（材料加工工程专业论文）dsp控制数字化co2弧焊电源的研制.pdf

摘要 摘要 数字化焊接电源控制灵活；易于实现柔性化控制；有更高的稳定 性和控制精度；接口兼容性良好。所以其概念一经提出就受到了学术 界的高度关注，并成为研究热点。本文以d s p ( 数字信号处理器) 为 控制核心研制了一套c 0 。焊接数字化弧焊电源。 本文首先设计了系统的硬件电路，包括d s p 的外围电路、输出信 号调整电路、反馈电路、保护电路和显示电路。根据c 0 ：气体保护焊 的特点对电源的输出特性采用了分时控制及p i d 控制策略，建立了系 统的数学模型，并利用m a t l a b 软件的s i m u l i n k 仿真库对控制系统进 行了系统仿真，确定了p i d 的最佳控制参数。在软件编程中，巧妙的 利用d s p 中时间管理模块的边界条件得到位差1 8 0 。的触发信号，同 时设计了a d 转换程序、p i d 计算程序和保护程序，在实际中实现了 控制思想。 焊接工艺试验表明，本文研制的d s p 控制c o ：焊接数字化弧焊电 源具有良好的可控性，可以满足c 0 。焊接的要求。 关键词：d s p ( 数字信号处理器) ；p i d 控制；系统仿真；c o 。气体保 护焊； a b s t r a c t a b s t r a c t t h e r ea r em a n ye x c e l l e n ts p e c i f i cp r o p e r t i e sf o rt h ed i g i t a lw e l d i n g p o w e rs o u r c ei n c l u d i n gh i g h e rs t a b i l i t ya n dp r e c i s i o n ，f l e x i b l ec o n t r o l l i n g a n dg o o di n t e r f a c ec o m p a t i b i l i t y n o wt h ed i g i t a lw e l d i n gp o w e rs o u r c e i st h et r e n do fd e v e l o p m e n tf o rw e l d i n gp o w e rs u p p l i e s i nt h i sp a p e r , a d i g i t a lw e l d i n gp o w e rs o u r c eb a s e do nd s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) h a s b e e nd e v e l o p e d ，w h i c hi sd e s i g n e df o rc 0 2 w e l d i n g i nt h i sp a p e r , t h ec o n t r o l s y s t e m sh a r d w a r ec i r c u i t sh a v e b e e n d e s i g n e di n c l u d i n gd s p sp e r i p h e r a lc i r c u i t ，a d j u s t i n gc i r c u i to fo u t p u t s i g n a l ，s i g n a l sf e e d b a c kc i r c u i t ，p r o t e c t i v ea n dd i s p l a yc i r c u i t a c c o r d i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c so fc 0 2w e l d i n g ，t i m e - s h a r i n ga n dp i dc o n t r o l l i n g m e t h o dh a sb e e na p p l i e d a f t e re s t a b l i s h i n gt h es y s t e m sc o n t r o l l i n g m o d e l ，t h es i m u l a t i o no fc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nc a r r i e do u to n m a t l a b ，a n dt h ep i d si d e a lp a r a m e t e r sh a v eb e e nw o r k e do u t t h e s y s t e m ss o f t w a r ei n c l u d e st h eg e n e r a t i n gp r o g r a mo fp w ms i g n a l ，a d c o n v e r s i o np r o g r a m ，p i dc a l c u l a t i o na n dp r o t e c t i o np r o g r a m t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tt h ed s pc o n t r o l l e dd i g i t a l p o w e rs o u r c ef o rc 0 2w e l d i n gc a nb ec o n t r o l l e df l e x i b l ea n dm e e t sa l lt h e r e q u i r e m e n t so fc 0 2w e l d i n g k e yw o r d s ：d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ；p i dc o n t r o l l i n g ；s i m u l a t i o no f c o n t r o ls y s t e m ；c 0 2w e l d i n g 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 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 撰写过的研究成果，也不包含为获得：叁凄盘望或其他教育机构的学位或证 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 了明确的说明并表示了谢意。 ， 学位做作者签名匆既降签字日期：研年z 月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤壅基堂有关保留、使用学位论文的规定。 腰权：叁鎏盘鲎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 ，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 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) 匣做作者虢匆肼 芋日期：铲月胁日 导师签名 签字日期：年二月二同 第一章绪沦 1 1 本课题研究的意义 第一章绪论 焊接作为金属连接的一种工艺，具有其它连接方法不可比拟的优点，尤其近 一个世纪以来，随着高新技术的出现，特别是计算机和电力电子技术的出现和发 展，更给焊接技术注入了新的生机和活力，使其作用得到了淋漓尽致的发挥，从 而在石油、化工、电力、机械、制造、航空、宇航乃至核工业等领域都得到了广 泛应用。随着电子、信息、自动化、人工智能、新材料为核心的新一代工程技 术的迅猛发展，先进制造技术业得到了飞速的发展。在2 1 世纪，焊接技术作为 先进制造技术的一个重要组成部分，仍将在制造业中起着极为重要的作用【2 ，3 1 。 焊接电源是实现焊接的最重要的设备，工业发达国家每生产l 万吨钢就需要 相应生产2 0 - - 2 5 台电焊机。所以，焊接电源性能的好坏、先进与否是一个国 家工业发达与否的决定因素之一【4 j 。 随着电子技术、数字化技术的发展，数字化焊接电源开始问世。数字化焊机 之所以一问世就得到广大焊接工作者的青睐，是因为数字化焊接电源与模拟控制 的焊接电源相比有无可比拟的优越性口_ 1 1 ： 1 1 1 数字化焊接电源有更大的灵活性，易于实现柔性化控制 数字化焊接电源的外特性控制是由软件编程来实现，因此可以设计多种外特 性适应不同焊接方法的要求，实现焊机的一机多用。在采用波形控制的熔化极气 体保护焊接中，对于不同的板厚、焊丝直径，不同的熔滴过渡形式，波形控制中 的最佳的电流波形会有所区别，采用模拟控制时，往往是按照兼顾整个工艺区间 的原则来选取电流波形，这祥就必然造成部分区间的工艺效果的不理想。而数字 化焊机则可以根据不同的板厚、焊丝直径，不同的熔滴过渡形式来精确的选择工 艺参数，这样就可以大大改善焊接的效果。数字化焊机的灵活性同时也体现在数 字化焊机控制软件的在线升级功能上。由于采用f l a s h 作为存储器，同时在电路 设计上增加了在线的f l a s h 编程功能，因此，数字化焊接电源的控制程序升级或 在线调试修改，只需要简单地通过2 3 2 串行通讯接1 ：3 进行。 1 1 2 数字化焊接电源有更好的稳定性 在模拟控制系统中，信号的处理往往是通过有源或无源的电路网络进行的， 信号处理参数的设定通过电阻、电容参数的选择来确定。这样在模拟控制系统中 阻容参数的容差、漂移必然导致控制器参数的变化，因此模拟控制系统的温度稳 第一章绪论 定性较差，同时模拟控制的产品一致性难以保证，这样，模拟控制焊机的稳定性 就不能得到保证。而在数字化控制中，信号的处理或控制算法的实施是通过软件 的加、减、乘、除等运算来完成的，因此其稳定性好，产品的一致性也能得到很 好的保证。 1 1 3 数字化焊接电源具有更高的控制精度 数字化焊接电源具有更高的控制精度。模拟控制的误差一般由元件参数值引 起的误差和运算放大器非理想特性参数( 如a d 、a c m 、a o s 、i o s 、噪声等) 7 1 起的 误差所决定。而数字化控制的精度仅仅与模一数转化的量化误差及系统有限字长 有关，因此数字化控制可以获得很高的精度。 1 1 4 数字化焊接电源具有良好的接口兼容性 数字化焊接电源具有良好接口兼容性。由于数字化焊机大量采用了单片机、 d s p ( 数字信号处理器1 等数字芯片，因此数字化焊机与其它设备阳j 就可以非常方 便地实现大量的信息交换。随着现代焊接生产网络化管理的发展和普及，数字化 焊机良好的接口兼容性必然会发挥越来越重要的作用。 1 1 5 为焊接电源的智能控制提供了可行性 利用微控制器强大的控制能力和事件管理能力使焊机控制引入自适应控制、 模糊控制、神经网络控制等智能控制方法成为可能。 由于数字化焊机有以上的优势，所以，焊机数字化的概念一经提出就受到了 学术界高度的关注，并成为现在研究的热点，数字化焊机代表着未来焊机的发展 方向。 1 2 国内外研究的现状 对于数字化焊接电源的研制国外开展得比较早。2 0 世纪末出现了第一台数 字化逆变电源。这大大加快了逆变电源向数字化方向迈进的步伐。目前世界上许 多焊接电源的知名厂家都在加紧开发，如奥地利的f r o n i u s 公司1 9 9 8 年提出数字 化焊机的概念，并推出了t p s 系列数字化焊机【l2 】；日本的松下公司于2 0 0 0 年推 出了t i gs t a r - - 3 0 0 数字化直流t i g 焊机( 理念机) 【1 3 。种种迹象表明数字化逆 变焊接电源将成为2 1 世纪弧焊电源的发展主流。 与国外相比国内的研究起步比较晚，现在尚处于研究探索性阶段，很多高校 和研究院所都在做这方面的研究。 第一章绪论 从目前计算机技术的发展水平来看，实现弧焊逆变电源的数字化外在的条件 是相当成熟的。但是由于焊接电源有许多特殊性，如焊接电流的时变性、非线形 以及焊接生产环境的高电磁辐射等等，弧焊电源的数字化就需要从电弧物理、电 力电子、自动控制。以及计算机技术等多角度、多学科的研究入手。问题的关键 还在于要更好地把握焊接电源自身的特点、规律。所谓万变不离其宗，数字化只 是实现控制的方法、手段，控制对象并没有改变i 1 “。 1 3 焊机数字化的实现 焊接电源的数字化有两个层次。一是焊机的数字化，另一个是焊接电源系统 的数字化。 1 3 1 焊机的数字化 焊机的数字化包括两方面：是主电路的数字化，另一个是控制电路的数字 化。 1 ) 主电路的数字化 在模拟控制晶体管弧焊电源主电路中晶体管组在回路中相当于负载的串联 电阻，晶体管组工作在放大区，焊接中有很大的电压消耗在晶体管组的集电极和 发射极之间，因此功耗极大。模拟控制晶体管焊机的优点是响应速度快，缺点是 晶体管组的能耗大。 与模拟控制晶体管弧焊电源不同，在开关式晶体管弧焊电源中晶体管组工作 在开关状态，半导体开关按照某一固定频率周期性地开通关断( 如开关频率 2 0 k h z ) 。在开关式弧焊电源中可以采用i g b t 、m o s f e t ( 场效应管) 或双极性晶 体管等作为开关器件，其开关损耗是相当小的。以一台2 0k h z 开关电源为例， 由于开关器件多为电压驱动型，所需要的电流极小，控制电路只需要几瓦的功率 就可以满足要求。除了效率高而外，开关电源另一个优点是它的工作频率高。开 关电源的工作频率越高，则回路输出电流的纹波越小，响应速度就越快，因此焊 机就获得了更好的动态响应特性。 焊接电源从模拟式焊机发展到开关式焊机，实际上是完成了焊接电源从模拟 到数字化的跨越。焊接电源主电路的数字化使得焊接电源在两方面的性能上获得 了提高：焊接电源的功率损耗大大地减少，使得好些电源的效率达到9 0 以上： 随着工作频率的提高，回路输出电流的纹波更小，响应速度更快，因此焊机获得 了更好的动态响应特性。同时，由于提高了频率使得变压器的质量和体积大幅度 第一章绪论 减小，使得开关电源又具有了体积小、重量轻的特点。 2 ) 控制电路的数字化 模拟控制是目前弧焊电源控制电路中应用最为普通的控制方式。在模拟控制 方式中焊接电流、电压等参数的采样、比较、p i 运算以及p w m 信号生成一般由 模拟电路完成。 然而，随着技术的发展，出现了单片机控制的焊接电源。单片机控制弧焊逆 变电源是弧焊逆变电源数字化控制中一个重要的发展阶段。在这样的系统中，单 片机主要完成了控制信号的给定功能以及焊机的总体管理。单片机虽然在控制系 统中仅仅完成了信号的给定，但是已经使得弧焊逆变电源在实现焊接工艺控制 时，如c o z 波形控制等，获得极大的灵活性。例如可以通过单片机给出多种脉 冲斜率、不同幅值的c 0 2 短路控制电流波形。使得c 0 2 焊接的工艺效果在不同 的电流范围内都能接近于最佳。 利用单片机进行弧焊逆变电源的控制虽然在信号的给定部分实现了数字化， 但是受到单片机自身处理能力的限制，电源的p i 控制器和p w m 信号生成仍然 采用了模拟电路。因此，数字化的特点在单片机控制的焊接逆变电源中并没有得 到充分体现。通过对弧焊逆变电源的m a t l a b 仿真研究表明，对于工作在2 0 k h z 逆变频率下，输出电感为8 0 扯h 的弧焊逆变电源，它的控制周期不能超过1 0 0 p s 。 而对于一般的单片机来说，在1 0 0 9 s 内完成模一数转化、p i 运算、显示、p w m 输出等处理是不可能的。因此，在弧焊逆变电源的数字控制电路设计中为了实现 p i 控制器和p w m 的数字化就必须重新选择控制芯片。d s p 的出现满足了这个 要求。简单的说d s p ( 即数字信号处理器) 就是在硬件、软件、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【”叫9 1 。由于d s p 强大的数值处理能力， 使得它可以实现数值的给定、p i 处理、p w m 输出以及显示等各个环节的数字化， 使得真正意义上的数字化焊接电源的出现成为可能。 1 3 2 焊接电源系统的数字化 焊接电源系统的数字化是焊机数字化的进一步扩展。在充分研究和分折已有 焊接电源系统的基础上，提出合理可行的功能分类标准进行数字化焊接电源的硬 件模块规划和设计、实现硬件的模块化、标准化和数字化。对模块化的硬件运用 单独的微处理器进行控制，并通过数字接口，按照通信协议实现数字化的控制系 统的信息交换。利用数字化焊接电源的数字化接口，实现焊接电源系统的网络化 管理，这样可以在网上控制和监控焊接过程，保证焊接质量。由于应用了数字化 控制技术，焊接电源已不再是单纯的焊接能量提供源，还应具有数字操作系统平 第一章绪论 台、多特性适应调整、送丝驱动外设及接口、焊接参数动态自适应调整、过程稳 定质量评定、保护及自诊断提示以及远程网络监控、生产质量管理等功能。这样 焊接电源的概念就拓宽为焊接电源系统。 数字化焊接电源系统研究的主要内容有：通信协议的确定、单片机系统、数 字信号处理系统、数字化送丝系统、数字化操作面板系统、p c 机系统等等。 1 4 存在的问题及本文的任务 虽然国内外已经推出了一些关于数字化焊机的研究成果，但是，现在的数字 化焊机大多数还不能称之为真正的数字化，大部分的所谓的数字化焊机都是部分 数字化的。并且，大部分数字化电源的控制都是采用的双机系统和多机系统，这 样，不但增加了系统的复杂性，而且还使成本提高。 根据目前国内外数字化焊机的发展形势，本课题拟开展数字化焊接电源系统 的研究。其数字化控制核心器件拟采用数字信号处理器( d s p ) 并且只用一个 d s p 芯片完成信号给定、特性和参数控制以及保护功能。 本课题主要研究内容： 1 、初步建立一个以d s p 为控制核心的数字化焊接电源平台( 或者说硬件控制系 统) 。 2 、以c 0 2 气体保护焊为研究对象，实现数字化控制系统的设计，其系统包括硬 件系统和软件系统。 3 、c o ：气体保护焊数字控制器的研究，包括控制策略、控制参数的确定。 4 、焊接电流、电压实时控制的实现，采样时间的确定。 5 、数字化电源保护系统的设计。 5 第二章硬件电路设计 第二章硬件电路设计 数字化焊机硬件电路相当于数字化弧焊电源系统的平台，在此基础上可以利 用软件来实现各种控制功能【2 0 - 2 2 。 硬件电路的功能主要有：对电源控制器的输出信号进行幅值放大和功率放 大；对反馈信号进行幅值放大或衰减；对反馈信号进行滤波；焊机输出电压、电 流显示以及焊接方法的选择与转换。 2 1 总体结构 数字化弧焊电源系统的方框图如图2 1 所示。 图2 1 系统总体方框图 在图2 1 中，主电路( 强电电路) 是把5 0 h z 的工频交流电通过整流变成 直流电，然后通过逆变器的变频、变流，变成2 0 k h z 的高频交流电，通过高频 第二章硬件电路设计 变压器把电压降到适合焊接的电压，再通过高频整流输出直流电，这样就可以用 来焊接了。 控制电路方面，d s p 是控制核心。d s p 首先对反馈信号( 电压、电流、送 丝速度) 进行a d 转换，然后根据所制定的控制算法对给定值和转换结果进行 计算，得到p w m 信号的占空比，然后通过适当的设置片内外设的寄存器产生相 应的p w m 波形，去控制逆变器，最后得到焊机的外特性、动特性和调节特性。 弧焊电源电流的反馈通过一个分流器把电流信号转换成电压信号；电压的反 馈直接通过并联在焊机输出端的电阻分压，然后滤波来实现；当然这些信号还需 要相应的处理以排除干扰得到真正所需要的信号。 图中拨动开关的作用是选择焊接方法，不同的焊接方法需要不同的焊机特 性，不同的焊机特性对应着几个不同的程序入口( 焊机特性是通过软件编程来实 现的) ，d s p 只需要识别拨动开关选择的位置，然后转入不同的入口程序，就实 现了焊接方法的选择。 焊接动作控制信号的作用是实现焊接过程的顺序启动，比如：启动、应答、 引弧、送丝及停止等。这些动作在焊接中有顺序要求和时间要求，这些通过程序 的延时和开关量的输出来实现。 给定信号模块作用是完成控制参数的给定，包括焊接电流、焊接电压、送丝 速度、电弧吹力等。 故障中断信号的作用是保护，焊接过程中难免会出现过压、过流、过热等情 况，这时候需要采取相应的保护措施，这些情况通过中断形式通知d s p 控制器， 由控制中心采取相应的保护措施。 本系统中的焊接电流、焊接电压、给定信号的显示通过硬件电路来实现( 显 示模块) 。这样做是为了节省系统的资源，提高控制的速度和精度。 2 , 2 焊机的主电路 本电源系统的主电路、驱动电路采用的是l i n c o n 公司的i n v e r t e c v 3 0 0 i 电源的主电路。其逆变器选用了场效应管作为开关元件。场效应管是目 前用于逆变电源的主要功率器件之一，它具有频率高、控制功率小等特点。本逆 变电源采用的逆变主电路，其电路原理如图2 2 所示。由图2 2 可见，逆变器 中的变压器是一个三绕组变压器，它有两个一次绕组( w 、w ，) 和一个二次绕 组( w ，) 。两个一次绕组分别接通两个单端式电路，但其通过的励磁电流的相位 第二章硬件电路设计 是相反的，而且交替工作。这样，使变压器的磁工作状态就类似于全桥电路的双 向励磁模式，在变压器的二次得到的是类似于全桥电路的交流输出，而非单端电 路的单向脉动输出。因此，该电路既具有单端电路无“直通”问题、可靠性高的 特点，又具有全桥电路输出功率大的特点，从而大大提高了逆变焊接电源的可靠 性。 2 3 控制芯片的选择 w2 u z 电压u2 o 图2 2 焊机的主电路原理图 一11 。r r 。 时间 d s p 芯片的选择需要根据系统所需要的资源来选择，在本控制系统中所需要 的资源有：控制电源逆变器的输出和送丝电机各需要一个p w m 发生器；焊接电 压、焊接电流、送丝速度、参数给定各需要一个a d 转换口，一共需要四个a d 转换口；启动、应答、送气、引弧、送丝及停止，需要7 个开关量，即7 个i 0 口；焊丝用完、气体不足、碰撞、粘丝、灭弧、过流保护、过压保护、过热保护 等，需要8 个i 0 口。 由以上分析可以知道，系统至少需要两个p w m 发生器，4 个a d 转换口， 1 5 个i o 口，由于考虑到后面的工作可能需要对系统的功能进行进一步扩展，i 0 口的数量定在2 5 个以上。同时，由于d s p 的i o 口都是功能复用的，也就是说 p w m 发生器和a d 转换都需要通过i o 口输出，所以本系统的i o 口需要在4 0 个以上。 在处理速度方面，由于本系统的逆变频率是2 0 k i - i z 。所以处理器应该在2 5 p s 之内完成所有的控制，包括a d 转换、占空比的计算、p w m 输出等等。另外还 应该有能力对焊接动作的顺序启动进行控制，对各种故障的中断进行处理。 考虑以上需求，选用美国德州仪器公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为控制芯片， 第二章硬件电路设计 该芯片的主要性能和资源如下 2 卜2 5 ： 1 ) 3 0 m i ! _ s 的执行速度( 指令周期3 3 n s ) ； 2 ) 3 2 k 字节的片内f l a s h 程序存储器，1 5 k 字节的数据r a m ，5 4 4 字节 的双口r a m ( d a r a m ) 和2 k 字节的单口r a m ( s a r a m ) ： 3 ) 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 位的脉宽调制通道；3 个捕获单元； 4 ) 可扩展的外部存储器总共1 9 2 k ：6 4 k 字节的程序存储器：6 4 k 字节数 据存储器；6 4 k 字节的i o 寻址空间； 5 ) 看门狗定时器模块； 6 ) 1 6 通道1 0 位a d 转换器：最小转换时间是5 0 0 n s ，； 7 ) 控制器局域网络( c a n ) 2 0 b 模块； 8 ) 串行通讯接口( s c i ) ； 9 ) 1 6 位的串行外设接口模块( s p i ) ； 1 0 ) 基于锁相环的时钟发生器； 1 1 ) 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 2 ) 5 个外部中断。 2 4d s p 最小系统的设计 d s p 要应用于实际系统必须有一个最小系统( 包括时钟电路、复位电路等等) 。 如图2 - - 3 2 6 ，2 7 1 所示系统是一个带有仿真器接口的最小系统，包括时钟电路、寄 存器的扩展等等( 复位通过仿真器来进行) 。 2 5 控制系统外围电路的设计 d s p 控制器输出的p w m 波形的峰值是3 3 v ，这不能满足焊机驱动电路的 要求( 驱动电路要求的p w m 波形的峰值电压是1 5 v ) 。同时，从焊机采集来的 电流信号幅值比较小，电压信号幅值又比较大，并且这些信号都会受到外界的干 扰。这些信号要很好的与控制器进行匹配，需要进行外围电路的设计。另外，焊 机的显示电路和功能选择电路也需要设计。 第二章硬件电路设计 ；趣南 = ；鼍；：i i ：；三b i 譬b i l 目 图2 3d s p 最小系统 2 5 1p w m 电路的增幅与反相电路 电路图2 4 所示，在电路中在一个比较器的两个输入端分别接控制器的 p w m 输出和一个恒定的1 7 v 电压，这样可以实现p w m 波形的增幅。反相是通 过非门来实现的，电路中非门并联可以提高驱动电流，这样就提高了此电路的驱 动能力，保证了驱动电路能正确的驱动。图2 5 是该电路的输入波形，图2 6 第二章硬件电路设计 是该电路的输出波形。通过输入输出波形的比较可以看出，该电路具有良好的效 果。 图2 4p w m 输出电路 图2 5 增幅反向电路输入波形 图2 6 增幅反向电路输出波形 第二章硬件电路设计 2 5 2 电压反馈电路 电压反馈电路是一个简单的电容滤波电路，从焊机的输出端引出信号，经过 分压和电容滤波，把信号作为a d 转换信号送给d s p 。电路图如图2 7 所示。 在电压反馈电路中最重要的是电容的选择，这个电容的电容值直接关系到整 个系统最后的控制精度和反应速度( 电源的动态特性) 。电容选择太大则滤波效 果好，但是系统的反应速度就会变差，相反，如果想得到比较好的反应速度，又 必须牺牲滤波效果。所以应该综合考虑这两个因素。图2 8 是不同电容值时系 统反应时间和滤波效果的对比。图中o u t l 、o u t 2 、o u t 3 、o u t 4 , o u t 的电 容值分别是：o 0 0 4 胪、o 0 0 2 胪、o 1 胪、0 2 胪、0 0 2 2 胪。可以看出o 0 2 2 胪 的电容效果最好，即能达到所要的滤波精度又可以保持比较好的反应速度。因此， 在本研究中选用的电容值是0 0 2 2 u f 。 3 k 图2 7 电压反馈电路 o u t l w w w w w w w w w w n m m 们们帅们竹竹仲w w 2 0 0 0 v 0 0 0 0 v o u t 2 2 0 0 0 v 0 0 0 0 v o u t 3 2 0 0 0 v ? 0 0 0 0 v o t j t 4 一_ _ 4 0 0 0 u v 0 0 0 0 u v o u t 2 0 0 0 v 厂 0 0 0 0 v 图2 8电压反馈电路电容的选择 第二章硬件电路设计 2 5 3 电流反馈电路设计 图2 9 输出电流检测电路 电焊机的输出电路从微观上来讲是一个脉动的电流( 频率4 0 k h z ) ，所以在 反馈到控制中心之前必须对其进行滤波，以保证控制中心得到的信号能正确反映 输出电流的平均值。同时，由于电焊机的特殊性，电流检测元件的输出信号很小 ( 毫伏级) ，这就需要对信号进行放大，以适合控制中心a ，d 转换的量级。在电 路设计中，另外一个需要考虑的情况是对于扰的滤除作用。如前所述，霍尔元件 的输出信号很小，所以很容易受到外界的干扰，除了采取利用屏蔽线进行信号输 入等措施以外，还应该在电路中考虑到滤波。 图2 1 0电流反馈电路的滤波效果 图2 9 就是输出电流反馈电路，图中电容c 4 的作用是滤波。放大作用有一 个运算放大器来实现，这个电路的放大倍数是1 0 0 倍。图中的两个电容c 5 、c 6 第二章硬件电路设计 的作用就是滤掉外界的干扰，以保证得到的信号准确。图2 一1 0 是用示波器测得 的该电路的抗干扰效果，1 通道是滤除干扰前的波形( 图2 1 0 上部波形) ，2 通道是滤除干扰后的波形( 图2 1 0 下部波形) ，从图中可以看出，该电路具有 很好的抗干扰效果。 2 5 4 逆变器偏磁保护电路 电路图如图2 1 1 所示。该电路的作用是对逆变器进行偏磁保护的。变压器 特别是脉冲变压器在使用过程中常会出现偏磁现象，这是由于在一个开关周期的 前后t 2 内，变压器线圈伏秒积( v s ) 不相等，从而导致磁通o 向一个方向 逐渐增大，工作区域偏向一个极限，引起铁芯饱和，最后导致原边过电流。这种 现象严重时将导致开关管及变压器烧毁。图2 11 中的比较器可以起到偏磁保护 的作用：当偏磁现象出现时，原边电流就会增大，从而使电流检测信号增大，引 起比较器的翻转，比较器输出信号由高向低跳变，从而产生故障保护中断信号， 通知控制器有故障产生。控制器在接到中断信号以后，会执行相应的中断保护程 序，关闭p w m 模块，停止大功率开关管触发信号的输出，焊接电源停止工作， 从而起到保护作用。 图2 1 l 变压器偏磁保护电路 2 5 5 焊接方法选择电路 电路图如图2 1 2 所示。当外部的选择开关打到不同的挡时，d s p 芯片对应 的输入口( 1 0 1 - - 1 0 5 ) 会变成高电平。然后，当控制器对这几个口进行检测时， 就会检测到不同的数值。控制器由此就可以判断要执行的分支程序( 不同的焊机 特性对应于不同的分支程序) ，实现特性的切换。这个电路的设计主要是为以后 的扩展工作做准备的，在本研究中只进行了一种特性的设计，就是熔化极c 0 2 气体保护焊的特性设计。 2 5 6 保护电路的设计 第二章硬件电路设计 图2 1 2 焊接方法选择电路 图2 1 3 保护电路 电路图如图2 1 3 所示。这是三个信号进行“与”的电路。i n t l 来自偏磁 保护信号( 当偏磁保护作用时，该信号为低) ，i n t 2 来自过热保护( 当过热保护 作用时，该信号为低) ，而图中的比较器的作用是过流保护，当过流保护出现时， i n t 3 信号变低。i n t l 、i n t 2 及i n t 3 三个信号有一个为低时与门4 0 7 1 的4 引 脚就为低，从而引起控制器上的p d p i n t b ( 控制芯片的1 3 7 引脚) 引脚由高向 低跳变，这样就会从硬件上抑制控制器的p w m 输出，同时在控制器中会执行相 应的中断程序关闭相应的工作模块，等待系统的手工复位，从而起到保护作用。 2 5 7 显示电路 电路图如图2 1 4 所示。考虑到节省系统的资源，本系统中的显示电路是用 第二章硬件电路设计 模拟电路来实现的，电路的输出给d p 6 5 2 。 图2 1 4 显示电路 d p 。6 5 2 是一个紧凑型、低功率l c d 显示模块。其示意图如图2 一1 5 所示。 图2 1 5d p 一6 5 2 示意图 第二章硬件电路设计 下面给出其引脚的说明： 表2 1d p 6 5 2 引脚说明 引脚引脚名功能引脚引脚名功能 1v + + 5 v 电源 6d p 3 小数点显示1 x x x 2g n d地7 i n p u t ( + )正的信号输入端 3d p c o m小数点显示引脚8 i n p u t ( 一) 副的信号输入端 4d p i小数点显示1 x x x9n c没有作用 5d p 2 小数点显示1 x x x l oh o l d 显示锁定 小数点的显示方法如下：当d p i 、d p 2 或者d p 3 和d p c o m 接通时就会显 示相应的小数点。 显示电路是根据d p 6 5 2 的输入需要设计的。图2 1 4 中j 42 ( 接d p - - 6 5 2 的7 引脚) 用来给出显示信号，显示信号输入分别由4 0 5 3 的引脚5 、引脚2 、引 脚l 给出，引脚5 为给定信号，引脚2 为焊接电压，引脚1 为焊接电流。通过对 4 0 5 3 的控制，来显示电流、电压和给定信号。j 47 、j 48 ( 分别接d p 一6 5 2 的3 引 脚和4 引脚) 用来显示小数点( 显示电压时有小数点) 。当电流为o 时，说明焊 接没有开始，l m 2 9 3 输出为低电平( 4 0 5 3 的9 脚) ，这时显示给定电压。当电流 值大于一定的数值时，l m 2 9 3 输出高电平( 4 0 5 3 的9 脚) ，显示焊接中的电流和 电压。j 41 是显示电压或者托流的选择引脚：当j 4i 高时显示电流，这时没有小数 点；反之，显示电压，出钒小数点。图中信号( 给定、电流、电压) 在显示之前 进行了分压，这是为了符合d p 一6 5 2 显示模块的要求。 2 6 本章小结 本章首先设计了数字化焊接电源控制系统的整体结构，并对电源的主电路做 了一个简要的介绍。然后，选择了d s p 控制芯片的型号，对所选择的芯片的内 部资源作了全面的介绍，并设计了控制芯片的最小系统。最后，设计了控制系统 的外围电路，包括p w m 信号的增幅和反向电路、电压反馈电路、电流反馈电路、 逆变器偏磁保护电路、焊接方法选择电路、保护电路和显示电路。 第三章c 0 2 焊接控制策略与系统仿真 第三章c 0 。焊接控制策略与系统仿真 自动控制理论的形成和发展经历了半个世纪的历程。上世纪4 0 年代中期到 5 0 年代末形成的经典控制理论比较成功的解决了简单控制系统的分析和设计问 题。6 0 年代初，由于空间科技的需要，又出现了现代控制理论，现代控制理论 较好的解决了时变、非线性以及多输入多输出等复杂控制系统问题。随着国民生 产和工业技术的需要，现在控制理论已经发展到了很高的水平，出现了模糊控制、 神经网络控制、遗传算法等更为先进的控制理论【2 8 】。 本课题研究的数字化逆变焊机，可以用于多种焊接方法，不同的焊接方法需 要采用不同的控制策略。本文主要研究了c 0 2 焊接的数字化电源控制。 3 1c o ：弧焊电源动态性能指标的提出 在制定系统控制策略之前，首先应该明确系统的要求。焊接系统是一个比较 特殊的系统，对电源有其特殊的要求【“。焊接电弧对供电的弧焊电源来说是一个 动态负载。这就需要对电源的动特性提出要求。所谓电源动特性，是指电弧负载 状态发生突然变化时，弧焊电源输出电压与电流的响应过程，可以用弧焊电源的 输出电流和电压对时间的关系来表示，它说明弧焊电源对负载瞬时变化的适应能 力。对于控制策略的确定，最关键的要看所采用的焊接方法( 本研究中是c o ：气 体保护焊) 对电源动特性的要求。只有控制策略选择的恰当才能获得比较合适的 动特性，从而得到良好的引弧、燃弧和熔滴过渡状态，得到满意的焊缝质量。 熔化极c o 。焊接中，熔滴过渡有三种形式：射流过渡、滴状过渡和短路过渡。 在射流过渡和滴状过渡中，电弧的电流和电压几乎不变，可以把这时的电弧看成 是静态负载。因此它们对电弧的动特性没有什么特殊要求。而在实际中应用最多 的短路过渡则不然，短路过渡过程中，电弧在引弧、燃弧和短路这三种状态之间 来回变化，这就使得电弧电源在空载、负载、短路这三种的状态之问变化，所以 对电源的动特性提出了要求。 典型的细丝c o 。短路过渡过程的电压、电流波形如图3 1 所示。这里面主 要要求的性能指标有：短路电流增长速度、空载电压恢复速度和短路电流峰值。 3 1 1 短路电流增长速度 从负载到短路的短路电流增长速度驯d t ( 短路电流增长速率) 是影响熔滴 过渡过程的一个主要参数，这个参数过大过小都是不利的，表3 一l 是对其的要 第三章c o ：焊接控制策略与系统仿真 求。本研究中所用的焊丝的直径是 1 2 m m ，根据表3 1 ，取电流增长 速度为9 0k a s 。 3 1 2 空载电压恢复速度 - ) 当短路阶段结束后，希望立即 引燃电弧，以免焊接过程出现中 断。这就要求弧焊电源有足够快的 空载电压恢复速度。 3 1 3 短路电流峰值 ” 在熔化极c o 。保护焊中，限制 短路电流峰值i 。很重要。i 。过大 会引起缩颈小桥激烈的爆断，造成 飞溅，i 。过d , 贝t j 对引弧不利，甚至 影响焊接过程的稳定，许多研究资 。 料表明，短路电流峰值不应超过焊 接电流的2 倍，否则飞溅较大。本 国3 1 短路过渡过程的电压、电流波形图 研究中所用的焊丝直径是l - 2 m m ， t 一周期c r _ 电弧燃烧时间b 一短路电流l 二 根据经验焊接电流一般是1 2 0 a ，则 升时间i ，广短路电流峰值i r 平均焊接屯流 峰值电流i ，。2 4 0 a 。 u 一屯弧电压一屯压恢复时间 表3 1 推荐的短路电流增长速率 焊丝直径( 硼) 0 81 21 6 l 短路电流增长速度( k a s ) 5 0 - 1 5 04 0 - 1 3 02 0 7 5 3 2p i d 控制 在c 0 2 弧焊电源中经常应用的控制策略为p i d 控制簧略 2 9 - 3 4 】，本研究中采 用的也是p i d 控制。 3 2 1p i d 控制的原理和参数确定方法 所谓p i d 控制既是：比例( p ) 控制、积分( i ) 控制和微分( d ) 控制。其 控制数学模型见式( 3 1 ) ： 第三章c 0 2 焊接控制策略与系统仿真 一小卅挣伽+ 半 c ，刊 7 式中：k 。一比例增益； t 一积分时间常数； t d 一微分时间常数。 r ( t ) 图3 2p i d 控制方框图 式( 3 - 1 ) 表明系统控制量u ( t ) 是偏差e ( t ) 的比例、积分、微分控制的组合， 即p i d 控制。图3 2 是p i d 控制的方框图： p i d 控制蕴含了动态控制过程中过去、现在和将来的主要信息，其中比例控 制代表当前的信息，起到纠正偏差的作用，使控制过程动态响应迅速，是对偏差 e 的即时反映；微分控制是按偏差变化的趋势进行控制，有超前控制的作用，代 表将来的信息，在动态调节过程开始时强迫系统进行动态调节，在动态调节过程 结束时减小超调，克服振荡，提高系统的稳定性；积分控制代表过去积累的信息， 能消除系统的静态偏差，改善系统的静态特性。p i d 三种作用配合得当，可以使 系统的动态调节过程迅速、准确、平稳。在实际工程应用中根据系统的具体情况 和要求来选择p i d 控制策略，可以单独采用p 控制、i 控制、d 控制，也可以采 用p t 、p d 以及p i d 控制。 在p i d 控制中，k 、t 。、t d 等参数直接影响着系统的动态性能，因此，在 p i d 控制中不仅要确定采用何种控制策略( 即何种控制模型) ，而且要确定p i d 的参数值。在确定p i d 参数时，可以采用理论方法，也可以采用实验方法。采 用理论方法确定p i d 的参数往往需要有被控对象的精确数学模型，但是在工程 实践中精确的数学模型往往难以得到，因此，在工业控制中，p i d 参数经常采用 实验验证法和凑试法获得。三个参数的改变引起系统性能变化的规律如下： 1 ) 增大比例增益k 。，往往使整个系统的开环增益增大，有利于加快系统的 响应，减小系统的稳态误差，但是k 。过大，会使系统有较大的超调，并产生振 2 0 第三章c 0 2 焊接控制策略与系统仿真 荡，使系统稳定性变坏。 2 ) 增大积分时间常数t 。，将减小超调，较小振荡，系统动态过程的平稳性 得到改善，但是会使系统的快速性变差，并将减慢系统静差的消除。 3 ) 增大微分时间常数t d ，将减少超调，加快系统的动态响应，提高系统的 快速性，提高系统的稳定性，但是减少系统抑制扰动的能力，使系统的稳态误差 增大。 由以上规律可以看出，p i d 控制的三个参数是相互制约的。所以在确定p i d 控制的参数时应参考以上趋势，迸行先比例、后积分、再微分的步骤来进行确定： 1 ) 首先加入比例部分，将k p 由小变大，并观察相应的系统响应，直到性能 指标满足要求为止。 2 ) 若静差不能满足要求，需要加入积分环节，首先取较大的l 值，略降低 k p ( 比如原来的0 8 倍) 。然后逐步减小e 反复调节t 。和k p ，直到系统得到所需 要的动态特性，且静差得到消除。 3 ) 如果经反复调整，系统的动态过程仍然达不到要求，可以加入微分环节。 首先置t d 为零，逐步增大t d ，同时反复改变t 。和k d ，三个参数反复调整，最后 得到一组合适的参数。 需要说明的是，p i d 的参数并不是唯一的，因为比例、积分、微分三个环节 的控制作用相互可以调节，相互可以补偿，因此，不同的p i d 控制参数组合可 以获得相同的动态响应特性。 3 2 2 连续系统和d s p 控制系统的结合 以上所述的控制原理是基于连续系统的，而采用d s p 控制的输出却是离散 信号，所以两个系统之间的结合就成为d s p 控制c 0 2 焊接数字化电源中必须解 决的问题。对于连续系统和离散系统结合的分析有两种方法： 1 ) 离散域设计法 图3 3 计算机控制系统离散域方框图 第三章c 0 2 焊接控制策略与系统仿真 系统框图如图3 3 所示。这种方法把计算机控制系统视为全离散系统，模 拟量的信号在虚线框内部，虚线框外为离散信号。这种方法是直接采用离散域的 数学模型进行设计，是一种精确的设计方法。许多数控机床的控制就采用了这种 设计方法。这种方法的缺点是某些情况下难以准确地设计出离散域的数学模型。 2 ) 连续域没计法 控制系统示意图如图3 4 所示。这种方法把计算机系统假想为连续控制系 统，系统中的非连续信号在虚线框之内，这种设计方法可以利用成熟的连续控制 系统的设计方法进行综合设计，把连续控制器的数学模型，变换到离散域，再由 计算机来完成控制器的任务。因为各种变