Stm32步進(jìn)電機(jī)控制器及其在焊縫跟蹤系統(tǒng)中的應(yīng)用

梁廣瑞，莫?jiǎng)俸?，喻寧?/p>

(廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧530007)

0 前言

目前焊縫激光視覺跟蹤系統(tǒng)在焊接自動(dòng)化中的應(yīng)用越來越廣泛，焊機(jī)安裝焊縫跟蹤系統(tǒng)可以在焊接過程中使焊槍自動(dòng)對中焊縫，保證焊接質(zhì)量，從而減少焊接工人或減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。由于焊縫激光視覺跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行圖像處理與識別時(shí)計(jì)算量很大，一般將識別出來的位置偏差信號傳送給下位電機(jī)控制器來控制電機(jī)運(yùn)行以完成跟蹤過程。由于焊接現(xiàn)場環(huán)境惡劣，常采用PLC作為下位電機(jī)控制器。為了降低設(shè)備成本，更好地推廣焊縫激光視覺跟蹤系統(tǒng)，采用Stm32微處理器設(shè)計(jì)了3軸步進(jìn)電機(jī)控制器取代原PLC的方案。經(jīng)現(xiàn)場使用一年多來，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，效果良好。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理[1-6]

系統(tǒng)跟蹤系統(tǒng)如圖1所示，由埋弧焊機(jī)小車、激光視覺系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)控制器、步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器、光電編碼器、十字導(dǎo)軌、焊槍等組成。

激光視覺系統(tǒng)將激光投射到工件上，通過采集形成表征焊縫三維位置的圖像并進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像處理，識別出焊縫在水平位置和高度位置的偏差信息，通過PC機(jī)的串口發(fā)送給步進(jìn)電機(jī)控制器，由步進(jìn)電機(jī)控制器完成糾偏控制算法，最后輸出脈沖信號給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)電機(jī)在驅(qū)動(dòng)信號作用下帶動(dòng)焊槍在十字型導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)的水平方向和高度方向上移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)焊縫實(shí)時(shí)跟蹤。埋弧焊小車的前進(jìn)由獨(dú)立的直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，同時(shí)決定了焊接速度。由于在不同情況或工藝要求下焊接速度不同，會(huì)影響糾偏控制參數(shù)，為了實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)的自調(diào)整，通過光電編碼器檢測小車速度并反饋至步進(jìn)電機(jī)控制器。另外在焊接過程中，通常需要焊槍在焊縫中心位置左右微擺以改善焊縫成形，這種焊槍的左右擺動(dòng)也通過步進(jìn)電機(jī)控制器提供控制信號。

從以上分析看出，步進(jìn)電機(jī)控制器需要三路脈沖信號控制三個(gè)軸：一路根據(jù)焊縫水平位置的偏差控制焊槍的左右移動(dòng)，一路根據(jù)高度位置的偏差控制焊槍的上下移動(dòng)，最后一路控制焊槍擺動(dòng)的寬度和速度。

圖1 埋弧焊焊縫跟蹤系統(tǒng)

2 三軸步進(jìn)電機(jī)控制器硬件設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)控制器選用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的Stm32系列32位微控制器，該芯片運(yùn)行速度快，外設(shè)功能齊全，7個(gè)TM最多可以產(chǎn)生28個(gè)精準(zhǔn)的PWM信號，特別適合用于電機(jī)控制領(lǐng)域。本控制器主要由主控芯片最小系統(tǒng)、電源模塊、串口通信模塊、輸入輸出模塊組成，主控芯片最小系統(tǒng)直接按芯片手冊提供圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，其余各模塊原理分別如圖2所示。硬件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是提供完成邏輯功能的硬件模塊并保證系統(tǒng)的可靠性、抗干擾性。整個(gè)控制器由24 V開關(guān)電源供電，控制器的電源模塊使用了抑制串模和共模干擾的電源濾波器，通過AP1501-50和LM1117s電源芯片將24 V轉(zhuǎn)換成5 V和3.3 V電壓進(jìn)行板級供電，輸入端口使用光電隔離技術(shù)，輸出端口使用高耐壓、大電流復(fù)合晶體管陣列ULN2003芯片。輸出使用了PA端口，其中PA1、PA6、PA8為PWM功能映射到端口的引腳，PA2、PA3、PA4為旋轉(zhuǎn)方向信號輸出引腳。輸入信號通過光隔PC817進(jìn)行光電隔離后進(jìn)入PB端口，輸入信號主要有3個(gè)軸的6個(gè)限位信號、小車前進(jìn)的速度編碼信號，圖2的輸入部分只畫出了一路的電氣原理圖，其他輸入通道采用同樣原理。

圖2 步進(jìn)電機(jī)控制器硬件原理

3 軟件設(shè)計(jì)

為了提高系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性和程序開發(fā)效率，使用μC/OS-Ⅱ嵌入式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)。該操作系統(tǒng)2000年就得到了美國聯(lián)邦航空管理局用于商用飛機(jī)的、符合RTCA DO-178B標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證，證明其具有足夠的穩(wěn)定性和安全性[3]。使用操作系統(tǒng)可以仿制出“多CPU”環(huán)境，使得每個(gè)任務(wù)都覺得自己擁有獨(dú)立的CPU。這樣一來，任務(wù)的程序設(shè)計(jì)就可以得到簡化，每個(gè)任務(wù)只需要考慮自己的執(zhí)行流程即可，一個(gè)繁雜的多功能系統(tǒng)就可以分解為多個(gè)簡單的任務(wù)，從而降低了程序設(shè)計(jì)的難度，同時(shí)也提高了程序設(shè)計(jì)的效率與可靠性[4]。

基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是任務(wù)劃分。根據(jù)對控制器控制要求的分析以及任務(wù)的同步性、設(shè)備依賴性、緊迫性、功能聚合等特點(diǎn)將軟件功能分為四個(gè)主要任務(wù)，優(yōu)先級由高到低為：手動(dòng)調(diào)整焊槍位置任務(wù)、糾偏算法控制任務(wù)、通信協(xié)議任務(wù)、焊槍擺動(dòng)任務(wù)。其中糾偏算法控制任務(wù)是關(guān)鍵性任務(wù)，水平方向和高度方向的糾偏都在一個(gè)采樣周期中處理，具有同步性，故都整合到糾偏算法控制任務(wù)；通信協(xié)議任務(wù)接收到位置偏差之后觸發(fā)糾偏算法控制任務(wù)執(zhí)行。手動(dòng)調(diào)整焊槍位置任務(wù)的執(zhí)行與糾偏算法控制任務(wù)互斥，當(dāng)在自動(dòng)跟蹤焊接過程中不會(huì)觸發(fā)，故不妨將其列為最高優(yōu)先級。

3.1 通信協(xié)議任務(wù)

激光視覺系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)控制器之間的通信采用自定義協(xié)議。通信的內(nèi)容主要有：激光視覺系統(tǒng)傳遞給運(yùn)動(dòng)控制器的位置偏差信號；激光視覺系統(tǒng)作為人機(jī)操作界面發(fā)送給運(yùn)動(dòng)控制器的手動(dòng)操作、自動(dòng)跟蹤命令信號；運(yùn)動(dòng)控制器反饋給激光視覺系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信號等。每幀數(shù)據(jù)統(tǒng)一為5個(gè)字節(jié)，協(xié)議格式如表1所示。

表1 協(xié)議格式

如數(shù)據(jù)幀01H 23H F8 38H B2H，01表示本幀數(shù)據(jù)為位置偏差數(shù)據(jù)，其中水平方向正偏差23H個(gè)單位，高度方向負(fù)偏差8個(gè)單位（補(bǔ)碼），后兩個(gè)字節(jié)為CRC校驗(yàn)碼。通信協(xié)議功能的實(shí)現(xiàn)由串口中斷和協(xié)議解析兩部分組成，串口接收到5個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)之后，給通信協(xié)議發(fā)信號，任務(wù)獲得CPU運(yùn)行權(quán)利之后解析數(shù)據(jù)幀，根據(jù)命令執(zhí)行動(dòng)作。通信協(xié)議任務(wù)流程如圖3所示。

3.2 糾偏算法控制任務(wù)與手動(dòng)任務(wù)

焊接過程中，焊槍會(huì)在水平方向和高度方向偏離焊縫中心，焊槍需要在水平和高度兩個(gè)方向上進(jìn)行糾偏，實(shí)現(xiàn)焊縫自動(dòng)跟蹤。兩個(gè)偏差信號是激光視覺系統(tǒng)同時(shí)發(fā)送給運(yùn)動(dòng)控制器的，并且在一個(gè)控制周期內(nèi)同時(shí)進(jìn)行糾偏，因此兩個(gè)方向上的糾偏算法統(tǒng)一使用一個(gè)任務(wù)完成。接收到偏差信號后，觸發(fā)該任務(wù)執(zhí)行，任務(wù)流程如圖4所示。手動(dòng)任務(wù)主要根據(jù)上位機(jī)發(fā)送來的運(yùn)動(dòng)指令產(chǎn)生相應(yīng)的PWM和方向信號調(diào)整焊槍位置，任務(wù)流程如圖5所示。

由于激光傳感器前置，焊縫中心檢測位置超前焊槍較大距離，為解決這個(gè)問題，水平方向糾偏算法采用軌跡斜率PD控制[1]，控制算法為

式中 u(n)為當(dāng)前輸出量；k(n)和k(n-1)分別為當(dāng)前和前一次的焊縫斜率；Kp為比例增益；Kd為微分增益。PD控制參數(shù)采用試驗(yàn)方法進(jìn)行整定，整定結(jié)果為 Kp=120，Kd=55。

圖3 通信協(xié)議任務(wù)流程

圖4 糾偏算法控制任務(wù)流程

圖5 手動(dòng)控制任務(wù)流程

在高度方向上，激光視覺系統(tǒng)通過分析圖像中焊縫三維位置信息來計(jì)算高度位置變化，與水平方向跟蹤相比，無需延時(shí)。焊接過程中的高度變化具有非線性、時(shí)變和不確定性，因此采用專家PID控制算法來實(shí)現(xiàn)。通過PID機(jī)理分析及現(xiàn)場試驗(yàn)，總結(jié)出以下四條規(guī)則，控制算法如下[4]：

（2）當(dāng) e(k)Δe(k)＞0 或 Δe(k)=0 時(shí)，表明誤差在向誤差絕對值增大方向變化，或誤差為一常量。此時(shí)，如果，表明誤差較大，給控制器實(shí)施較強(qiáng)的控制作用，控制器輸出為：

（3）當(dāng) e(k)Δe(k)＜0，表明誤差的絕對值向減少方向變化，此時(shí)保持控制器輸出不變。

以上各式中，e(k)、e(k-1)、e(k-2)分別為當(dāng)前誤差、前一次誤差、前兩次誤差；u(k)、u(k-1)分別為當(dāng)前控制器輸出和前一次輸出；k1為增益放大系數(shù)，k1＞1；KΦ為與小車前進(jìn)速度相關(guān)的系數(shù)，速度越快，該系數(shù)越大。

3.3 焊槍擺動(dòng)任務(wù)

焊接過程中，焊槍在焊縫中心的左右擺動(dòng)及擺動(dòng)速度影響焊接效果。如果啟動(dòng)焊槍擺動(dòng)功能，則會(huì)激活焊槍擺動(dòng)任務(wù)。在實(shí)際運(yùn)行中，如果擺動(dòng)速度較快，會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)丟步現(xiàn)象，因此在焊槍擺動(dòng)的中心處安裝有光電對射傳感器檢測焊槍何時(shí)擺動(dòng)到中間位置，作為脈沖校準(zhǔn)。焊槍擺動(dòng)任務(wù)流程如圖6所示。

圖6 焊槍擺動(dòng)任務(wù)流程

4 結(jié)論

基于stm32微控制器的步進(jìn)電機(jī)控制器成本低、硬件電路簡單，經(jīng)過一年多在不同焊接環(huán)境中運(yùn)行，性能穩(wěn)定可靠，滿足生產(chǎn)要求，降低了設(shè)備成本，有利于進(jìn)一步推廣焊縫跟蹤系統(tǒng)的應(yīng)用。

[1]莫?jiǎng)俸叮鲗幠?，鐘義廣，等.PLC在埋弧焊焊縫激光視覺跟蹤系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].焊接，2009（9）：55-58.

[2]莫?jiǎng)俸?，喻寧娜，鐘義廣，等.塔吊臂架角鋼外角接焊縫跟蹤系統(tǒng)[J].電焊機(jī)，2009，39（9）：29-33.

[3]Jean J.Labrosse.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) μC/OS-Ⅱ（第二版）[M].邵貝貝，譯.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003：1-3.

[4]周航慈.基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)技術(shù)（第二版）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011：21-38.

[5]劉金琨.智能控制[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005：12-17.

[6]李伯成.嵌入式系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006：98-101.