（控制理论与控制工程专业论文）数字脉冲mig弧焊逆变电源的研制.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 脉冲m i g ( m e t a li n e r tg a s ) 是一种熔化极惰性气体保护焊，它能 在很大的输入电流范围内实现从短路过渡到射流过渡的所有熔滴过渡形 式。数字控制脉冲m i g 焊机具有动态响应特性好、功率器件开关损耗小、 主变压器体积小重量轻、控制策略灵活、适应性强、产品一致性好等优 点，在国民制造工业中占有重要地位。研制数字控制脉冲m i g 焊机具有 重要意义。 本文在介绍脉冲m i g 焊机的整体结构、各部分组成及功能、详细分 析主回路工作方式的基础上，提出了系统的控制框架并设计了基于 “d s c + m c u ”结构的焊机主控系统，设计并制作了焊机主控电路板。 详细描述了d s c 和m c u 系统电路设计；电压、电流采样模拟通道的调 理和模数转换( a d c ) 电路的设计；数模转换( d a c ) 输出通道电路的 设计；焊枪开关、热继电器，风扇驱动等开关量通道隔离电路的设计； r s 4 8 5 总线接口、c a n 总线接口和u a r t 互连通信接口电路的设计。 本文详细描述了焊机的系统控制框图和各部分的作用关系，重点阐 述了变参数p i 控制算法及其实现；介绍了专家系统算法并详细叙述了它 在脉冲m i g 焊机上的组成结构及实现方法。 本文完成了在m c 5 6 f 8 3 2 3 ( d s c ) 上编写程序和调试的工作。实现了 2 步、4 步、特殊4 步、点焊四种模式下的焊接方式控制。编制了焊机的 起弧，焊接、收弧程序，实现了焊机起弧过程、焊接过程和收弧过程的 控制。在m c 9 s 1 2 d g l 2 8 单片机上对嵌入式实时操作系统m c o s n 的内 核进行了裁减和移植，并采用基于任务的程序设计方法设计了5 个任务， 其中1 个任务实现了面板输入设定和参数显示功能；1 个任务实现了遥 控盒的输入设定和参数显示功能；1 个任务实现了对送丝机的控制功能； 1 个任务实现了单片机与d s c 通信，参数传递和状态同步功能；1 个任 务实现了焊接专家系统的框架用于完成参数的一元化调节功能。 v 山东大学硕士学位论文 本文对焊机实现过程中的一些细节问题进行了阐述。本文设计了一 个能够满足系统电源需求的隔离型t o p s w i t c h 开关电源电路、设计了可 以与主控板配合工作的送丝机控制电路、设计了一个满足系统功能的焊 机面板，经制作印制电路板调试以上各部分均能稳定工作。对焊机进行 了组装调试，经现场试焊取得了较为满意的结果。 最后分析总结了数字控制脉冲m i g 焊机的设计方案，并对今后的研 究和数字控制脉冲m i g 焊机的发展进行了展望。 v i 关键词：焊机；脉冲m i g ；m c 5 6 f 8 3 2 3 ；m c 9 s 1 2 ；p c o s i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep u l s e dm e t a li n e r tg a sw e l d i n g ( p m i g ) c a ng i v ea ud r o p l e t t r a n s f e rf o r m a t sf r o ms h o r t c i r c u i tt r a n s f e rt os p r a y i n gt r a n s f e rt h r o u g h w i d ei n p u tc u r r e n tr a n g e t h ed i g i t a lc o n t r o lp u l s e dm i gw e l d i n gm a c h i n e o c c u p i e s a ni m p o r t a n tp o s i t i o ni nt h en a t i o n a lm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y ， b e c a u s ei th a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sr a p i dd y n a m i cr e s p o n s e ，l o w l o s so f p o w e rd e v i c es w i t c h i n g ，s m a l ll i g h tt r a n s f o r m e r ，f l e x i b l ec o n t r o ls t r a t e g y ， s t r o n ga d a p t a b i l i t y d e v e l o p i n gt h ed i g i t a lc o n t r o lp u l s e dm i gw e l d i n g m a c h i n ei so fg r e a ts i g n i f i c a n c e t h i st h e s i si n t r o d u c e dt h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h ep u l s e dm i gw e l d i n g m a c h i n e ，t h ec o m p o n e n t sa n dt h ef u n c t i o n s m e a n w h i l e ，i ta n a l y z e dt h e m a i nc i r c u i ti nd e t a i l b a s eo nt h a t ，w ep r o p o s e dac o n t r o lf r a m e w o r ka n d d e s i g n e da “d s c + m c u ”s t r u c t u r a lm a i nc o n t r o ls y s t e ma n dm a d eap r i n t e d c i r c u i tb o a r d ( p c b ) i td e s c r i b e di nd e t a i lt h ed e s i g no ft h ed s cs y s t e m c i r c u i ta n dm c u s y s t e mc i r c u i t ；t h ed e s i g no fs a m p l ec h a n n e lc i r c u i ta b o u t t h ev o l t a g ea n dt h ec u r r e n tu s i n gt h ea n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t o r ( a d c ) ；t h e d e s i g no fo u t p u tc h a n n e lc i r c u i tu s i n gt h ed i g i t a lt oa n a l o gc o n v e r t o r ( d a c ) ； t h ed e s i g no fd i g i t a ls i g n a li s o l a t i o nc i r c u i ta b o u tt h eg u ns w i t c h ，t h e r m a l r e l a y ，f a nd r i v e ra n ds oo n ；t h ed e s i g no fb u s i n t e r f a c e si n c l u d i n gr s - 4 8 5 ， c a na n du a r ti n t e r c o n n e c t i o n s t h i st h e s i sd e s c r i b e dt h es y s t e mc o n t r o lb l o c kd i a g r a mo ft h ew e l d i n g m a c h i n ea n dt h er e l a t i o n s h i po fb l o c k si nd e t a i l i ti n t r o d u c e dt h ev a r i b a b l e p a r a m e t e r p lc o n t r o la r i t h m e t i ca n dd e s c r i b e dt h er e a l i z a t i o no fi ti n e m p h a s i s i ta l s oi n t r o d u c e dt h ee x p e r ts y s t e m ( e s ) a n dd e s c r i b e dt h e s o l u t i o ni nt h ep u l s e dw e l d i n gm a c h i n e p r o g r a m e si nm c 5 6 f 8 3 2 3 ( d s c ) c o m p i l e da n dd e b u g g e dw e r es h o w n i nt h i st h e s i s i tr e a l i z e ds t a r t a r cc o n t r o l ，w e l d i n gp r o c e s sc o n t r o l ，e n d - a r c c o n t r o la n dw e l d i n gc o n t r o lu n d e rf o u rm o d e st h a ti st w o s t e p ，f o u r s t e p ， s p e c i a lf o u r s t e pa n ds p o tw e l d i n g t h er e a l - t i m ek e r n e lo ft h e z c o s - 1 1 w a sr e d u c e da n dp o r t e di nm c um c 9 s 1 2 d g l 2 8 f i v et a s k b a s e dt a s k 山东大学硕士学位论文 s u b r o u t i n e sw e r ed e s i g n e d t h ef i r s ta n dt h es e c o n dt a s k sr e a l i z e dt h ei n p u t s e t t i n ga n dt h ed i s p l a yo ft h ep a r a m e t e r ss e p a r a t e l yf r o mh u m a n - m a c h i n e i n t e r f a c e ( h m i ) o nw e l d i n gm a c h i n eb o d ya n dr e m o t eh m i t h et h i r d a c t u a l i z e dt h ec o n t r o lf u n c t i o n sa b o u tt h ew i r ef e e d e r t h ef o u r t h i m p l e m e n t e dc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm c ua n dd s c ，p a r a m e t e r st r a n s f e r a n ds t a t u ss y n c h r o n i z i t i o n t h ef i f t hd e s i g n e dt h ew e l d i n ge x p e r ts y s t e m s f r a m e w o r kt oc a r r yo u tt h ep a r a m e t e r s u n i f y i n ga d j u s t m e n t s o m es p e c i f i cp r o b l e m s d u r i n gt h ew e l d i n gm a c h i n e s r e a l i z a t i o n p r o g r e s sw e r ed e s c r i b e di nd e t a i li n t h i st h e s i s a ni s o l a t e dt o p s w i t c h d c d cp o w e rs u p p l yc i r c u i tw h i c hw a s d e s i g n e dc a nm e e ta ut h es y s t e m s p o w e rd e m a n d s aw i r ef e e d e rc o n t r o lc i r c u i tw h i c hc a nc o o p e r a t ew i t h m a i nc o n t r o lb o a r da n dah u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ( h m i ) c i r c u i tw e r e d e s i g n e d a f t e rt h a tt h et h r e ec i r c u i t s p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ( p c b ) a l s ow a s d e s i g n e da n dw o r k e dw e l l f u r t h e rm o r eaw e l d i n gm a c h i n ew a sa s s e m b l e d a n dt e s t e d t h er e s u l t so ff i e l d w o r kw e l d i n ga c h i e v e do u ra i m s f i n a l l y ，s u mu pt h ed e s i g ns c h e m eo ft h ed i g i t a lc o n t r o lp u l s e dm i g w e l d i n gm a c h i n e f u t u r er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h ed i g i t a lc o n t r o l p u l s e dm i gw e l d i n gm a c h i n ew a sp r o p o s e d k e y w o r d ：w e l d i n gm a c h i n e ；p u l s e dm i g ；m c 5 6 f 8 3 2 3 ；m c 9 s 1 2 ；p c o s i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：益墨堡e l 期： z d 方争，二 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：整蕉导师签名：三戤日期：至竺z 丝三二 山东大学硕士学位论文 i t 课题的研究背景 第一章绪论 伴随着电子技术、计算机技术、电力电子技术、智能控制等一系列 技术的飞速发展，各个领域正遭受着前所未有的冲击。焊接作为工业制 造、石油化工、西气东输、交通运输设备、建筑工程、航空航天等领域 的重要的主导制造工艺技术，其技术装备的优劣直接影响产品的质量、 可靠性、寿命以及生产的效率和成本等诸多方面。 我国焊接装备也正经历着一个性能愈臻完善、功能愈臻丰富、智能 化程度越来越高的阶段。近年来，我国的焊接装备技术飞速发展，但仍 存在很多问题： 1 焊接装备结构不合理。在电弧焊机中，交流弧焊机所占比例仍较 大，以逆变焊机为代表的直流焊机所占比重还有待进一步提高。 2 焊接装备的自动、半自动化程度不高。焊接机器人的设计和制造 能力仍不理想。与日、美等发达国家相比，机器人的数量和产品 化都有很大差距。 3 焊接装备国内自行研发比例不高，仿制、组装的较多。 4 焊接装备的性能、稳定性和一次合格率都有待提高。 弧焊机的数字化是当今焊接装备发展的潮流，它可以解决以上许多 问题，并具有传统焊机所不具有的许多优点： 1 主电路的功率器件工作在开关状态工作频率高，频率越高主回路 输出电流纹波越小，响应速度越快，动态响应特性越好；焊机的 功率损耗大大减小，效率提高到9 0 以上；变压器的体积减小、 重量轻【。 2 控制回路采用数字信号处理器( d s p ) 、微控制器( m c u ) 使焊 接装备的性能提高，控制策略灵活，适应性强，产品一致性好， 集成度高，自动化程度得到提高。 山东大学硕士学位论文 3 接口兼容性好，易于和机器人连接。可以方便的满足自动化生产 的需要。 功率器件开关频率不断提高，数字信号处理器、单片机性能的飞速 发展，使得数字化焊接设备的优势越来越明显，也必将推动焊接装备朝 数字化的方向飞速发展。 1 2 脉冲m i g 焊的发展及特点 在2 0 世纪4 0 年代初，m i g ( m e t a li n e r tg a s ) 焊，是惰性气体保护 焊的简称，在美国研制成功1 2 1 ，但由于当时焊接设备昂贵，氩气也很昂 贵，在随后的2 0 多年里限制了m i g 焊的应用和发展。脉冲m i g 焊的出 现打破了以电流( 或电压) “恒定”来建立焊接过程“稳定”的概念， 开拓了运用变动电流( 或电压) 进行焊接的途径【3 1 。脉冲m i g 焊是一种 焊接电流周期性变化的熔化极惰性气体保护焊。在脉冲电流的峰值期间， 电流值大于产生射滴过渡的临界电流值，此时的过渡形态可以很好的实 现射滴过渡，峰值电流对焊丝和工件进行强烈加热使之熔化，并建立熔 池。在脉冲电流的基值期间，电流很小，输出的能量仅够维持电弧的燃 烧，不产生熔滴过渡。使用此种方法可以在平均电流低于临界电流的情 况下实现射滴过渡。 熔化极焊接中的熔滴过渡形式主要有大滴过渡、短路过渡、喷射过 渡( 包括射滴过渡和射流过渡) 、亚射流过渡等多种形态【4 。6 1 。 1 大滴过渡是焊接电流较小，维持一定的电弧电压、过渡频率较慢、 熔滴颗粒较大的一种过渡。焊接过程中电流小、电弧推力小、方 向性不好、母材熔化少、焊缝高、成形不良、没有熔深，在m i g 焊中没有实用价值1 7 】。 2 短路过渡是在低压、细丝、小电流下的一种过渡形态，在焊接时 会出现熔滴连接焊丝和母材形成短路的过程。c 0 2 焊多使用此种 过渡形态，脉冲m i g 焊可以在比c 0 2 焊更低的电压下实现短路 过渡，并且过渡过程稳定、飞溅i x l 8 , 9 1 。 2 山东大学硕士学位论文 3 熔滴以小于焊丝直径的尺寸进行的过渡统称为喷射过渡【1 0 j 。喷 射过渡的电弧形态比较扩展，而使用氩气的m i g 电弧热传导率 小、对电弧的冷却作用小、电场强度低、电弧能够在较大范围罩 住焊丝端头、熔滴过渡比较容易。主要用于中厚板和厚板的水平 对接和水平角接。 4 亚射流过渡是介于短路过渡与射滴过渡之间的一种过渡形式，在 铝合金的焊接过程中使用较多 1 x l 。 脉冲m i g 的所力求实现的过渡形态为射滴过渡。在射滴过渡的形态 中与焊接电流脉冲相对应有多脉一滴、一脉一滴和一脉多滴三种形式， 其中一脉一滴是最理想的过渡形态1 1 2 刖l 。 因此，焊接电流为脉冲形式的脉冲m i g 焊与传统的m i g 焊相比具 有很多特点和优点： 1 脉冲m i g 焊的峰值电流大于喷射过渡的临界电流值，能够保证 焊接时的喷射过渡。喷射过渡稳定性好、方向性强，较其它过渡 形式而言，可以实现空间全位置的焊接。 2 基值电流用来防止电弧的熄灭，维持电弧稳定燃烧，并且为焊丝 和母材提供预热的能量，可使焊丝端头有少许熔化。基值电流小 于平均焊接电流，熔池相对冷却，有利于全位置焊接和超薄板的 焊接。 3 在平均电流不变的情况下，输入电流的范围很宽，可以实现从短 路过渡到射流过渡的所有电流过渡形式。 4 通过峰值电流与基值电流的切换，脉冲m i g 焊可以非常精确的 控制热量的输入，因此可以使用送丝相对容易的粗焊丝进行薄板 焊接。 1 3 国内外研究现状 近年来随着大规模专用集成电路( a s i c ) 、数字信号处理器( d s p ) 、 复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 、现场可编程门阵列( f p g a ) 等新型半 3 山东大学硕士学位论文 导体器件的发展与应用，焊机已经由原来分立器件组成的模拟电路向由 单片机、d s p 为核心的数字控制方向发展。目前国内焊机的控制多以单 一控制器( 单片机、d s p 、c p l d ) 为主。其中单片机为核心的控制方式 无法实现实时性和高精度的控制，较d s p 控制有诸多不足。d s p 控制方 式采用较为广泛，但反馈信号和逆变驱动p w m 信号仍采用模拟方式， 无法完全发挥数字化控制的优势。 目前奥地利、芬兰、德国、日本、美国等一大批工业强国都已有技 术成熟的脉冲m i g 焊机制造技术。奥地利f r o n i u s 公司子1 9 9 8 年率先提 出数字化焊机理念，其他公司随后也推出了自己的数字化焊机产品【”】。 其中以f r o n i u s 的t p s 系列全数字化焊机为代表，采用“m c u + d s p ”双 机结构，具有诸多优点，堪称数字焊机的典范。 在国内，数字化焊机的研究尚处于起步阶段，以北京工业大学殷树 言教授等研究开发的全数字化焊机具有相当的代表性，它采用单片机和 d s p “双机”控制和模块化设计基本上代表了国内全数字化焊机的发展 方向【1 6 】。华南理工大学的焊机研究者分别基于单片机和d s p 数字控制系 统原理在满足一脉一滴过渡形式的条件下，通过设计双脉冲( 峰值脉冲 和中值脉冲) 的匹配，可在较大范围内调节中值脉冲电流和时间，实现 熔滴直接可调，改善了焊机性能。在脉冲m i g 焊控制中，迄今为止应用 较多的是峰值能量不变的控制方法，这种方法假设焊丝熔化全部在峰值 电流期间进行，基值电流只起维持电弧的作用。当参数选取适当时，能 够实现一脉一滴。但由于不同焊机的离散性，实际该方法无法有效的实 现焊机产品控制性能的一致。国外已有研究采用智能的控制方法【1 7 l 。 总的来说，国内研究对传统弧焊逆变电源的继承过多，对脉冲m i g 焊机“一脉一滴”的控制思想仍然没有一种简单易行的方法实现。较之 世界领先水平仍有1 0 2 0 年的差距【1 8 l 。 这样一种形势使我们产生了时代的紧迫感，我们错过了上一次的工 业革命，不能再错过这一次信息时代的工业革命，我们当迎头赶上，努 力追赶发达国家的先进技术和方向，把我们的民族工业振兴起来。这也 正是我研究本课题的动机所在。 4 山东大学硕士学位论文 1 4 本章小结及本文结构 本章介绍了本课题的研究背景；列举了目前我国焊接装备领域存在 的诸多问题；介绍了采用数字化弧焊逆变技术所具有的优点；介绍了脉 冲m i g 焊技术的产生过程、特点和脉冲m i g 焊的熔滴过渡形态；最后 本章较为全面的阐述了当前国内外脉冲m 1 g 焊接技术的研究现状；说明 了研究本课题的重要性。 本文共分七章，具体组织如下： 第一章，绪论；阐述了课题的背景、脉冲m i g 技术的起源和发展、 国内外的研究现状、研究本课题的目的和意义； 第二章，概述了系统的整体结构和各个组成部分、详细分析了焊机 主回路的工作原理及功率器件的参数选型、详细勾画了控制系统的框架； 第三章，详细描述了焊机基于“d s c + m c u ”模式的主控系统硬件 电路的设计，包括处理器单元设计、模拟通道设计、开关量通道设计和 通信接口的设计； 第四章，从闭环控制系统的角度详细描述了脉冲m i g 焊系统的控制 框图和闭环控制算法，详细阐述了核心控制算法一变参数离散p i 控制算 法；介绍了专家系统算法在脉冲m i g 焊机上的组成结构及实现方法； 第五章，根据2 步、4 步等多种工艺要求，详细描述了d s c 中焊 接控制程序设计；在m c 9 s 1 2 d g l 2 8 上实现了抢占式实时操作系统 c o s - i i 的移植、详细描述了任务的分解和设计，说明了如何对事务的 管理和焊接专家系统进行实现； 第六章，描述了关于焊机实现的诸多细节问题，设计了一个多路隔 离型t o p s w i t c h 开关电源；详细叙述了送丝机子系统和面板子系统的硬 件及软件设计；经现场调试获取了部分焊接波形； 第七章，结束语，总结了本文的主要工作和不足之处，并展望了脉 冲m i g 焊机未来的研究方向。 5 山东大学硕士学位论文 2 1 系统概述 第二章系统概述与框架 脉冲m i g 焊是一种焊接电流周期性变化的熔化极惰性气体保护焊。 它对焊接设备要求相当“苛刻”，主回路的开关频率要高，输出电流纹 波要小，响应速度要快，动态响应性能要好，要“一机多能”即能适应 多种焊接材料、多种焊丝直径在不同条件下的焊接需求。 如图2 1 所示，脉冲m i g 焊机主要由6 个部分组成： 6 图2 - 1 脉冲m i g 焊机系统结构图 1 主回路( m a i nc i r c u i t ) 主回路是系统的功率变换电路，其电路的主要功能是将电网上的 三相交流3 8 0 v 整流再进行中频( 2 0 k h z ) 桥式逆变，经再次整流后 山东大学硕士学位论文 输出，输出电流可高达5 0 0 a 。 2 驱动电路( d r i v e r ) 驱动电路驱动逆变回路中的绝缘栅型大功率晶体管( i g b t ) ，桥式 逆变电路的i g b t 对触发脉冲相位要求非常严格，其开关损耗也和触发 脉冲的斜率、幅度等密切相关。驱动电路还具有保护功能，一但出现过 流、过热等情况可以及时封锁脉冲，保护主电路功率器件和电网的安全。 3 主控板电路( m a i nb o a r d ) 主控板电路是焊机控制的核心部分。在焊接时，主控板上实现焊机 工作的工艺时序和控制功能，如起弧、焊接、收弧、热起弧、短路控制、 去球等工艺。在控制上使用了变参数电流闭环p l 控制和电压闭环p i 控 制。控制的输出量通过d a 转换器送到驱动板的模拟输入口，经驱动板 驱动i g b t 最终输出。控制的反馈量是最终输出的电压和电流的采样值。 主控板通过控制辅助电路( 送丝机、面板、遥控盒、风扇等) 配合 焊接过程的送丝、送气等工艺，将用户与面板的交互转换成焊接所需要 的过程参数( 焊接专家系统) ，调节优化系统参数达到提供焊接质量的 目的。 4 送丝机电路( w i r e f e e d e r ) 送丝机电路是在焊接过程中给送焊丝的执行机构，送丝机通过调节 送丝电机的转速为焊接时提供匀速或变速送丝。送丝机电路通过电磁阀 控制保护气体的通断。由于送丝机一般离焊枪和工件比较近，在其上设 置了电压调节、电流调节两个微调旋钮，用户可以在焊接时微调电压和 电流值。送丝机具有点动送丝的功能，允许用户使用点动送丝按钮在更 换丝盘的时候自动将焊丝穿入焊枪和灵活调节其穿出焊枪的长度。 5 焊机面板( h m i - - h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) 焊机面板是焊机和用户交互的接口，通过面板用户可以观察和设置 焊机的状态、工作模式；选择焊丝、板材、保护气体的类型；调节和存 储焊接的工艺参数等。焊机面板将焊接过程中实际的电压、电流等参数 显示在出来供用户参考。 6 遥控盒( r e m o t eh m i ) 7 山东大学硕士学位论文 用户在使用焊机时，有时焊机离工件比较远，调节面板不方便，用 遥控盒来替代面板功能，实现人机交互的一个远程的人机接口设备 ( r e m o t e h m i ) 。 2 2 主回路 2 2 1 主回路的形式 主回路的结构如图2 2 所示，采用改进的移相谐振电路【1 9 】，工作在 软开关方式。 图2 - 2 主回路结构图 其中s 1 为空气开关，电网电压经整流和c p 、l 1 稳压后为逆变提供 直流输入。逆变部分n 1 、n 3 为超前桥臂，n 2 、n 4 为滞后桥臂。c 1 、 c 3 为超前臂并联电容，c 2 、c 4 为滞后臂并联电容，且c 1 = c 3 c 2 = c 4 。 l 2 为饱和电感，c s 为环流抑制串联电容。t 1 为主变压器。“+ ”、“一” 为焊枪输出。 主回路的结构是不对称的，这与传统的移相谐振式电路有所不同， 传统的电路c 1 = c 2 = c 3 = c 4 。主变压器原边的c s 和l l 用来产生零电 流关断和零电流开通条件。 暑 山东大学硕士学位论文 2 2 2 主回路的工作方式 主回路工作在软开关方式，其控制模式为：n 1 n 3 、n 2 n 4 为互补导 通，n 1 n 3 为p w m 控制，n 2 n 4 不进行p w m 调制，n i n 2 n 3 n 4 驱动波 形如图2 3 所示。 l 肌 2 n 图2 - 3n 1 n 2 n 3 n 4 的驱动波形 与传统的相移谐振相比，驱动更加简单，可以很容易从传统的硬开 关电路的驱动方式上移植过来。 整个工作过程分为八个状态，前四个状态与后四个状态是对称的。 状态l ：n 1 、n 4 导通，电流通路为； u 4 - 一n 1 一c s 一 l 2 一t 1 一n 4 一u 一 如图2 - 4 ( a ) 所示： 图2 - 4 ( a ) 状态( 1 ) 在此阶段，由于l 2 足够大，可等效为恒流源给c s 充电，c s 上的电 9 芸 山东大学硕士学位论文 压线性上升。 状态2 ：n 1 截止，电流通路为： u + 一c 1 一c s 一，l 2 一 t 1 一n 4 一u 一 如图2 - 4 ( b ) 所示； 当n 1 截至时，l 2 仍为恒流源，由于n 1 的关断，电流通路转移由 n 1 支路至c 1 支路上，电流给c 1 充电给c 3 放电，n 1 两端电压上升， c i c 3 上电压线性变化，电压上升率与负载电流有关，负载电流大，电 压上升率高，n 1 关断时硬度高。 图2 - 4 ( b 1 状态( 2 ) 状态3 ；当n 1 两端电压上升至输入电压u 时，d 3 导通，电流通路 为： u 一一 d 3 一c s 一 l 2 一 t 1 一n 4 一u 一 如图2 - 4 ( c ) 所示，当c 1 上电压高至u 时，电流支路由c 1 移至d 3 ， 输出整流二极管d 6 d 7 导通，将变压器短路，电路等效为由l 2 及c s 组 成的l c 振荡电路，由于c s 上电压的阻挡作用，回路中的电流在不断衰 减，l 2 为一个饱和电感和一个谐振电感的等效串联，当电流小到饱和电 感的饱和电流值时，饱和电感开始工作，一旦饱和电感退出饱和l 2 的 电感值将增加很大，此时回路中的电流基本上衰减很小。 1 0 山东大学硕士学位论文 图2 4 ( c ) 状态( 3 ) 缸 状态4 ：n 4 截止，电流通路为： u 一一，d 3 一c s 一1 2 一 t 1 一c 2 一u + 当n 4 截至时，n 4 支路中流过的电流很小，n 4 可等效成零电流关 断，n 4 关断后，l x l 的饱和电流分别给c 2 c 4 充放电，进行换流。 如图2 - 4 ( d ) 所示：电流支路由n 4 转至c 2 ，c 4 。 图2 - 4 ( d ) 状态( 4 ) 缸 当c 4 电压充电至输入电压u 时，电流通路为： u 一一 d 3 一c s 一 l 2 一 t 1 一 d 2 一u + 1 1 山东大学硕士学位论文 电流支路由c 4 转至d 4 ，d 4 导通。 另外半个周期的工作状态与这4 个状态对称。 2 2 3i g b t 参数计算与选型 电源的输入为5 0 h z ，三相3 8 0 v ，经三相桥式整流输出电压为： u d = 3 8 0 v 1 4 1 4 = 5 3 7 ( v ) i g b t 在关断过程中承受的最大稳态电压为整流环节所输出的直流 最大电压，其尖峰畸变可以通过减小引线电感、优化缓冲电路得到有效 抑制，考虑到有此造成的附加电压和电网电压波动，引入电压波动系数 ( 取1 1 ) 、安全系数( 取1 1 ) 、过压系数( 取1 1 5 ) ，计算i g b t 的 额定工作条件如下： 电网峰值电压： u d - - - - 压3 8 0 x 1 1 1 1 = 6 5 0 ( v ) i g b t 关断时承受的峰值电压为： u c e s = u d 1 1 5 = 6 5 0 1 1 5 = 7 4 7 5 ( v ) 再考虑1 5 倍的安全裕量，额定电压为： u e = u c c s 1 5 = 7 4 7 5 1 5 = 1 1 2 1 ( v ) 主变压器的匝比为2 0 ：3 ，副边输出最大电流为5 0 0 a 。 原边额定电流为： t 。= 等硝a 在此参数计算的基础上i g b t 选择s e m i k r o n ( 西门康) 公司的 s k m l 0 0 g b l 2 3 d ，其电压容量为1 2 0 0 v ，电流容量为1 0 0 a 。 2 3 控制系统框架 除了焊机的主回路和驱动回路，其余的四个部分可以看作是系统的 控制部分和辅助控制部分。其上都具有智能的核一单片机或d s c 。 山东大学硕士学位论文 王径敬 + a 1 皇垦墨堂i l j t a g i li l b d m l a 1 皇鎏墨堂i l l d m c u 一d + d 一过热 ( t i c 9 s 1 2 ) d s c 删 ( 5 6 8 0 0 e ) + d 巫：开关 一 驱 ijk 一婀 动 d ，h 板 j ，1 i 风扇f ， ic a n 接口i i a 一旋钮( 电压) i r s 4 8 5 ，a 一旋钮( 电流) 焊机面板 、 上 7 数字 m - d 一 点动 数码管 送丝机 c - d - 气阀 指示灯 u 按键遥控盒 一s t a n 一r m l 旋转编码器姗刊丫 图2 5 控制部分的结构与组成 负责控制和辅助控制的部分共划分为4 个模块，分别是主控板( m a i n b o a r d ) 、送丝机( w i r e f e e d e r ) 、面板( h m i ) 、遥控盒( r e m o t eh m i ) 。 采用模块化的设计方法对这几个模块先分别进行设计和调试，再进行综 合。这四个部分的具体功能划分如下： 主控板( m a i nb o a r d ) 实现焊机的大部分功能和主要功能，板上采 用一颗f r e e s c a l e 公司5 6 8 0 0 e 内核的具有控制功能的d s c ( d i g i t a ls i g n a l c o n t r o l l e r ) ，实现电压、电流的实时采样( 如图2 5 所示) ，经过电流 和电压的闭环p i 控制，通过d a 输出模拟量到驱动板完成闭环控制。 主控板上还有一个单片机( m c u ) 用于实现焊接专家系统参数的计算， 同时与面板、送丝机等外部子系统进行通信完成焊接的辅助控制。m c u 采用f r e c s c a l e 公司的的$ 1 2 内核的1 6 位单片机m c 9 s 1 2 d g l 2 8 。d s c 与m c 9 s 1 2 单片机在板上采用异步串行通信，完成信息的交互。 送丝机( w i r e f e e d e r ) 以送丝电机的启动、制动以及驱动送丝作为 山东大学硕士学位论文 主要功能。送丝机在时序上配合主控板完成保护气体电磁阀的控制。另 外与用户交互的功能主要体现在点动送丝、电流调节和电压调节旋钮的 输入检测功能。 面板人机接口( h m i ) 上包含8 个七段码数码管、3 2 个指示l e d 、 1 4 个输入按键和2 个旋转编码器。能够满足所有参数的设定和显示的需 要。面板只负责按键采集、旋转编码器的采集和显示缓冲区的内容，主 控板上的控制器( m c u ) 包含了焊接专家系统，处理相应的按键的意义 及显示的缓冲的修改。 遥控盒( r e m o t e h m i ) 的功能与面板类似，能实现对所有参数的设 定和显示，是一个可选的辅助设备。当焊机位置离工件比较远的时候， 或由于环境复杂，不利于操作人员到焊机前去调节系统的模式和参数， 可以使用遥控盒对焊机进行设置和观察实际的电压、电流值。 2 4 本章小结 本章概述了脉冲m i g 逆变焊机的整体结构，描述了控制系统各部分 的组成及其主要功能。详细分析了系统主回路的结构和工作方式，对触 发脉冲的相位关系进行了描述。在模块划分的基础上，从控制的角度描 述了系统各个模块之间的连接关系和输入输出的分配。 “ 山东大学硕士学位论文 第三章主控系统硬件设计 主控系统( 简称主控板) 负责焊机的主要控制任务，是焊机的控制 核心。主控板上具有d s c 和m c u 双处理器，分别对应不同的功能，d s c 以数字信号处理速度快著称，采用它来负责焊接时的实时控制，如焊丝 的熔化、起弧控制、收弧控制。m c u 用来负责事务性的任务，处理与用 户的交互、与送丝机的通信等等。作为控制系统的输入输出通道也需经 过特别的处理，包括精度和抗干扰性能等等，这些都是本章讨论的重点。 3 1d s c 电路 f r e e s c a l e 公司的5 6 8 0 0 e 内核的d s c ( d i g i t a ls i g n a lc o n t r o l l e r ) ， 是具有d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 内核的微控制器。5 6 8 0 0 e 内核的 1 6 位d s c 片内总线时钟可以达到6 0 m h z ，处理速度为6 0 m i p s ( 百万指 令每秒) 5 6 8 0 0 e 内核的m c 5 6 f 8 3 0 0 系列d s c ，其f l a s h 从4 8 k b 到 5 7 6 k b ，r a m 从1 2 k b 到3 6 k b ，片内外设资源丰富，可以非常方便的 根据需要升级为高端型号或裁减为低配置芯片1 2 们。 m c 5 6 f 8 3 2 3 片上具有3 2 k b 的程序f l a s h 、8 k b 的数据f l a s h 、4 k b 的程序r a m 、8 k b 的数据r a m 和8 k b 的b o o t f l a s h 。m c 5 6 f 8 3 2 3 的片 内外设非常丰富，具有2 个4 通道分辨率为1 2 位a d 转换器，2 个s c i 模块，2 个s p i 模块，1 个6 通道的p w m 模块，1 个f l e x c a n 模块，1 个看门狗模块，2 7 个g p i o 。m c 5 6 f 8 3 2 3 有一个增强型的片上调试器 ( o n c e t m ) ，支持j t a g 在线调试 2 1 , 2 2 】。 m c 5 6 f 8 3 2 3 是一个混合型芯片( m i x e ds i g n a lc h i p ) ，片上既有数 字部分也有模拟部分，因此供电的时候要分别供电。v d d1 0 1 v d d1 0 4 为数字电源，与系统的+ 3 3 v d 相连( 如图3 - 1 所示) 。 v s s 1 0 1 v s s 1 0 4 为对应的数字地，分别与系统的d g n d 相连。 v d d ao s cp l l 引脚为晶振锁相环的电源，v d d aa d c 和v s s aa d c 山东大学硕士学位论文 为片内d 转换器的电源和地，这3 个引脚应分别与模拟部分的电源 ( + 3 3 v a ) 和地( a g n d ) 相连。 v d d l 0 1 v 曲a0 s cp l 工v d d l 0 2 v d n a d cv d d1 0 3 v d d l 0 4 v s s a a d c v s si o l v s s l 0 2 v s s l 0 3 v s s l 0 4 图3 - 1 d s c 电源接线图图3 - 2 电源引脚处理 m c 5 6 f 8 3 2 3 的电源引脚全都外接一个钽电容和两个瓷片电容，然后 串接一个铁氧体磁珠如图3 - 2 所示。钽电容具有较大的电容量和耐高纹 波电流性能。铁氧体磁珠能够对电源线上的高频干扰、尖峰干扰、静电 放电脉冲干扰起到抑制作用1 2 3 1 。 m c 5 6 f 8 3 2 3 的内核电压为1 8 v 。可以采用外部供电或使用片内的 电压调节器供电。采用片内电压调节器产生1 8 v 电压，需要将o c r d i s 引脚接地( d g n d ) ，并将v c a p l v c a p 4 外接2 2 u f 的旁路电容为内 核电压调节器提供旁路，如图3 3 所示【2 4 。3 2 1 。 图3 - 3 内核使用片内调节器供电模式 m c 5 6 f 8 3 2 3 外接一个8 m h z 的晶振，( 如图3 4 所示) ，经过片内 的锁相环倍频，可以使存储器、片内外设的总线和内核工作在6 0 m h z 的主时钟频率。这种片内高频、片外低频的工作模式有利于保持系统稳 定。将一个1 0 m o 的电阻与晶振并联，是为了增强起振性能，能够避免 山东大学硕士学位论文 出现晶振上电不