（机械电子工程专业论文）弧焊电源的数字化送丝系统研制.pdf

摘要 摘要 送丝系统是焊接电源的一个重要组成部分，其性能直接关系到焊接的稳定性及 质量。而提高送丝系统性能的主要途径是通过改进送丝机的硬件电路和控制方法。 由于数字化送丝机就是采用微处理机( 或单片机) 为控制器，通过程序控制实现信 息流的传递，使送丝电机按输入的指令要求作定向运动。所以同模拟控制方式相比， 它具有控制精度、灵活性、稳定性和一致性等方面显著优势。 本文以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片作为控制器，用全桥m o s 管实现送丝电机的功率 驱动，采用转速负反馈方式结合频率电压( f v ) 转换电路对送丝电机进行闭环控 制，并使用p i 调节的控制技术，实现数字化送丝控制系统的硬、软件设计。同时还 设计了过流保护电路对电机进行保护。 同时基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片设计了数字化操作面板，其中包括，用数字编码 器进行转速、电压、电流等数值的数字设定，及典型焊接规范参数的保存及调用。 采用r s 一4 8 5 标准总线实现不同控制单元之间的信息、数据交互，以实现电机转速的 实时显示及各项控制命令的实时传输。 本文以南京市电焊设备厂的送丝电机为控制原形，将自行设计的硬件控制电路 和软件系统结合起来构成一个应用系统，经过运行及实验验证，该控制系统在转速 控制和数据通信等方面具有良好的可靠性和稳定性，各项技术指标达到了设计要求。 数字化送丝系统作为数字化焊接电源的重要组成部分，其随着数字化焊接电源的大 力推广必将得到广泛应用。 关键词：数字化送丝机；t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ；频率电压( f v ) ；r s - 4 8 5 总线 a b s t r a c t a bs t r a c t w i r ef e e d e ri sa l li m p o r t a n tc o m p o n e n to fw e l d i n gp o w e r ，a n dp e r f o r m a n c ed i r e c t l ya f f e c t st h e w e l d i n gs t a b i l i t ya n dq u a l 时t h a tt h em a i na p p r o a c ht oe n h a n c ew i r ef e e d e r sp e r f o r m a n c ei sv i a i m p r o v i n gf e e d e r sh a r d w a r ea n di m p r o v i n gt h ef e e d e r sc o n t r o lm e a s u r e s a sd i g i t a lw i r ef e e d e ri s b a s e dm i c r o p r o c e s s o r ( s c m ) c o n t r o l l e r ，b yp r o g r a m m i n gt oa c h i e v et h et r a n s f e ro fi n f o r m a t i o nf l o w ， m a k i n gw i r ef e e d e ro ni n s t r u c t i o nf o rd i r e c t i o n a lm o v e m e n t s oc o m p a r e dw i t ht h es i m u l a n tc o n t r o l m a n n e r , t h ed i g i t a lc o n t r o lh a sm o r en o t a b l ea d v a n t a g ei nc o n t r o lp r e c i s i o n ，a g i l i t y , s t a b i l i t ya n d c o n s i s t e n c y t h i sd i s s e r t a t i o nu s e ss i n g l ec h i pm i c r o p r o c e s s o rt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7a sc o n t r o l l e r , u s ef u l l - b r i d g e m o s f e tt or e a l i z et h ef e e dm o t o r sp o w e r - d r i v e a d o p tt h en e g a t i v ef e e d b a c ka n df vc i r c u i tf r o mr e v t op r o c e s st h ec l o s e l o o pc o n t r o lf o rf e e d e rm o t o r , w i t ht h ei d e ao fp it e c h n o l o g y w ea c h i e v et h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g nf o r 吐l ef e e dc o n t r o ls y s t e m a l s oo v e rc u r r e n tp r o t e c t i o nc i r c u i td e s i g n e d f o r t h ep r o t e c t i o no f t h em o t o r w ea l s ou s et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7a sc o n t r o l l e ro ft h ed i g i t a lo p e r a t i n gp a n e l ，u s ed i g i t a lc o n t a c t i n g e n c o d e rt os e tu pt h ev a l u eo fr o t a t i n gs p e e d ，v o l t a g e ，c u r r e n t ，a t e a l s ot h et y p i c a lw e l d i n gp a r a m e t e r s j ss a v e da n dt r a n s f e f r e d + a d o p tr s - 4 8 5s t a n d a r db u st oa c h i e v et h ei n f o r m a t i o na n dd a t ai n t e r c h a n g e a m o n gd i f f e r e n tc o n t r o lu n i t s ，a st or e a l i z et h er e a l - t i m ed i s p l a yo ft h ef e e d e r sr o t a t i o nr a t ea n dt h e r e a l t i m et r a n s m i s s i o no f v a r i o n sc o n t r o lc o m m a n d s w ei n t e g r a t et h eh a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r es y s t e mi n t oaa p p l i c a t i o ns y s t e mb a s e do nt h e w i r e f e e dm o t o rm a d ei nn a n j i n ge l e c t r i cw e l d i n ge q u i p m e n tf a c t o r y , b yr u n n i n ga n de x p e r i m e n t v a l i d a t e ，i th a sp r o v e dt h a tt h es y s t e mh a sg o o dr e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yi ns p e dc o n t r o la n dd a t a c o m m u n i c a t i o n ，t h ev a r i o i l st e c l l i l i c a li n d e x e sa c h i e v et h ed e s i g n e dd e m a n d s ，d i g i t a lw i r ef e e d e ri sa 1 1 i m p o r t a n tc o m p o n e n to f d i g i t a lw e l d i n gp o w e r , w i t ht h ed e v e l o p m e n to f d i g i t a lw e l d i n gp o w e r , i tw i l l b ea l s oa c q u i r e db r o a da p p l i c a t i o n k e y w o r d ：d i g i t a lw i r ef e e d e r ；t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ；f ，v ：r s 4 8 5b u s i i 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。 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：聿，湃导师签名 日期z 立d ， ， 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 1 1 1 送丝速度的稳定性是焊接设备研究的一个重要内容 送丝装置是g m a w 焊的重要组成部分【l 】。焊接过程的稳定性和焊缝成行、 质量不仅和电源的性能有关，而且和送丝的稳定性和可靠性有密切的关系【2 】。例 如在与恒压特性电源或缓降特性电源相配合的等速送丝方式中，焊接电流的大小 主要由送丝速度所决定，而电弧电压由电源电压决定。因此，送丝速度的稳定与 否将直接影响焊接电流的稳定和熔滴过渡过程。进而影响焊缝成形和焊接质量。 如何保证送丝机均匀稳定的送丝，一直是焊接设备研究的一个重要内容f 3 1 0 1 ) 在焊机送丝装置技术条件的国家标准中，对送丝机的技术性能指标有较严 格的要求1 4 j 。 2 ) 在规定的速度范围内，电网电压在额定值1 0 波动时，送丝速度的变化 率不超过5 。装置从冷状态工作到热状态时，送丝速度的变化率不超过t 5 。 3 ) 在规定的送丝速度范围内，当送丝牵引力由额定值的5 0 变化到1 0 0 时， 送丝速度的变化率不超过士5 。 其次，送丝机性能的改善和提高是新型弧焊1 = 艺方法实现的前提和保障。如 以下两个方面 1 ) 在铝合金焊接的回抽引弧中，在这一过程中要求铝焊丝在焊接开始时低速 送进，在焊丝与工件接触而形成电流的瞬间，当焊机的d s p 处理器监测到一个短 路信号，就会反馈给送丝机，送丝机作出回应回抽焊丝，以便柔和地建立起焊接 电弧。在电弧稳定燃烧一定时间之后再按照设定的速度送给焊丝。 2 ) 在一种新的引弧和收弧模式( 3 s ) o ，要求送丝机先慢送丝，当焊丝端部与 工件接触时迅速停止送丝，短路电流使处于停止状态的焊丝端部熔化，形成电信 号的突变时再慢送丝引燃电弧，此后焊接电流逐步增大过渡到正常的焊接电流， 从而提高引弧成功率。在短路的瞬间停止送丝，使得焊丝与工件接触点的接触电 阻维持恒定一段时间，正好起到增大起弧阶段的接触电阻热的作用，使之更加易 于起弧；同时由于停止送丝，也可以使焊丝伸出部分不会由于送丝力的持续作用 产生塑性变形而可能引起的引弧飞溅现象 5 1 。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 1 2 数字化送丝系统是多层分布式弧焊电源系统的一个重要子系 统 随着计算机网络的出现，一个新的梦想成为可能一分布式计算。当用户需要 完成任何任务时，分布式计算提供对尽可能多的计算机能力和数据的透明访问， 同时实现高性能与高可靠的性目标。分布式系统的并行性减少了处理瓶颈，全方 位提高了性能，也就是说，分布式系统提供了更好的性能价格比。同时具有资源 共享、灵活性和可扩展性、实用性和容错性、可伸缩性等优点，所以数字化焊接 电源采用多层分布式系统。而研究作为多层分布式焊接电源系统的一个子系统的 送丝系统是非常必要的。 鉴于以上原因，焊接设备与焊接工艺的发展对送丝机的稳定性以及动态性能 提出了更高、更多的要求，同时，焊接设备与焊接工艺的进步又要求送丝装置具 有可靠的接口和操作界面，灵活性和可扩展性，实用性和容错性，及可伸缩性， 以实现送丝机与电源、焊接工艺过程的协调工作。因此，在g m a w 最新技术发 展的驱动下应用数字控制技术对传统送丝机构进行改造和技术革新是非常必要 的。 1 2 送丝系统的发展现状 送丝系统通常是由送丝装置( 包括电动机、减速器、矫正轮、送丝轮) 送丝 软管、焊丝盘等组成。也就说一套完整的送丝系统由二部分组成机械部分( 包 括驱动电机及机械传动装置) 和控制电路。目前，送丝机的驱动电机广泛采用直 流伺服电机或转动力矩大、电枢惯性小的印刷电机，该电机的定子由永久磁铁和 磁轭组成，转子为覆有印刷绕组的圆盘。它是一种低惯性量的电机，其动态响应 速度快，由于电机转速较高，需经过数级齿轮减速。而传动装置多采用两轮或四 轮压紧机构。根据送丝方式的不同，送丝机通常有三种方式：推丝式、拉丝式和 推拉式。 1 2 1 送丝系统的技术发展现状 在现有的技术条件下，无论是提高电机性能，还是改造传动装置都将是一个 长期而艰巨的任务，因此送丝机控制方式、控制算法和控制电路的研究就成为了 快速提高送丝机性能的有效途径。 ( 1 ) 模拟控制的送丝系统控制电路的工作方式及灵活、稳定程度将直接影响 到控制效果。现今广泛使用的模拟控制方式中，其控制电路主要采用两种形式： 第1 章绪论 一种是通过改变阻容网络的硬件参数，从而改变控制电路的时间常数f ，通过功 率电路来调节输出电压。 另一种是采用专用的p w m 控制芯片，通过调节其振荡电路的时间常数来改 变其振荡频率，输出不同大小占空比的信号电平来控制功率电路的通断，进而调 节输出电路的平均电压州。 上述模拟控制方式所采用的两种控制电路，其实质都是采用手动电位器方 式。电位器调节方式不仅定位精度有限，难以实现精确标定，在使用中也会由于 振动或其它干扰而导致电位器定位位置变动，从而导致输出电压的波动，这必然 会影响到送丝速度的稳定。 同时，在模拟控制方式中，控制电路参数的设定是通过电阻、电容参数的选 择来完成。这样其阻容参数的容差、漂移必然会导致控制电路参数的变化。而且， 模拟控制器件的温度稳定性较差，产品一致性也难以得到有效保证【7 】。 ( 2 ) 数字化送丝系统基于单片微型机( 俗称单片机) 或d s p ( 数字信号处理 器) 因其集成度高、体积小、抗干扰能力强、可等靠性高优点，自产生之日起便 广泛应用于仪器、仪表和工业控制等领域。用单片机或d s p 作为控制器的数字 伺服控制系统，其性能同模拟伺服系统相比有较明显的优势【8 卜 9 1 ： a ) 用数字伺服系统可以实现高精度的位置和速度控制，而模拟伺服系统精度 较差。在模拟系统中，由于受工艺水平及生产成本的限制，模拟器件的制造精度 会直接影响到模拟系统的控制精度。同时，模拟系统的位置检测只能用模拟元件， 如电位器等，定位较差；而数字系统可以用光电编码器、光栅等。 b ) 用数字伺服系统可以随意改变控制方法。由于采用了单片机或d s p ，只要 硬件接口包括p w m 功放接口、速度反馈接口和位置反馈接口，通过编制不同的 应用程序就可以采用不同的控制算法来对系统实现不同的控制方法。因此有极大 的灵活性。而对于模拟系统，系统的配置和增益由阻容网络等硬件参数所决定， 一旦确定就很难改变。因此，模拟系统的一种结构只能采用一种控制方法，同时 模拟系统也无法实现诸如模糊控制、遗传算法、神经网络控制等现代的控制技术。 基于以上观点，可以得到数字化送丝机就是采用单片机( 或d s p ) 为控制器， 通过程序控制实现信息流的传递，使送丝电机按输入的指令要求作定向运动。 在送丝电机的控制中引入数字化控制技术，可以显著改善送丝速度的稳定 性，并实现与数字化焊接电源的接口，并为新型的焊接工艺的实现提供了前提和 保障。 1 2 2 数字化送丝系统国内外现状及分析 伴随着数字化焊接电源的研究、生产和应用，作为焊接设备重要组成部分， 送丝机的控制方式也应得以变革，传统的模拟控制方式正逐步被数字控制方式所 北京工业大学工学硕士学位论文 取代。特别是随着全数字化焊接电源研究热潮的兴起，数字化送丝机的研究开发 已是大势所趋。 ( 1 ) 国外送丝机的研究成果及产品介绍国外数字化焊接电源的研究始于上 世纪九十年代，奥地利的f r o n i u s 公司在1 9 9 8 年正式提出数字化焊机的概念。现 在其它一些知名焊机企业，如m i l l e r 、l i n c o l n 、k e m p p i 、o t c 、p a n a s o n i c 等公 司也推出各自的数字化系列产品。 目前，与数字化焊机相配套的数字化送丝机也都实现了系列化和产品化。 新型数字化送丝机都是基于微处理机程序控制，采用速度负反馈和电压负反馈及 电流正反馈调节方式，能在送丝机中预置多套控锩4 程序。送丝机能根据不同的指 令要求，启动不同的控制程序来完成不同的控制要求。 最有代表性的是f r o n i u s 公司的数字化送丝机，其代表性的产品是v r _ 4 0 0 0 和v r - 4 0 0 0 c 序列。采用单片机作为控制器，使用5 5 v 的直流电机，适用0 ，8 n u n 1 6 m m 的焊丝。送丝速度范围为o 5 m m i n 2 2 m m i n 。 在整个焊接过程中，操作者只需操作面板按键，即可启动程序来控制送丝机 的动作。 它还采用4 8 5 总线方式与d s p 中央控制单元进行通信联络。根据d s p 的指 令对直流电机进行启、停控制及速度调节。 另一个有代表性的是m i l l e r 公司的7 0s e r i e s 和s 3 2 序列。它采用2 4 v 直流 电机，用微处理器作控制器，通过操作面板进行参数编程来调用其内置的多套脉 冲焊程序。在单、双丝模式方式下，对o 6 3 ，2 m m 的焊丝，送丝速度可达1 3 1 9 8 m m i n 。 ( 2 ) 国内数字化送丝机的研究现状总体上看，国内数字化弧焊电源研究还处 于起步阶段。根据耳翦掌握的情况，高校的研究主要有北京工业大学、上海交通 大学、兰州理工大学和华南理工大学等单位，国内企业的研究则以北京时代集团 为主，目前已经有几种数字电源产品投入市场。国内数字化弧焊电源的研究虽然 刚冈0 起步，但是发展迅速，从数字典路的硬件设计水平上看是与国际同步的，有 些甚至是超前的。但是研究仅处于硬件电路设计和完善阶段，控制软件和控制策 略基本沿袭传统思想，研究较深入的则正在向焊接工艺的精确控制方向发展“。 但是，现阶段国内对数字化焊机的研究还主要集中在如何实现主控制电路的 数字化，以及数字控制器算法等方面。数字化焊机作为一个独立的控制小系统， 它还需要在人机交互、电弧控制和送丝速度调节之间建立起一种协调统一的时序 关系。这必然要求把送丝机也纳入数字化控制的范畴。 目前，国内对送丝机的数字控制主要采用专用的p w m 控制芯片，通过芯片输 出不同占空比的脉冲来调节电机两端的电枢电压，从而达到调节送丝速度的目的 l - - t 1 2 】。采用的? w m 控制芯片主要有t i a 9 4 ，s g 3 5 2 5 ，u c 3 6 3 7 等。如图1 1 所 示，为采用p w m 芯片控制的送丝机框图。国内在采用单片机作为控制器进行送 第1 章绪论 丝机的数字化控制方面也作过一些探索 1 3 】，但由于缺乏数字化焊接电源的配套支 持，其数字化控制的优势得不到充分体现。 图1 1p w m 芯片控制的送丝机框图 f i g 1 1d i a g r a mf o rf e e d e rc o n t r o l l e db yp w m 北京工业大学焊接设备研究所，开发出基于单片机的数字化送丝机，采取速 度负反馈控制方式。但存在送丝较软、低速送丝时精度不够、数据处理方面的运 算速度慢等缺点。 1 3 数字化送丝系统的概念及研究的意义 现代社会的一个重要特征就是数字技术的广泛应用，以电子计算机为代表的 信息技术已经渗透到经济和社会生活的各个方面。如今，人们坐在电脑终端前即 可指挥和控制现代化工厂生产及装配的全过程。在这种自动化的生产过程中，信 息流的传递均为数字0 、1 码。因此，信息流的传递和处理过程的数字化是数字 化技术的最显著特征。 为此，我们可以得出数字化送丝机的基本概念：数字化送丝机就是采用微处 理机( 或单片机) 为控制器，通过程序控制实现信息流的传递，使送丝电机按输 入的指令要求作定向运动。图1 2 所示为全数字化焊机的整体结构框图： 4 8 5 总线 图1 - 2 数字化焊机结构框图 f i g 1 - 2d i a g r a mo f d i g i t a lw e l d e r 北京工业大学工学硕十学位论文 从图中可以看出：新型的数字化焊机的主电路控制部分主要采用 “m c u + d s p ”相结合的控制技术。同时，将送丝机控制、参数的输入及显示等单 元采用模块化技术进行单独设计，各控制单元通过内部总线互连，从而形成一个 整体。各个单元的控制器均拥有各自的控制程序，彼此之间通过内部协议来进行 通信联络和协调，共同完成整个的焊接过程。 由于采用通用的r s 4 8 5 工业总线标准，因此，可以方便地实现与焊接机器 人或其它设备之间的接口扩展。当需要同遵循4 8 5 总线标准的其它硬件设备进行 连接时，无需作任何硬件上的改动，只需按照该设备的数据格式编写一个通信程 序即可实现与该设备的无缝连接。 还可以采用t c p i p 协议，通过i n t e m e t 或i n t r a n e t 来对整个数字化焊机进行 遥控操作或进行控制软件的在线升级。 由于各个控制单元均采用程序控制，因此，通过编写不同的焊机控制程序就 可以实现焊接工艺规范优化、多功能、多种焊接材料的适用性以及焊接工艺参数 的离线处理。还可以实现起收弧阶段对送丝速度的变速控制等等。这就要求送丝 机的性能应能够适应数字化控制的要求。 如图1 3 所示，即为满足上述要求的数字化送丝机结构框图。 耐反方粤篓挈- i 隔离i p w m 1 直流伺l 脉冲：i 要寞h 功率输出h 嚣震 _ t m $ 3 2 0 反馈电压输入 f v 转换光电编码器 l f 2 4 0 7 吸地址，数据总线。l 数字化面板 图1 - 3 数字化送丝机结构图 f i g 1 - 3d i a g r a mf o rd i g i t a lf e e d e r 从图1 3 我们可以发现，与传统的送丝机相比较，数字化送丝机有两个明显 特征：一是控制器与以往不同。数字化送丝机采用微处理器作为控制器，用软件 编程来实现不同的控制要求，使用灵活、修改方便。在完成基本的硬件电路设计 之后，可根据不同的应用要求，仅作软件的修改和在线升级，即可实现不同的工 艺需要，这不仅简单、方便，还可以大大降低生产成本。 数字化送丝机的另一个显著特征是操作界面的数字化。其信息的输出、输入 第1 章绪论 均用数字方式实现。同传统方式相比不仅准确、直观，还可以实现较高的控制精 度。 目前，我国在焊机研究的整体水平上同世界先进国家相比还有相当差距。在 数字化焊机研究领域虽说取得了较大进展，但在焊接设备的系统集成、特别是离 实用化和产品化还有相当距离。 送丝机作为焊接设备的重要组成部分，对其实现数字化控制，使其在抗干扰 能力、送丝稳定性和送丝电机的调速方面都能得到改善和提高，这不仅i i i i 快数 字化焊机的研究进程，也可以实现普通送丝机的升级换代。从而提高焊接产品质 量，更好地为经济建设服务。 1 4 本课题的主要研究内容 本文是以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为控制单元，其输出的p w m 通过驱动电路来控制 m o s f e t 的开断从而实现对电机的控制，同时用旋转编码器测出电机转速相对 应的脉冲，然后再通过频压转换电路转换成电压，最后做一个p i 调节来实现对 送丝速度的控制。因此，本文的主要研究内容如下： a ) 以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为中央控制单元，设计送丝控制电路、显示面板控制电路 以及开关电源电路。 b 1 基于t u d s p 开发环境c c s 2 0 0 0 编写了送丝控制程序以及面板控制程序。 c ) 参照直流调速控制系统的技术指标，来对本数字化送丝系统进行性i i 钡i 试。 第2 章硬件系统的设计 第2 章硬件系统的设计 2 1 送丝电路和显示电路的总体设计 送丝电路和显示电路的总体设计框图如图2 1 所示，主要由控制电路和显示 面板及开关电源板来组成的。控制芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 产生的p w m 信号通过电 机的驱动电路来控制电机。电机的输出是通过速度编码器来采回输出信号，该信 号是一个对应速度的脉冲信号，然后盖脉冲信号通过频压转换电路转换成电压信 号。显示面板是通过d s p 芯片的i o 和地址数据总线来控制的。整个送丝和显 示面板子系统是通过4 8 5 总线来和焊接电源进行通讯，而控制板和面板是由开关 电源来供电的。 t m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 i 幻p w m刮兰酬三 显示面板 1 卜 厂 地址线 和d 数据线 八 电源 s c i l 开关电源 厂 厂 图2 - 1 总体框国 f i g 2 1d i a g r a mo f i n t e g e r ( 1 ) 控制电路部分控制电路部分主要是基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片，由电机 驱动电路、过流保护电路、速度反馈电路及r s 4 8 5 电路来组成的系统。电枫的 驱动电路是由两片i r f 2 1 l o 驱动芯片及四个i r f 6 4 0 开关管来组成的，能控制电 机正反转。速度反馈电路就是由l m 2 9 1 7 控制的频率电压转换电路，转换得到 的电压信号通过d s p 的a d 和设定的速度的电压值生成一个偏差信号然后做一 个p i 调解来控制d s p 的比较寄存器值，从而来实现对电机速度的控制。控制电 机及显示面板的控制芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 通过连接在其s c l 管脚上的m a x 3 4 8 5 来实现和焊接主电源的通信。 ( 2 ) 面板显示部分主要功能实现焊接功能的给定和显示。通过d s p 的i o 来控制数字编码器调节焊接参数，及h d 7 2 7 9 实现键盘的扫描。通过数据线和地 址线来控制7 2 2 8 从而来控制小灯和数码管。用a t 2 4 c 1 6 来存储焊接过程中各个 北京工业大学工学硕士学位论文 参数。这里地址线是通过可编程逻辑器件g a l l 6 v 8 来实现对多达5 片的7 2 2 8 进行逻辑控制，这样能省去许多逻辑门器件，且易通过编程来实现对器件的控制。 用地址线来代替i o 也能节省i o 且简化了程序。 ( 3 ) 开关电源部分主要功能是给控制板和显示板及电机供电，是一款反激式 开关电源。输入是2 4 v ，以u c 3 8 4 2 为核心。通过其产生的p w m 信号来控制 i r f 6 4 0 的开关，在变压器的原边产生相应的方波，通过变压的感应在副边得到 相应的输出然后在整流滤波得到输出。有两路+ 1 5 v 、两路1 5 v 、一路+ 5 v 、一路 + 1 8 v 和一路+ 2 4 v 的输出。 2 2 控制电路系统设计 2 2 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。由此，d s p 的应用是实现弧焊逆变数字化控制的关键 1 4 1 。 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。 第2 章硬件系统的设计 a 冯诺依曼结构( s i n g l em e m o r y ) b 哈佛结构( d u a lm e m o r y ) ；hme唱m葛oryustructlonssecondaryd a t a 窿 i r 一 i i 1 。一 r r 。一 c p u 孟五_ c 改进的哈佛结构( d u a lm e m o r y ，i n s t r u c t i o nc a c h e ，i 0c o n t r o l l e r ) d a t a m e m o r y d a t ao n l 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 n t r o l l e r u 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 1 5 】。 2 2 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。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，其应用己深入到通信、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 ) 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。 酋 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 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。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 是t i 公司高性价比的d s p 器 件一t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列中面向控制的特殊片种，它们具有相同的1 6 位定点 d s p 内核和指令集，该指令集源码向下兼容t m s 3 2 0 c 2 x 系列、向上兼容 t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列，具有良好的可移植性f 1 6 】1 1 7 1 。 2 2 3t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 硬件结构 2 2 3 1 事件管理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 硬件结构如图2 3 所示。“事件管理器”可输 出p w m 脉冲，直接控制电机功率驱动器，此外还包括定时器、比较捕获、死区 控制逻辑、空间矢量p w m 发生器和直接与光电编码器接口的编码单元。 ( 1 ) 通用定时器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 共有4 个通用定时器，每个定时器包括：一个 1 6 位的定时器增减计数的计数器t x c n t ；一个1 6 位的定时器比较寄存器 t x c m p r ；一个1 6 位的定时器周期寄存器t x p r ；一个1 6 位的定时器控制寄存器 t x c o n ；可选择的内部或外部输入时钟【l 引。各个g p 定时器之间可以彼此独立工 作或相互同步工作。与其有关的比较寄存器可用作比较功能或p w m 波形发生1 1 9 1 。 每个g p 定时器的内部或外部的输入时钟都可进行可编程的预定标，它还给事件 管理器的子模块提供时基。每个通用定时器有4 种可选择的操作模式：停止保 持模式、连续增计数模式、定向增减计数模式、连续增减计数模式。当计数 器值和比较寄存器值相等时，比较匹配发生，从而在定时器的p w m 输出引脚 t x p w m t x c m p 上产生c m p p w m 脉冲，可设置控制寄存器g p t c o n 中的相应 位，选择下溢、比较匹配或周期匹配时自动启动片内a d 转换器。 第2 章硬件系统的设计 l p l l v c c a o a r a m ( e e l l 2 璃w o r d s p l l0 1 o i c 2 _ t o a r a m l b q m p 丽e d s p v c c a c o = e v s s a ( w i t h t w i n v r e f h i a u t o s e q u e n c e r d a r a m ( 1 3 2 v r e f l o x i h 日 ? j a o c $ o o i o p d 0 s c 丌x d ，i o p a 0 s c i v p jv v s s s a r j c m w o r i 。s p i i + i k f i = s h c a n i v c c pe 跚 t 靠k w o r d s ： 4 k t l 2 k h 2 f j 4 k ) w 0 i p o r t n o - 7 1 1 0 p m ：7 1 lp o r tb t 帅 o p 9 m n d 峙i 训l p o r tc 0 - n i o p c f 0 2 1 h a w i t ho u l 自rl 即n o ( o l i o p o o l r 删l p o r e e l 0 - 7 i o p e m 7 1 、 p o r tf 埘i o p f q 自日i m e m o n k e m 6 p o f t p o p i w f b c a p 4 帕e p 3 t o p e 7 c a p 5 j 。e p 州0 p f 0 c a p d a e p 2 r o p + ，t 、。；_ 、 c a p 3 j t o p a , 5 p w m i o p a s p w m 2 n o p a 7 e v e r d m a n a g e r a 。e 删m a m a g e f b 。 f w m 3 t l o p b o 3 x c a p t u r e b “ 3 x c a p t u r e i n p u t “ p w m 蝴0 p b b c o m w , r e p 1 n m0 x c o m p , l = “p w m p w m s f i o p b 2 o w q o u to u t p u t 】x g p t i m 郴w m 2 x g p t m t e r s , p y m p w m 鲫0 f b 3 t ”州蛐t 1 c m p n o p b 4 t 2 p w m f f 2 c m p q o p b 5 t d r a j l o p b 6 t c l k “a j l o f b 7 蜀2 - 3t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 功能框图 f i g 2 - 3d i a g r a mo f t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 、c j 比较单元与c m p p w m 脉冲输出t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 有6 个全比较单元，每个事 件管理器有3 个。每个比较单元都有两个相关的p w m 输出，比较单元的时基由 通用定时器1 ( e v a 模块) 和通用定时器3 ( e v b 模块) 提供。每个比较单元和通 用定时器1 或通用定时器3 ，死区单元及输出逻辑可在两个特定的器件引脚上产生 北京工业大学工学硕士学位论文 一对具有可编程死区以及输出极性的p w m 输出【2 们。在每个e v 模块中有6 个这种 与比较单元相关的p w m 输出引脚，这6 个特定的p w m 输出引脚可用于控制三相 交流感应电机和直流无刷电机【2 l l 。由比较方式控制寄存器所控制的多种输出方式 能轻易地控制应用广泛的开关磁阻电机和同步磁阻电机，还可用于控制其他类型 的电机，如直流有刷电机和控制单轴和多轴的步进电机。 ( 3 ) 捕获单元捕获单元被用于高速l d o 的自动管理器，它监视输入引脚上信 号的变化，记录输入事件发生时的计数器值，即记录下所发生事件的时刻。该部件 的工作由内部定时器同步，不用c p u 干预。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 共有6 个捕获单 元，c a p l 、c a p 2 、c a p 3 可选择通用定时器l 或2 作为它们的时基，但c a p l 和c a p 2 一定要选择相同的定时器作为它们的时基。c a p 4 、c a p 5 、c a p 6 可选择通用定 时器3 或4 作为它们的时基，同样c a p 4 和c a p 5 也一定要选择相同的定时器作为它 们的时基。每个单元各有一个两级的f i f o 缓冲堆栈。当捕获发生时，相应的中断 标志被置位，并向c p u 发中断请求；若中断标志已被置位，捕获单元还将启动片内 d 转换器。 ( 4 ) 正交编码脉冲( o e p ) 单元常用的位置反馈检测元件为光电编码器，它直 接将电机角度和位移的模拟信号转换为数字信号，其输出一般有a 、b 和同步脉冲 信号c ，a 、b 两路相位差为9 0 ( 被用于判别方向和计量位移) 。a 、b 两路脉冲可 直接作为t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的c a p i q e p l 和c a p 2 q e p 2 l 脚的输入。正交编码脉 冲电路的时基由通用定时器2 或通用定时器4 提供，但通用定时器必须设置成定向 增减计数模式，并以正交编码脉冲电路作为时钟源。 2 2 3 2 片内外设t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 片内外设包括一对a d 转换器、2 个串口、c a n 控制器模块和看门狗定时器及实时中断定时器。 ( 1 ) 双a d 转换器1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 中配置有两个带采保的各8 路l o 位5 0 0 n s 的 a d 转换器，可用于并行处理模拟量。模拟量包括：反馈的速度、位置、温度传感、 电压传感和电流传感信号等。 ( 2 ) s p i 串口和s c i 串口t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 片内外设还包括一个异步串行通讯 口( s c l ) 和一个同步串行外设接口( s p i ) 2 2 j 。s c i 口即通用异步收发器( u a r t ) ，用 于与p c 机串口等标准器件通信，可采用r s 一2 3 2 4 8 5 协议等，最大波特 6 2 5 k b p s ，s p i 口可用于同步数据通信，最大波特率2 5 m b p s ，典型应用包括外部