（机械电子工程专业论文）数字化管道焊机控制系统研究.pdf

摘要为了满足管道焊接焊接的小型化，高效化。本文首先介绍了焊接电源“数字化”的概念，然后结合当前数字化管道焊接电源的国内外发展形势，针对数字信号处理技术的特点，阐明了进行本课题研究的必要性。本文简要介绍了数字信号处理器d s p 的工作原理、特点以及芯片的选择。重点介绍了所研制的数字化管道焊接逆变弧焊电源的组成结构和控制原理。分别就逆变焊机的主电路、p 1 j | m 控制电路、保护电路、驱动电路以及送丝电路做了详细地分析，并从软、硬件两个方面进行了系统地阐述。管道焊接分为纤维素下向焊和半自动药芯焊，本文详细介绍了纤维素下向焊与半自动药芯焊的工艺特点。纤维素下向焊采用恒流的控制方法。半自动药芯焊采用恒压的控制方法焊机的主电路和控制电路部分都进行了可靠性和抗干扰设计。系统软件采用c 语言，以模块化方法设计。文中详细说明了模块化程序设计的方法，介绍了主程序和子程序的功能和结构。通过试验，对该电源的实现方案、组成部分进行了分析，得到了初步的试验结果，给出了在试验过程中记录的相关数据与波形：对试验过程中出现的问题进行研究分析，提出了解决方法。试验结果表明：该焊机主电路响应速度快，硬件电路简单可靠，系统软件高效、移植性好，抗干扰能力强，基本达到了最初设计的构想和要求。关键词：d s p 逆变电源管道焊接i g b t 数字化t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 aa b s t r a c tl no 。d e r t oc o n t e n tt h er e q u e s to ft h em i m i a t u r i z a t i o na n dh i g he l e c t r o j “ce f f i c i e n c y a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，t h ed i g i t a l i z a t i o no fw e l d i n gi n v e r t e ra n di t sf u t u r ed e v e l o p m e n t0 nt h eb a s i so f1 i l u m l m t i o no ft h ed s p sb a s i cc h a r a c t e r i s t i c sa r ei n t r o d u c e d a tt h es a m et i m ea l m m ga tc l j 玎e n tr e s e a r c hs t a t u s ，t h ep a p e rd i s c u s s e st h en e c e s s a r yo ft h i si n v e s t i g a t i o n f 1 r s t l y ，t h ec o n t r o lp r i n c i p l e ，c h a r a c t e r i s t i c sa n dc h i ps e l e c t i o no fd s pa r ei n t r o d u c e di nt h ep a p e r t h ep a p e rf o c u s e so nc o m p o n e n tp a r ta n dc o n t r o lp r i n c i p l eo fd i g i t a lp i p l ew e l d i n gi n v e r t e rp o w e r m a i nc i r c u i t ，c o n t r o lc i r c u i t ，p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( p w mc i r c u i t ) ，d r i v ec i r c u i ta n dw i r ef e e d i n gc i r c u i ta r er e s p e c t i v e l ya n a l y z e d f u r t h e r m o r e ，t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ea s p e c t sa r ea l s oa d d f e s s e d p i p e l i n ew e l d i n gc a nb ed e v i d e di n t ot w ok i n d s o n ei sc e l l u l o s ed o w n w a r dw e l d l n g ，t h eo t h e ro n ei sf l u x c o r e de l e c t r o d e t h et e c h n i c sc h a r a c t e r i s t i ci si n t r o d u c e qp a r t i c u l a r l yi nt h i sp a p e r c e l l u l o s ed o w n w a r dw e l d i n gi sc o n t r o l e d b vt h ew a yo fc o n s t a n tc u r r e n t f l u x c o r e de l e c t r o d ew e l d i n gi sc o n t r o l e db vt h ew a yo fc o n s t a n tv o l t a g e 一r e l l a b i l i t ya n da n t i 。a m m i n ga r ec o n s i d e r e di nm a i nc i r c u i ta n dc o n t r 0 1c i r c u i t s y s t e ms o f t w a r e ，w h i c hi sm a d eo fm o d u l a rs u b r o u t i n e s ，i sv e r ye f f i c 硫f o rl i m i t i i l gn o i s ea n di m p r o v i n gs y s t e mr e s p o n s e s p e e d 。o 玳s p o n d i n gd a t aa n dw a v e f o r m sa r er e c o r d e d ，a n dp r o b l e m so c c u r r e di ne x p e n m e n ta r ei n v e s t i g a t e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sv e r i f yt h a tt h ei n v e r t e rp o w e rs o u r c eh a s 。a p i dr e s p o n s e 。s p e e d ，h i g hr e l i a b i l i t y , as t r o n ga b i l i t yo fa n t i 锄m i n ga n dg o o dh u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c e k e y s ：d s pi n v e r t e rp o w e rp i p l ew e i l d i n gd i g i t a l i z a t i o nt m s 3 2 0 f 2 4 0 7独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特另, j d n 以标注和致谢之处外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王些太堂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。学位论文作者签名：阀金签字日期：m 年月旷日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解丞淫王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权丞洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：用金导师签名：签字日期：沙暑年f 月，j 日签字日期：年月同学位论文主要创新点一、采用数字信号处理器( d s p ) t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为控制核心，采用脉宽调制电路( p w m ) 控制逆变焊接电源系统的工作。专门设计了适合管道焊接的d s p 控制电路板及一整套和它配合工作的控制电路和辅助电路板。真正实现焊机的数字化控制。二、根据管道焊接的特点，将整个焊接过程分为纤维素手弧焊和半自动自保护药芯焊，采用不同的控制方法。对不同阶段采用不同的控制策略，提高焊接质量。实现数字化管道焊机一机多用及柔性化智能控制的特点。第一章绪论1 1 引言第一章绪论随着我国经济的飞速发展，对能源的需求日益增大。作为现阶段不可替代的能源，油气资源占据着重要的地位。油气资源的运输，主要采用铁路运输和管道运输。与铁路运输相比，管道运输是运量大、安全性高、更经济的油气产品输送方式，其建设投资为铁路的一半，运输成本更只有三分之一。管道输送油气以其安全、经济、专能、高效的优点获得飞速发展。长距离、大管径、高压力正成为陆上油气输送管道的发展方向。面对如此巨大的市场，如此难得的发展机遇，对管道施工技术提出了新的挑战。由于管道敷设完全依靠焊接工艺来完成，因此焊接质量在很大程度上决定了工程质量，焊接是管道施工的关键环节。目前，国内外用于长输管道的焊接方法有手工电弧焊、半自动焊、自动焊和特种焊接等豫1 。1 1 1 焊条电弧焊二十世纪二十年代开始研制使用的焊条电弧焊具有设备简单、操作方便、对设备要求低等优点。管道的焊接经历了从上向焊到下向焊的发展过程。目前，我国的管道施工中普遍使用纤维素焊条下向焊工艺，成本较低，根焊效果好，但要求焊工水平高，需要层间清渣，工人劳动强度大，焊接速度较慢，难以确保焊接质量。1 1 2 半自动焊半自动焊因为使用送丝机连续送进焊丝，较手工焊接更换焊条减少了焊接接头，节省了时间，可实现焊接过程的连续。一般半自动焊焊接工艺采用保护气体，即或与的混合气体实心焊丝或者使用自保护药芯焊丝。药芯焊丝内的药芯可起到焊条药皮的作用，即冶金处理的作用和气一渣联合保护以及改善工艺性能的作用。连续送丝有利于半自动焊和自动化生产。因为焊接过程可以连续进行，从而提高了焊接速度和效率。由于焊接时焊枪仍然由工人操作，工人的劳动强度仍然很大，焊接质量与速度仍然与工人的技术水平等因素有关嘲。第一章绪论1 1 3 自动焊目前，在全球范围内管道的自动焊接方法有自动埋弧焊、电阻闪光焊、钨极氢弧焊和熔化极全位置自动焊。1 自动埋弧焊埋弧起源于二十世纪五十年代，因其具有焊接过程稳定、熔敷率高、焊接效率高、劳动条件好等优点而倍受重用。埋弧自动焊利用机械装置和电气控制系统自动控制送丝和移动电弧。焊接过程使用粗焊丝，大电流，而且没有弧光辐射，放出的有害气体很少。焊接终了很容易清渣，焊缝的化学成份和力学性能稳定。埋弧焊的基本特点是利用机械装置使被焊工件运动而焊枪位置相对固定。由于管道施工是在野外进行，管线连绵数公里，不可能使管子旋转，从而限制了埋弧焊的使用。但是，在条件允许的情况下，可以利用埋弧焊预先进行“二接一 ，再运到施工现场，从而节省现场焊接时间，提高生产率n 1 。2 电阻闪光焊八十年代，前苏联政府提出修建从西伯利亚到苏联西北边境的大型输气管道。当时的苏联政府要求在短时期内掌握大型管道的施工技术。由于自然环境极为恶劣，生活条件相当困难，因而提出施工过程机械化、自动化，确保焊接质量，减少施工人员。经过两年左右时间的研究，巴顿焊接研究所、莫斯科中央管道设计院联合研制出中管径的电阻闪光焊设备。这种焊接技术主要特点是利用在管口两端通以高电压、大电流，使管口部的金属快速熔化，然后再用高压顶锻，使管口处的金属熔为一体。这种焊接方法效率高，节省劳动力，适合于平原地段的自动化生产。据有关资料显示，利用该项技术前苏联一共焊接了近八千公里的管道，但是这种焊接技术所使用的设备庞大，质量达百，难以通过一些公路、桥梁、涵洞。不仅运输困难，而且设备成本极高，一般施工单位难以承担其高昂的费用。这项技术仅限于前苏联使用，到九十年代初期已鲜见有关的技术报道1 。3 钨极氢弧焊具有焊接过程稳定，保护作用好，焊缝金属纯净，焊道成形好等一系列优点，目前广泛应用于航天、原子能、化工、压力容器的金属焊接，也应用于管道的焊接。由于焊接效率低，对施工环境要求高等特点，在大型管道施工中的应用受到了限制。4 熔化极全位置自动焊该技术出现在二十世纪六十年代的末期，美国的c r c 公司率先将该项技术应用于管道施工。随着科学技术的发展，计算机自动控制焊接参数的技术日益完善。而传统手工焊接方法，速度慢、质量低、效率低以及受操作人制约，己逐渐不能适应管道建设的要求。因此，发展研究数字化管道焊接电源已经成为国内外第一章绪论专家的共识2 1 刚。1 2 在国内外管道焊接发展的历史及现状国外管道焊接施工经历了手工焊和自动焊的发展历程。7 0 年代以前，由于受到当时科技水平的制约，管道焊接以手工焊为主。手工焊主要为纤维素焊条下向焊和低氢焊条下向焊。7 0 年代后，科学的发展带动了焊接技术的进步，国际上开始在管道工程中应用自动焊技术。目前，国际上大直径管道施工以自动焊接为主，其代表性的管道自动焊设备及工艺，有美国c r c 公司研制的c r c 多头气体保护管道自动焊接系统，由管端坡口机、内对口器与内焊机组合系统、外焊机三大部分组成。到目前为止，已在世界范围内累计焊接管道长度超过3 4 0 0 0 k m 。它的显著特点就是效率高，质量好，对环境的适应能力很强。前苏联研制的管道闪光对焊机，在前苏联时期累计焊接大口径管道达数万公里。法国、前苏联等其他国家也都研究应用了类似的管道内外自动焊技术，此种技术方向己成为当今世界大口径管道自动焊技术主流哺，。我国管道焊接技术经历了几次大的变革，经历了从手工焊半自动焊全位置自动焊的历程。8 0 年代以前采用传统手工焊接方法，主要有低氢型焊条手工电弧焊上向焊技术和手工电弧焊下向焊技术。手工电弧焊包括纤维素焊条和低氢焊条的应用。手工电弧焊上向焊技术如图卜1 ( b ) 所示，它是我国以往管道施工中的主要焊接方法，其特点为管口组对间隙较大，焊接过程中采用息弧操作法完成，每层焊层厚度较大，焊接效率低。手工电弧焊下向焊如图1 - 1 ( a ) 所示，是八十年代从国外引进的焊接技术，其特点为管口组对间隙小，焊接过程中采用大电流、多层、快速焊的操作方法来完成，适合于流水作业，焊接效率较高。由于每层焊层厚度较薄，通过后面焊层对前面焊层的热处理作用可提高环焊接头的韧性。手工电弧焊方法灵活简便、适应性强，其下向焊和上向焊两种方法的有机结合及纤维素焊条良好的根焊适应性在很多场合下仍是自动焊方法所不能代替的嘲。9 0 年代初，管道局从美国引进了自保护半自动焊设备和工艺。经过培训，将该工艺于1 9 9 5 年首次在突尼斯工程中应用，在以后的库都线、都乌线、苏丹工程及涩宁兰、兰成渝等管道工程中是主要的焊接方法。随着管道建设用钢管强度等级的提高，管径和壁厚的增大，在线路施工以自动焊和半自动焊为主，手工焊为辅，所涉及的主要焊接方法有自保护药芯焊丝电弧焊( f q 删) 和手工电弧焊( s m a w ) 。第一章绪论伊孓j 砂6 点( a ) 手工电弧焊下向焊f孓心砂直( b ) 手工电弧上向焊图卜1 手工电弧下向焊、上向焊示意图实际的焊接过程中主要选择管道施工中焊机有美国l i n c o l n 公司d c 4 0 0 + l n 2 3 p送丝机，美国m i l l e r 公司的x m t - 3 0 4 阳1 。而国产焊机入选的很少，只有时代和熊谷公司两家。他门的产品分别是：时代的z x 一4 0 0 b 熊谷的z x 4 0 0 x 逆变弧焊机。而多功能焊机尤其是数字化多功能弧焊机尚未见报导m 。由于在我国该技术正处于起步阶段，关键技术和配套设施尚未成熟，限制了自动焊接技术的大规模应用。因此，针对管道自动焊接控制技术的研究存在着很大的空白，要达到管道焊接自动化、智能化还有很长的路要走。1 3 本课题的研究目的和主要研究内容现代工业的发展，使厚壁管道在石油化工、压力容器、电站锅炉及航天工业中的应用越来越广泛对厚壁管道耐高温、耐高压、耐腐蚀性等焊后质量也提出越来越高的要求。针对我国当前管焊设备以进口为主，国内多数厂家生产的管焊设备尚处在仿制或改良阶段，特别是厚壁管焊接尚处空白。为了将西北丰富的天然气资源送到缺乏能源的华东地区，我国启动了“西气东输 工程整个工程铺设大直径管道近万公里，若按照每根管8 米计算，约需焊接1 2 0 万个环焊缝。因此，研制数字化多功能管道焊机对克服以往手工焊、半自动焊生产劳动强度大，生产质量不稳定，劳动效率低，生产条件恶劣等缺点，提高生产效率，保障重要管线焊接质量具有重要意义，有良好的开发前景和社会效益盯1 。根据目前国内外数字化管道焊机的发展趋势，本课题开展了对数字化管道焊机系统的研究和设计工作。其主电路采用半桥式逆变结构，控制系统采用以数字信号处理器为检测控制核心，以d s p 为控制核心的控制结构，经过相应控制软件的设计，基本实现了数字化管道焊机系统的全部功能，为以后调整、优化焊接规范参数以及进一步的研究工作提供了良好的软硬件平台。本课题的主要研究内容包括以下几个方面：第一章绪论1 基于d s p 控制系统软硬件设计。设计了以d s p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ) 的控制电路。根据管道焊接对电源的特殊要求，绘制出全数字化管道焊机控制系统的软件流程图，并用d s p 专用c 语言编写了控制程序。在软硬件设计中采用多种抗干扰措施，保证该控制系统能够在复杂的强干扰环境中正常工作。控制系统的电路设计以及相应控制方法的研究是本课题的重点和难点，也是数字化管道焊机系统的核心部分。2 送丝电机调速电路及其它辅助电路的设计。采用双闭环控制的晶体管斩波调速电路，实现了对送丝电机较为精确的控制；焊接状态判断电路、焊枪开关检测电路、i g b t 驱动电路等辅助电路的设计为数字化焊机控制系统功能的实现创造了必要的硬件条件。4 主电路和控制电路中设计了多种隔离和保护措施，从而保证了全数字化焊机系统的工作安全。5 对控制电路的各个功能模块进行硬件调试和软件测试。6 对管道焊机的进行系统仿真及工艺试验。第二章数字化焊机基本原理及管道焊接工艺特点第二章数字化焊机基本原理及管道焊接工艺特点2 1 电焊机数字化的实现电焊机的数字化主要包括两方面的内容：一个是主电路的数字化，另一个是控制电路的数字化。2 1 1 主电路的数字化主电路的数字化经历了由早期的模拟式焊接电源( 如图2 1 所示，其中a 处为晶体管组) 到普通开关式焊接电源( 如图2 - 1 所示，其中a 处为半导体开关) ，再到逆变式焊接电源( 如图2 2 所示，b 处一般为i g b t ) 三个阶段，而逆变式焊接电源由于电气性能好、动特性好、体积小、重量轻、节能、焊接生产率高、易实现多功能，有利于实现焊接过程的自动、半自动化和智能化等突出的优点，加之我因研究开发和生产技术的逐渐成熟，产量和品种发展很快。我国逆变焊机的研究开发起步于2 0 世纪7 0 年代末期，从2 0 世纪8 0 年代开始发展。1 9 8 2 年，成都电焊机研究所开始了对晶闸管逆变式弧焊整流器的研究，并且在1 9 8 3 年研制出我国第一台商品化的z x 7 2 5 0 逆变式弧焊电源，并通过了该项目的部级鉴定。目前我国逆变焊机电源已形成了四代产品：第一代是以可控硅s c r 为主功率器件的逆变器；第二代是晶体管逆变器；第三代是场效应管逆变器；第四代是i g b t 逆变器，其逆变频率高，饱和压降低，功耗小，效率高，无噪声，与前三代逆变器相比，优势更加明显9 】( 1 羽。姗封矿】【j【】l曼b髓nd 】lj jll【几(l一l图2 1 模拟式或开关式焊接电源图2 2 逆变式焊接电源2 1 2 控制电路的数字化控制电路的数字化( 如图2 3 所示，焊机控制电路需要数字化的部分) 也经第二章数字化焊机基本原理及管道焊接工艺特点过了三个阶段的发展，它们分别是由模拟器件控制的逆变电源、由单片机控制的逆变电源和全数字化逆变电源。模拟控制系统最突出的缺点是元器件数量非常多，电路结构复杂，进行复杂处理的能力有限，而且p i 控制器的参数是由电阻、电容等分立元件的参数决定的，这也会增加对该控制器的调试的难度。在由单片机控制的逆变电源中，单片机主要用来完成控制信号的给定和对电焊机进行总体的管理。这种逆变电源的控制只是在信号的给定部分实现了数字化，而数字化的特点在单片机控制的逆变电源中并没有得到充分体现。而数字化焊机一般采用d s p 作为焊接工艺控制的核心处理器，首先，d s p 的内部结构适于做高速运算，可以对焊接工艺过程进行快速的采样、判断，并且进行实时地控制；其次，在d s p控制系统中，焊接工艺过程控制是以稳定的二进制运算来完成的，不受分立元件的影响，因此，焊机的性能稳定，焊接过程平稳；再次，在d s p 控制系统中，焊接过程控制体现在一定的控制软件和控制算法上，代替了大部分的硬件电路，这样不仅可以简化对硬件电路的设计，而且能够使操作者对焊接过程的控制更加灵活和方便n 2 m3 1 。：精匿教字他的嬲谚：_ 一_图2 3 电焊机控制电路需要数字化的部分总体来说，国内焊机的发展也是经历了以上几个阶段，目前国家已经把i g b t逆变式电源列入我国高科技产品目录，由此可见，逆变式焊机不仅是今后我国焊接电源发展的一个主要方向，而且必将获得全面的推广。在控制方面，当前的产品还主要是以单片机控制的“半数字化”焊机为主，在单片机的选型上比较多样化，因此产品种类也相对比较多。而对数字化焊机的开发和研究而言，目前国内的厂商和科研机构还处于起步阶段。2 2 管道焊接简介长输管道安装是条件非常严酷的野外施工，对焊接设备有特殊的要求。第二章数字化焊机基本原理及管道焊接工艺特点2 2 1 长输管道对焊接设备的特殊要求1 一机多用长输管道对不同的管径、不同的壁厚、不同的技术能力和不同施工单位有不同的要求，现在国内主要的焊接方法有：纤维素焊条焊接、低氢焊条焊接、半自动自保护焊接、t i g 焊等，即同一台设备要完成上述四种焊接方法。2 小型轻便长输管道既有平原机械化大流水施工，又有山地陡坡段施工，要求焊接设备既要能满足机械化大流水施工的长期工作，又要能满足山地施工的轻便要求，对于逆变焊接电源重量通常要控制在5 0 k g 左右3 可靠性在野外施工通常要连续工作6 , - - - 1 2 个月，每天的施工时间长达1 0 一1 2 个小时，同时施工地处偏辟，交通不便，对焊机的可靠性要求很严格，一旦发生故障，将会因为维修不便造成施工单位的施工损失1 。2 2 2 管道焊接对焊机电源的特殊要求2 2 2 1 纤维素焊条焊接1 手工纤维素下向焊的特点：，向下焊具有其优越性，主要体现在：由于采用多层多道焊，焊接热输入小，焊缝力学性能好；焊接速度快，可以连续施焊；操作技术单一，易于掌握，降低培训费用。2 纤维素下向焊对电源的要求一般的手工弧焊电源，应具有下降静外特性，但在进行纤难素焊条焊接时，尤其是小电流纤维素焊条打底焊时，会出现断弧、熄弧、粘条及过渡熔滴颗粒粗大，电弧不稳定的现象。这与纤维素焊条药皮成分有关，一般来说，纤维素焊条焊接电源应具有如图2 - 4 所示的外特性。1 由于纤维素焊条焊接时弧压比普通焊条焊接弧压要高，因此，要求外特性曲线自然特性段适当提高( 如图2 - 4 所示a 段) 。电弧正常燃烧时工作在电流的陡降段( b 段) 。压较高，在熔滴长大过程中，弧压逐渐降低，直由于干扰或其它原因弧长拉长时，若自然特性段偏低，电弧极易从陡降段进入自然特性段，没有稳定工作点，必然断弧。要求自然特性段电压足够高，至少达n 5 0 v 以上，理想的应达到6 0 7 0 v ( 在i o 时，就存在自身调节作用。因此，在焊丝中电流密度较大，电弧静特性为上升的条件下，尽可能采用平的弧焊电源外特性，这时自身调节作用才足够强烈，可使焊接规范稳定。这样也就可以采用简单的如图2 - 5 所示的等速送丝控制系统啼。一、调(c) 一电动机广速一(广器(平特l性的电源厶a图2 - 5 控制系统结构框图【5 1 1图撕电源静特性为上升形状时弧焊电源外特性对电流偏差的影响【5 1 】第二章数字化焊机基本原理及管道焊接工艺特点2 3 本章小结1 、介绍了电焊机数字化内容，即包括主电路的数字化和控制电路的数字化。2 、由于本课题主要是以管道焊接为例开展研究的，因此对管道焊接的特点做了比较详细的介绍。第三章数字化管道焊接电源系统硬件设计第三章数字化管道焊接电源系统硬件设计3 1 总体设计在过去的几十年里，单片机的广泛应用实现了弧焊电源简单的智能控制功能。随着信息化的进程和计算机科学技术、信号处理理论与方法的迅速发展，需要处理的数据量越来越大，对实时性和精度的要求越来越高，低档单片机已不再能满足要求。近年来，各种集成化的单片d s p 的性能得到很大改善，软件和开发工具也越来越多，越来越好，价格却大幅度下降，从而使得d s p 器件及技术的普遍应用成为可能n4 1 。在制定d s p 控制的管道逆变焊接系统的总体设计方案时，首先应考虑软件和硬件资源的合理分配，以达到速度与灵活性的均衡。硬件的优势在于响应速度快，可靠性高，而软件的特点则是灵活、适应性强。具体到本设计中，考虑到系统主电路工作时的工作电流高达几百安培，因此主电路的控制电路选择由运算放大器配合硬件p w m 芯片来实现，这样可提高系统的安全性和可靠性。另外，短路状态、燃弧状态的判断等功能，也必须具有实时性，因此也采用硬件电路来实现n 刖。基于d s p 管道焊接电源系统方框图如图3 1 所示：图3 - 1 基于d s p 的管道焊接逆变焊接系统第三章数字化管道焊接电源系统硬件设计3 2 主电路设计逆变器的主电路完成功率的转换及隔离，是弧焊电源的重要部分。本系统采用a c d c - a c - d c 的逆变模式。由输入整流滤波，逆变，次级整流滤波三部分组成n 引。焊接电源主电路原理图如图3 2 所示3 8 0 v 的工频交流电压经过整流桥和滤波电路将其转变为比较平滑的5 4 0 v 的直流电压，然后5 4 0 v 的直流电经过大功率的开关管( i g b t ) 的交替导通逆变为频率2 0 k h z ，有效电压为2 7 0 v 的高频方波交流电压，经高频变压器及次级整流滤波电路将其转换为7 0 v 左右的直流电压输出，实现功率的转换，供给电弧口5 姗3 。3 2 1 初级整流电路与滤波电路该部分由三相整流桥( 图中表示为6 个二极管) 、压敏电阻r 8 、滤波环节l 3 、d 9 、c 2 0 、c 3 1 c 3 4 和r 3 1 、r 3 2 组成。三相3 8 0 v 交流电经整流桥后输出直流电压，经1 3 和c 3 滤波后在c 3 两端产生u o = 5 4 0 v ( 直流) 的电压。l 3 是为了降低对c 3 的浪涌电流冲击，c 2 0 是为了降低对c 3 的充电速度，d 9 是l 3 的续流二极管。压敏电阻( 吸收尖峰电压) r 8 的额定工作电压为5 6 0 v ，它对整个电路起过压保护作用。3 2 2 功率开关电路桥臂电容c 1 、c 2 以及i g b t 模块组成功率开关电路。i g b t 模块内包括t 1和t 2 两个单元，t 1 和1 r 2 两端反向并联续流二极管d 1 和d 2 ( 在i g b t 模块内部) 。当t 1 和t 2 均截止时，直流5 4 0 v 电压经等值电容c 1 和c 2 分压，使得u c l = u c 2 = 2 7 0 v 。当电源工作时，通过t 1 和t 2 的2 0 k h z 频率的交替导通与截止，在变压器b 的原边产生2 0 k h z 的交流电压，其最大有效电压为2 7 0 v 。l e m 为电流传感器( 霍尔元件) 。3 2 3 高频变压器与次级整流电路在主电路中，高频变压器起降压和能量传输的作用，其原、副边线圈匝数比为n = 5 ，副边为两组线圈串联，副边电压经d 7 和d 8 全波整流后输出。分别并联在d 7 和d 8 两端的r 6 、c 6 和r 7 、c 7 起缓冲作用，从而在副边电压换相期间抑制副边短路电流的产生，避免高频变压器的瞬态饱和，保证i g b t 的工作正常。l 1 是输出滤波电感。第三章数字化管道焊接电源系统硬件设计图3 - 2 数字化管道焊机主电路第三章数字化管道焊接电源系统硬件设计3 3 电路关键部分的设计3 3 1 桥臂电容桥臂电容c 1 和c 2 上储存的能量来自电网，在t 1 和砭交替导通期间，c 1和c 2 分别通过与开关管、高频变压器组成的回路进行充放电，其充放电电流经高频变压器的原边，相应地，经变压器副边耦合出电流至输出回路，因此，电源输出能量的大小取决于c 1 和c 2 的电容值及其两端的电压值。设电源额定输出电流为4 0 0 a ，额定输出电压为3 4 v ，因此额定输出功率为p o u t - u i = 3 4 v 4 0 0 a = 1 3 6 k w ，设主回路能量传输效率为8 0 ，则输入功率应为p i n = p o u 邪0 = 1 7 k w 。c 1 和c 2 两端的最高充放电电压可以分时地达到5 4 0 v 。而且，c 1 和c 2 总是同时工作的。一个放电，另一个充电。放电能量经变压器耦合输出：当电容被充电时，由于充电电流经变压器原边，同时有与充电能量相等的能量经变压器耦合输出。因此，在一个逆变周期内，c 1 和c 2 各充放电一次，经变压器所传输的最大能量为w , m = 4x ( 0 5 c u 2 ) ，变压器传输的最大功率是p m 缸= w m 缸f 。其中，c = c l = c 2 ，u = 5 4 0 v ，f = 2 0 k h z ，令p m 强= p i n ，得到c = i 4 6 u f 。考虑到电网网压波动、电容实际值与标称值得偏差，以及大电流时，c 3 ( 1 0 0 0 u f )两端平均电压低于5 4 0 v 等原因。取c 1 = c 2 = 3 7 6 u f 。3 3 2 高频变压器变压器的作用是通过电磁感应来实现能量传输，其设计须考虑两点：1 、在正常工作状态下，应避免磁芯出现磁饱和，以此来决定变压器初级线圈的匝数n 1 。由磁路理论可知，当变压器原边线圈加上恒定电压时，磁芯磁通线性增大，u = n 1 x d o d t ，在通电时间t o n 内，磁通变化量为蜘击弘同时，允许磁通最大变化量为九缸z2 b s由( 2 一1 ) 和( 2 - 2 ) ，得( 3 1 )( 3 - 2 )第三章数字化管道焊接电源系统硬件设计m 妯= 面u x t o n( 3 - 3 )取b m = 0 3 t ，原边电压最大有效值为u = 2 7 0 v ，t o m 缸= 2 5 u s ( f = 2 0 k h z 时) ，代入( 2 - 3 ) ，得n l m i n = 1 6 。考虑到磁饱和问题，保留一定余量，取n 1 = 1 8 。2 、变压器副边匝数n 2 和线圈线径由空载电压和额定电流确定。设计焊接电源输出空载电压为6 0 v ，则变压比为4 5 ，n 2 = 4 。焊接电源额定输出电流为4 0 0 a ，通过变压器副边绕组的电流是其一半，为2 0 0 a 。按每平方毫米流过3 5 a 电流设计，经计算得副边绕组线径截面积为5 7 1 4 m m z ，为避免高频电流的集肤效应，采用1 5 0 根0 2 m m 2 的漆包线绕制而成( 两股并用) 。原边额定电流为9 0 a ，取原边绕组线径截面积为2 6 m m 2 ，取1 5 0 根0 2 m m 2漆包线绕制而成。3 3 3ig b t 的选择i g b t 是逆变弧焊电源中的关键核心元件，对它的设计、选择直接关系到焊机的安全、可靠。因此在计算参数时应留有较大的余量n 朝。1 额定电压的确定输入电网电压3 8 0 v a c ( 考虑到电网电压的1 0 波动) 经过整流、滤波后，直流输出电压最大值u 。( i g b t 所能承受的稳态最大电压)u j = 4 - 2 v a 一r 2 x 3 8 0 x 1 1 1 1 = 6 5 0 v( 3 4 )式中，u 为电网电压有效值：1 1 为波动系数：a 为安全系数，取1 1 ，i g b t 关断时的峰值电压u 。u c e p s = ( 玑x 1 1 5 + 1 5 0 ) xa 一( 6 5 0 x 1 1 5 + 1 5 0 ) x 1 1 = 9 8 7 2 5 1 , ( 3 - 5 )式中，1 1 5 为过电压系数：1 5 0 为l , d i d t 7 1 起的尖峰电压( 单位：v ) 实际中，额定电压向上靠，选择1 2 0 0 v 。2 额定电流i c高频变压器一次侧电流：第三章数字化管道焊接电源系统硬件设计一厶宰 乞1 ；4 0 0 1 4 5 ；8 8 9 彳( 3 6 )式中，为高频变压器一次侧电流：，2 为高频变压器二次侧电流，按照额定输出电流4 0 0 a 计算：l ，2 为高频变压器一、二次侧匝数。一次每只i g b t 管子上的平均电流，为，l 的一半，即约3 4 a 。额定电流，。是i g b t 导通时能流过管子的最大持续电流( 结温2 5 度) ，计算如下：l ；压x l x l 5 x 1 4 = 压4 5 爿1 5 x 1 4 ，1 3 3 6 a( 3 7 )其中，芝为峰值系数，1 5 为过载容量系数，1 4 为，c 减小系数因此，选择管子的电流等级为1 5 0 a 综上所述，选择德国西门子1 2 0 0 v 标准系列b s m l 5 0 g b l 2 0 d n 2 型i g b t ，它的额定电压为1 2 0 0 v ，额定电流1 5 0 a 3 4d s p 控制系统硬件电路3 4 1 控制芯片的选择在d s p 领域，主要的商用芯片厂商有德州仪器( t i ) 、摩托罗拉公( m o t o r o l a ) ，模拟器件公司( ( a n a l o gd e v i c e ，a d ) 等，其中t i 公司的市场份额约占全世界的5 0 以上。而且t i 公司的产品及其配套技术与开发工具具有强大的竞争力。在t i 为数众多的产品中，t m s 3 2 0 f 2 4 x 系列芯片也称为d s p 控制器，是t i 公司专门针对电机、逆变器、机器人、数控机床等控制设计的，为焊机的数字化控制系统设计提供硬件保障。根据实际的焊机应用系统需要，结合d s p 的运算速度、外围电路的复杂程度、还有控制过程中的数据运算量等因素，本文将采用d s p 控制器一一t m s 3 2 0 f 2 4 0 芯片作为控制系统的核心。3 4 1 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的特点t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 是t i 公司最新推出的高性能1 6 位数字信号处理器，是2 4 x 系列中的新成员，是定点d s p c 2 0 0 0 平台系列中的一员。专门为电机控制与运动控制数字化优化实现而设计，特别适合于三相异步电动机的高性能控制。它集c 2 x x 内核增强型t m s 3 2 0 设计结构及适用于电机控制的低功耗、高性能、优化外围电路于一体，c p u 内部采用增强型哈佛结构，四级流序线作业，几乎每条指令可在2 5 n s ( 4 0 m i p s ) 完成，与f 2 4 0 相比，其性价比更好，构成控制系统的体积大大减小。主要特征如下：第三章数字化管道焊接电源系统硬件设计1 采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减小了控制器的功耗；2 4 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短到2 5 n s ( 4 0 m h z ) ，从而提高了控制器的实时控制能力。3 基于t m s 3 2 0 c 2 x x d s p 的c p u 核保证了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列d s p 代码和t m s 3 2 0 系列d s p 代码兼容。4 片内高达3 2 k 字的f l a s h 程序存储器，高达2 5 k 字的数据程序r a m ，5 4 4字双口r a m ( d a r a m ) 和2 k 字的单口r a m ( s a r a m ) 。5 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个包括：两个1 6 位通用定时器；8 个1 6 位的脉宽调制( p w m ) 通道。它们能够实现：三相反相器控制；p w m 对称和非对称波形；当外部引脚p d p i n t x 出现低电平时快速关闭p 1 i m 通道；可编程的p w m 死区控制可以防止上下桥臂同时输出触发脉冲；3 个捕获单元；片内光电编码器接口电路；1 6 通道a d 转换器。事件管理器模块适用于控制交流感应电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、步进电机、多级电机和逆变器。6 可扩展1 9 2 k 字的外部存储器：6 4 k 字程序存储器；6 4 k 字数据存储器；6 4 k 字i 0 寻址空间。7 看门狗定时器模块( w d t ) 。8 1 0 位a d 转换器最小转换时间为5 0 0 n s ，可选择由两个事件管理器来触发两个8 通道输入a d 转换器或一个1 6 通道输入的a d 转换器。9 控制器局域网( c a n ) 2 o b 模块。1 0 串行通信接口( s c i ) 。1 1 1 6 位的串行外设接口模块( s p i ) 。1 2 基于锁相环的时钟发生器。1 3 高达4 0 个可单独编程或复用的通用输入输出引脚( g p i o ) 。1 4 5 个外部中断( 电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断) 。1 5 电源管理包括3 种低功耗模式，并且能独立将外设器件转入低功耗模式。随着高速、廉价的数字信号处理器出现，于是数字化的焊接电源已经成为一个新的发展方向乜钔乜3 i 。3 4 2 基于d s p 主控电路板的设计控制系统硬件设计时，应考虑下列原则：( 1 ) 系统功能丰富。有高速可靠的输入、输出接口电路和参数预置显示功能。( 2 ) 实时性好。基于逆变式主电路的焊机，开关频率高，控制系统要保证有高速的数字处理能力还要有高性能的控制软件( 4 ) 抗干扰能力强。由于焊机的使用工况恶劣，因此控制系统必须具有很高的可靠性和强的抗干扰能力。根据管道焊接的特点，本文设计了以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a第三章数字化管道焊接电源系统硬件设计为核心的控制系统。包括d s p 最小系统及外扩电路嘲m 1 。3 4 2 1 时钟电路时钟电路主要用来为d s p 芯片提供系统时钟。一般有两种实现方法。一种是利用d s p 芯片内部提供的晶振电路，在d s p 芯片的x t a l l c l k i n 和x t a l 2之间连接一晶体可启动内部振荡器，如图3 3a 图所示。另一种方法是将外部时钟源直接输入x t a l i c l k i n 引脚，x t a l 2 脚悬空。采用封装好的晶体振荡器，这种方法使用方便，因而得到广泛的应用。如图3 - 3b 图所示。课题设计中采用第一种时钟电路，通过d s p 内部锁相环把频率提升到4 0 m h z 作为d s p 工作频率啪】。( a ) 内部时钟源l4_ _口，3_1 0 m图3 1 3 时钟电路( b ) 外部时钟源1 c l k 矾3 4 2 2 电源部分在单片机应用系统设计中，为了防止市电及现场各种电磁干扰对系统的损害，提高系统工作可靠性，常采用隔离技术，将系统与输入单元，输出单元以及与系统互联的单元隔离开来。从技术角度分析，通过电源引入干扰是造成系统受损或不可靠的主要因素之一，因此，在系统设计时，要使被隔离的各个部分具有独立的隔离电源供电，以切断通过电源串入的各种干扰。在本设计中，焊机的主控制板共需要提供+ 1 5 v 、一1 5 v 和+ 5 v 共三种输入电压。其中+ 1 5 v 和- 1 5 v 直流电由焊机的电源板提供，即3 8 0 v 交流电经过变压器转换为1 8 v 交流电，整流、滤波转换为直流电，再经过三端集成稳压器7 8 1 5 和7 9 1 5 稳压后得到比较稳定的+ 1 5 v 、一1 5 v 直流电，为放大器提供电源；而+ 5 v 直流电则由开关电源提供，这样经过开关电源隔离、稳压后为焊机主控板提供直流电能有效的防止各种电磁干扰，提高系统的控制精度“ 。由于在本设计中选用的d s p 和单片机芯片的工作电压均为+ 3 3 v ，因此还需要将+ 5 v 转化为+ 3 3 v 来给它们供电。这种电源转换电路的类型有很多，如使用线第三章数字化管道焊接电源系统硬件设计形稳压器、d c d c 控制器、d c d c 模块等，它们各自都有优缺点，综合考虑后，本设计采用了线性稳压器t p s 7 6 7 3 3 进行转换。t p s 7 6 7 3 3 是由t i 公司生产的一款低失落电压调节器。它可提供精确的3 3 v 电压，最大输出电流可达1 a 。本设计中采用了2 片t p s 7 6 7 3 3 给控制板上的d s p 和单片机芯片供电，如图3 - 4 所示，u 2 为它们提供数字电，u 3 提供模拟电。t p s 7 6 7 3 3 还具有输出电压欠压监控功能，当输出电压欠压时，u 2 的r e s e t 管脚变低，经r s l 引脚送给连接的d s p 芯片。y占u 2 妒k e s e t 0 争一i 雷f b n c 卜卜v c c4：= = 5ll：，二一v ：jl 1 p 5 7 6 7 3 3l= c 5c 60 1 u f芊l 加fj图3 - 4 主控制系统电源电路3 4 2 3复位电路复位( 硬件或软件启动) 不必i 主i c p u 仲裁，并且立即取得压倒任何正在执行指令的优先权。复位操作保证期间有一个有序的启动顺序。在l f 2 4 0 7 a 中，有四种可能的原因会导致复位，即：看门狗定时器复位：软件产尘的复位：非法地址引起的复位：复位引脚有效。其中前三个原因是由内部产生的，另外一个是由受外部r s 引脚控制产生的。复位引脚需要一个有效的低电平脉冲作为r s 引脚上的外部复位脉冲，通常宽度不低于s y s c l k 时钟周期的脉冲，以保证d s p 芯片能够识别。l f 2 4 0 7 a 的复位电路如