现代化的焊接技术，进一步提高焊接质量、改善劳动条件、提高劳动生产率已经成为所有焊接工作者的强烈的愿望，而采用自动控制技术是实现上述的的正确途径。焊缝自动跟踪系统的研究作为焊接领域的一个重要的方面，为了进行精确的自动焊接，必须进行焊缝自动跟踪。焊接作为一项与新兴学科发展紧密相关的综合性先进工艺技术1，其自动化技术涉及材料、机械、电子、信息、控制等多学科交叉领域，其自动生产过程包括备料、切割、

4、装配、焊接、检验等工序组成的一个焊接产品生产全过程的自动化，只有实现这一过程能保证提高焊接质量，同时获得较高的劳动生产率。研究和发展自动化、智能化焊接过程控制系统是保证焊接质量，提高生产效率，改善劳动条件的重要手段，是未来焊接技术的发展方向。一般说来，焊接自动控制系统可由被控对象、检测环节、比较器及控制器、执行机构等组成，而检测环节中的传感器是最有活力的环节。目前焊缝跟踪传感器的传感方式以由早期的接触式和电磁式变为视觉传感方式。自从1970年美国贝尔实验室研制成功第一只电荷藕合器件CCD以来， CCD图像传感器作为一种新型光电转换器现已被广泛应用于摄像、图像采集、扫描仪以及工业测量等领域。近年

5、来，随着固体摄像器件特别是CCD集成光电器件的应用以及计算机图像处理技术的飞速发展，视觉传感器在焊接过程控制、焊缝跟踪以及焊接质量检测等领域得到了广泛应用。使用视觉传感器进行焊缝跟踪，具有跟踪精度高、获取焊缝区的信息丰富、智能化程度高、适应不同接头能力强的优点，还可以同时计算缝隙大小、识别接头形式，能在自动跟踪焊缝的过程中同时对焊接质量进行实时控制，实现智能化焊接。1.2 焊缝运动跟踪系统的设计要求众所周知,焊工可以通过眼睛或者工业电视观察焊接熔池来对工件或焊枪进行调整并能达到很高的精度。但是这依赖于焊工个人的经验、带有主观性、劳动强度大、并受烟尘和弧光的影响,也会产生偏差。因此，很有必要实现

6、焊缝偏差的自动控制。但在实际生产中,由于工件的加工、安装误差,以及工件的热变形等使得焊接过程是一个复杂的过程，具有时变、非线性及干扰因素多等特点。所以，所设计的跟踪焊接装置应该能够在焊接时产生的强光、强热环境下正常工作。1.3 焊缝运动跟踪系统的设计方案本文所设计的是通过视觉传感器来摄取焊接点前焊缝图像，利用截取图像处理，将图像信息进行分析获得焊缝与焊枪的偏差量，再由发送控制脉冲信号来控制两个步进电机的运行，控制焊枪的二维运动，来实现焊缝运动跟踪的目的。基本上解决了弧光、飞溅等干扰问题，实现了精确的焊缝跟踪。整个焊缝跟踪系统主要由光路系统、传感器系统、数据处理系统和执行机构组成。由激光发射器发

7、射的激光，经过只允许激光通过的滤波片。照射在埋弧焊机机头前方焊道(或坡口)处，摄取图像信息后，通过图像信息进行处理后传递给可编程逻辑控制器，逻辑控制器将焊缝图像信息与焊枪位置进行对比分析，根据偏差来控制步进电机的运转进而控制焊枪的移动。从而实现埋弧焊机机头对焊缝的跟踪，确保焊接质量。1.3.1 系统的执行机构焊缝自动跟踪系统中执行机构的驱动电机直接控制着焊枪的移动，在装置中起着至关重要的作用。所选电机的驱动性能直接关系着焊接精度的大小。步进电机是一种能将脉冲信号转换成角位移或线性位移的执行器件,广泛应用在数控设备中。步进电机的角位移或线性位移与控制脉冲数成正比,所以电机的转速与脉冲频率成正比。

8、通过改变脉冲频率就可以调节电机的转速,实现电机的快速启停或换向。步进电机区别于其他控制用途电机的最大特点是，它可接受数字控制信号（电脉冲信号）并转化成与之相对应的角位移或直线位移，因而本身就是一个完成数字模拟转化的执行元件。 而且它能进行开环位置控制，输入一个脉冲信号就得到一个规定的位置增量。这样的增量位置控制系统与传统的直流伺服系统相比，其成本明显降低，几乎不必进行系统调整。步进电机在运行中精度没有积累误差的特点，使其广泛应用于各种自动化控制系统，特别是开环控制系统。所以，我们在所设计的跟踪焊缝系统的驱动电机采用步进电机。 第2章 步进电机2.1 步进电机的特点，结构，工作原理电机是指依据电

9、磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。电动机也称（俗称马达），在电路中用字母“M”（旧标准用“D”）表示。它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。2.1.1 步进电机的特点(1) 精度高，输入脉冲数严格和电机的角位移成正比,电机运转一周后没有积累误差,因此具有良好的跟随特性;(2)由于其良好的跟随特性,步进电机可以与驱动器电路组成开环数字控制系统,同时,也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数字控制系统。(3)步进电机的动态响应快,易于启动和停止、正反转和变速。如果负荷不超过步电机能提供的动态转矩值，就能够在一刹那间使步进电机启动和停转。(4)速度可以在相当宽的范围内平

10、滑调节;在低速动作状态下仍能保证获得大的转矩。2.1.2 步进电机的结构图2.1 步进电机内部结构图如图2.1所示，步进电机分为转子和定子两部分：1. 定子：由硅钢片叠成的，定子上有6大磁极，每2个相对的磁极（，S）组成一对，共有3对。定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。 0、1/3、2/3,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3，C与齿3向右错开2/3，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）。2. 转子：由软磁材料制成，其外表面也均匀地分布着小齿,与定子上的小齿相同，并且小齿的大小相同，间距相同。 图2

11、.2 步进电机转子展开图步进电机的动力来源于电磁力，只有电机存在错齿现象才能转动。在电磁力的作用下，转子被推动到最大磁导率的位置，定子小齿与转子小齿对齐的位置，并处于平衡状态，如图2.2中的A相位置，这种现象被称为对齿。而对于三相步进电机来说，当某一相得磁极处于最大磁导位置时，另外两相必须处于非最大磁导位置，即定子和转子不对齐位置2.1.3 步进电机的工作原理 图2.3 步进电机三相接线图如图2.3所示，U1、V1、W1接电源，分别有三个开关控制，U2、V2、W2分别接地。如果给处于错齿状态的相通电，则转子在电磁力的作用下，将向磁导率最大（即最小磁阻位置）位置转动，即向趋于对齿的状态转动。步进

12、电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器 。以反应式步进电机为例：如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。 如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3，此时齿3与C偏移为1/3，齿4与A偏移（-1/3）=2/3。 如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3，此时齿4与A偏移为1/3对齐。 如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1

13、/3 这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A通电，电机就每步（每脉冲）1/3,向右旋转。如按A，C，B，A通电，电机就反转。 由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BCC-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3改变为1/6。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3变为1/12，1/24，这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/

14、m,2/m(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。表2.1 反应式步进电机三种工作方式的性能比较工作方式单三拍双三拍六拍步进周期TTT每相通电时间T2T3T走齿周期3T3T6T相电流小较大最大高频性能差较好较好转矩小中大电磁阻尼小较大较大振荡容易较容易不容易功耗小大中由表2.1可以看出这三种工作方式中，六拍的性能最好，单三拍的性能最差，因此，在步进电机的控制应用中，选择合适的工作方式非常重要。2.2 步进电机的驱动步进电动机不能直接接到工频交流或直

15、流电源上工作，而必须使用专用的步进电动机驱动器，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。驱动单元与步进电动机直接耦合，也可理解成步进电动机微机控制器的功率接口，这里予以简单介绍。2.2.1 单电压功率驱动接口单电压驱动是指电动机绕组在工作时，只用一个电压电源对绕组供电，它的特点是电路最简单。步进电机使用脉冲电源工作，脉冲电源的获得可通过下图说明，开关管T是按照控制脉冲的规律“开”和“关”，使直流电源以脉冲方式向绕组L供电，这一过程我们称为步进电机的驱动。实用电路如下图所示。在电机绕组回路中串有电阻Rs，使电机回路时间常数减小，高频时电机能产生较大的电磁转矩，还能缓解电机的低频共振现

16、象，但它引起附加的损耗。一般情况下，简单单电压驱动线路中，Rs是不可缺少的。Rs对步进电动机单步响应的改善如图2.4所示：图2.4 单电压功率驱动接口电路图在图2.4中，电路中只有一个电源V，电路中的限流电阻R1决定了时间常数，但R1太大会使绕组供电电流减小。这一矛盾不能解决时，会使电动机的高频性能下降，可在R1两端并联一个电容，以使电流的上升波形变陡，来改善高频特性，但这样做又使低频性能变差。R1在工作中腰消耗一定的能量，所以这个电路损耗大，效率低，一般只用于小功率步进电机的驱动。2.2.2 双电压功率驱动接口用提高电压的方法可以使绕组中的电流上升波形变陡，这样就产生了双电压驱动。双电压驱动

17、有两种工作方式：双电压法和高低压法。双电压驱动的基本思路是在较低（低频段）用较低的电压UL驱动，而在高速（高频段）时用较高的电压UH驱动。这种功率接口需要两个控制信号，Uh为高压有效控制信号，U为脉冲调宽驱动控制信号。图2.5中，功率管TH和二极管DL构成电源转换电路。当Uh低电平，TH关断，DL正偏置，低电压UL对绕组供电。反之Uh高电平，TH导通，DL反偏，高电压UH对绕组供电。这种电路可使电机在高频段也有较大出力，而静止锁定时功耗减小。其电路图如下所示：图2.5 双电压功率驱动接口电路虽然这方法保证了低频段仍然具有单电压驱动的特点，在高频段具有良好的高频特性，但仍没有摆脱单电压驱动的弱点

18、，在限流电阻R上仍然会产生损耗和发热。 2.2.3 高低功率驱动接口高低压驱动的设计思想是，不论电机工作频率如何，均利用高电压UH供电来提高导通相绕组的电流前沿，而在前沿过后，用低电压UL来维持绕组的电流。这一作用同样改善了驱动器的高频性能，而且不必再串联电阻Rs，消除了附加损耗。高低压驱动功率接口也有两个输入控制信号Uh和Ul，它们应保持同步，且前沿在同一时刻跳变，高压管VTH的导通时间tl不能太大，也不能太小，太大时，电机电流过载；太小时，动态性能改善不明显。一般可取13ms。（当这个数值与电机的电气时间常数相当时比较合适）。高低压驱动电路如下图所示：图2.6 高低压驱动接口电路图高低压驱

19、动法是目前普遍应用的一种方法，由于这种驱动在低频时电流有较大的上冲，电动机低频噪声较大，低频共振现象存在，使用时要注意。2.3 步进电机的控制 图2.7 用微型机控制步进电机原理系统图2.3.1 步进电机速度控制步进电机的速度控制是通过单片机发出的步进脉冲频率来实现，对于软脉冲分配方式，可以采用调整两个控制字之间的时间间隔来实现调速，对于硬脉冲分配方式，可以控制步进脉冲的频率来实现调速。控制步进电机的速度的方法可有两种：1. 软件延时法：改变延时的时间长度就可以改变输出脉冲的频率，但这种方法CPU长时间等待，占用大量的机时，因此没有实践价值。2. 定时器中断法：在中断服务子程序中进行脉冲输出操

20、作，调整定时器的定时常数就可以实现调速，这种方法占有的CPU时间较少，在各种单片机中都能实现，是一种比较实用理想的调速方法。定时器法利用定时器进行工作，为了产生步进脉冲，要根据给定的脉冲频率和单片机的机器周期来计算定时常数，这个定时器决定了定时时间，当定时时间到而使定时器产生溢出时发生中断，在中断子程序中进行改变P1.0的电平状态的操作，这样就可以得到一个给定频率的方波输出，改变定时常数，就可以改变方波的频率，从而实现调速。2.3.2 步进电机位置控制步进电机的位置控制，指的是控制步进电机带动执行机构从一个位置精确地运行到另一个位置，步进电机的位置控制是步进电机的一大优点，它可以不用借助位置传

21、感器而只需要简单的开环控制就能达到足够的位置精度，因此应用很广。步进电机的位置控制需要两个参数：1. 第一个参数：步进电机控制执行机构当前的位置参数（我们称为绝对位置），绝对位置时有极限的，其极限时执行机构运动的范围，超越了这个极限就应报警。2. 第二个参数：从当前位置移动到目标位置的距离 我们可以用折算的方式将这个距离折算成步进电机的步数，这个参数是外界通过键盘或可调电位器旋钮输入的，所以折算的工作应该在键盘程序或A/D转换程序中完成。 对步进电机位置控制的一般作法是：步进电机每走一步，步数减1，如果没有失步存在，当执行机构到达目标位置时，步数正好减到0，因此，用步数等于0来判断是否移动到目

22、标位，作为步进电机停止运行的信号。2.3.3 步进电机加减控制步距角和转速大小不受电压波动和负载变化的影响，也不受各种环境条件诸如温度、压力、振动、冲击等影响，而仅仅与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率的高低可以大范围地调节电机的转速，并能实现快速起动、制动、正反转、加减速，而且有自锁的能力，不需要机械制动装置，不经减速器也可获得低速运行。它每转过一周的步数是固定的，只要不丢步，角位移误差不存在长期积累的情况，主要用于数字控制系统中，精度高，运行可靠。如采用位置检测和速度反馈，亦可实现闭环控制。步进电机驱动执行机构从A点到B点移动的时，要经历升速，恒速，减速过程，如果启动时一次将速度升到给定速度

23、，由于启动频率超过极限启动频率，步进电机就有失步现象，因此会造成不能正常启动，如果到终点时突然停下来，由于惯性作用 ，步进电机会发生过冲现象，会造成位置精度降低。如果升速非常缓慢的升降速，步进电机虽然不会发生失步和过冲现象，但影响执行机构的工作效率，所以，对步进电机的加减速要有严格的要求，那就是保证在不失步和过冲的前提下，用最快的速度（或最短的时间）移动到有可能指定位置。为满足加减速要求，步进电动机运行通常按照加减速曲线进行。图2.8是加减速运行曲线。加减速运行曲线没有 一个固定的模式，一般根据经验和实验得到的。最简单的是匀加速和匀减速曲线，如下图所示：图2.8 加减速曲线图其加减速曲线都是直

24、线，因此容易编程实现。按直线加速时，加速度是不变的，因此要求转矩也应该是不变的。但是，由于步进电动机的电磁转矩玉转速时非曲线关系，因而加速度玉频率也应该是非曲线关系。因此，实际上当转速增加时，转矩下降，所以，按直线加速时，有可能造成因转矩不足而产生失步的现象。采用指数加、减速曲线或S形（分段指数曲线）加、减速曲线是最好的选择。步进电机的运行可以根据距离的长短分如下3种情况处理：1. 短距离由于距离较短，来不及升到最高速，因此，在这种情况下，步进电机以洁净启动频率运行，运行过程没有加、减速。2. 中、短距离在这样的距离里，步进电机只有加、减速过程，而没有恒速过程。3. 中、长距离在这样的距离里，

25、步进电机不经有加、减速过程，而且还有恒速过程。由于距离较长，要尽量缩短用时，保证快速反应性。因此，在加速时，尽量用接近启动频率启动，在恒速时，尽量工作在最高速。单片机在用定时器法调速时，用改变定时常数的方法来改变输入步进脉冲频率，达到改变转速的目的，对于MCS-51系列单片机，其定时器属于加1定时器。因此，在步进电机加速时，定时常数应增加；减速时，定时常数应减小。如果采用非线性加、减速曲线，要用离散法将加减速曲线离散化，将离散所得的转速序列所对应的定时常数序列，做成表格存储在程序存储器重。在程序运行中，使用查表得方式重装定时常数，这样做比用计算机节省时间，提高系统的响应速度。在下章的程序中，参

26、数除了有速度级数N和极步数NC以外，还有以下参数：1. 加速过程的总步数：电动机在升速过程中每走一步，加速总步数就减1，直到减为0，加速过程结束，进入恒速过程。2. 恒速过程的总步数：电动机在恒速过程中每走一步，恒速总步数就减1，直到减为0，恒速过程结束，进入减速过程。3. 减速过程的总步数：电动机在减速过程中每走一步，减速总步数就减1，直到减为0，减速过程结束，电动机停止运行。第3章 焊缝运动跟踪系统的实现3.1 焊缝运动跟踪系统框图 滤波系统摄像机图像处理 焊枪电弧区工作台丝杠传动装置x、y步进电机x、y步进电机驱动电源控制器图3.1 焊缝运动跟踪焊缝控制系统总体构成系统的组成如下所示：

27、图像采集装置 焊缝 图像处理装置跟踪装置控制装置：可编程逻辑控制器步进电机执行系统装置丝杠传送装置系统启动3.2 焊缝运动跟踪系统实现流程初始参数设置采集时间到？是 检测焊枪对焊缝的偏差 是偏差>4mm? 比例控制否调整焊枪方向跟踪焊缝 否焊接结束?是系统结束 图3.2 焊缝运动跟踪流程图系统软件与硬件配合实现了焊缝运动跟踪系统。由图像处理检测出焊枪对焊缝的偏差后, 判断偏差是否大于分段阈值, 并采用比例控制进行焊缝的纠偏, 产生控制信号送入焊枪调节装置, 实现焊枪对焊缝的实时运动跟踪。3.2.1 基于单片机的步进电机控制 在焊缝运动跟踪系统中步进电机的控制是关键，本文通过使用AT89C

28、51单片机来实现步进电机的控制。流程图如下：图3.3 基于单片机的步进电机控制程序框图是否是否否反转改变P0.0状态P0.0=0？正转加速步数减1极步数减1级步数=0？加速1级计算级步数加速步数=0？指针指向恒速减速步数减1级步数减1复位级步数=0？减速一级计算级步数减速步数=0？是本程序的资源分配如下：R0中间寄存器；R1储存速度级数；R2储存级数步数；R3加减速状态指针，加速时指向35H，恒速时指向37H，减速时指向3AH;32H34H存放绝对参数（假设用3个字节），低位在前；35H、36H存放加速总步数（假设2个字节），低位在前；37H39H存放恒速总步数（假设3个字节），低位在前；3AH、3BH存放减速总步数（假设2个字节），低位在前；P0.0正转脉冲输入；P0.1反转脉冲输入；P1.3正转按钮K1；P1.4反转按钮K2；P1.5加速按钮K3；P1.6减速按钮K4；定时常数序列放在以ABC为起始地址的ROM中。初始R3=35H,R1、R2都有初始值。第4章 总结与展望在本文中，首先对焊缝运动跟踪系统做了的介绍。然后是详细介绍了焊缝运动跟踪系统的设计方案和步进电机的特点，结构，工作原理，阐释