西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 徐 瑩 王 鵬 雎 希

山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 杜衛(wèi)東

基于ARM7的底片數(shù)字化儀電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 徐 瑩 王 鵬 雎 希

山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 杜衛(wèi)東

針對(duì)焊縫缺陷X射線實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)普遍存在誤檢高的問(wèn)題，研制了鋼管焊縫缺陷X射線實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，本文提出了工業(yè)膠片智能檢測(cè)系統(tǒng)中采集和控制的同步問(wèn)題的研究方法，設(shè)計(jì)了步進(jìn)電機(jī)的控制方法與光電編碼器采集方法，通過(guò)超低功耗系列單片機(jī)LPC2114進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)速度的采集與電機(jī)速度PID控制，同時(shí)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)夾持機(jī)構(gòu)使膠片相對(duì)CCD運(yùn)動(dòng)，線陣CCD開(kāi)始采集圖像。只要CCD的線頻率與掃描機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度同步，就可以采集到?jīng)]有畸變的圖像，運(yùn)用LMD18245全橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等器件以及設(shè)計(jì)所需的相關(guān)軟件的使用。在此基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、編程和調(diào)試，該系統(tǒng)在壓力管道焊縫缺陷實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)中驗(yàn)證了其正確性和有效性。

LPC2114；DMOS LMD18245；智能檢測(cè)；同步控制

1.引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益普及，計(jì)算機(jī)輔助評(píng)片系統(tǒng)愈來(lái)愈受檢測(cè)人的青睞。針對(duì)膠片的氣孔缺陷，做計(jì)算機(jī)輔助評(píng)片，并進(jìn)行自動(dòng)分級(jí)。為了保證缺陷智能檢測(cè)中線陣CCD相機(jī)對(duì)膠片的數(shù)字化處理準(zhǔn)確無(wú)失真，本文設(shè)計(jì)采用ARM處理器LPC2114為核心，光電編碼器接入電路，電機(jī)驅(qū)動(dòng)選用LMD18245芯片，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)控制掃描機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度與線陣CCD線頻率的匹配，從而確保工業(yè)膠片數(shù)字化和同步只能檢測(cè)的準(zhǔn)確無(wú)誤，為未來(lái)工業(yè)射線檢測(cè)提供重要保障和技術(shù)支持。

2.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用LPC2114作為集成控制芯片，增量式光電編碼器作為采集啟動(dòng)信號(hào)，接收到由增量式編碼器發(fā)出的A、B相信號(hào)，再由LPC2114對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)脈沖信號(hào)，利用脈沖計(jì)數(shù)方式控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，再用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)電機(jī)進(jìn)行加工。增量式編碼器在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可連續(xù)輸出與旋轉(zhuǎn)角度對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)，靜止?fàn)顟B(tài)不輸出脈沖。計(jì)算其步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，利用步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)和PID控制算法調(diào)整傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的速度，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的精確控制，電機(jī)同步系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 電機(jī)同步系統(tǒng)框圖Fig.1 Motor synchronization system block diagram

3.硬件電路設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)總體控制設(shè)計(jì)采用兩相四線的步進(jìn)電機(jī)，ARM控制器給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器一個(gè)脈沖信號(hào)和方向信號(hào)，并利用驅(qū)動(dòng)電路中的細(xì)分功能，經(jīng)過(guò)功率放大和環(huán)形分配器，驅(qū)使步進(jìn)電機(jī)繞組精確運(yùn)轉(zhuǎn)，采用細(xì)分控制電路，能夠降低工作噪音，減少震動(dòng)，消除步進(jìn)電機(jī)的低頻共振，改善步進(jìn)電機(jī)工作的旋轉(zhuǎn)位移分辨率。

3.1 光電編碼器

光電編碼器在電機(jī)控制中可以用來(lái)測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)位置和機(jī)械位置以及轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)和機(jī)械位置的變化速度與變化方向。可以利用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器配合光電編碼器的輸出脈沖信號(hào)來(lái)測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速。其測(cè)速原理是在規(guī)定的檢測(cè)時(shí)間Tc內(nèi)，對(duì)光電編碼器輸出的脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)的測(cè)速方法。

設(shè)在時(shí)間T內(nèi)，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過(guò)的弧度數(shù)為Xτ，則轉(zhuǎn)速n可由下式表示：

相關(guān)參數(shù)

3.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)及細(xì)分電路

驅(qū)動(dòng)電路選用兩片LMD18245作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，用來(lái)驅(qū)動(dòng)兩相四線步進(jìn)電機(jī)，它與LPC2114主要硬件控制連接圖如圖2所示：

圖2 LMD18245與LPC2114硬件連接圖Fig.2 LMD18245 and LPC2114 hardware connection diagram

步進(jìn)電機(jī)必須有驅(qū)動(dòng)器和控制器才能正常工作，驅(qū)動(dòng)器的作用是對(duì)控制脈沖進(jìn)行功率放大，環(huán)形分配，為了更加精確有效的控制步進(jìn)電機(jī)，改善步進(jìn)電機(jī)工作的旋轉(zhuǎn)位移分辨率，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用細(xì)分功能，LMD18245采用TO-220封裝，電源電壓12V供電，固有步距腳1.8°，電機(jī)齒數(shù)50W，DIRECTION為方向邏輯輸入引腳。邏輯控制功能，BRAKE為急停信號(hào)，為D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓，設(shè)置為5V，M1-M4為D/A轉(zhuǎn)換器的二進(jìn)制數(shù)字輸入端，可以改變細(xì)分?jǐn)?shù)，此設(shè)計(jì)采用4細(xì)分驅(qū)動(dòng)，因此細(xì)分后步距角=電機(jī)固有步距角/細(xì)分?jǐn)?shù)，其步距角為1.8o/4=0.45o，也就相當(dāng)于每來(lái)一個(gè)脈沖走0.45o，當(dāng)細(xì)分等級(jí)大于1/4后，電機(jī)的定位精度并不能提高，只是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)更平穩(wěn)。通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的精確，平穩(wěn)控制，可以使其和線陣CCD相機(jī)的采集頻率表相互匹配最終達(dá)到精確檢測(cè)的目的。

4.軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件主要由六部分，分別為主控程序，增量式PID速度控制程序，串口收發(fā)程序，外部中斷程序，位移，速度計(jì)算程序，步進(jìn)電機(jī)正反控制程序。設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

圖3 同步檢測(cè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

步進(jìn)電機(jī)上電初始化后，對(duì)膠片位移和速度進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，并利用增量式PID控制步進(jìn)電機(jī)的移動(dòng)速度，串口進(jìn)行對(duì)電機(jī)方向，目標(biāo)位置，PID參數(shù)的設(shè)定，當(dāng)膠片開(kāi)始移動(dòng)后，控制器將對(duì)編碼器進(jìn)行計(jì)數(shù)進(jìn)行位移計(jì)算和速度計(jì)算，并調(diào)用PID算法：

計(jì)算誤差，更新電機(jī)轉(zhuǎn)速的輸出值，為了使線陣CCD線頻率與掃描機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度相匹配，已知步進(jìn)電機(jī)步距角T，細(xì)分?jǐn)?shù)N，頻率f，可以計(jì)算得到步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速：

進(jìn)而轉(zhuǎn)化為，線陣CCD的線頻率，其中L為每個(gè)CCD像素的成像代表物面上的尺寸。從而更新膠片相對(duì)于CCD鏡頭的位置進(jìn)行成像，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)X膠片的數(shù)字化精確采集。

5.結(jié)束語(yǔ)

本文基于鋼管焊縫缺陷智能檢測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于ARM7的底片數(shù)字化儀電機(jī)同步系統(tǒng)，通過(guò)利用驅(qū)動(dòng)細(xì)分技術(shù)對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，使線陣CCD相機(jī)的掃描速率和膠片傳動(dòng)機(jī)構(gòu)速率相匹配，實(shí)踐證明，采用以上設(shè)計(jì)方法可以更加精細(xì)的調(diào)整CCD鏡頭，最終可以獲得更加準(zhǔn)確，清晰的數(shù)字化圖像。

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