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1、 收稿日期: 2005-08-161徐 凤 女 1980年生;北京化工大学 2003级机械设计及理论专业研究生,研究课题为基于 DSP的焊缝图像处理系统.基于 DSP的焊枪摆动电机控制研究 1 2 ; 21北京化工大学机电学院,北京 ( 100029)2北京石油化工学院装备技术研究所,北京 ( 102617)K 1 介绍一种基于 DSP的焊枪摆动控制系统, 描述该系统的组成a结构及特点, 深入阐述了 PWM控制原理及其在步进电机和交流伺服电机中的控制方法, 并给出控制系统的硬件电路和软件流程, 实验结果表明该系统能够完全实现设计要求b1oM DSP 摆动机构 PWM 控制 步进电机ms|TP2
2、73 DSMA cI|1008- 7281( 2005) 06- 0037- 05Research on Controlling ofW elding Torch SwingMotorBased onDSPXu Feng, Jiang Lipei, and Zou YongAbstract A kind of w eld ing torch sw ing controlling system based on DSP is re-searched. The com ponen,t construction and characteristics of th is system is descr
3、ibed.Controlling princip le of PWM and its controlling m ethod in stepping m otor and ac servom otor is described in depth. H ardw are circu it and softw are flow of this con trolling systemis also given. The test result indicates that th is system can m eet design requ irem ent com-p letely.Key wor
4、ds DSP, sw ing m echan ism, PWM controlling, stepping m otor.1 目前,坡口自动焊接的摆动机构大多以单片机为核心,通过程序控制实现焊枪摆动b摆动参数通过控制面板上的开关可以很方便的设定和修改b然而随着高性能控制的需要和控制理论的发展,涌现出许多复杂而先进的控制算法b为了保证系统高性能及实时性的要求, 往往需要将控制周期缩短到几百微秒甚至几十微秒之内, 单片机的运算速度已经无法满足b同时, 随着控制理论和超大规模集成电路的发展, 人们开发出一种专门针对数字控制系统的 DSP 控制器, 其中TM S320系列 DSP的体系结构专为实时信号
5、处理而设计,该系列具有灵活的指令集,内在的操作灵活性, 高速的运算能力以及改变的并行结构,成为很多控制应用的理想选择b本研究从实际应用出发,设计了基于 DSP( TM S320LF2407)的焊接摆动伺服控制系统b此系统以 DSP为核心, 触摸式人机界面为输入输出界面,实现了焊接机器人摆速a摆幅a左右滞时以及焊枪摆动位置精度的控制b2 od2. 1 系统机构简介整个系统的结构框图如图 1所示b控制面板通过接口电路向 DSP发出命令信号, DSP接收信号进行处理,并将处理后的信号通过接口电路进行电平转换后传递给电机驱动器, 然后通过传动机构控制机器人进行摆动b同时, 机器人摆动过程中出现的误差经
6、过接口电路反馈给 DSP控制器, DSP根据反馈量对电机进行调节bm1 od98m控制面板由触摸键盘a液晶显示模块及电位器组成b其中键盘用来控制电机的启停a摆动方向和摆动方式; 电位器用来调节摆速a摆幅a左右滞时及行走速度;液晶屏实现参数的显示b372005M6 40(9127) ( EXPLOSION - PROOF ELECTR IC MACH INE ) DSP选用 TM S320C2407芯片,该芯片拥有两个事件管理器a模数转换模块 ADC及多达 41个通用a双向的数字 I /O口b事件管理器 EVA和EVB用于产生驱动电机的 PWM波形, ADC模块实现模拟控制量的 A /D转换,
7、I/O口实现 DSP与键盘及液晶显示模块之间的通信b摆动机构采用的电机为步进电机b步进电机驱动器为美国 OEM 750型,它可以在很宽的范围内通过改变脉冲频率来调速;能够快速启动a反转和制动,不需要变换能直接将数字脉冲信号转换为角位移,很适合采用微型计算机控制b2. 2 实验的控制原理步进电机是根据脉冲控制信号工作的b两个脉冲的间隔时间越短, 步进电机转速就越快b因此,脉冲频率f决定了步进电动机的转速b当步进电机的工作方式确定以后,调整脉冲频率 f就可以对步进电机进行调速b基于步进电机的控制特点, 系统控制采用PWM控制方法bPWM就是利用半导体开关期间的导通与关断把直流电压变成电压脉冲序列,
8、 并通过控制脉冲宽度和脉冲序列的周期达到变压a变频及控制和消除谐波的目的b在 DSP芯片中,PWM波由 DSP的两个事件管理器 EVAaEVB产生b每个事件管理模块有两个通用可编程定时器,各个定时器之间可以彼此独立工作或相互同步工作,与每个 GP定时器有关的比较寄存器可用作比较功能或 PWM波形发生b每个事件管理器还有 3个全比较单元, 每个比较单元有两个相关的 PWM输出bPWM输出的跳变由非对称和对称的波形发生器和相关的输出逻辑控制, 非对称和对称波形发生器在通用定时器所处的计数模式的基础上产生一个非对称和对称的 PWM波输出b当通用定时器处于连续增计数模式时产生非对称波形,当通用定时器处
9、于连续增 /减计数模式时产生对称波形b通用计数器的模式由单个通用定时器控制寄存器 TxCON决定b本实验过程中我们采用非对称 PWM波,因此只详细介绍比较单元产生非对称波形的过程b其过程如图 2所示bm2 1PWM3dPWMo为了产生非对称的 PWM波, 首先需要将通用定时器的控制寄存器设置为连续增计数模式,然后在程序初始化或相应中断服务子程序中为选定的比较寄存器 TxCM PR和周期寄存器 TxPR赋值b一般的 TxCM PR TxPRb当定时器分别计数至上述值时,定时器产生匹配事件,便产生相关波形b比较寄存器 TxCMPR和周期寄存器 TxPR是带有影子寄存器的, 在每个 PWM 周期中可
10、重新写入新的比较值和周期值, 以调整 PWM 的占空比和周期b本研究用 A /D转换值作为定时器周期寄存器的值,并将周期寄存器的值右移一位作为定时器比较寄存器的值, 启动定时器建立连续方波b相应 A /D中断服务子程序的目的是实时修改周期寄存器和比较寄存器的值, 也即实时改变定时器 PWM 输出方波频率和占空比, 从而实现了焊机摆动速度和行走速度的实时控制b2. 3 硬件电路整个系统的硬件电路如图 3所示b在研究中我们采用查询方式读取键值, 当某个键按下时,该键对应的输入端口的数据和方向寄存器的位为 0,当程序判断该位为零时,就跳到相应的子程序执行控制命令b各键对应的功能如下bK1: 启动 K
11、2: 停止 K3:左 K4:右K5:方式 1 K6: 方式 2 K 7:方式 3 K 8:方式 4摆速a摆幅a滞时时间和行走速度由电位器调节b电位器连接到 A /D输入口, 通过旋转电位器38 ( EXPLOSION - PROOF ELECTR IC MACH INE) 2005M6 40(9127) 改变电阻来改变 A /D口的输入电压,该电压通过A /D转换得到相应的转换结果, 再将此转换结果通过比例定标后传递给相应的变量b液晶显示选用带中文字库图形点阵液晶显示模块, 采用串口方式进行显示b键盘a电位器和液晶显示屏集成在控制面板中, 可以通过手动直接调节电机的控制参数b光电耦合器起隔离和
12、电压转换的作用, 将DSP提供的 3. 3V的供电电压转换成电机要求的5V电压b为了增加系统的抗干扰性,要注意使光电耦合器的两端不共地bm3 dqm2. 4 软件设计控制系统程序由主程序a子程序和中断子程序组成b主程序完成系统初始化及各变量的初始化;子程序完成各自控制面板的扫描;中断子程序实现控制面板上各个设定的功能b主程序和控制面板扫描子程序如图 4和图 5所示bm4 mm5 e0m系统初始化指对中断a看门狗和各状态寄存器的初始化, 程序初始化包括对定时器aI/O口a392005M6 40(9127) ( EXPLOSION - PROOF ELECTR IC MACH INE ) A /D
13、转换a采样时间及各控制量的初始化b初始化完成以后,程序根据设定的采样时间等待,到达采样时间以后,子程序对控制面板进行扫描,并根据扫描结果修改各控制量的参数b中断子程序实现控制面板设定的各个功能, 我们以实现点之型摆动方式为例对其进行说明b当扫描到 K6按下时,程序就转到点之型焊接方式下按照如图 6所示的子程序进行相应的焊接bm6 ZT02. 4. 1 焊枪摆动方式的实现本研究设计电机实现四种方式的摆动, 分别为锯齿型a弓型a点之型和直线型,如图 7所示bm7 ZT我们通过控制行走电机和焊枪摆动步进电机的运动,使两者有机结合实现设定的摆动焊接方式b根据位移合成原理,锯齿型的实现方法是:使交流伺服
14、电机持续向一个方向运行,步进电机则隔一定的时间换向一次, 换向的时间由摆动幅度和速度决定b弓型的实现方法是: 先使步进电机向右摆动,然后停止, 同时交流电机向前行走, 行走一段时间以后停止,同时步进电机换向并开始向左运行,如此往复, 电机的滞时时间由弓型的形状决定b点之型的形成过程中, 交流电机一直朝着一个方向按一定的速度运行, 步进电机则运行一段时间后滞时, 换向, 然后再运行, 如此往复b直线型比较简单, 只需使行走电机实现一个方向的简单运动即可,见表 1bV1 Z_V锯齿形 弓字形 点之形 直线形摆动电机交流伺服摆动电机交流伺服摆动电机交流伺服摆动电机交流伺服方向使能方向使能方向使能方向使能方向使能方向使能方向使能方向使能KK- KK - KKK - K - K - KKK- KK - KKK - K - K - KKK- KK - KKK - K - K - KKK- KK - KKK - K - K - K, , , , , , , , , , , , , , , ,表中,表示焊车前进; ) 表示摆动不摆或焊车停止行走;表示摆动电机左摆;表示摆动电机右摆; K表示使能运行; 表示停止b2. 4. 2 摆幅a摆速a滞时时间及行走速度的调节程序设计焊接摆动的摆幅a摆速a滞时时间和行走速度由电位器调节,通过 A /D中断来实现b
