交流異步電動(dòng)機的矢量控制系統設計方案

1.引言

在工業(yè)探傷領(lǐng)域中，由于焊接過(guò)程出現的各種問(wèn)題，會(huì )導致焊縫中含有氣孔和裂紋等缺陷，影響產(chǎn)品的質(zhì)量，所以焊接圖像中缺陷的檢測十分重要。受傳統X射線(xiàn)焊縫圖像檢測的評片人員的技術(shù)素質(zhì)和經(jīng)驗的影響，焊縫缺陷的檢測逐步從人工評片過(guò)渡到計算機智能識別。采用X射線(xiàn)實(shí)時(shí)檢測系統在線(xiàn)檢測與分析，可以有效地克服人工評片引起的誤判，從而使焊縫底片缺陷在線(xiàn)檢測工作客觀(guān)化、規范化、標準化。它是將計算機、自動(dòng)控制、機械傳動(dòng)、無(wú)損檢測等眾多學(xué)科進(jìn)行有效結合而誕生的高科技項目，它的研制開(kāi)發(fā)成功將使我國的輸油氣管道焊縫的無(wú)損檢測技術(shù)發(fā)生“質(zhì)”的飛躍，給焊縫檢測傳統工藝帶來(lái)巨大的沖擊。而便攜式焊縫底片數字化檢測儀則是因為其便攜性能夠給客戶(hù)帶來(lái)極大的方便，因此有更大的發(fā)展前景。

設計研發(fā)便攜式焊縫底片數字化檢測儀需要完成以下幾方面的工作，按功能可以將系統分成如下四部分：

(1)機械部分：機械部分包括傳片機構和自動(dòng)控制部分。傳片機構帶動(dòng)焊縫底片在水平方向上運動(dòng)。該部分由無(wú)磨損導軌、橡皮傳動(dòng)輪、同步傳動(dòng)帶和步進(jìn)電機等組成。

(2)系統照明部分：采用節能式電子鎮流器的冷光源對目標視場(chǎng)進(jìn)行照明。

(3)圖像采集部分：該部分使用高速工業(yè)相機來(lái)采集圖像。這樣可以保證圖像質(zhì)量和掃描速度兼容性。

(4)模式識別部分：由計算機對攝像機采集到的圖像進(jìn)行預處理、圖像分割和模式識別，提取焊縫缺陷進(jìn)行分類(lèi)。

本文主要對便攜式數字化焊縫底片檢測儀的硬件結構進(jìn)行設計。對于機械部分的設計，首先要對傳片機構進(jìn)行設計，使其能夠達到便攜的要求。然后使用單片機實(shí)現對步進(jìn)電機的控制，以實(shí)現傳片機構的運動(dòng)。設計電路控制原理圖和編寫(xiě)單片機控制程序。

2.總體方案設計

根據輸油氣管道焊縫底片無(wú)損檢測工作的需求，系統結構設計如圖1所示。

便攜式數字化焊縫底片檢測儀主要由兩部分組成：筆記本電腦和采集系統。采集系統主要部件有：線(xiàn)掃描相機、傳片機構、照明系統、步進(jìn)電機控制電路板、步進(jìn)電機驅動(dòng)器和步進(jìn)電機等。

本系統首先完成射線(xiàn)底片的數字化輸入，然后對其進(jìn)行圖形圖像處理和分析。其工作原理如下：在冷光源照明系統、散熱系統和供電系統協(xié)同工作下，上位機與下位機建立各種信息數據通信，計算機向串行接口發(fā)出膠片行走命令及行走方向命令，單片機通過(guò)接收處理相關(guān)命令，向機械伺服傳動(dòng)系統中的步進(jìn)電機驅動(dòng)器發(fā)送CP信號和DIR信號，驅動(dòng)器細分CP信號并識別DIR信號后驅動(dòng)三相混合式步進(jìn)電機工作，步進(jìn)電機通過(guò)同步帶驅動(dòng)傳片機構并帶動(dòng)膠片向某一方向平穩運行;當膠片通過(guò)工業(yè)攝像機正下方時(shí)，上位機軟件精確控制攝像機電子快門(mén)動(dòng)作，結合照明系統，攝像機以線(xiàn)掃描方式將膠片圖像幀準確地采集至上位機;上位機再將采集到的圖像數據作分工同步處理，一部分發(fā)送至計算機內部作輔助處理，另一部分發(fā)送至圖形圖像處理板處理;將處理后的大批量圖像數據轉儲至海量存儲系統當中，完成整個(gè)工作流程。

采集系統外殼的體積為200mm×200mm×400mm,重量不超過(guò)10kg.主要布局如圖2所示：

3.傳片機構設計

由于工業(yè)射線(xiàn)膠片的寬度不是單一固定的，為了提高工作效率和工作質(zhì)量、保證檢測底片的精度，構思一種連續可調的檢測焊縫底片系統是非常必要的。本文我們通過(guò)調整傳片機構的兩端側板的寬度可以實(shí)現對不同寬度(70mm-120mm)的工業(yè)射線(xiàn)照相膠片的精確定位，保證攝像頭的對中。傳片機構的設計如圖3所示：

4.步進(jìn)控制

步進(jìn)電機是工業(yè)過(guò)程控制的主要控制元件之一。它是一種將電脈沖信號轉換成相應的角位移或線(xiàn)位移的電磁機械裝置，具有快速啟動(dòng)和停止的能力。當負荷不超過(guò)步進(jìn)電機所提供的動(dòng)態(tài)轉矩值時(shí)，能夠在“剎那”間實(shí)現啟動(dòng)和停止。

步進(jìn)電機的控制系統的中央命令處理及控制單元采用了性?xún)r(jià)比較好的ATMEL_AT89C51單片機，通過(guò)其內部軟件程序并結合周邊電路元器件實(shí)現了對整機硬件系統的集中控制。其基本功能大致有：解釋軟件系統對硬件執行機構的相關(guān)控制命令、輸出步進(jìn)電機驅動(dòng)器所需要的CP脈沖信號和DIR方向信號等等。

在步進(jìn)電機的單片機控制系統中，要實(shí)現以下二個(gè)基本控制任務(wù)：