（电力电子与电力传动专业论文）脉冲mig焊机的数字化研究.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t p m i gw e l d i n gi sah i g h q u a l i t yw e l d i n gm e t h o d i ti sd e v e l o p e dw i d e l yf o ri t s g o o dd i r e c t i o nt r a n s i t i o n ，l e s ss p l a s h e dm a t e r i a la n dn i c ef i g u r e a n dp m i gw e l d i n g p o w e rs u p p l yi sd e v e l o p e dq u i c k l yw i t ht h ee x t e n d i n go fp m i gw e l d i n g a tp r e s e n t ， w i t ht h ea p p l i c a t i o no ft h en e wm a t e r i a l ，a d v a n c e dr e q u i r e m e n ti sp u tf o r w a r dt ot h e w e l d i n ge q u i p m e n tf o rm e e t i n gh i g h e rw e l d i n gq u a l i t y i t i s i m p o r t a n tt of u r t h e r i m p r o v ep m l gw e l d i n gc o n t r o lp e r f o r m a n c ea n dc o r r e s p o n d i n gp r o c e s sr e s u l t sb yf u l l d i g i t a lc o n t r o ld e s i g ni nw e l d i n gm a c h i n er e s e a r c h t h ea p p l i c a t i o n ，h i s t o r y ，a c t u a l i t ya n df o r e g r o u n do fd i g i t i z e dt e c h n o l o g yi n w e l d i n gf i e l d a r ef i r s t l yi n t r o d u c e di nt h ei n t r o d u c t i o np a r to ft h i s p a p e r t h e i m p o r t a n ts p e c i a l t i e so fg m a w p ( p u l s e dm i gw e l d i n 曲a n di t ss t u d ye v o l u t i o n ，a s w e l la st h ef a r - r e a c h i n ga f f e c t so fd i g i t i z e dt e c h n o l o g yc o m b i n e dw i t hi n v e r t e r l t e c h n i q u eo nt h ed e v e l o p m e n to fw e l d i n gm a c h i n ea r ef o l l o ws e tf o r t h a l s o , s o m e r e a s o n sa r eg i v e uw h yw es t u d yt h i st a s k t h ec o n t r o lc i r c u i ti si n t r o d u c e db yt a k i n g “d s p + m c u ”a st h ec o r e t h es i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e ri st h eu p e q u i p m e n t c h a r g i n g i n p r o g r a mc o n t r o l a n dc o m p u t e ri n t e r f a c ef u ru s e r s ；d s pi st h e d o w n e q u i p m e n t ，c h a r g i n gi n f e e d b a c ko p e r a t i o no ft h ew e l d i n gp a r a m e t e r t h e v e r s a t i l ec o n t r o lf u n c t i o n so ft h es i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e ra n dt h eh i g ho p e r a t i o n a b i l i t yo fd s p a r ef u l l yu t i l i z e d a n dt h ew e l d i n gc o n t r o ls y s t e mi si n t r o d u c e df r o m t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e b e c a u s eo f h a r dw o r k i n gc i r c u m s t a n c e so fh i 曲c u r r e n ta n dh i g hm a g n e t i cf i e l d ， t h em i c r o c o m p u t e rs y s t e mo nt h eb a s i so fd s pa n dm c uw o r k e da b n o r m a l l y r e l i a b i l i t ya n dn o i s er e s i s t a n c ed e s i g n sa r ea l s oc o v e r e d v a r i o u sn o i s e sp r o b a b l y a p p e a ri nt h ew h o l es y s t e m ，a sw e l la st h e i rc a u s a t i o n ，a r ea n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l y t h e n ，i no r d e rt or e d u c et h e i rb a di n f e c t i o n s ，s o m eh a r d w a r ea n ds o f t w a r em e a s u r e s a r ea d o p t e dw h i l ed e s i g n i n gs c h e m a t i cc h a r t ，p c bb o a r d ，a n dc o m p i l i n gc o d e i n a d d i t i o n ，s o m ep r o b l e m si nd e s i g no fi n v e r t e rp o w e r s o u r c ea r ea l s op r o b e di n t o t h e e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h a tt h ei n v e r t e rp o w e r s o u r c eh a sw i d ef r e q u e n c yb a n d ， r a p i ds p e e do fr e s p o n s e ，s t r o n ga b i l i t yo fa n t i - j a m m i n g , h i g hr e l i a b i l i t y a n dg o o d 1 i 垂东大学硕士学袋论文 h u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c e t h er e s u l t so ft h e e x p e r i m e n t s h o wt h a tt h ep m i gi n v e r t e rw i t ht h e m i c r o c o m p u t e ro nt h eb a s i so fd s pa n dm c ut h i sp a p e rd e s i g n e di s o fs i m p l e o p e r a t i o n ，f l e x i b l eu s i n ga n ds t r o n ga n t o a m m i n ga b i l i t ya n ds u i t a b l et ow e l ds t e e l a n da l u m i n i u ma n ds oo n k e y w o r d ：d i g i t a lw e l d i n g ；p m i gw e l d i n g ；s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ； d s p ；a n t i - j a m m i n gt e c h n o l o g y ； i 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：i 豸塑缝日期：2 丝厶：坐口 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：韫导师签名：，勉日期：2 业! ! ! z 由东大学硬学位论文 第一章绪论 圭1 课题背景 繇冲溶纯投气髂徐护瘁麓稼熬洚m t g 辫( p u l s em e l t e di n e r tg a sw e l d i n g ) 以其轴向性好，飞溅小，适合于全位置焊接，焊缝成型美观的特点。大大促迸了 高质嫩，高效率焊接工艺的发展。特别是随着锅、镁及合金材料在车辆、建筑、 航空航天等工业中的大量威恩，脉冲m i g 焊得到了进一步的攒广，发展。 遥攀亲，舞接援术经掰了飞跃淫熬变蕈，爱论是簿菠设簧逐怒工芝鹭取霉实 质缝的突破，并在一些领域建立了新酶制造标准。变革的起因首先是由于当徽电 子技术和数字化技术日趋成熟，为数字化技术成用于焊接设备提供先决条件；其 次也得髓于新材料的应用，促进了市场对焊接技术的更高的需求。随着计算机技 术和数字佼控截技拳的快速发震帮广泛应雳，签耪瑗霞热工玺产没餐盼睦麓更热 完善，秘能更热丰富，智麓纯不断提高。在辫接领域，逆交技术静发展帮数字纯 控制j 燕术的应用，形成了由逆变主电路代替传统的主电路，由数字控制代替模拟 控制的局面。数字化控制技术与计算机技术的结合产生了数字化焊机。 与数字控制档结合的露渤化技术、人工智憨理论等相关学科的长足进展为研 毒l 全数字像踩溪m l g 浮撬撬供- f 充是羲癸部条徉，毽浮蔹玺产静魏缀纯、囊囊建 和机器入化程度不断提离。对于在自动化焊缓和机器人焊接中成用广泛的脉冲 m i g 焊机，如何实现较好的正艺效果、实现网络化和多功能集成等问题显得尤为 突出。因此，研制全数字化脉冲m i g 焊机，具肖十分现实的意义。 1 2 数字纯焊撬 1 2 1 “数字化”的概念 从阑际焊机电源的发展臆势来看，数字化怒其发展的必然方向。 酋先，数字化是指：( 1 ) 按照一定的规则，用数字表示字母或符号；( 2 ) 把连 续豹物瑗鬟爆数字形式表示，黪鼹o 1 绞玛表示，驻谓懿数字亿簿搬嘎痰当指这 祥一神爆辘，它 ，j 主要控制电路由砖统静覆掇技术直接被数字技术所于琶替，在控 制电路中的控制信号也随之由模拟信号过渡剧o 1 编码的数字信号。数字化控制 具有很好的系统灵活性。意i 睐者同套硬件电路可以实现不同的焊接工艺控制， 同时也体溉在控制软俘的在线升级功能上。数字饯姆祝的另一优点就是具有更强 1 一 山东大学硕士学位论文 的稳定性，信号的处理或控制算法的实施通过软件的加减、乘除运算来完成，产 品的一致性得到了很好的保证。 数字信号处理相对于模拟信号处理有很大的优越性，表现在精度高、灵活性 大、可靠性好、易于大规模集成等方面口1 。可用于数字信号处理的处理器大致可 分为数字信号处理器( d s p ) 、通用微处理器( m p u ) ，微控制器( m c u ) 三类。d s p 面向高性能、重复性、数值运算密集型的实时处理：m p u ( 如4 8 6 、5 8 6 、奔腾i i 、 奔腾i l i 等) 应用于计算机；m c u 受j 适用于以控制为主的处理过程。国内工业控制 中应用较为普遍的8 0 5 1 ，8 0 1 9 6 以及m i c r o c h i p ，a t m e l 单片机都是 m c u ( m i c r o c o n t r o l l e r ) 。d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) , l j 是一类结构经过优化， 适应数字信号处理的微控制器。d s p 芯片f 1 8 0 年代出现以来，就以数字器件的稳 定性、可重复性、可大规模集成，特别是可编程和易于实现实时处理等特点给数 字信号处理的发展提供了技术基础。d s p 的高速运算能力和强大的实时信号处理 能力为高速实时控制提供了可能【射。目前，m c u 在焊接控制系统中应用比较普遍， 结构特点也较为大家所熟悉，而在国内焊接领域d s p 的应用刚刚处于起步阶段。 焊接电源系统的模拟控制系统转变为数字控制系统己成为必然趋势。数字控 制系统结构也大都由微控制器( m c u ) 、数字信号处理器( d s p ) 、或微处理器加数 字信号处理器组合构成。 1 2 2 焊机的数字化 应该说焊机的数字化还刚刚处于起步阶段，但是由于数字系统本身具有的优 势以及总结现有的数字化焊机的特点，数字化焊机的优势已初见端倪，大致可以 归纳为以下几点f 5 棚： ( 1 ) 实现了柔性化控制。焊机系统的控制通过软件实现，替代了模拟式的硬件电 路，系统的控制是柔性的，修改方便，利于系统控制策略的优化和多种焊接工艺 集成在同一焊机系统。 ( 2 ) 控制精度较高，可以实现高精度控制，且稳定性、一致性好。 ( 3 ) 接口兼容性好，易于升级换代。可以方便地建立焊机与机器人、计算机等设 备的接口。焊机的功能升级方便，通过更新数字化控制器的软件部分，便可以提 升焊机的功能，扩大使用范围和提高使用寿命，软件的升级可以通过与上位机的 通信来完成。 2 一 山东大学硕士学位论文 ( 4 ) 产品的一致性好。模拟系统的性能受元器件参数性能变化的影响比较大，而数 字系统基本不受影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产。 ( 5 ) 模块式结构。可以通过软件的修改和处理，使同一台电源可以具有不同的功 能，缩短开发周期，降低开发成本。 ( 6 ) 更容易满足如薄件多，新材料应用等对焊机提出的特殊性能要求。 总之，随着d s p 和高档单片机的广泛应用，为突破传统工艺控制方案，实现 焊机数字控制方案提供了机遇，从而为进一步提高焊接工艺性能提供了可能，为 尝试新的焊接工艺提供了机遇。 1 2 3 数字化焊机的结构特点 数字化焊机所表现的种种优点是与其结构特点分不开的。而单片机控制的焊 机还不是真正意义上的焊机，其在性能上与真正的数字化焊机相比还是存在差距 的。 图1 1 是一般模拟控制的逆变电源的系统框图，主电路部分由整流、逆变、 二次整流输出几部分组成。其余为控制部分，由电压、电流采样环节、给定环节、 p i 控制器、p w m 信号产生等组成【8 1 。 3 兰田 焊接魄莲采样及调理耄麓 零系统采用霍尔电聪传感器豹型号为c h v 2 5 p 。它是闭环朗霍尔电压传感 器，其正作原理是：“磁补偿式”，即磁场平衡。当被测电压v 。流过测量电阻r 1 的电流通过导体产生的磁场，由霍尔元件输融傣号控制的补偿电流i 。流过次级 线鋈产囊豹磁臻孝 接，当缀遮与蘩透赘磁场运瓣警鹜辩，箕静臻惫浚瑟毒精确反 映原地电压值。c h v - 2 5 p 擞霍尔电压传感器所能测量的额定电聪范围是5 0 6 0 0 v ，爨体的范围与所选的测量电阻r 。有关，原边额定电流l n 为1 0 m a 。原边 与副边的匿数比失2 5 0 0 ：1 0 0 ，原边串联电阻r l 的阻值与所测量的壤愿有关，r “ 魏范爨怒0 3 5 0 f l ，额定输蹬为5 v ，采焉盘1 5 v 供电。露3 7 跫缛搂电歪采 样与调理电路。 一哦月门耘， 。叠c oj雠。丰卜 图3 7 焊接电压采样岛调理电路 一3 5 出东大学硕士学位论文 对于本系统，所测量的电压范围是0 1 0 0 v ，备测量参数的确定如下： ( 1 ) 确定原边串联电阻r 1 r l 。：型：1 0 k q ( 3 - 4 ) l 。1 0 m a r 1 的额庭凌率只一- - ，2x r l = ( 1 瀚眭夕2 x 1 0 k o ，逸爝射应整有裕耋，瓣惩，选 择1 0 k q 2 w 。 ( 2 ) 确定测量电阻r m 摄蕹磁蛰镶源理，次级蛰嫠电浚安篷数在 薹嚣跨後移与秘缀被测电摄瓣安堑 数相等，霹：1 ，；f s 。戮j 魄， 小瓦n v i v - - 黑x 1 0 m a 2 5 m 4 0 - 5 ) 嘞一- 羔* 2 0 0 q 0 - 6 ) 本系统中，r m 由1 t 5 0 、1 1 5 1 、1 1 5 2 并联后得到，赦将1 1 5 0 选择为3 0 0 f 2 a 在以上采鬃与调理电路中，在模拟输入端加上r c 阻容电路，可以怒蒯低通 滤波豹终簿，减轻噪音豹影响。黧孛舞揭豹凭个二叛罄识( x = l 、2 ) 绍耱位 二极管，用采防止瞬间出现高压按坏d s p 的a d 转歉通道。 3 5 d a 转换电路 d s p 通过软彳牛算法计算出来的疆动信号需要传遴缩主电路驱动板，用以驱动 功率瑟关警实瑷设定珐率输出，骥动援是一令摸羧爨 鑫入接霜，霞憩搬丁d a 转换电路。 设计中采用射( 德州仪器) 公司生产的d a 转换芯片t l v 5 6 3 6 。t l v 5 6 3 6 是1 2 位电压输出型数模转换芯片，它提供了一组灵滔的4 线串行接口，w 以方 便她帮s p i 审行瑟连接。t l v 5 6 3 6 骶魄4 b i t 豹控制位和1 2 b i t 豹数搀位组成的1 6 b i t 率z 亍数据编糕。蠢龟疆网络输出静瞧蘧经遂一个堪纛为x 2 兹输窭缓 孛霹井输毫 电压值。可编稷的转换时间，快滤模式为1i ls ，慢速模式为3 5 肛s 。t l v 5 6 3 6 采用先进的c m o s 工艺，工作电塍为2 7 v 5 5 v ，这大大的方便了与d s p 的连 3 6 山东大学硕士学位论文 接。上电后写基准选择控制位选择基准源，再选择合适的速度和电源模式，组合 好数据后写d a c 就可以进行d a 转换了。d s p 的运算结果经d a 转换后，进 入调理电路，最后由v o u t 端输出至驱动板，同样在设计中加了高速线性光耦进 行隔离。d a 转换电路图如图3 - 8 所示。 图3 8d a 转换电路 3 6 脉冲m i g 焊机的通讯 3 6 1 单片机与p c 机之间的通讯 采用了异步串行通信接口r s 2 3 2 c 进行单片机与p c 机之间的数据传递。 1 r s 2 3 2 c 标准总线接口 r s - 2 3 2 c 标准总线接口全称是“使用二进制进行交换的数据转换设备和数据 通信设备( d e o 之间的接口”，它是e i a 于1 9 6 9 年公布的标准。r s 是英文“推 荐标准”的缩写，2 3 2 为标识号，c 表示修改次数。r s 2 3 2 c 总线标准规定了2 1 个信号和2 5 个引脚，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下使用主通 道。对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，包括一条发送线、一条接收 线和一条地线。 r s 一2 3 2 c 接口是用于点对点通信方式的。r s 一2 3 2 的通讯端口是每个计算机 上的必要配备，通常含有c o m l 与c o m 2 两个信道，古老一点的计算机将c o m l 以9 p i n 接头接出，而以2 5 p i n 的接头将c o m 2 接出。新一代计算机均以9 p i n 的 接头接出所有的r s 一2 3 2 通讯端口。在计算机上的r s 2 3 2 均是公头。通常与计算 机连接的设备，最简单的沟通接口就是r s 2 3 2 ，不仅简单实用，而且价格上也 3 7 出东大学硕圭学锭论文 便宜很多。 主要特点： 1 ) 数据传输速率举超过2 0 k b i t s ； 2 传输距离最好少于1 5 米； 翁每个信号哭窍一校导线，两个传输方匈仅鸯一个傣移逮线； 4 ) 接口使用不平衡的发送器和接收器； 5 ) 只适用于点j c 寸点通信，无法用最少的信号线完成雾点对多点的通信任务； 国r s 2 3 2 的逻辑电平与弭l 电警不同，因此与t t l 魄路接口时必须经过电乎转 换毫路。 2 m a x 2 3 2 芯羚介绍与电路圈 由r s 2 3 2 的逻辑0 电平规定为+ 5 v + 1 5 v ，逻辑1 电平规定为- 1 5 v 5 v , 因此在与期限电路接口时必须经过电平转换。早期的常见拣片有 m c l 4 8 8 ，m c l 4 9 8 等，毽是需要毫1 2 v 电源供电。瑗凌烫 l 窭现了大量的零电源供 电的电平转羧蕊辟，其体积更，l 、，遴接筠便，藤虽抗游电能力强。下瑟魏常雳酶 m a x 2 3 2 作一个简单介绍。 m a x 2 3 2 芯片是m a x 公司嫩产的、包含两路接收器和驱动器的r s 2 3 2 电 平转换芯片，撩予吝静2 3 2 通信搂嗣。m a x 2 3 2 芯片内部有一个电源电愿变换器， 可敬把赣入懿+ 5 v 毫派交换成毙r s 2 3 2 竣塞毫平瘊嚣翡+ 1 8 v 篷歪。掰淤，采 用此芯片接口的串行通信系统只满单一的+ 5 v 电源就可以了。对于没肖土1 2 v 电源的场合，熊适应性更强。加之冀价格适中，硬件接口简单，所以被广泛采用。 采用m a x 2 3 2 芯片的p c 机与单片机串行通信接脚电路如图3 9 所承。在 设专 孛采嗣7 分麓将r s 一2 3 2 犊瓣豹发送数据亏| 黪t x d 察接毅数据弓| 瓣r x d ， 经过m a x 2 3 2 芯片弓l 脚接到荸片梳接收数据弓f 脚r x d 秘发送数据弓| 脚t x d 上， 图中电容的作用是退耦去干扰作用。 - 3 8 出东大学硕士学位论文 图3 9 p c 祝与m c u 的通讯接口电路 3 6 2 荤片机与控制面板机之间的通讯 对乎控制面板与单片机之间的通讯则采用r s 一4 8 5 标准通讯协议。r s 。4 8 5 总 线接翻标准是r s - 4 2 2 a 棘礁鳇扩充。r s 4 2 2 a 是e i a 公布豹“乎锾瞧压数字接口 电路豹电气特毪”蠢准，该标准采爱双端线锼遴信号，在起始臻遴j 霆薅送线驱动 器，把逻辑电平变换成电饿麓，完成起始端的信号传送。在接收端通过传送线接 收器将电位差重新变换为逆辑电平，以实现接收端的信号接收。 r s - 4 8 5 麓够进行远距离传输，主要原因在予它使用了平衡线路，每个信号都 骞装瘸戆导线露，荬孛一羧器线上夔毫压等孳：冀一投导线上夔邀糕取爱，或者取 补。接收器对这些电压之间的压差做出反应，所以采用平衡线路的最大优点就是 它们对噪声免疫，这种类型的传输也可称为麓渤信号发送。 基予以上分析，考虑控制面板可以远距离馒用，本文选用r s 一4 8 5 标准通讯 协议。农蒸俸应用上，采弼m a x 公露静m a x l 4 8 2 芯片，它叛实现发送季蟊接 牧嗣葬手髭 行的全双工逶信。 3 6 3 箪片机与d s p 之间的通讯 单片机与d s p 之间的通讯主要解决：q d s p 的程序从单片机的程序存储器 传递到d s p 的内存；为程序运行时计算参数的传递。单片枧与d s p 的接日逻 辑经国逻簿趣毫鼹7 4 f 0 7 实现，箕接日蒙理黧麓3 一l o 簧示 。3 9 ， 由东大学硕士学位论文 图3 1 0d s p 与单片机的接口电路原理框图 3 7 硬棼抗乎撬措撬 1 时钟电路簸挽于扰措施 时钟电路产生c p u 的工作时序脉冲，是c p u 正常工作的关键部件。很多干扰 归根到底是破坏了时钟的正常运行，从而导致c p u 的工作失控。时钟信号中叠 撩噪声于扰露，会改交蹿锤分频傣号，导致c p u 工掺辩劳发生紊氯【薅l 。 为了避免瓣辩镑电路弓| 超斡予虢，本系统在p c b 稚线时采取了跌下抗于扰缮 施： ( 1 ) 时钟脉冲电路配置在靠避单片机处，采用狈简短的引线。 ( 2 ) 振荡锻蹯朋地线包围起来，爵律终壳按地。 0 嚣擐壤鼹静电容器采矮魏纛稳定、容量整恣确瓣毫套，并显逯褒发热元 件。 ( 4 ) 印刷板上的大电流信号线、电源变压器远离晶振信号的连线。 2 电源抗于扰 辗据实验分搿，叛辍系统7 0 豹- - 7 ：莸是逶遥电潦旗台遴寒豹。电源上瓣尖撵 脉冲、浪涌、下陷、欠压帮过舔等都会造成系统工作不正常甚至损坏，霹戳说， 电源品质的好环是抗干扰的一个决定性因素。因此，提高电源系统的供电质量， 是确保单片机厩常工作的一个主鼹因素，为此，在系统中采取了以下几种措施： ( 1 ) 主控铡叛供电电源采蠲专羽激税开关电源供墩。 ( 2 ) 电源帮缝采蠲电源分屡浚诗，著在电源层上後不瓣静毫源势凌，溺潜在 板卡电源和地朦之间均匀地分稚一然电容，这样可以肖效地滤除各种频率的干 扰。 ( 3 ) 在绘鞭劾扳与送丝板供电豹交流电源的引线上接入电容滤波器。敷流电 一 出家大学硕士学位论文 源的输嘏也接电容滤波器。以使输出的电压绞波限制在一定的范潲内。并能抑制 数字信号产生的干扰。 ( 4 ) 驱动板所用的电源采用分离式供电方式。即各组电源分别缀过驱动变压 嚣变纛、整滚、滤波翻稳纛蓐爨绘各个驱动横块傻硬。这样可以露效选滔除各挚 元宅鼹剃的电源线、趣线翘豹藕合予抗。 ( 5 ) 在整流与滤波环节之间接入三端稳压电源，这样不仅避一步减少了来自 交流电网的干扰，还可以抑制负载变换造成的媛流工作电压的波渤。 3 隔离与接缝 零系统孛采露了光壤耩仓器窝继毫嚣两耱隔离方式。系统孛羧蠢的模熬与数 字输入、输出通道都普遍采用了光耦进行隔离；弱电与强电之间的功率接口普遍 采用了继电器进行隔离。除了隔离之外，接地技术也是抑制噪声的震要手段。本 系统采取了以下做法： ( 1 ) 在窜裁龟鼹叛上，将掰毒器簿黪鼗字麓_ 耱摸i 茎 楚分澍稿逐，餐数字建与 模拟蟪仅在一点上相连，模拟信号线避免直角悫线。另外，地线尽黧加租、加宽， 并形成环路。 ( 2 ) 印刷电路板电源引线应采用一点接地。 ( 3 ) 将控露l 系统的数字恁移模l 耋( 遣浮空，褥爆搬及控剃电源瓣终壳采瘸羼蔽 袋戆，这样可班有效绝转斑静电窝毫磁感巍予挠。 3 8 本意小结 根攒脉冲m i g 焊机控制电路的要求，对单片机和d s p 的芯片类型进行了选择， 设计了“滟u + d s p ”鲍戏，鞔控制系统；完成了於p 供电电源，电滤、逛压采样电 路，转a 转换电路豹设诗；确定了浮祝豹逶识炎蘩与方法；对予帮艉趱现豹硬箨 干扰问题，提出了解决方案。 一4 1 由东大学硕士学位论文 第四章控制系统软件设计及程序结构 4 董耠s p 开发丽境贪缓 d s p 控制系统的设计巾熏要的步骤就是软件的开发调试。软体的开发需要一 套完熬的软、硬件开发工鼹。1 1 公司为t m s 3 2 0 系列d s p 提供的软件开发工具 可分为代码生成工具和代粥调试工具2 类代码镟成工具的作用是将汇编语言、c 语言袋2 黉混会编写黪d s p 滚戎羁程序绽译、汇编势链接成霹撬行戆d s p 钱玛 主要包括：编译器- ( c o m p i l e r ) ，汇编器, ( a s s e m b l e r ) 、链接器( 1 i n k e r ) 代筠调试工具鹩俸 用是对d s p 程序及目标系统进行调试。d s p 控制系统主要的调试工县有：汇编语 言代码调试器，c 语言源代码调试器、扩展开发系统x d s 、评估模块e v m 等【4 9 1 。 1 c o f f 文传格式 瓣麓各类d s p 系统熬软件秀发串，c o f f 臻撂文箨貉式已经羧广泛馒霜。鑫 为它支扮模块化( g b 编程，数励程序员在使用汇编语言或高级语富编程时采用基 本代码段和数据段的概念，而非一条命令或一个数据，不必为程序代码或变量指 定目标地址。这些措施增强丁程序的可读性和聊移檀性，是管理代码段和目标系 统存鼹窝瓣更强毒力与受凳燹活懿力一法，瑟麓瞧秀毫缓语言移澎缓浯言疆貘了 便铡。c o f f 文件格式的核心概念就是使用代码块、数据块编褪，而不是指令 和数据简单的顺序编写。代码块和数据块的概念是现代软件编制的煎要技术概 念，同时也是嵌入式系统的霪要编程技术，其优点是：具有良好的可读性、可移 接性；艉奄系统存储单元态分配合。在c o f f 髫探文箨串，“段( ( s e c t i o n ) ”是最小孽 证。一个疆探文稃麓每一个羧都是镀茈分离、鞠强独立静。所有豹段可以分为扔 始化段和来初始化段2 类。初始化段包含可执行代码和已初始化数据，由伪指 令t e x t ，d a t a ，s e c t 等创建，这贱段的内容存放在d s p 的程序存储器巾；未初始化段 主要为来初始化的变量保爨空闻，使程序运行时剽用这些空间卷建认秘存诺变 量，遴j 蕊伪摇令b s s 帮u s e c t 锾建，逶誊分嚣农d s p 兹鼗摇存麓器r a m 孛，这 些段在嗣标文件中没有实际内容，只是保留空闽丽己。通常，个c o f f 目标文 件都包含以下3 个段： t x t 默认的仞始化程序段，通常包含可执行程序代码； 。4 3 - 出东大学硬士学位论文 d a l a 一默认的初始化数据段； t - b s s 一默认的未初始化数据段，为未初始化的数据保留所需的空问； 2 命令文件 一个突熬瓣程彦通常是豳若干模块连接越慕，馒用一个“命令文 释 ( c o m m a n df i l e ，扩震名菇。c 辙d ) ，链接器枣已i n 靶e r ) 瓣各模块迸孬藤确豹缍 织，确定目标系统的内存空间以殿备个模块的段夜内存中的分配。汇编器可以自 动解决段之间访问的问题。汇编器遇到段分配指令尉，会将所有段的代码按其在 输入文件中的建后顺序存放；链接器对段的处理包括2 个方面：首先，它将c o f f 嚣拣文箨( e 国翰孛豹段震来建立稳滓段彝数据段，势褥凌入段缝合莛寒建立霉 执行的c o f f 输出模块；其次，链接器为输出会选择存储器地址。链羧嚣提供 m e m o r y 和s e c t i o n 命令完成t 述功能。m e m o r y 命令定义目标系统的存储 器，指明具体的数据、程序存储器的起始地址和长度# s e c t i o n 告诉链接器如 楚组合输入段以及在存储器嚣憝露敖。 3 头文件 d s p 结构复杂，寄存器数量较多，为了方便编稷，可以将d s p 芯片的所有 寄存器地址以及常用宏指令定义谯个头文件( ，h ) 中，在编程时就可以崴接应用 寄存器在头文 譬中定义豹英文缩霹( 与d s p 摆关资料巾致) ，丙不必记它的具体 逢薤霓终，还霹戮直接雩| 弱定义黪瓣宏豢令。 4 c c s 软件的使用 c c s 2 ( c o d ec o m p o s e rs t u d i o v e r s i o n2 0 ) 是燕国1 r i 公司推出的针对 t m s 3 2 0 系列d s p 控制系统的集成歼发环境，它包括源代码编辑工具、w 执行 鼗玛生藏工罴鞠实辩分辑工具，势支戆设嚣帮开发懿熬今滚翟。c c s 瓣繁袋拜 发环境中包含软件仿真器( s i m u l a t o r ) 和硬件仿真嚣( e m u l a t o f ) 2 部分，支持联税 和脱机2 种仿真方式【5 叭。 d s p 软件的开发是以工程( p r o j e c t ) 形式组织软件歼发中所有的文件。其过程 受； ( 1 ) 安装好x d s 5 1 0 暖彳孛傍爽鞭渤程旁帮c c s 软襻爱，莠逶行桴应设甏，进 入仿真调试环境； ( 2 ) 新建工程s m a k 其中必须包括头文件h 、命令文件* c m d ，还有用汇编语 - 4 4 - 出东大学硕士学位论文 言或者c 或者两者混合编霹的源程序，舔m ，c ； ( 3 ) 设置编译c o m p i l e r _ 7 c 编a s s m e b l e r 锻接器l i n k e r 选项； “) 编译代码，通过聪对程序链接，生成o u t 文件，然后将程序载入目标系 统进弦调试； 拶) 调试程痔时胃以设霞断点，还可潋傻用零步或全速等调试方法； ( 聊程序初调成功，将程序烧写进d s p 逊一步调试。 4 2 主程序设计 圈4 1 主程序潺稷围 本系统设计静d s p 控制程序包话主程序鞠正常控铡予程净两帮分，程亭流 程圈见阑4 1 、图4 2 。程序的编制采用“模块化”的设计方法，每个模块相互独立， 使程序清晰易懂，便于理解、调试和维护。 4 5 山东大学硕士学位论文 实验中采用了固定某些参数的方法进行实验，设计的d s p 系统控制程序根据 引弧、正常焊接，收弧等的不同状态分别调用相应的子程序，完成变参数数字 p i 算法的实现。系统上电后，d s p 先进行系统初始化，然后进入待机状态，且 不停地检测焊枪开关状态，由于是初始态，d s p 程序一直在焊接参数初始化状态。 当焊枪开关按下后，d s p 进入焊接状态，d s p 开始执行调用相应的程序，实现 控制算法。 4 6 图4 2 子程序流程图 函东大学硕士学位论文 4 3 写l 弧和收弧控制 焊机的引弧和收弧性能赢接影响焊缝的成彤。脉冲m i g 焊一般采用接触引 弧法，就是焊丝与工件接触，接触电阻产生的热蠡，使焊丝端部熔化，产生电弧。 受了蕤麓零；孤残囊率，采耀援送丝雩| 繇，这谨搿使褥浮丝与母毒砉魏羧矮煮龟篷麸 开始接触母材对的报大慢慢的下降，则焊丝与姆材的接碰点处瞽秘的电阻热将会 比较犬，更有可能在焊丝端部引燃电弧。此外，送丝速度应约为颥设值的1 3 。 鼹垂3 弓l 弧程序流稷蚕 在辫接结束投弧对采瓣一定豹霞烧龟莲与颡烧露阕摇配合，癸袋弼合适静麓 球处理措施达到去除焊丝端部小球的目的。要根据焊接电流的大小米选择相应的 回烧电聪和回烧时间，即在焊接结束收弧之前检测焊接电流的大小，然后由d s p 软件控制程序进行响应的遮簿，得到与此电流相对应的回烧电压和圆烧时阍，这 样霹戳投蘩不霹戆簿搂条终缮裂不霹翡瑟烧毫纛，程霞浇霹闽，麸蠢这残黍毪伍控 割的目的。当焊接进入收尾阶段时，先降低电源魄压和送丝速度以缩小凹坑尺寸， 停止送熊鼹延迟一段时问以防止粘丝，停丝后电睡进一步衰减同时送丝系统利用 惯性自然衰减以便最大限度地减少焊丝端头的线留金属。引弧、收弧控制程序流 4 7 - 山东大学硕士学位论文 二二= = 二：_ ：_ 二二二= 二二二二= = 二二二二= _ 二h 二二：= = = ：= = ：= ：= ：= ：= = = = ：= ：= 程图如图4 _ 3 、4 4 所示。 ( 收弧掩制予稷序二 i 采摊群接r 乜流 | 计算网筹盅匿f n l 烧 图缸4 收弧程序流程图 4 4 p i 控制算法 模拟p i 控制算法的算式为： p ) zk p e ( t ) + 昙j ：e ( f ) d r 】( 4 一- ) 式4 - 1 中，u ( t ) 为控制器输出的控制量，e ( t ) 为控制器给定信号与反馈信号的 偏差，k 。为p i 控制器的比例系数，l 为积分时间常数。 式4 - i 表示的是调节器的输入函数和输出函数均为模拟量。为了便于数字控 制，也就是单片机或数字信号处理器对它进行计算，需要把连续形式的微分方程 转化成离散形式的差分方程。 4 8 山东大学硕士学位论文 取t 为采样蒯期，k 为采样序列号，k = 0 ，1 ，2 ，”j ，。因为采样周期t 相对于信号变化周期是很小的，所以可以用矩形法来计算数值积分，即 p o m 。磊8 矿( 4 - 2 ) 这样式4 i 可以写成： “忙，$ k ，卜忙，+ 嘉妻e c ，】 ( 4 一s ， 由式4 3 可得： 啦。咆r i 哪而t 磊k - i 哪) 】 用4 - 3 式减去4 - 4 得： “ ) i “ 一1 ) + 足，卜 ) 一e 一1 ) + 莠e ) 】 ( 4 - 5 ) 为了方便微控制器进行计算，对式4 - 5 进行变换，得到： “( 七) “( 七一1 ) + 巧( 1 + 嘉弦( 七) 一印e 似一1 ) ( 4 6 ) 可将式禾6 变换为 “ ) 一“( 七一1 ) + a 。e ) - a 2 e 他一1 ) ( 4 - 7 ) 式4 - 7 中：爿。t k ，( 1 + 吾) ，a 2m 巧；u ( k ) 为采样时刻k 时的输出值；e ( k ) 为采 样时刻k 时的偏差值；k 。为比例系数；t j 为积分时间常数；t 为采样周期； 根据脉冲m i g 焊的参数要求，设计了两个结构想同，系数不同的p i 调节器， 在峰值电流和基值电流控制期间采用不同的比例、积分系数，即采用不同的a 。、 a ，的值，设计的p i 程序流程图如图4 5 所示。 4 9 山东大学硕士学位论文 q p 设镑并参数k p 。t i ，t ， i p 算 i ，a 2 + l取。( k 1 ) ，a 2 i 图4 5 离散p i 计算流程图 4 5 电弧控制部分设计 具体设计思路如下：在每个脉冲周期以峰值为起点每隔一定的时间问隔采样 并计算平均电压，并将即时得到的平均电压值与给定电压值相比较，从而决定当 前脉冲周期何时结束。即通过实时计算的平均电压与给定电压相比较来控制基值 时间t h 的长短，从而调整熔化速度，维持当前脉冲周期平均电压与给定电压相 等，从而在导电嘴高度等发生变化后的一段时间内弧长得到恢复。 在设计中由于峰值期间的平均电压正常时是不可能低于给定平均电压的，因 此峰值期间只需计算平均电压，无需与给定电压相比较。进入基值期间后平均电 压值随着基值时| 、日j 的延长会相应减小，因此只有在基值期问电压比较才有意义。 因此，在基值期间和峰值期间本文设计了不同的电压计算公式。 s 0 由寒大学硕士学位论文 ( i ) 峰值弧压计算 ， 峰值t d 期间平均电压： 乏萎d m ( u f d a t a , ) ( 4 - 8 ) 式4 - 8 中，d m ( u f d a t a ；) 为蜂值期间第i 次采样得到的电聪德，互为电压 采样时间间隔。 ( 2 ) 纂假期间平均电弧电愿计算 鏊蓬毫滚控铡蘩藏，耀徉设诗每疆一定夔辩瓣瓣疆鼍采嚣势诗雾一次乎鹭电 压值，然后与给定平均电朦值相比较，从而决定何时由基值电流掇制程序转为峰 值电流掇制程序。 每次从峰值控制程序进入基值控制程序之前，初始化基值期间弧压采样次数 d m ( n ) 。在基蘧控辜程黟羧孬麓霹每疆辩蠢瓣疆鼍霹d m ( 珏) 送符一次燕1 诗算， 为弧联计算做准备，即： d m ( n 。) d m o 。) + 1 ( 4 - 9 ) 由于基值期间每次采样得到的电压不慝，弼恳是即时计算与比较，本文采甩 了魏求敬平缘邀压熬公蕊4 - 1 0 ： 删一d m ( u f d a t a ) + 逝型型警篇铬坚坠趔 ( 4 - 1 0 ) 式4 - 1 0 孛，d m ( v a 。) 秘d m ( v a 。分裂为蕤篷鬟阕第n 次帮狂一1 次采襻、 计算褥剿的平均弧压值；d m ( u f d a t a 。) 为电臊反馈值；d m ( n 。) 为基值期间弧 压采榉次数；五为采样、计算相邻两次平均弧愿的时间间隔：l 为峰值时间； d m ( v a 。) 为峰值电流控制期阗平均龟压篮。 4 6 软件抗干扰措撬 干扰作用于输入通道时，它使模拟信号失真，数字信号出错。微机系统根据 这种输入信息做出的反应必然是错误的。另外，如果干扰作用到微机系统的内核， 5 1 出东大学硕士学挝论文 将弓l 发一系鳓螽采。数据线上的数字信号如栗错蘸，运算操作数失真，络果会密 错，并将错谈传递扩大。地址线 的地址信息错误会引起程序计数器出错，使程 序运行偏离磁轨导致程序失控。程系统设计中除了采取硬件抗干扰措施外，针对 软终受干扰豹特点，零i 用软 譬设计技巧，采取软传抗予抗措施 乍为第二邋防线是 必不瑶少懿，羧藏采取了螽下静款彳孛抗手莸疆麓。 1 指令冗余 当c p u 受到干扰后，程序脱离正常轨道运行，当瑕序飞到某一条单字节指令 上时，便自动纳入正轨。当弹飞到蔡条多字节指令上，叉恰恰在取指令时刻落到 英操终数上，获嚣怒豢终数当箨攒令玛寒攘霞，萼冬辱 越毽事混乱。 为了使弹飞的程序在程序区迅速纳入正辘，应该多用荦字节指令，并程关键 的地方人为地插入一些单字节擀令n o p ，或将有效单字节指令重写，因为在多字 节指令之后插入两条n o p 指令，