（机械电子工程专业论文）数字化高压引弧式tig焊机的研制.pdf

摘要 摘要 众所周知，t i g 焊焊缝保护效果好，焊缝金属纯净，特别适用于焊接易氧化的有 色金属及其合金。 随着数字技术和现代通信技术的迅速发展，为数字化技术在焊接领域的逐步渗 透和提高焊接设备的技术含量提供了广泛的应用前景。而数字化的实现更使得弧焊 电源输出信号的幅值控制精度得到显著的提高。采用f 2 8 1 2 作为核心控制芯片，该芯 片具有较强的事件管理和数据处理能力，同时片上还集成了丰富的外设资源，能够 提高系统的集成度、抗干扰性能，并且降低成本。 在焊接电源走向数字化的过程中，由于工作环境的特殊性，其实现相对困难。 尤其是数字化t i g 焊接电源，更是对抗干扰环节提出更高的要求。虽然传统的高频引 弧技术成功率比较高，但是，高频信号对于控制系统的干扰却一直没有得到很好的 解决。而d s p 作为控制芯片更是不允许出现高频干扰信号，否则运行中的程序极容易 被干扰。本设计采用高压脉冲引弧取代高频引弧以设法降低高频信号的干扰。 经实验结果证明，该焊机输出特性满足技术指标的要求，焊接过程中不出现误 动作，引弧成功率较高，焊接性能稳定，对周围环境有一定的抗干扰能力。 关键词：t i g ；焊接；d s p ：引弧 a b s t r a c t a bs t r a c t a si sk i l o w nt oa 1 1 ，t h ep r o t e c t i n ge 盛c to ft i g 、”l d i n gi s 行n e t h em e t a l i nw e l d i n gb e a di sp u r c e s p e c i a l l yf i tf o rt h ew e l d i n go f n o m f e h d u sa n da l l o m w i i ht h er 印i dd e v e j o p m e n to ft h ed 蟛诅la 1 1 dm o d e mc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，n sp m v i d ea g r e a is p a c ef o rd i g i t a l c e c h n o l o 盱t l s e di nt h en e l do f w e l d j n ga 1 1 di m p r o v i n gt h et e c l l l l o l o g yc o m e n to f w e ld l n ge q u i p m e n t t h ee q u i p m e n ta d o p t sd s p ( f 2 8 1 2 ) 嬲m a i nc o n t m lp r o c e s s o li th a sab e t t e r c a p 曲i l i t yo f e va i l dd a 七ap r o c e s s i n g ，a r i da b u n d a n tp e r i p h e r a la r ci n t e g r a t e di ni t s ot h es y s t e mw h i c h c o n 打o l l e dw i t hd s p ( f 2 8 1 2 ) c a ne n h a t l c et 1 1 ei m e g r a t i o n ，t h ea b i l i t yo f a n t i i n t e r f e r e n c ea n dr e d u c et 1 1 e c o s t d u r i n gt h ep r o c e s so ft 1 1 ew e l d i n gp o w e rc o m b i n e dw i 也t h ed i g i t a lt e c h n o l o 鼢0b e c a u s eo ft h e s p e c i a ls u r r o u n d i n g ，i t ，sh a r dt oa c h e i v e de s p e c i a l l yf o rt i gd i g i 诅1w e l d i n gm a c h i n e i t sr e q u j r e dt | l e h i g h e r l e v e lf o ra n t j _ j n t e r f e r e n c e a l t h o u g hm e 仃a d i t i o n a i h i g l l - 舶q u e n c yi g n i i cm e t h o dh a sah i 曲 s u c c e s sr a t i o ，t h eh i g hf k q u e n c yi n t e m l p ts i g f l a lh a sn o tb e e nr e s o l v e d a st h ec o n t m lu n i t ，d s pc a l l t 世b r dt om ee x i 咖n c eo f t h ei n t e 玎u p ts i g n a l t h i sp r o j e c tu s eh i g hv o l t a g ei g n i t o rt os 0 1 v et h ep r o b l e m o f i n t e r m p t p r o v e db ye x p e r i e n c e ，m ed u t p mc h a r a c t e r i s t i co f t h i sw e l d i “gc a l lb es u n a b l et ot e c h g u i d e l i n e ，锄d t h ei n v e n e rc a nw o r kn o m a l l yd u n ga r cw e l d i n gp r o c e s s t h es u c c e s sr a t i oo f i g n i t i o ni sa l s o9 0 0 d e n o u g l l k e y w o i m t i g ；w e l d i n g ；d s p ；i g 血t c - i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 签名；垄建熊 日期； 趣! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 亟熊，导师签名：丝塑茎日期：垒垄二旦 第l 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 t i g f r u n g s t e n i n e r 【g a s ) 焊，也就是钨极氩弧焊，是钨极惰性气体保护焊的一种， 在纯氩气体的保护下，借助产生在钨电极与焊件之问的电弧，加热和熔化母材( 添加 填充金属同时被熔化) ，而后形成焊缝金属。焊缝保护效果好，焊缝会属纯净，特别 适合于焊接易氧化的有色金属及其合金加不锈钢、高温台金、钛及其合金以及难 熔的活性金属( 钼、铌、锆) 等。而且在电弧燃烧过程中，电极是不熔化的，故易维 持恒定的电弧长度，焊接过程稳定，并且由于氩气的保护，还可保持焊件的焊接质 量。氩气是单原子惰性气体，稳定性极好，在高温下4 i 分解、不吸热、不熔于金属， 也不与金属发生化学反应，热导率很小，电弧的热量损失小，电弧一旦引燃就能够 稳定燃烧，而作为非熔化极的钨棒，事先都己加工成一定的形状和尺寸，在整个焊 接过程中一直保持这一形状和尺寸，焊缝表面成形均匀光洁。并且本身不会产生熔 滴过渡，弧长干扰因素相对减小，也使得电弧和焊接过程十分稳定，电弧电压可控 制在土o 1 v 以内，是理想的精密焊接方法。国外也有用氮气或氩- 氮混合气体作为保 护气体。它以其焊接过程稳定、易于控制、焊接质量高和适用性广等优点己被广泛 采用，与此同时，t i g 焊电源也得到了不断的发展。 从焊机的工艺效果来看，由于数字化焊机具有控制策略调整灵活、控制精度高 以及控制参数稳定性好的特点，它具有更好的工艺稳定性和更好的工艺效果。同时， 数字化焊机方便的通讯接口功能为现代化的网络化生产提供了良好的硬件基础。从 弧焊工艺研究的角度，数字化焊机为实施刨新性的工艺控制策略和实现多功能提供 了全新的途径。而数字化焊机的在线控制程序升级功能，为新控制策略的实施提供 方便、快捷的途径。从技术发展的角度来看，数字化焊机研究的时机是成熟的。首 先是数字信号处理理论和计算机技术经过近半个世纪的发展、完善，为弧焊领域的 数字化控制技术的应用提供了坚实的理论基础，积累了宅贵的经验；其次是数字化 控制所涉及的元器件丰富，种类齐全，并且容易获得。国外数字化焊机的成功经验 和国内外市场的良好反应表明，数宁化焊机已经得到了广泛的青睬。因此，数字化 焊机的研究前景非常光明j 。 随着焊接技术 由发展，人们又发明了n g 焊接触引弧方式，由于接触式引弧对 于焊接电源以及控制系统产生的干扰较小，目前国内的数字t i g 焊机引弧器多采用 接触式引弧，通过d s p ( d i g i t a ls i 9 1 1 a 1p r o c e 8 s i n g ) 或单片机采用软件判断的方式来控 制引弧器划擦引弧或提升引弧来达到引弧的目的，但是众所周知，接触式引弧还是 容易使钨极损伤，产生焊缝夹钨等现象，因此还是应该设计种干扰较小的非接触 容易使钨极损伤，产生焊缝夹钨等现象，因此还是应该设计一种干扰较小的非接触 北京工业大学工学硕士学位论文 式高压引弧方式。 要研制一种采用非接触式引弧的数字化t i g 焊机，必须注意引弧过程对于焊机 电路的干扰问题，传统的t i g 焊，在焊接主回路中串接一个高频振荡器。当高频振 荡器接通时，其输出端可输出1 个频率为1 5 0 2 6 0 k h z 电压高达3 0 0 0 v 左右的高频 电压，该电压被加至钨极和工件两端，形成强烈的场效电子发射，击穿两端间隙， 并使氩气产生电离，形成气体放电，从而引燃电弧。但由于工作时对数字化控制系 统即以焊机主回路产生的干扰较大，因此自动t i g 焊机，尤其是采用d s p 技术的自 动t i g 焊设备，一般均认为不宜采用高频引弧方式。由于我所在的数字化小组，对 于焊机数字化的开发已经取得了一定的成果。因此目前要研制这台焊机，主要问题 是引弧瞬间所产生的高压对于回路的干扰问题，这就需要慎重的选择一种适当的引 弧方式。 1 2t i g 焊引弧技术的发展现状 引弧、焊接和收弧构成了实现电弧焊过程的三个关键环节，引弧性能的好坏直 接影响到焊接过程能否顺利进行。t i g 焊作为一种重要的焊接工艺，焊接过程稳定， 收弧易控制，但是引弧一直是t i g 焊中比较难解决的问题1 4 j 。 我国焊机引弧大多采用两种引弧方式，接触式引弧和非接触式引弧【5 j 。对于传统 的手工接触式引弧，容易引起焊缝夹钨，磨损工具表面，损伤钨极等问题，目前t i g 焊应用最广泛的是非接触式引弧，利用引弧器，通过强电场的电子发射击穿氩气介 质使其电离形成电弧f 6 】。多采用高频高压引弧，但当高频振荡电路失灵时，不仅其本 身的高压对电工安全构成了威胁，而且电源回路的干扰较为严重，高频信号的干扰 能损坏电子控制的弧焊电源中的半导体器件，高频磁场将严重干扰单片机、传感器 的下- 常工作，而在焊接精度要求较高的场合，如需要用计算机和传感器进行工艺参 数控制时就会遇到意想不到的麻烦1 7 】。 1 2 1t i g 焊接触引弧 由于t i g 焊非接触引弧存在固有缺点，所以很长一段时间，很多焊接工作者一 直从事接触引弧方法的研究。目前接触引弧主要采用电流切换法，即在钨极与工件 接触时采用小电流，当焊枪提起瞬时马上切换到大电流工作状态【引。 ( 1 ) 擦划引弧 擦划引弧时，焊工先接通保护气体并启动焊机，再手持焊枪将钨极与工件相接 触，使焊接电源与工件之间构成一个电流通路，然后向上提起焊枪而引燃电弧。它 是直流手工t i g 焊最基本的一种引弧形式。 其缺点是，钨极与工件接触后提升，产生的起始电流与预调的焊接电流一样大， 第1 章绪论 所以钨极容易烧损，且经常导致焊缝有少量夹钨现象，故在施焊过程中，需随时更 换烧损的钨棒。现在这种引弧方法已使用较少。 ( 2 ) 提升引弧 直流自动t i g 焊时，先将焊枪钨极轻缓地与工件接触一下，达到焊接回路形成 短路和预热钨极的目的，随后立即提升离开工件，直至预置高度。此时，钨极在高 速建立的强电场作用下，产生电子发射而引燃形成小电流，被控制的起始低电流便 迅速增加到预调的全额焊接电流，从而结束引弧过程而转入焊接状态。提升引弧时 较低的初始电流和电压，避免了钨极熔化，以及母材金属残留在钨极上造成的钨极 爆崩。因此是一种稳妥可靠而几乎无钨极污染的引弧形式，值得我国进行大力度的 推广与应用，对提高焊接电源系统的电磁兼容性及开拓其应用领域有重要意义。 1 2 2t i g 焊非接触引弧 1 非接触引弧原理 考虑到若让钨极与工件接触，会引起薄工件的烧伤，钨极烧损及造成焊缝夹钨 等缺陷。在传统的焊接电源中，t i g 焊采取非接触引弧，但是t i g 焊非接触引弧又 面临如下困难： 1 ) 钨极的逸出功高且钨极处于冷态； 2 1 氩气的电离势高。 为此不得不采取高频高压或高压脉冲的方式，利用高压击穿钨极与工件的间隙， 形成火花放电，然后利用焊接电源提供后续电流，使电弧空间用火花放电很快扩展 到电弧放电，完成引弧过程。从以上引弧过程可以看出影响t i g 焊非接触引弧性能 有如下主要因素p 】： 1 ) 电极材料与电极形状 电极材料的不同造成电极的电子逸出功不同，这样决定了在引弧时发射电子的 难易。由于t i g 焊纯钨极的逸出功比较大，因此在纯钨极中加入氧化钍，铯等材料， 减少逸出功，可明显改善钨极的引弧性能。 电极形状对引弧有很大影响，钨极越尖，会增大钨极尖端局部电场，从而有利 于场发射，这就是钨极末端磨成尖锥角电弧容易引燃的原因【1 0 j 。 2 1 保护气体 t i g 焊采用氩气保护，因为氩气具有较高的电离势，所以在击穿间隙时，它影 响电子雪崩所产生的电子数目，既影响到火花放电形成。因此在氩气中适当加入一 些电离势比较低的气体，有利于电弧的引燃。 3 ) 电极与工件的间隙 间隙的大小决定电场强度，从而影响电极场发射及间隙场电离。所以t i g 焊引 北京t 业大学工学硕士学位论文 弧间隙一般在3 m m 以内。 4 ) 焊接电源的动特性 在高压击穿电弧时，应该由焊接电源马上提供后续电流，电弧才能顺利引燃。 但是在焊接电源及其回路中存在有电感，这样就使电弧电流的增加需要一段时间， 电感大小直接影响d i ，d t 值。在这种情况下，就需要比较高的空载电压，所以焊机的 动特性也是影响t i g 焊引弧性能的主要因素，这就是新型焊接电源空载电压可以降 低的主要原因。 2 非接触引弧技术近况与发展 目前国内采用的非接触引弧技术主要采用如下几种方法： ( 1 ) 高频引弧 由于高频引弧结构简单，引弧性能稳定，且成本低，只要设计上考虑周全，结 构合理，高频引弧的可靠性是很高的，因而广泛应用于生产。但若在设计上考虑不 周，也会造成引弧困难，不能焊接，因此保证引弧迅速可靠，是设计者应考虑的主 要技术指标。 将一个高频振荡器接入电源网络，使低频低压的工频电变换成高频、高压交流 电，串联在焊接回路中，借以击穿钨极与工件之间约3 m m 的间隙而引燃焊接电弧。 高频振荡引弧方法常用于t i g 焊、等离子弧焊和等离子弧切割中。 a 非短路型高频振荡器 非短路型高频振荡器见图1 1 ，主要由升压变压器、电容c 、火花放电器h 、电 感l 组成。 ) 圃l 圈1 1非短路型高频振荡器 f i g 小1n o n s h o n h 讪仔e q u e n c ys u 唱ec i r c u i t b 短路型高频振荡器 短路型高频振荡器见图1 2 ，其基本工作原理和计算公式与非短路型高频振荡器 相同，不同的是升压变压器次级与火花放电采用的是并联形式。振荡过程中，升压 变压器有短路过程。 第l 章绪论 c ) 匾3 图1 2 短路型高频振荡器 f 嘻1 2 s h o r th i 曲舶q u e n c ys u 曙ec i r c u i t c 、三级高频振荡器 三级高频振荡器电路原理见图1 3 ，电路主要由升压变压器、电阻、电容、三火 花放电极和电感组成。 图1 3 三级高频振荡器电路原理图 f i g 1 - 3 t h i r d - c l a s sf k q u e n c ys u 喧ec i r c u i t 该电路主要特点是火花放电器的间隙击穿后，振荡波形由两个波形合成，一个 是频率为1 k h z 的锯齿波，另一个是频率为1 m h z 的振荡波形。以上3 种高频振荡，三 级高频振荡器的振荡频率比较高，振荡幅度呈锯齿形变化，最高振幅的振荡电压较 高，有利于高频击穿，其缺点是电路较复杂。 非短路放电型和短路放电型高频振荡器的电路简单、成本低，只要设计合理， 同样可以满足高频引弧可靠击穿的要求。非短路放电型在电路振荡期间，高压变压 器没有短路过程，对振荡回路的能量补充较充分，其电路比短路放电型更为合理。 使用高频振荡器引弧的缺点是易击穿焊接电源和干扰焊接回路中的其它电子仪 器的正常工作，有害人体及周围动物的健康。但由于其结构简单，引弧性能稳定， 且成本低廉、只要设计上考虑周全，结构合理，高频引弧可靠性将优于其它方法， 因而能广泛应用于生产。 ( 2 ) 高压脉冲引弧 在t i g 焊、等离子弧焊接和切割设备上，高频引弧成为非接触引弧的主要方法。 但是，高频电离效应会影响操作者的健康；高频的回窜会损坏电子弧焊电源中的电 器元件：高频电流磁场产生的电磁能量辐射会干扰计算机和传感器的自动控制，干 扰通信和广播网的正常传播。于是另一种引弧方式应运而生，这就是高压脉冲引弧。 在交流t i g 焊时，当工件在负极性的半周内，其空载电压瞬时值达到最大值时， 北京工业人学工学硕士学位论文 利用晶闸管式的高压脉冲发生器，产生高达数千伏的电压，叠加在焊接电源电压 上，使钨极和工件之间的气体介质电离而引燃电弧。 虽然依然对焊接电源有危害，特别是新型电源，但高压脉冲引弧可避免高频电 磁波对人体的危害、对电子器件的击穿以及对无线电接收的干扰。在逆变电源开始 大量使用的今天，迫切要求解决高压击穿逆变电源的问题，为此，在铝及铝合金的 交流t i g 焊时，以高压脉冲引弧来代替高频引弧是十分适宜的，高压脉冲引弧的应用 越来越广。实践证明，使用高压脉冲引弧是一种较好的引弧方法，因此应用愈来愈 广。在交流t i g 焊时，为确保焊接电弧能长时间的稳定燃烧，往往既用高压脉冲引弧， 又用高压脉冲来进行稳弧。国产的w s j 2 1 5 0 、w s j 2 4 0 0 2 1 、w s j 2 5 0 0 、n s a 2 4 0 0 、 n s a 2 5 0 0 2 1 等新旧型的交流手工钨极氩弧焊机与w s e 2 4 0 0 、n s a2 2 3 0 0 2 l 等型的交直 流两用手工钨极氩弧焊机，均采用高压脉冲发生器来进行引弧和稳弧，并串接电容 器来消除直流分量，有效地应用于铝制产品的焊接。 ( 3 ) 高压脉冲叠加高频振荡引弧 由高频发生器所产生的高频高压，其振荡是衰减的，若遇冷钨极尖端形状稍有 不合适或表面氧化膜增厚及钨极至工件的间隙偏大等因素影响，都会削弱钨极的电 子发射能力而导致引燃困难。此时，用高频引弧则需经过多次振荡，若在高压脉冲 引弧情况下，也需数个正弦波的负半周才能见效。由此可知，这两种引弧形式均欠 完美。若将二者结合起来，即在高压脉冲引弧时叠加高频振荡，使其具有双功能的 引弧形式，便可大大提高引燃的成功率。 l 雪产的w s j 3 0 0 、n s a 1 2 0 、n s a 3 0 0 1 等型的交流钨极氩弧焊机w s e 一1 5 0 型 交支流手工氩弧焊机，均采用这种引弧方法，是一些引弧性能比较先进的设备。但 其电路复杂，参数匹配很困难，所以应用受到限制。 就目前为止在实际生产中，t i g 焊大量采用高频高压和高压脉冲两种方法引弧。 其中由于高频高压引弧器对焊工身体有伤害，严重的妨碍周围电子设备和无线电通 讯。因此高压脉冲引弧逐渐占了主导地位。 1 - 3d s p 控制t i g 焊机的国内外现状 随着电子电力器件技术，智能控制技术的发展和对电焊机动态焊接过程的认识 理论日趋完善，参数离散性大、飞溅大、焊缝成形不好的传统模拟焊机正逐渐向参 数调试测试方便、飞溅小、焊缝成形、美观的数字化控制焊机过渡l 。数字信号处 理相对于模拟信号处理具有很大的优越性，表现在精度高、灵活性大、可靠性好以 及易于大规模集成等方面【l2 1 。因此，数字信号处理技术在通信、语音处理、图形图 像处理、自动控制、消费电子等诸多领域内得到了广泛的应用。数字化焊机的研究 目前仅仅处于起步阶段从目前来看只有少数的焊机厂商才有这一方面的开发和生产 第1 章绪论 能力。但是从数字化焊机所表现出来的性能来看，它已经成为今后焊接设备发展的 潮流。可以毫不夸张地说，数字化焊机是焊接的未来之星【l 3 1 。 在弧焊电源中，其控制部分对整机性能的优劣关系重大| l 。现在大多数弧焊逆 变电源都是以集成运放为核心组成的控制系统，对于难以控制而要求又特别高的情 况单纯依靠这种传统的模拟控制是难以达到其控制目的的，而以微机控制的弧焊电 源却具有以下特点：1 ) 记忆功能强；2 ) 控制灵活；3 ) 控制能力强；4 ) 进行二次开 发适应性强等，并且能通过软件设计实现精密控制、多特性控制和协同控制等。因 此，微机控制的弧焊逆变电源越来越引起人们的关注。先进的逆变电源配上微机控 制已经成为当今焊接电源的发展方向。 数字化逆变电源的优势可以简单的归纳为以下几点：i t 功能；多功能集成；更 高的系统控制精度；更高的工艺适用性与稳定性；更快的动态响应特性。d s p 是8 0 年代发展起来的新型高速数字信息处理器，出于其内部的哈佛结构，具有丰富的片 上外设、高速处理及运算能力，已广泛用于许多电器产品上【”】。近年来，在国际上 焊机数字化已成为焊机发展的一股热潮，知名厂家纷纷投入人力和物力，研制或在 原有焊机上采用这一技术，如日本0 t c 等公司，据称焊机的主控技术也全部采用以 高速处理器为主的数字化控制技术1 16 1 。这种焊机利用d s p 的功能，对给定信号流、 参数反馈信号流和网压信号流作综合处理与运算，实现参数输出的高精度控制，达 到焊接电源的数字化、信息化、柔性化的控制，因此本次课题研究的数字化t i g 焊 机在精度上可以达到很高的要求。 用计算机控制的焊机，制造方便，有较好的适应性和通用性。然而计算机相对 于焊机来说，价格昂贵，体积大，而单片机是以工业控制为目的设计的，将计算机 的一些功能集成在一块芯片上，体积小且价格便宜，用在焊机上的性能价格比较高， 因而单片机( d s p ) 控制的弧焊电源应运而生【1 7 j 。随着数字技术的发展，单片机控制的 t i g 焊机在很大程度上改变了传统的设计方法，在软件和扩展接口的支持下，单片 机可以代替以往由模拟和数字电路实现的系统，使原来许多电路的设计问题转化为 方便的程序设计问题。 数字化焊机主要的控制电路由传统的模拟技术直接被数字技术所代替，在控制 电路中的控制信号也随之由模拟信号过渡到o 1 编码的数字信号。数字信号处理相对 于模拟信号处理具有很大的优越性，表现在精度高、灵活性大、可靠性好以及易于 大规模集成等方面。作为数字信号处理技术与弧焊工艺结合的产物，数字化焊机的 出现引起了业内人士的广泛关注【1 8 】。 1 4 本课题的研究内容 本文主要是研究直接用d s p 驱动i g b t 的通断以实现调制脉宽变压的目的。要 北京工业大学工学硕士学位论文 求d s p 的硬件系统配合软件实现直流t i g 焊的目的。并且能按照事先设置的参数进 行焊接，包括提前送气、高压引弧、电弧引燃后电流缓升、焊接、电流缓降和滞后 送气等的控制。本课题的主要工作有： ( 1 ) 解决t i g 焊机基本控制电路中的d s p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的p i d 调节的软件设计 以及算法问题： ( 2 ) 为了降低高频引弧信号对电源回路的干扰，采用高压引弧方式代替高频引 弧： ( 3 ) 为改进后的面板编写程序，并实现单片机与d s p 的双机通讯。以实现焊接 时参数的显示与调节； ( 4 ) 调试焊机，检验引弧效果以及焊机的特性。 第2 章硬件系统的设计 2 1t i g 焊机的总体设计 d s p 控制逆变焊机的总体控制框图如图2 1 所示，d s p 2 8 1 2 控制t i g 焊机系统 主要包括：主电路、控制电路、面板显示、高频引弧电路这几部分。 芑曰嚎固丢国嚼脖畸圈盛 卤，日 圜心掣 黪嚣含圄镰曰j图圜铀匿捌镰心j 国 圈 图2 一l 总体框劁 f 培2 一ld j a g r 枷o f i i i t e g e r ( 1 ) 主电路部分简单来说，可以看作一个叵流电源。将三相3 8 0 v 工频交流电 粘流滤波后得到5 4 d v 直流电，经过逆变电路、整流电路、吸收电路实现恒流输出。 逆变电路采用全桥逆变形式，由逆变控制电路提供的矩形波电压脉冲激励l g b t 交替 的通断，频率大约为2 0 k h z 。驱动模块以e x b 8 4 l 为核心，在能提供可靠驱动的同 时，也便于实现故障保护。逆变后再经变压器降压，二极管整流、滤波，得到直流 电流。 ( 2 ) 控制电路部分d s p 通过“o ( i u p u u t p u t ) 接口电路检测当前焊接状态。d s p 得到通过莱姆块检测到的电流反馈信号后，经p i 调节控制i g b t 的输出脉冲宽度， 使焊接电流可调，并实现焊接电源恒流外特性。该部分以d s p 2 8 1 2 为核心，并由片 外r a m 、看门狗、c p l d 、电源等芯片组成外围电路。2 8 1 2 片内的e v 模块提供p w m 驱动信号，并由3 6 2 6 进行放大，最终驱动i g b t 。2 8 1 2 片内还包括a d c 、中断等功 能模块。可实现多种焊接控制。例如焊接状态判断、采样处理和故障保护等功能。 主控板功能包括：1 产生驱动i g b t 的p w m 信号；2 通过控制板上的j t a g 口与 主控板功能包括：1 产生驱动i o b t 的p w m 信号；2 通过控制板上的j t a g 口与 10；0 北京工业大学工学硕士学位论文 p c 机相连；可以方便的实现在线仿真和软件升级；3 通过s c i 功能模块与显示板上 的单片机实现双机通讯，达到接收给定信号与输出显示信号的作用；4 通过2 8 1 2 的 a d c 转换单元与接口板连接，结果经过接口板进行一系列处理输出给各单元，并接 收处理各单元送回的信号。 ( 3 ) 面板显示部分主要功能实现焊接功能的给定和显示。以8 9 s 5 2 为核心。用 h d 7 2 7 9 实现键盘的扫描，数字编码器调节焊接参数，7 2 1 8 驱动数码管与发光二极 管，a t 2 4 c 1 6 来存储参数。 ( 4 ) 高压引弧电路部分为了保障安全可靠的引弧，利用变压器转变3 8 0 v 工频 交流电为2 2 0 v 交流输入，再通过倍压整流电路实现三倍升压，并由d s p 驱动s c r 控制l c 振荡的产生，最终经过耦合变压器升压以达到几千伏高频电压引弧，直到引 弧成功，方可开始焊接。 2 2 主电路部分 主电路采用全桥逆变式结构，绝缘栅双极管i g b t 为主要功率开关器件。焊接主 电路遵循一般逆变的a c d c a c d c 形式，三相工频交流电经过整流模块整流和滤 波，得到大约5 4 0 v 直流电压。该直流电压施加到由功率开关管i g b t 和中频变压器 组成的逆变器上。功率开关管啊、珂；、喝、p t 4 组成桥的四臂，中频变压器连接 在他们中间，相对桥臂上的一对功率开关管由栅极驱动电压以脉冲方式激励而交替 地通断，将直流电压变换成2 0 k h z 的中频交变电压，中频变压器同时将大约5 4 0 v 电 压降为7 0 v 左右的电压，然后经输出整流器整流滤波，输出直流。 2 3 控制电路系统设计 2 3 1 数字信号处理器简介 数字信号处理由模拟信号的滤波、模数转化、数字化处理、数模转化、平滑滤 波等环节组成，最终输出模拟控制量从而完成对模拟信号的数字化处理。对于数字 化处理环节，大致可以选择数字信号处理器、通用微处理器、微控制器三类作为处 理芯片。通用微处理器大量应用于计算机，尽管具有很高的数字信号处理能力，但 是由于其体积大、功耗较高、价格比较贵，很少在工业控制中采用。应用比较普遍 的是微控制器和数字信号处理器。微控制器即单片机，具有较强的事件处理能力， 中断、i o 资源丰富，国内经过近2 0 年的开发应用，中文资料比较多，开发的软、 硬件条件比较好。但是它的数据处理能力较弱，往往在实时性、数据处理量大的系 统应用中不能胜任。根据d s p 的英文定义，简单地说，数字信号处理器就是在硬件、 软件和指令集等方面经过优化以适应数值处理应用的一类处理器或微型计算机。由 第2 章硬件系统的设计 此，d s p 的应用是实现弧焊逆变数字化控制的关键【l 引。 d s p 与我们通常熟悉的p c 机和单片机显著不同的是处理器架构不同。如图2 ，2 所示，图a ) 所示的为冯诺依曼结构，其将指令、数据、地址存储在同一存储器，统 一编址，靠指令计数器提供的地址来区别取出来的是数据、地址还是指令。图b ) 和 图c ) 所示的分别为基本的哈佛结构和改进的哈佛结构，其特点是将数据和程序分别 存储在不同的存储器中，即程序存储器和数据存储器是两个独立的存储器，每个存 储器单独编址，独立访问，因与两个存储器相对应的是系统设置了程序总线和数据 总线，因而数据吞吐率比冯诺依曼结构提高了一倍。通常p c 机和单片机一般为冯诺 依曼结构，而d s p 为哈佛结构或改进的哈佛结构。改进的哈佛结构，在哈佛结构上 增加了指令c a c h e ( 缓存) 和专用的i o 控制器。 a 冯诺依曼结构( 鲥n g l em e m o r y ) b 哈佛结构( d u a lm e m o r y ) 图2 - 2 微处理器架构示意图 f i g 2 2d i a g r a mo f m i c r o p r o c e s s o r 但从微处理器的角度讲，d s p 实际上是一种特殊的m c u ( m i c r oc o m m l l e ru n i t ) ， 只不过如上所说d s p 内部结构专门为数据处理进行了优化，使其主频和运算速度远 比m c u 快 2 0 1 。 2 3 2 控制芯片的选择 在数字控制系统中，所采集的数据能得到快速处理，是实时控制的关键。主要 控制芯片的选择对于满足系统控制实时行要求十分重要。总的来说，数据处理的延 时要小于控制的采样周期。比如确定的采样周期为5 0 u s ，因此对控制芯片的要求为 享圈 堕匡篷戛 北京工业大学工学硕士学位论文 在5 0 u s 时间内完成弧焊工艺控制一个周期的计算处理。因此，主控芯片执行一条指 令所完成的周期就成了数字控制系统的重要指标。由于焊接电源对实时性的要求非 常高，在某些对系统延时有严格要求的场合，如果此时计算时间过长，就有可能会 导致系统出现短时失控的现象。为了对焊接电源系统进行更快速和精确的控制，数 字化电源迫切的要求主控制芯片的指令周期能大大缩短。 同时，为了降低主控芯片的复杂程度，我们也希望能将更多的系统功能集中到 一个芯片上来，以便降低由于多个芯片通讯时受到干扰而造成系统的不稳定因素。 如果我们能采用将m c u 功能集中到d s p 的芯片，这样我们就可以降低系统的复杂 程度，提高系统抗干扰能力，并且大大降低在软件编程上的工作量。 因此，要求我们寻找一种芯片，它要具有以下特点： ( 1 ) 通用性强在d s p 被广泛采用的今天，其应用已深入到通信、航空、航天、 雷达、工业控制、网络及家电等各个领域。因此我们要使用的控制芯片应该具有通 用性强，应用灵活的特点，可为以后研究、拓展新的应用技术提供一个良好的基础。 ( 2 1 处理速度快该芯片的处理速度相对于现有的各种芯片要有较大的提高。这 样，它才能适应数字化焊接电源的飞速发展要求，对随机性极强的焊接过程做出及 时的响应。 ( 3 ) 处理功能强大在芯片的硬件结构上具有模拟信号的处理功能；输出p w m 波形的能力；具有事件处理能力：拥有强大的数值计算能力；与外界的计算机和其 他单片机的通讯能力；以及实时的硬件仿真和调试能力。 ( 4 ) 编程环境易于开发好的编程软件以及良好的仿真和调试环境是我们不可 缺少的工具。因此，我们需要的芯片应该拥有友好的软件编程环境，这样可以加快 开发过程。 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列是美国t i 公司推出的最佳测控应用的定点d s p 芯片，其主 流产品分为四个系列：c 2 0 x 、c 2 4 x 、c 2 7 x 、和c 2 8 x 。c 2 0 x 可用于通信设备、数字 相机、嵌入式家电设备等；c 2 4 x 主要用于数字马达控制、电机控制、工业自动化、 电力转换系统等。近年来，t i 公司有推出了具有更高性能的改进型c 2 7 x 和c 2 8 x 系 列芯片，进一步增强了芯片的接口能力和嵌入功能。 因此我们采用t i 的d s p 2 8 1 2 作为控制芯片，它既具有数字信号处理能力，又具 有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特别适用于有大批量数据处理的测控场 合，如工业自动化控制、电力电子技术应用、智能化仪器仪表及电机、马达伺服控 制系统等。它具有以下突出的优点： ( 1 ) 高速的处理速度由于在焊接处理过程中的响应速度非常关键，处理芯片的 快慢将直接影响焊接工艺质量。d s p 2 8 1 2 的时钟频率最高可达1 5 0 m h z ，它在6 6 7 n s 内就可以执行一条指令。拥有流水线结构的a d c ( a n a l o gt od i g i t a lc o n v e n e r ) 模块使 第2 章硬件系统的设计 得最多可达1 6 通道的a d 转换能运行在2 5 m h z 的a d c 时钟上。 f 2 ) 丰富的片内资源在d s p 2 8 1 2 中，片内功能极为强大，包括片内存储器、 外部存储器接口、时钟与系统控制、三个外部中断以及中断扩展模块、串行外围接 口设备、1 2 位a d c 、最多有5 6 个独立的可编程、多用途输入输出( g c n e r a lp u r p o s e i n p 耐0 u t p u t ) 引脚等功能模块，其控制系统示意图如图2 3 所示。整合了多种功能模 块使得集成度更高，减少了数字信号在芯片间的来回传输所造成的信号损失和相互 干扰，减少了转换环节。在大幅减小电路板面积的同时降低了成本。 2 4 8 5m c b s p 1 c a ns p i + e 午r o m 图2 3d s p 控制系统原理框图 f i 9 2 - 3d i a g r a r i lo f d s pc o n 仃0 1s y s t e m ( 3 ) 强大的开发工具c c s ( c o d ec o m p o s e rs 锄i o ) 是t i 开发的一个完整的d s p 集成开发环境，也是目前使用最为广泛的d s p 开发软件之一。现在，所有的t id s p 都可以使用该软件工具来进行开发。在c c s 中，不仅集成了常规的开发工具，如源 程序编辑器、代码生成工具( 编译、连接器) 及调试环境，还提供了d s p b 1 0 s 开发工 具。d s p b i o s 是一个简易的嵌入式操作系统，它大大方便了用户编写多任务应用程 序。使用d s p b 1 0 s 后，还能增强对代码执行效率的监控。目前，c c s 已经成为d s p 开发过程中不可缺少的工具【2 l 】。 综上所述，本课题采用t i 公司的d s p 2 8 1 2 作为主控制系统的核心控制芯片。 把d s p 一2 8 1 2 应用在t i g 焊接电源上有着突出的优势，可以将数字控制的焊接电源的 控制精度和处理速度大大提高，同时降低系统的复杂度，提高系统的抗干扰性能， 北京工业大学工学硕士学位论文 从而使数字化电源的性能得到极大的改善。 2 _ 3 3d s p 2 8 1 2 硬件结构 d s p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ( 数字信号处理器) 是t i 公司推出的数字信号处理器，该系列 处理器是基于t m s 3 2 0 c 2 x x 内核的定点数字信号处理器。器件上集成了多种先进的 外设，为各个控制领域应用的实现提供了良好的平台。同时代码和指令与f 2 4 x 系列 数字信号处理器相比，f 2 8 1 x 系列数字信号处理器提高了运算的精度( 3 2 位) 和系统的 处理能力( 达到1 5 0 m i p s ) 。该系列数字信号处理器还集成了1 2 8 k b 的f 1 a s h 存储器， 4 k b 的引导r o m ，数学运算表以及2 k b 的0 p t r o m ，从而大大改善了应用的灵活 性。1 2 8 位的密码保护机制有效地保护了产品的知识产权。两个事件管理器模块为电 机及功率变换控制提供了良好的控制功能。1 6 通道高性能1 2 位a d c 单元提供了两 个采样保持电路，可以实现双通道信号同步采样【捌。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 功能框图如图2 4 所示。 圈m m d w m e e 8 q “ ；然慧：黜嚣哿署嚣嚣；“”“”。 图2 - 4t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 功能框图 f i 9 2 4d i a g r 舯o f l m s 3 2 0 f 2 8 1 2 第2 章硬件系统的设计 此外，f 2 8 1 2 还包括以下功能单元： 1 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 时钟 1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 上有多个部件需要时钟，c p u 、看门狗电路、a d c 、事件管理器 等片上外设。 2 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 存储空间的配置 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为哈佛结构的d s p ，在逻辑上有4 m 1 6 位程序空间和4 m 1 6 位 数据空间，但物理上已将程序空间和数据空间统一为一个4 m 1 6 位的存储空间。 3 m c b s p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 上有一个多通道缓冲型同步串口m c b s p f m u l t i c h a n n e lb u 旋r e d s e r i a lp o n ) ，在s e e d d e c 2 8 1 2 板内经常使用，经电平变换器件直接连至扩展总线 的第一个m c b s p 接口上，提供外部使用，其接口电平兼容+ 3 3 v 与+ 5 v 信号。 4 s p i s p i ( s e r i a lp e r i p h e r a l i n t e r f a c e ) 串口是一种高速同步串口，允许数据长度为1 到1 6 位的串行数据输入或输出。在正常情况下，s p i 用来作为d s p 控制器和外设或另一 个处理器之间通讯。典型的应用包括外部i o 或外设扩展。2 8 1 2 上有一个s p i 同步 串口，经电平变换器件直接连至总线的第2 个m c b s p 接口对于引脚上，提供外部使 用，其接口电平兼容+ 3 3 v 与+ 5 v 信号。 5 s c i s c i ( s e r i a lc o m m u i l i c a t i o n1 1 1 t e r f 犯e ) 模块支持在c p u 和其他异步外设之间的数字 通讯。s c i 的串口接收和发送均为双缓冲，接收和发送都有独立的使能和中段位。在 全双工模式下，两者可以独立同步运行。为了确保数据的完整性，s c i 模块检查接收 数据的端点，校验位和祯错误。 6 c a n t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 上有一个增强型c a n ( c o n o l l e r a r e a n e t ) 总线控制器，符合 c a n 2 0 b 协议，经c a n 收发器驱动后连至2 0 m m 间距单排2 芯连接器，提供外部 使用。 7 a d c t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 片上有1 个1 2 位a d 转换器，其前端为2 个8 选1 多路切换器 和2 路同时采样保持器，构成1 6 个模拟输入通道，模拟通道的切换由硬件自动控制， 并将各模拟通道的转换结果顺序存入1 6 个结果寄存器中。 8 事件管理器 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是专门为电机控制而优化设计的，其上有二个事件管理器，分别 为e v a 和e v b 。 每个事件管理器有2 个1 6 位定时器、3 个全比较器、3 个事件捕捉器、1 个正交 北京工业大学工学硕士学位论文 编码脉冲通道。定时器l 为全比较器提供时基，而定时器2 或1 用来为事件捕捉器 提供时基。每个事件管理器中均包含2 个1 6 位通用定时器，每个定时器均伴有1 个 定时器比较器t x c m p ，所以每个定时器对应有：时钟输入、计数方向控制和定时器 比较输出。 9 定时器 1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 片上有3 个3 2 位c p u 定时器，分别被称为c p u 定时器0 、1 、2 。 每个定时器中均有一个3 2 位减计数器，当计数