L6470在焊接擺動控制中的應用

穆廣福， 付 虹

(長春工業大學 電氣與電子工程學院， 吉林 長春 130012)

L6470在焊接擺動控制中的應用

穆廣福， 付 虹*

(長春工業大學 電氣與電子工程學院， 吉林 長春 130012)

采用ST公司生產的數字控制驅動芯片L6470驅動步進電機，其作為焊槍曲線運動的控制芯片完成復雜的焊接工藝，系統只需通過DSP發出命令，L6470便可以驅動電機進行相應的運動控制，經實驗驗證，滿足了 TIG焊接焊槍擺動的控制要求，節省大量資源的同時也減小了經濟開銷。

TIG焊接； DSP； L6470； 步進電機

1 焊槍擺動的控制意義

TIG焊(鎢極氬弧焊)是一種高質量的焊接方法，它以其焊接過程穩定、易于控制、焊接質量高等優點被廣泛應用，并且市場需求量越來越大[1]。焊槍在焊接中的作用是夾持鎢極，傳導電流和傳輸氬氣的。人們在TIG焊接中發現，控制好焊槍的擺動意義非常大，首先焊槍的左右擺動拓寬了焊道的寬度,其次也使不平整的焊縫表面光滑，擺動焊接可以使焊層厚度降低,對實現多層多道焊接工藝有所幫助[2]。

2 幾種控制焊接擺動的方法

2.1 “偏心輪-連桿”式擺動系統

即使這個系統已經實現了擺動速度和幅度的調節,但是擺動速度是非線性的,也無法實現擺動幅度的無級調節。這種擺動方式不能滿足設計要求，可致使焊接表面粗糙，精密焊接中很少采用此種擺動方式。

2.2磁場控制擺動系統

這個系統是靠磁場吸引電弧來進行擺動，焊槍是不動的。磁場控制擺動系統的優點是在焊槍的前部加上產生磁場的裝置就行，不能實現焊槍橫向左右擺動的時間停留，這個系統滿足不了實際工作要求。

2.3機頭電控擺動系統

通常將焊槍固定在十字滑架上，通過控制器控制電機運動來帶動焊槍運動。這個方法變化十分靈活、柔性特別好，適應性強，通過設計微處理機軟件就可以實現擺動軌跡的改變，不需要改動擺動系統的機械部分，這樣便可以省掉不必要的花銷，節省開支。

綜上所述，本設計采用機頭電控擺動系統。

3 擺動系統總體設計

焊縫的外形光滑美觀受到焊槍的左右擺動和擺動頻率的直接影響，所以,驅動機構必須對DSP發出的命令實現快速響應，通過L6470對DSP命令加以解讀，再控制步進電機進行橫擺運動，步進電機自身具有以下特點：

1)快速啟停、自鎖性能良好;

2)步進電機力矩與慣性比值數高，無電流也可自由轉動;

3)步進電機可以進行開環運動，位置精度高，適合在擺動控制中作執行機構;

4)步進電機運動和脈沖成線性關系，控制簡單[3]。

通過DSP輸出PWM波的形式作為L6470驅動步進電機脈沖信號，作為功率驅動電路，完成焊槍擺動設計，可以使電路結構簡單，焊接過程中擺動停止頻繁，要求驅動電機既能快速啟動，又能快速停止，而且要有良好的自鎖特性，步進電機能夠滿足以上要求。

本實驗選擇步進電機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°，每個脈沖行進1.000 598 011 363 6 mm。

4 采用DSP核心控制芯片控制L6470的好處

大規模集成電路技術的發展使我們有可能以最少元器件個數、最低功耗、最簡單電路、最完善保護來實現電機驅動控制電路的智能化、集成化[4]。本設計采用TMS320F28335作為控制單元，這個芯片數據處理能力強、運行速度高，特別適合作為擺動控制系統的核心控制元件。L6470是ST公司的數字控制步進電機驅動芯片，它集成了數字控制內核，特別適合控制驅動步進電機。所以選擇L6470作為驅動控制的執行機構，從而完成焊槍擺動的設計。

數字信號處理技術是在20世紀60年代產生的[5]，它的發展改變了模擬信號的歷史，它將模擬信號轉換成數字信號，在傳輸過程中編輯、刪除無效信號，經過一系列處理后再轉換成模擬信號或者所需要的形式傳出。而且自身可以編程，相比模擬信號中電阻、電容數值易變化，數字信號處理更準確，處理實時信號速度快。數字信號處理技術(Digital Dignal Processor， DSP)具有強大數據處理能力和高運行速度的兩大特點。其它通用微處理器無可比擬，已經成為電子世界重要芯片。這個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，它的外接設備集成度非常高，能夠存儲大量數據和程序，數字和模擬信號轉換快速而且精確。

TMS320F28335具有150 MHz的高速處理能力，具備32位浮點處理單元，6個DMA通道支持ADC，McBSP，EMIF，本設計需要以PWM波形脈沖信號作為步進電機輸入控制信號，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具有浮點運算單元，節省了小數處理上的時間，選用者可以自己編寫控制算法。這個控制芯片的特點是性能高，而且兼容性好，在設計應用中為用戶省去了不少麻煩，經濟實用，所以選擇TMS320F28335作為擺動系統的中心控制芯片。F2833X如圖1所示。

圖1 F2833X

F2833X系列與TI公司的前代數字信號控制器相比，整體性能好，復雜運算能力提升一倍多[6]。

L6470是ST公司新推出的步進電機控制芯片，選擇它作為設計中電機控制芯片，主要是因為有以下特點:

1)L6470集成了功率級和一個數字控制內核，加快了運算的速度、精度。

2)L6470能夠通過SPI接口接收DSP等微控制器的運動曲線命令，自動執行命令，并按照預定的加速度和速度曲線運動，除此之外還能快速達到設定轉速。

3)L6470擁有給運動命令排隊和發送功能，這樣就可以對復雜的運動加以控制，這對設計微控制器很重要，減少其不必要的內存消耗。L6470接收命令時，不需要微控制器，便可以將命令加以解釋、運算，找出運動的起始位置和終點，并控制電機加速啟動和減速停止，整個過程由自身的內核硬件完成。L6470接收Move命令時，自身的數字內核硬件將計算電機從靜止開始做加速運轉再返回到起始位置所需要的前進步數的運動路徑，整個過程都是獨立完成的，減少了控制器的開銷，是用于步進電機控制焊接過程中的最佳選擇。

4)L6470的邏輯控制電路包含加減速度，啟動轉速、相電流控制和步進等模式，它是一個可以設置的狀態機。L6470可以將每步分解128小步，即每微步旋轉角為1.8°，電機轉子轉過一周即行進步數為(360/1.8)*128步。這樣便可以使運動更加平滑，運動控制更方便。所以選用L6470作為步進電機的控制芯片。

5 控制系統結構框圖

控制系統結構如圖2所示。

圖2 控制系統結構

圖中，TMS320F28335與驅動芯片L6470的FLAG，BUSY，STCK等引腳相連接，通過SPI接口向L6470芯片實時發送運動控制命令。

當芯片正在執行某個指令時，BUSY引腳被強制為低電平。

FLAG是狀態標志位，當運行中有錯誤發生，比如像失步等，引腳會被強制拉低。

STCK功能是在微步模式下，步進電機在這個信號的每個上升沿運轉一步。

本實驗中TMS320F28335通過SPI接口可以向L6470芯片發送4種不同的運動控制命令，如下：

1)恒速命令。設定的加減速度讓電機旋轉到恒定的速度，快速實現穩定。

2)絕對位置命令。設定電機以特定的步數或者最小的步數到達指定位置，到達位置后電機自動停止。

3)運動命令。使電機按命令朝規定方向行走,并前進規定步數。

4)停止命令。使電機停轉。

以上4種命令配合加減速控制，可以實現復雜的運動控制方案，不再需要DSP來計算脈沖頻率、脈沖數目、脈沖時序等參數。

6 控制系統流程

控制系統軟件流程如圖3所示。

圖3 控制系統流程圖

首先系統通過TMS320F28335進行初始化參數設置，從而實現通過SPI協議對L6470的參數進行設置，進而控制電動機的轉動，對焊槍的橫擺進行控制，完成焊接。

開始，TMS320F28335初始化，其內部寄存器進行配置，來確定 DSP當時的工作狀態。完成之后，通過TMS320F28335對L6470進行配置，完成對步進電機的控制，從而完成對焊槍橫擺的路線的設置[7]。通過仿真實驗證明，用DSP對L6470進行控制可以使橫擺的擺動過程平穩，達到控制要求[8]。

圖4 焊槍橫擺測試結果

圖中上坡下坡曲線為焊槍左右擺動過程，對應的時間為擺動過程對應的時間。當焊槍擺到左右兩個邊緣位置時，會有短暫的停留，為的是保證焊接邊緣徹底焊透，保證焊接質量，所以會出現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間。由圖中可以看出，焊槍左右擺動過程平穩，左右擺動邊緣停止時間相同，很好地完成了對擺動過程的控制。

7 結 語

本設計主要以TMS320F28335為中心控制芯片，選用L6470作為電機控制驅動芯片，完成了焊槍的擺動控制，降低了設計難度，節約了成本，更重要的是減小了驅動控制器的大小，L6470的微步功能使電機的運行穩定性提高了，而且操作靈活、簡單，其自有的各種電機檢測和保護功能提高了控制系統和電機的安全性和壽命，在焊接擺動控制中是較好的選擇。

[1] 陳善本.焊接過程現代控制技術[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2001：81.

[2] 王鐵鈞.焊槍擺動系統在焊接中的應用[J].焊接，2004(1):39-41.

[3] 王洪玉.步進電機控制技術[M].上海：同濟大學出版社，1998.

[4] 王常順.步進電機微步驅動系統[J].可編程控制器與工廠自動化,2009(11)：23-27.

[5] 張雄偉.DSP芯片的原理與開發應用[M].北京：電子工業出版社,2003.

[6] 扈宏杰.DSP控制系統的設計與實現[M].北京：機械工業出版社,2004.

[7] 孫乃明.自動焊接設備在全位置焊中的應用[J].裝備制造技術，2013(4)：34-41.

[8] 席少靜,李慧,孫清潔，等.鈦合金窄間隙TIG焊接技術及質量控制評述[J].長春工業大學學報:自然科學版，2014，35(3)：241-245.

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目(20130206029GX)

穆廣福(1986-)，男，漢族，遼寧錦州人，長春工業大學碩士研究生，主要從事測試技術和智能系統方向研究,E-mail:fanjiachunkeji@163.com. *聯系人：付 虹(1963-)，女，漢族，遼寧臺安人，長春工業大學教授，碩士，主要從事測試技術與智能系統方向研究,E-mail:fuhong@mail.ccut.edu.cn.

TP 202.1

A

1674-1374(2014)05-0530-04