L6470在焊接擺動(dòng)控制中的應(yīng)用

穆廣福， 付 虹

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012)

L6470在焊接擺動(dòng)控制中的應(yīng)用

穆廣福， 付 虹*

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012)

采用ST公司生產(chǎn)的數(shù)字控制驅(qū)動(dòng)芯片L6470驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，其作為焊槍曲線運(yùn)動(dòng)的控制芯片完成復(fù)雜的焊接工藝，系統(tǒng)只需通過(guò)DSP發(fā)出命令，L6470便可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，滿足了 TIG焊接焊槍擺動(dòng)的控制要求，節(jié)省大量資源的同時(shí)也減小了經(jīng)濟(jì)開(kāi)銷。

TIG焊接； DSP； L6470； 步進(jìn)電機(jī)

1 焊槍擺動(dòng)的控制意義

TIG焊(鎢極氬弧焊)是一種高質(zhì)量的焊接方法，它以其焊接過(guò)程穩(wěn)定、易于控制、焊接質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，并且市場(chǎng)需求量越來(lái)越大[1]。焊槍在焊接中的作用是夾持鎢極，傳導(dǎo)電流和傳輸氬氣的。人們?cè)赥IG焊接中發(fā)現(xiàn)，控制好焊槍的擺動(dòng)意義非常大，首先焊槍的左右擺動(dòng)拓寬了焊道的寬度,其次也使不平整的焊縫表面光滑，擺動(dòng)焊接可以使焊層厚度降低,對(duì)實(shí)現(xiàn)多層多道焊接工藝有所幫助[2]。

2 幾種控制焊接擺動(dòng)的方法

2.1 “偏心輪-連桿”式擺動(dòng)系統(tǒng)

即使這個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了擺動(dòng)速度和幅度的調(diào)節(jié),但是擺動(dòng)速度是非線性的,也無(wú)法實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)幅度的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。這種擺動(dòng)方式不能滿足設(shè)計(jì)要求，可致使焊接表面粗糙，精密焊接中很少采用此種擺動(dòng)方式。

2.2磁場(chǎng)控制擺動(dòng)系統(tǒng)

這個(gè)系統(tǒng)是靠磁場(chǎng)吸引電弧來(lái)進(jìn)行擺動(dòng)，焊槍是不動(dòng)的。磁場(chǎng)控制擺動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是在焊槍的前部加上產(chǎn)生磁場(chǎng)的裝置就行，不能實(shí)現(xiàn)焊槍橫向左右擺動(dòng)的時(shí)間停留，這個(gè)系統(tǒng)滿足不了實(shí)際工作要求。

2.3機(jī)頭電控?cái)[動(dòng)系統(tǒng)

通常將焊槍固定在十字滑架上，通過(guò)控制器控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)焊槍運(yùn)動(dòng)。這個(gè)方法變化十分靈活、柔性特別好，適應(yīng)性強(qiáng)，通過(guò)設(shè)計(jì)微處理機(jī)軟件就可以實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)軌跡的改變，不需要改動(dòng)擺動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械部分，這樣便可以省掉不必要的花銷，節(jié)省開(kāi)支。

綜上所述，本設(shè)計(jì)采用機(jī)頭電控?cái)[動(dòng)系統(tǒng)。

3 擺動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

焊縫的外形光滑美觀受到焊槍的左右擺動(dòng)和擺動(dòng)頻率的直接影響，所以,驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)必須對(duì)DSP發(fā)出的命令實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，通過(guò)L6470對(duì)DSP命令加以解讀，再控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行橫擺運(yùn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)自身具有以下特點(diǎn)：

1)快速啟停、自鎖性能良好;

2)步進(jìn)電機(jī)力矩與慣性比值數(shù)高，無(wú)電流也可自由轉(zhuǎn)動(dòng);

3)步進(jìn)電機(jī)可以進(jìn)行開(kāi)環(huán)運(yùn)動(dòng)，位置精度高，適合在擺動(dòng)控制中作執(zhí)行機(jī)構(gòu);

4)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)和脈沖成線性關(guān)系，控制簡(jiǎn)單[3]。

通過(guò)DSP輸出PWM波的形式作為L(zhǎng)6470驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)脈沖信號(hào)，作為功率驅(qū)動(dòng)電路，完成焊槍擺動(dòng)設(shè)計(jì)，可以使電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，焊接過(guò)程中擺動(dòng)停止頻繁，要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)既能快速啟動(dòng)，又能快速停止，而且要有良好的自鎖特性，步進(jìn)電機(jī)能夠滿足以上要求。

本實(shí)驗(yàn)選擇步進(jìn)電機(jī)MT28STH32-0674A:額定功率1 W ，額定電壓24～100 V，電壓24 V，相電流0.67 A，半步，最大靜力矩0.05 N·m，步距角1.8°，每個(gè)脈沖行進(jìn)1.000 598 011 363 6 mm。

4 采用DSP核心控制芯片控制L6470的好處

大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展使我們有可能以最少元器件個(gè)數(shù)、最低功耗、最簡(jiǎn)單電路、最完善保護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路的智能化、集成化[4]。本設(shè)計(jì)采用TMS320F28335作為控制單元，這個(gè)芯片數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、運(yùn)行速度高，特別適合作為擺動(dòng)控制系統(tǒng)的核心控制元件。L6470是ST公司的數(shù)字控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，它集成了數(shù)字控制內(nèi)核，特別適合控制驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。所以選擇L6470作為驅(qū)動(dòng)控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而完成焊槍擺動(dòng)的設(shè)計(jì)。

數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)是在20世紀(jì)60年代產(chǎn)生的[5]，它的發(fā)展改變了模擬信號(hào)的歷史，它將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，在傳輸過(guò)程中編輯、刪除無(wú)效信號(hào)，經(jīng)過(guò)一系列處理后再轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)或者所需要的形式傳出。而且自身可以編程，相比模擬信號(hào)中電阻、電容數(shù)值易變化，數(shù)字信號(hào)處理更準(zhǔn)確，處理實(shí)時(shí)信號(hào)速度快。數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)(Digital Dignal Processor， DSP)具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度的兩大特點(diǎn)。其它通用微處理器無(wú)可比擬，已經(jīng)成為電子世界重要芯片。這個(gè)芯片與以往不同之處是精度更高，成本更低，功耗更小，性能更高，它的外接設(shè)備集成度非常高，能夠存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)和程序，數(shù)字和模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換快速而且精確。

TMS320F28335具有150 MHz的高速處理能力，具備32位浮點(diǎn)處理單元，6個(gè)DMA通道支持ADC，McBSP，EMIF，本設(shè)計(jì)需要以PWM波形脈沖信號(hào)作為步進(jìn)電機(jī)輸入控制信號(hào)，TMS320F28335有18路PWM波輸入通道，除此之外它還具有6路高精度PWM波輸出通道，12位16通道ADC，完全滿足要求。TMS320F28335具有浮點(diǎn)運(yùn)算單元，節(jié)省了小數(shù)處理上的時(shí)間，選用者可以自己編寫(xiě)控制算法。這個(gè)控制芯片的特點(diǎn)是性能高，而且兼容性好，在設(shè)計(jì)應(yīng)用中為用戶省去了不少麻煩，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，所以選擇TMS320F28335作為擺動(dòng)系統(tǒng)的中心控制芯片。F2833X如圖1所示。

圖1 F2833X

F2833X系列與TI公司的前代數(shù)字信號(hào)控制器相比，整體性能好，復(fù)雜運(yùn)算能力提升一倍多[6]。

L6470是ST公司新推出的步進(jìn)電機(jī)控制芯片，選擇它作為設(shè)計(jì)中電機(jī)控制芯片，主要是因?yàn)橛幸韵绿攸c(diǎn):

1)L6470集成了功率級(jí)和一個(gè)數(shù)字控制內(nèi)核，加快了運(yùn)算的速度、精度。

2)L6470能夠通過(guò)SPI接口接收DSP等微控制器的運(yùn)動(dòng)曲線命令，自動(dòng)執(zhí)行命令，并按照預(yù)定的加速度和速度曲線運(yùn)動(dòng)，除此之外還能快速達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速。

3)L6470擁有給運(yùn)動(dòng)命令排隊(duì)和發(fā)送功能，這樣就可以對(duì)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)加以控制，這對(duì)設(shè)計(jì)微控制器很重要，減少其不必要的內(nèi)存消耗。L6470接收命令時(shí)，不需要微控制器，便可以將命令加以解釋、運(yùn)算，找出運(yùn)動(dòng)的起始位置和終點(diǎn)，并控制電機(jī)加速啟動(dòng)和減速停止，整個(gè)過(guò)程由自身的內(nèi)核硬件完成。L6470接收Move命令時(shí)，自身的數(shù)字內(nèi)核硬件將計(jì)算電機(jī)從靜止開(kāi)始做加速運(yùn)轉(zhuǎn)再返回到起始位置所需要的前進(jìn)步數(shù)的運(yùn)動(dòng)路徑，整個(gè)過(guò)程都是獨(dú)立完成的，減少了控制器的開(kāi)銷，是用于步進(jìn)電機(jī)控制焊接過(guò)程中的最佳選擇。

4)L6470的邏輯控制電路包含加減速度，啟動(dòng)轉(zhuǎn)速、相電流控制和步進(jìn)等模式，它是一個(gè)可以設(shè)置的狀態(tài)機(jī)。L6470可以將每步分解128小步，即每微步旋轉(zhuǎn)角為1.8°，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一周即行進(jìn)步數(shù)為(360/1.8)*128步。這樣便可以使運(yùn)動(dòng)更加平滑，運(yùn)動(dòng)控制更方便。所以選用L6470作為步進(jìn)電機(jī)的控制芯片。

5 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖中，TMS320F28335與驅(qū)動(dòng)芯片L6470的FLAG，BUSY，STCK等引腳相連接，通過(guò)SPI接口向L6470芯片實(shí)時(shí)發(fā)送運(yùn)動(dòng)控制命令。

當(dāng)芯片正在執(zhí)行某個(gè)指令時(shí)，BUSY引腳被強(qiáng)制為低電平。

FLAG是狀態(tài)標(biāo)志位，當(dāng)運(yùn)行中有錯(cuò)誤發(fā)生，比如像失步等，引腳會(huì)被強(qiáng)制拉低。

STCK功能是在微步模式下，步進(jìn)電機(jī)在這個(gè)信號(hào)的每個(gè)上升沿運(yùn)轉(zhuǎn)一步。

本實(shí)驗(yàn)中TMS320F28335通過(guò)SPI接口可以向L6470芯片發(fā)送4種不同的運(yùn)動(dòng)控制命令，如下：

1)恒速命令。設(shè)定的加減速度讓電機(jī)旋轉(zhuǎn)到恒定的速度，快速實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定。

2)絕對(duì)位置命令。設(shè)定電機(jī)以特定的步數(shù)或者最小的步數(shù)到達(dá)指定位置，到達(dá)位置后電機(jī)自動(dòng)停止。

3)運(yùn)動(dòng)命令。使電機(jī)按命令朝規(guī)定方向行走,并前進(jìn)規(guī)定步數(shù)。

4)停止命令。使電機(jī)停轉(zhuǎn)。

以上4種命令配合加減速控制，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制方案，不再需要DSP來(lái)計(jì)算脈沖頻率、脈沖數(shù)目、脈沖時(shí)序等參數(shù)。

6 控制系統(tǒng)流程

控制系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)流程圖

首先系統(tǒng)通過(guò)TMS320F28335進(jìn)行初始化參數(shù)設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)通過(guò)SPI協(xié)議對(duì)L6470的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，進(jìn)而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)焊槍的橫擺進(jìn)行控制，完成焊接。

開(kāi)始，TMS320F28335初始化，其內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置，來(lái)確定 DSP當(dāng)時(shí)的工作狀態(tài)。完成之后，通過(guò)TMS320F28335對(duì)L6470進(jìn)行配置，完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，從而完成對(duì)焊槍橫擺的路線的設(shè)置[7]。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證明，用DSP對(duì)L6470進(jìn)行控制可以使橫擺的擺動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)，達(dá)到控制要求[8]。

圖4 焊槍橫擺測(cè)試結(jié)果

圖中上坡下坡曲線為焊槍左右擺動(dòng)過(guò)程，對(duì)應(yīng)的時(shí)間為擺動(dòng)過(guò)程對(duì)應(yīng)的時(shí)間。當(dāng)焊槍擺到左右兩個(gè)邊緣位置時(shí)，會(huì)有短暫的停留，為的是保證焊接邊緣徹底焊透，保證焊接質(zhì)量，所以會(huì)出現(xiàn)如圖所示的梯形曲線，曲線的橫線代表左右邊緣停止的位置以及時(shí)間。由圖中可以看出，焊槍左右擺動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)，左右擺動(dòng)邊緣停止時(shí)間相同，很好地完成了對(duì)擺動(dòng)過(guò)程的控制。

7 結(jié) 語(yǔ)

本設(shè)計(jì)主要以TMS320F28335為中心控制芯片，選用L6470作為電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)芯片，完成了焊槍的擺動(dòng)控制，降低了設(shè)計(jì)難度，節(jié)約了成本，更重要的是減小了驅(qū)動(dòng)控制器的大小，L6470的微步功能使電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性提高了，而且操作靈活、簡(jiǎn)單，其自有的各種電機(jī)檢測(cè)和保護(hù)功能提高了控制系統(tǒng)和電機(jī)的安全性和壽命，在焊接擺動(dòng)控制中是較好的選擇。

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L6470 application in welding swing control

MU Guang-fu, FU Hong*

(School of Electrical & Electronic Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

This article adopts the digital control drive chip L6470 of ST company to drive the stepper motor, as the control chip of the curve motion of the welding torch to accomplish complex welding process, system sends commands simply by DSP, L6470 can drive motor for motion control accordingly, it has been verified by experiment that it satisfy the control requirement on the swing of welding torch in TIG welding, not only save a lot of resources but also reduced the economic cost.

TIG welding； DSP； L6470； stepper motor.

2014-07-20

吉林省科技廳基金資助項(xiàng)目(20130206029GX)

穆廣福(1986-)，男，漢族，遼寧錦州人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要從事測(cè)試技術(shù)和智能系統(tǒng)方向研究,E-mail:fanjiachunkeji@163.com. *聯(lián)系人：付 虹(1963-)，女，漢族，遼寧臺(tái)安人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)教授，碩士，主要從事測(cè)試技術(shù)與智能系統(tǒng)方向研究,E-mail:fuhong@mail.ccut.edu.cn.

TP 202.1

A

1674-1374(2014)05-0530-04