（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp逆变直流焊机控制系统的研究.pdf

青岛大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ew e l d i n ga r ci sak i n do fc o m p l e xl o a da n dt h ee l e c t r i cs p e c i f i c a t i o no fw e l d i n g s o u r c em u s ta d a p ti t sc h a r a c t e r i s t i c i no r d e lt om e e tt h en e wc r a f to fa r cw e l d i n g ，w e m u s tr e s e a r c han e ww e l d i n gp o w e rs o u l c et oc o r r e s p o n da r ce l e c t r i c a ls p e c i f i c a t i o n w e l d i n gi n v e r t e rt h a tw o r k sa tt h ef r e q u e n c yb e t w e e n2 0kt o 10 0k h zh a sam u c hl e s s v o l u m ea n dw e i g h t ，a n di ti st h eb a s eo f p r e c i s ec o n t r o lo f w e l d i n gi n v e r t e r b e c a u s ea n a l o gc i r c u i ti s w i d e l ya d o p t e d i nw e l d i n gi n v e r t e rc o n t r o l ，t h ec o n t r o l p r e c i s i o ni no u t p u ta m p l i t u d ev a l u ei sl i t t l e e n h a n c e d t h er e s e a r c hp r e s e n t e dh e r ei s c o n c e n t r a t i n go nd i g i t a lc o n t r o lo fw e l d i n gi n v e r t e r , a i m i n ga te n h a n c i n gc o n t r o lp r e c i s i o n a n df l e x i b i l i t y s t a r t i n gf r o ma n a l y z i n gt h er e q u i r e m e n t so fe l e c t r i ca r cf o re l e c t r i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fa r cw e l d i n gp o w e rs o u r c e ，t h ep a p e rp u t sf o r w a r dt h et o t a l i t yp l a na n d t h ed e s i g n i n gp r i n c i p l e so ft h ec o n t r o ls y s t e m i nt h i ss y s t e m ，t h ec o r ec o n t r o lc h i pi s t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，p r o d u c e db yt ic o m p a n y i t sf o r m i d a b l ed a t e h a n d l i n gc a p a c i t y , t h e h i g hs p e e d ( 4 0 m h z ) ，t h eh i g hp r e c i s i o n ( i6 b i t s ) ，a n da d d i n g t h e s t r o n g c o n t r o l c h a r a c t e r i s t i co f s c m ，w h i c hh a v ep r o v i d et h ea b i l i t yt or e a l i z et h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e m o fw e l d i n gi n v e r t e rp o w e rs o a r c e i nt h i sp a p e r , s o m cp r i m a r yp a r t so fw e l d i n gi n v e r t e r p o w e rs o u r c ea r ed e s i g n e d w ee s t a b l i s h e dam a t l a bm o d e lf o rw e l d i n gi n v e r t e r w i t ht h i s m a t l a bm o d e lw es i m u l a t et h e w o r k i n gp r o c e s s e so fw e l d i n g i n v e r t e ra n d d i g i t a l c o n t r o l l e r p r e d i c t e d t h ec o n t r o l p r e c i s i o n a n de f f e c t w e l d i n g i n v e r t e re x t e r n a l c h a r a c t e r i s t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca r ea l s os i m u l a t e da n da n a l y z e di nt h i s d i s s e r t a t i o n i nt h ec o n t r o la r i t h m e t i c ，t h ed i g i t a lp i da l g o r i t h mi s a d o p t e d t h e s i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e da b o u tp i da l g o r i t h m c r e d i b l ea n da p p l i e dp a r a m e t e r sa r e p r o v i d e d k e y w o r d s ：w e l d i n gi n v e r t e r , d s p , m a t l a bs i m u l a t i o n ，p i da l g o r i t h m 第一。章绪论 第一章绪论 1 。1 选题的目的和意义 弧焊逆变电源( 亦称弧焊逆变器) 是一种高效、节能、轻便的新型弧焊电源。 在弧焊逆变电源中，其控制部分对整机性能优劣和可靠性的关系甚大。目前， 采用i g b t 作为主电路的开关器件，以8 位和1 6 位单片机作为控制核心进行焊 接程序控制和焊接参数运算处理，提高了弧焊逆变电源的操作性。但是单片机 数据处理能力弱、运算速度较慢、布线麻烦等缺点制约了对弧焊电源的实时控 制。近几年来，随着数字信号处理器( d s p ) 的广泛普及和应用d s p 的普遍应用， 其价钱也在不断的下降，d s p 芯片所突现出来的高性价比、数据处理能力强、 高运算速度、能实时完成复杂的计算、大规模集成的优点，弥补了单片机控制 所具有的缺陷，为弧焊逆变电源控制系统的全数字化提供了必要的硬件和软件 基础口j 。就目前的技术现状，将d s p 和单片机结台起来设计控制系统是一种很 好的方法，可以充分发挥单片机控制能力强的特点和d s p 强大数据处理能力和 高运行速度的优势。从而提高弧焊逆变电源控制系统的精度和实时性，满足弧 焊逆变电源更高的性能要求”j 。由于电焊机的复杂性、实时性、强二f 扰性以及数 字信号处理技术还没有很好的为焊接工作者掌握，两者的有机结合尚需时日 4 j 。 在焊接领域进行数字信号处理理论的研究，探讨数字化控制的规律、算法、发 展、完善全数字化弧焊逆变电源，是数字化控制技术在焊接领域扩大应用的关 键。因此，进行弧焊逆变电源数字化控制的研究将具有非常重要的意义。 1 2 国内外研究动态 随着大规模集成电路技术的发展，尤其是现代计算机技术和数字信号处理 技术的发展，单片机、p l c 等数字化芯片被大量的使用，以完成焊接设备管理、 波形给定、闭环控制、通讯等功能 5 1 。伴随着新型的功能强大的数字信号处理器 d s p 的出现，数字化焊接电源实现了柔性化控制和多功能集成，具有控制精度 高、系统稳定性好、产品一致性好、功能升级方便等优点。同时数字化焊接电 源接口兼容性好，可以方便地与外部设备建立数据交换通道如机器人焊接系统 的建立，焊接生产的网络化管理与监控等等。目前适用于弧焊逆变电源控制的 d s p 主要有1 1 公司的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列、a d i 公司的a d s p 2 l o o 系列、 m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 f 8 0 0 系列。在国外已有数字化焊接电源产品，最具 有代表性的如奥地利f r o n i u s 公司生产的t r a n s p l u ss y n e r g i c 系列 t p s 2 7 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 全数字化焊接电源。它的心脏部分是一个数字信号处理器 青岛大学硕士学位论文 ( d s p ) ，由它集巾处理所有焊接数据，检测和控制整个焊接过程，焊机具有引 弧、精确控制电弧、专家系统、一机多功能、焊接数据接口和评价系统等功能。 焊机的操作界面友好，一台数字化焊机上实现了脉冲m i g 、直流m i g 、手弧焊、 t i g 焊等多种工艺方法的不同材质、不同焊丝直径的焊接功能，多功能性可见 一斑。同时，参数的给定旋纽只有1 个，这样极大的方便了操作者。又如，德 国e w m 公司生产的i n t e g r a l 系列数字化焊接电源，数字处理系统处理所有 焊接数据，控制整个焊接过程，同样具有专家系统、一机多用、计算机或网络 通讯、模块化设计、焊接数据的存储和分析系统等功能【6 j 。p a n a s o n i c 公司在2 0 0 0 年1 】月的上海的埃森展上展示了t i gs t a r 一3 0 0b m l 和t 1 g s t a r 一3 0 0 b z l 全数 字化焊机，作为理念机，t i gs t a r 一3 0 0b m i 和t g s t a r - - 3 0 0 b z i 在上海埃森展 会上向人们展示了全数字化焊机强大的网络管理功能。 在国内，数字化焊接电源尚处于研究阶段，一些高校和科研机构已在这方 面开展了工作并取得了较好的成果，主要集中在北京工业大学、上海交通大学、 哈尔滨工业大学、华南理工大学、兰州理工大学等几所院校。但目前国内数字 化焊接设备的研究基本处于实验室研究成果或中试阶段，成功用于焊接生产示 例的较少。不得不承认在国内的焊接生产重要领域，仍大量采用国外数字化产 品。我们的数字化控制产品在技术成熟度、稳定性、功能、可靠性方面以及在 多电弧高速焊中的协调控制方面尚需要进一步完善。在以数字化控制模式、特 性进行建模、仿真，对相应的关键技术与开发应用，包括数字化控制的技术方 案( 单纯的d s p 、d s p m c u 双机、a r m 嵌入式) 比较分析综合应用方面进行 更加深入研究。 在控制算法上，p j d 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、 鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于过程控制和运动控制中，尤其是用于可建 立精确数学模型的确定性控制系统。然而实际工业生产过程往往具有非线性、 时变不确定性，难以建立精确的数学模型，应用常规p i d 控制器不能达到理想 的控制效果。计算机技术和智能控制理论的发展为复杂动态不确定系统的控制 提供了新的途径。采用智能控制技术，可设计智能p 1 d 和进行p i d 的智能整定 ”1 。在弧焊电源的控制系统中，应用有专家p i d 控制、模糊智能p i d 控制。 由于p i d 控制是最早发展起来，其算法简单、可靠性高，被广泛应用于工 业过程控制中。在弧焊电源领域也运用较广泛，并取得了很好的效果。甘肃工 业大学的李鹤歧碍j 等使用传统的h d 控制方法对晶闸管焊接电源进行微机控制， 结果表明电源的可靠性、灵活性和焊接工艺有了很大的提高。清华大学的王克 争p 垮研制的微机控制多功能大功率整流焊机通过闭环反馈和p i d 算法实现了 第一章绪论 焊机的双阶梯形外特性，控制系统稳定可靠、抗干扰能力强。 焊接专家系统( e s ) 的研究开始于8 0 年代中期，最早见于报道的是美国科 罗拉多矿业学院( c s m ) 与美国焊接研究所( a w i ) 联合开发的焊接材料选择 系统。我国最早见于报道的是南昌航空工业学院的焊接方法选择专家系统，与 国外几乎同时进行了专家系统的研究工作。在弧焊过程控制中，专家系统主要 用于熔深和熔宽控制、焊缝跟踪和规范参数的专家知识优化等方面。焊接过程 实时控制专家系统是焊接专家系统发展的一个重要方向，但目前大多数还处于 研究阶段。在国外，r er e e v e s 等人研制的船厂焊接专家控制系统( n e w c s ) 采用基于规则的专家系统，采用了把多目标简化为单目标的策略。w e l de x c e l 虽已将离线工艺设计与在线实时控制结合起来，但只是按已拟订的工艺对工艺 参数进行调整。e x p e r ts y s t e mf o rc o n t r o lo f w e l d i n gp a r a m e t e r s 还可给出最优焊 接参数，从而控制焊接设备，保挣叵定的熔深和焊道高度。从焊接e s 的开发手 段来看，国外以现成的专家开发工具s h e e l 作为开发手段居多，而国内大多采 用p o r l o g 为主的a l 语言从头自行开发的办法；从焊接e s 的性能上看，只覆 盖了人工智能三大分支中的两支，即知识表示和智能推理，还未从根本上突破 “知识获取”这一瓶颈，制约了专家系统的发展；在焊接e s 推广方面，各切自行 开发的e s 应用良好，通用型软件应用相对低效。专家系统能实现对时变和非线 性系统的控制，可克服焊接过程多参数目标难以协调的缺点，容易实现系统的 自动化，具有较大的经济效益，但目前还处于研究阶段。 国内外近年来对弧焊电源的模糊控制也作了研究工作。1 9 8 5 年，保加利亚 的l a k o v d e m e t e l i 1 就对模糊控制自适应弧焊机器人进行了研究。1 9 8 9 年，日本 的m u r a k a m is 等1 人研制了基于模糊控制的弧焊机器人焊缝跟踪控制系统，该 控制系统可以根据焊枪的振幅位置同焊丝与工件距离间的关系判别焊点的水平 和垂直位移，并确定弧焊机器人焊枪的调整方向以及调整量。1 9 9 0 年日本的 o s h i m ak e n j i 等【】2 】人采用模糊控制方法控制脉冲m i g 焊的熔宽，并建立了一套 弧焊机器人模糊专家系统。s b c he n 等将模糊、神经网络以及计算机视觉同时 应用于焊接过程的参数自适应中”。我国于7 0 年代末正式开始进行模糊控制在 焊接中应用的研究工作，并在模糊控制器和模糊系统理论，以及人工智能等多 种应用方面取得了很有价值的研究成果。1 9 8 9 年，赵孔新和尤文l 1 4 1 在晶体管逆 变弧焊电源的研究中采用了模糊控制器，作者以电流偏差和偏差变化率作为两 个输入量，根据人工操作经验和实验总结的模糊控制规则，通过离线计算，制 出了模糊控制决策表，并通过离线编程，由m c s 5 l 单片机系统实现了对晶体 管逆变弧焊电源的微机模糊控制，该模糊控制系统整机运行稳定、可靠，焊接 青岛大学硕士学位论文 飞溅小，焊缝成形好。天津大学”副采用自适应模糊控制方法对脉冲m i g i m a g 焊接的熔滴过渡进行实时控制，该系统由8 0 9 8 单片机实现i g i t l l 逆变器的全数 字控制和自适应模糊逻辑控制。甘肃工业大学李鹤岐等采用模糊逻辑设计埋弧 焊的送丝系统，在焊接电流3 0 0 1 0 0 0 a 内，焊接过程稳定，控制系统的鲁棒性 强。清华大学陈强系统地研究了弧焊过程的模糊控制。将焊工的操作经验总结 成模糊控制规则，实验研究表明m i g 焊的模糊控制方法对散热引起的熔宽变化 作出了很好的响应。黄石生等研究了一种应用于g t a w 焊接质量控制中，利用 神经网络进行模糊推理的控制器，仿真试验和工艺试验都表明了该控制方法的 合理性和有效性。华南理工大学将参数自调整模糊控制与p i 控制结合，成功地 用于g t a w 焊的熔宽控制f i 。华中理工大学设计的模糊控制器，用于c 0 2 焊波 形控制，在控制c 0 2 短路熔滴过度中获得较好的效果。天津大学采用f u z z y p 控制理论用于非接触超声波传感器跟踪系统，能满足焊接工程应用的要求。 在产品方面，日本p a n o s o n i c 公司已推出第二代机器人用智能型i g b t 弧焊 逆变器a a l l 3 5 0 、5 0 0 【| 7 1 。其中3 5 0 a 实现恒定焊缝宽度控制，5 0 0 a 实现恒定 熔深控制。a a l 【能自动识别焊接电流改变时，焊丝伸氏的变化量，利用模糊逻 辑，建立焊缝宽度或熔深与合适的供丝速度和输出电压之间的关系，从而稳定 焊接质量。为了提高模糊控制的响应速度，采用了16 位的单片机。通过工艺实 验，对c 0 2 焊短路过渡过程优化组合出4 0 0 万种电流波形，作为模糊知识库， 保证输出最佳焊接规范，实现高速、高质量的焊接。时代公司最新开发的 p n e 21 4 0 0 p 全数字脉冲氩弧焊机应用了d s p 、模糊控制、波形控制及自适应控 制等多种先进技术，具有脉冲氩弧、直流氩弧、氩弧点焊及手工焊四种焊接方 式。可广泛应用于除铝、镁及其合金以外各类金属的非熔化极氩弧焊，及各类 酸、碱性焊条的手工焊【l 。 总之，理论上已经证明模糊控制可以任意精度逼近任何非线性函数，但受 到当前技术水平的限制，模糊变量的分档和模糊规则数都受到一定的限制，隶 属函数的确定还未有统一的理论指导，带有一定的人为因素，凶此，模糊控制 的精度还有待提高。模糊逻辑与神经网络和专家系统出现融合的趋势，展示了 模糊逻辑、神经网络和专家系统相辅相成优势互补的强大生命力。模糊逻辑和 专家系统结合，可充分利用专家系统知识推理机制和知识抽取能力，模糊控制 技术将有很大的发展潜力。 展望未来焊机的发展，全数字化焊机势在必行。理解和掌握数字化焊接技 术原理、性能特点，充分发挥其优势，通过产、学、研相结合的方式进一步加 强应用性的实验研究，更加注重数字化对焊接工艺的提高、对焊接设备整体性 4 第一章绪论 能的改善等方面，实现自动化焊接生产。 1 3 主要研究内容和解决的问题 根据目前国内外数字焊机的发展趋势，本课题主要对手工弧焊数字控制系 统进行研究。其数字化控制核心器件采用t i 公司的t m s 3 2 0 1 f 2 4 0 7j 占片，本课 题主要研究内容为：主电路采用i g b t 半桥逆变电源，基于d s p 对控制系统进 行研究开发，并采用m a t l a b 的s i m u l i n k 对主电路与控制电路进行仿真调试。 青岛大学硕士学位论文 第二章d s p 控制的逆变弧焊电源原理 弧焊逆变电源系统主要包括两方面的内容：主电路和控制电路。主电路我 们采用1 g b t 逆变电源，可以使焊接电源效率达到9 0 以上，降低功率损耗， 由于提高了开关频率，焊机可以获得很好的动态响应。控制电路是以t l 公司的 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片为核心，利用其强大的数据处理能力和大规模的集成，使 弧焊电源更加安全、快速，并具有很强的抗干扰能力。如图2 1 所示为基于d s p 的弧焊电源系统框图。 图2 1 基于d s p 的弧焊电源系统框图 2 ，1 逆变弧焊电源主电路原理 医习斗 ij 图2 2 逆变电源原理框图 如图2 2 所示电网交流电压输入经整流滤波直接整流成为直流高压，再经过 组成逆变电路的大功率开关电子元件的交替开关作用，变成中高频交流电压， 后经过高频变压器降压变为适合于焊接的几十v 交流电压，又经高频整流滤波 电路，把低压高频交流变为低压大电流的直流电输出，这就是逆变弧焊电源电 的工作原理。 逆变电源具有很多优点，也是现今的发展趋势： 6 第二章d s p 控制的逆变弧焊电源原理 1 体积小，重量轻 功率变压器的体积和重量决定了弧焊电源的体积和重量。对于所有的变压 器，有如下关系式成立： u ，= 44 4 归州l 2 - ( 1 ) 式中u 。一变压器原边电压：世一常数；，一变压器工作频率；b 一工作磁 通密度；s 一铁心( 或磁芯) 有效工作截面积：一变压器原边匝数。 s n ，代表着变压器的体积，若提高工作频率，则可以减小变压器的体积；同 样的道理，输出滤波电抗器的体积也会下降。如：在相同输出功率下，2 0 k h z 的功率变压器的体积和重量仅为5 0 h z 功率变压器的1 1 0 左右。 2 高效节能 由于高频逆变电源中的高频变压器和输出滤波电抗器的体积减小，铜、铁 用量很少，因而在上面的电能损耗也显著降低。另外，由于此种电源可有效的 控制能量传输，因而功率因数可提高到o 9 8 以上，效率可达8 0 以上。 3 动态特性好，控制速度提高 该特征是逆变电源最重要的特点。普通晶闸管电源的控制周期为3 3 m s ，而 逆变式弧焊电源的动态响应时间达到百微秒级，和电弧焊接诸物理过程的时间 常数相当，故能更精密的控制电弧焊中各种物理现象。焊接的动态控制成为可 能。 4 控制能力强 控制能力是与控制速度、控制手段密切相关的，它直接反映了电源适应焊 接条件和焊接要求的能力。另一方面，电源控制能力的增强主要依靠于器件速 度的提高、微机的应用及现代化控制力等方法的应用。 本研制中，输入为单相交流电2 2 0 v ，输出功率为2 4 0 0 w ，逆变器开关频率 为2 0 k h z ，空载电压为5 0 v ，输出工作电流为1 0 0 a ，可以看出此为中小功率弧 焊电源，故采用半桥逆变拓扑结构即可，其重要的优点就是抗不平衡能力强， 能够有效的抑制变压器的偏磁现象，其两臂选择两个i g b t 构成。其设计规划如 图2 3 所示： 青岛大学硕士学位沦文 整流均压 l 半桥逆变 变压整流 芒丙n i 叫一 li ， 图2 3 弧焊逆变电源主电路原理图 这四个部分有各自的功能，它们之间互相配合，协调地工作，最终完成能量的 传输和波形转换。输入2 2 0 v 交流电的整流及滤波部分的主要功能是将电网输入的 交流电转换成平直的直流。即经过整流桥后交流电变成脉动的直流，脉动的直流经 过电感和电容滤波后，就成了较为平直的直流。该直流输入半桥逆变器将变成 2 0 k h z 的高频交流，并被传送给高频变压器将电压降下来，符合焊接所需的空载电 压；整流器的功能是将高频的低压交流变成直流或脉动的直流，这取决于半桥逆变 时开关管导通的占空比，如果占空比d 保持不变，那么将输出直流；如果占空比d 有变化且在时间t 1 阶段占空比为d 1 ，在t 2 阶段占空比为d 2 ，那么此时将输出脉 动直流。 22 逆变弧焊电源控制系统原理 控制电路是弧焊电源的核心，起着非常重要的作用，也是本文研究的重点。采 用d s p 作为主要的控制芯片，我们希望利用其运算速度快和大规模集成的优点对复 杂的弧焊电源进行准确的控制。从设计的角度来看，只有在深入了解电弧的电特性 和对弧焊电源的要求，才能设计出性能优越的控制系统。所以在控制弧焊电源前， 我们得了解电弧对弧焊电源的要求。 2 2 1 电弧对弧焊电源的要求 由于弧焊电源的负载是电弧，它的电气性能就要适应电弧负载的特性，因此， 需要考虑电弧对弧焊电源电气性能的要求。由于所设计的弧焊电源为手工电弧焊电 源，所以主要考虑电弧对手工电弧焊电气性能的要求。 1 对弧焊电源外特性曲线的要求 电源的外特性形状除了影响“电源一电弧”系统的稳定性之外，还关联着焊接规 范的稳定。在外界干扰使弧长变化的情况下，将引起系统工作点移动和焊接规范出 第二章d s p 控制的逆变弧焊电源原理 现静态偏差。因此一定形状的电弧静特性须选择适当形状的电源外特性与之相配合， 才能既满足系统稳定条件，又能保证焊接规范稳定。此外，电源外特性形状还关系 到电源的引弧性能、熔滴过渡和使用安全性等。这些都是设计控制系统的依据。对 弧焊电源外特性工作区段的要求 在手工弧焊中，一般是工作在电弧静特性的水平段上，弧焊电源采用下降外特 性便可满足系统稳定性的要求。由于工作形状不规则，或手工操作技能的影响，是 电弧长度发生变化时，会引起焊接电流产生偏差。焊接电流静态偏差小，则焊接规 范稳定，电弧弹性好。所以，设计控制系统时，本文采用叵流带外拖特性。如图2 4 所示，它既可体现恒流特性是焊接规范稳定的特点，又通过外拖增大短路电流，提 高了引弧性能和电弧熔透能力，而且可以根据焊条类型、板厚和工件位置的不同来 调节外拖拐点和外拖部分斜率，以使熔滴过渡具有合适的推力，从而得到稳定的焊 接过程和良好的焊缝形成”。 图2 4 恒流带外拖特性示意图 2 ) 对弧焊电源空载电压的要求 电源空载电压的确定应遵循以下几项原则：保证引弧容易；保证电弧的稳 定燃烧；保证功率稳定；要有良好的经济性；保证人身安全。 综上所述，在设计弧焊电源确定空载电压时，应在满足弧焊工艺需要，在确保 引弧容易和电弧稳定的前提下，尽可能采用较低的空载电压数值，以利于人身安全 和提高经济效益。对于直流弧焊电源空载电压一般在4 5 7 0 v 之间，本设计初步为 5 0 v 。 3 ) 对弧焊电源稳态短路电流的要求 在弧焊电源外特性上，当【，= 0 时对应的电流为稳态短路电流( i 。) 。当电弧 引燃和金属熔滴过渡到熔池时，经常发生短路。如果稳态电流过大，会使焊条过热， 药皮易脱落，使熔滴过渡中有大的积蓄能量而增加金属飞溅。但是，如果短路电流 不够大，会因电磁压缩推动力不足而使引弧和焊条熔滴过渡产生困难。对于下降特 9 青岛大学硕士学位论文 性的弧焊电源一般要求稳态短路电流，。：，对焊接电流，的比值范同为：1 2 5 ( x ，u d 2 ， 显然，这个比值取决于弧焊电源外特性部分至稳态短路点之间的曲线形状( 或斜率) 由上可知，对于手工电弧焊，为了使规范稳定希望弧焊电源外特性的下降陡度 大，与此同时，为了确保引弧和熔滴过渡是具有足够大的推动力，有希望稳态短路 电流适当大些，既满足上式的要求。这就要求弧焊电源外特性，在陡降到一定电压 值( 1 0 v 左右) 之后转入外拖段，形成恒流带外拖的外特性。从外拖点( 拐点) 到 稳态短路点的区段成为短路区段。 2 对弧焊电源调节性能的要求 与电源有关的焊接参数是电弧工作电压u ，和工作电流，。为满足所需的( ，和 ，电源必须具有可以调节的性能。 由于电弧电压和电流是由电弧静特性和弧焊电源外特性曲线相交的一个稳定工 作点决定的，对应于一定的弧长，只有一个稳定工作点。因此为了获得一定范围所 需的焊接电流和电压，弧焊电源的外特性必须可以均匀调节，以便于电弧静特性曲 线在许多点相交，得到一系列的稳定工作点。 对于手工电弧焊，焊接不同厚度的工件时，电弧电压一般是保持不变的，只调 节焊接电流。但为使电弧稳定，在小电流焊接时，需要较高的u 。 可调参数工作电流，、工作电压u ，( 按国家标准，( 6 0 0 a 时， u ，= 2 0 + o 0 4 i s ) 、最大焊接电流j “，。、最小焊接电流n 、电流调节范围( 一般 要求：，“。至上，三o 2 1 。) 等等。 3 对弧焊电源动特性的要求 所谓弧焊电源的动特性是指电弧负载状态发生突然变化时，焊接电源输出电压 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，即u ，= 厂( ，) ， ，= f ( t ) 来表示，它说明弧焊电源对负载瞬变的适应能力。 只有当弧焊电源的动特性合适，才能获得良好的引弧、燃弧和熔滴过渡状态( 即 电弧稳定，飞溅小等) ，从而能得到满意的焊缝质量。这对采用短路过渡的熔化极电 弧焊来说是特别重要的。 手工弧焊采用短路引弧，焊接开始时，首先使焊条与工件短路。此时弧焊电源 端电压迅速下降至短路电压，电流迅速增大至最大值，然后又逐渐下降到稳定短路 电流。待焊条离开工件之后，电源电压迅速上升，电流迅速下降，形成了电弧放电， 这使引弧过程。在电弧稳定燃烧之后，焊条端部形成熔滴并逐渐增大，电弧电压逐 0 第二章d s p 控制的逆变弧焊电源原理 渐下降，电流逐渐上升，只是燃弧过程。当熔滴把焊条与熔池短路时，电弧瞬时熄 灭，电压下降，电流又增至短路电流，此时金属熔滴在重力和电磁压缩力的作用下， 进入熔池，这是短路过渡过程。待熔滴脱落之后，又进入电弧重新引燃阶段。从此 周而复始，电弧电压和电弧电流就出现周期性的变化。可以把整个循环过程概括成： “空载一短路一负载”的引弧过程和“负载一短路一负载”的熔滴过渡过程。 由此可见，电源在动载作用下，不断的由一种稳态过渡到另一种稳态。对于手 工电弧焊，由空载到短路的瞬时短路电流峰值，。影响开始焊接时的引弧过程，对它 的要求指标是，。，。之比来衡量。由负载到短路的，。，影响熔滴过渡的情况，常以 其稳态工作电流之比，。，来衡量。 2 2 2 控制系统组成原理 在处理速度方面，本系统的逆变频率是2 0 k h z 。所以要求处理器应该在2 5 9 s 之 内完成所有的控制，包括a i d 转换、占空比的计算、p w m 输出等，另外还有能力 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，再综合系统所需要 的资源，我们选用了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。下面简单 介绍一下德州仪器( t 1 ) 生产的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片特点”： 采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减少了控制器的功耗； 3 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短到3 3 n s ( 3 0 m h z ) ，从而提高了控制器的 实时控制能力。 基于f m s 3 2 0 c 2 x x d s p 的c p u 内核，保证了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s p 代码和t m s 3 2 0 系列d s p 代码兼容。 片内有高达3 2 k 字的f l a s h 程序存储器，高达1 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 ) 。 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；6 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 的对称 和非对称波形；当外部引脚p d p r ，出现低电平时快速关闭p w m 通道；可编程 的p w m 死区控制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。 可扩展的外部存储器总共1 9 2 k 字空间：6 4 k 字程序存储器空间；6 4 k 字数据存 储器空间；6 4 k 宇i o 寻址空间。 看门狗定时器模块( w d t ) 。 青岛大学硕士学位论文 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 通道输入的a d 转换器或一个1 6 通道输入的a d 转换器。 控制器局域网络( c a n ) 2 0 b 模块。 串行通信接口( s c i ) 模块。 1 6 位的串行外设( s p i ) 接口模块。 基于锁相环的时钟发生器。 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 ) 。 5 个外部中断( 两个电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断) 。 电源管理器包括3 种低功耗模式，能独立地将外设器件转入低功耗工作模式。 d s p 的结构特征特别有利于在控制系统中应用，主要表现为：改进的哈佛结构； 流水线操作；采用硬件乘法器；快速的指令周期；t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的时钟频率达 到4 0 m h z ，即指令周期为2 5 n s ，运算能力为4 0 m 1 p s ( 每秒百万条指令) 。芯片有一 套专门为数字信号处理而设计的指令系统。指令简化了数字信号处理过程，优化的 事件管理模块和外围电路：在d s p 芯片中集成了a d 转换、大容量存储器、定时 器、比较单元、捕获单元、p w m 波形发生器、数字i o 口、s p i 、s c i 、c a n ，其中 4 个通用定时器和1 2 个比较单元的结合能产生多达1 6 路的p w m 输出，足以满足 i g b t 主电路的驱动。此外，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 具有快速的中断处理能力、数据指针 的逆序寻址功能、硬件寻址控制以及多种节电模式等特有的性能，这些特性将有利 于7 f m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 在弧焊逆变电源控制中的应用。 。 多功能集成和一定的网络管理功能和控制程序在线升级功能是基于d s p 的弧焊 逆变电源的控制的最大特点。基于d s p 控制的弧焊逆变电源可以方便灵活的进行控 制策略的调整并且可以实现m 1 g m a g 、t i g 、手工焊等多种焊接工艺方法。由于这 些焊接方法在硬件上有一些差异，所以本文以手工焊为主进行研究。 本文控制思想为：以d s p 和单片机为核心，输出电流和电压经过采样、滤波， 由d s p 读取反馈值进行模数转换。电流、电压的给定值由控制面板输入，经单片机 传送给d s p 。d s p 根据电流、电压的给定与反馈相比较进行p l 运算，经d s p 的运 算输出合适占空比的p w m 脉冲经过i g b t 驱动模块，实现控制目的。由于d s p 主 要实现软件的控制，将在第四章解释。在实际的d s p 系统设计中其外围接口电路有： 采样电路调理电路、p w m 输出隔离驱动电路、给定与显示电路。由于本课题是对基 于d s p 的 g b t 逆变焊机的首次研究，所以在功能设定上较为简单，重点功能实现 在i g b t 逆变焊机的软件控制上作了初步研究，现将外围电路设计思想作如下简单 分析。 第二章d s p 控制的逆变弧焊电源原理 1 采样调理电路的设计原理 作用：表现现场焊接状态的电压、电流信号经采样反馈电路后输出模拟电压信 号，由于反馈信号中含有大量的谐波分量，会严重影响数字信号处理器的正常工作， 因此采用了电压跟随、滤波、隔离电路。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s p 芯片带内置采样保持( s h ) 的l o 位模数转换模块a d c ， 多达1 6 个的模拟输入通道( a d c i n 0 a d c i n l5 ) ，1 0 位a d 转换器的最小转换时 间为5 0 0 n s ，根据香农采样定理，这个模数转换器的转换速度能够满足系统的控制 要求。所以对模拟信号的检测是非常方便的。采样电路包括对焊接电流。电弧电 压u ，的信号提取。本设计采用l e m 公司的电流、电压传感器。d s p 的a d 模块最 大输入电压为3 3 v ，必须对传感器输出的信号进行处理。霍尔电流传感器输出的微 小电流信号首先经过i ，v 转换成电压信号，然后经过r c 阻容低通滤波电路，减轻 噪音的影响，后经运算放大器放大缓冲后送入d s p 的a d 端口进行转换，为了防止 瞬间出现的高压超过3 3 v ，所以在输入端口前加上嵌位二极管来限幅。霍尔电压传 感器输出的微小电流信号经过i v 转换成所需要的电压信号后，经滤波直接送入d s p 的a d 端口进行转换即可”3 。其转换原理图如图2 5 和图2 6 所示。 = 图2 5 电流反馈调理电路 罩 图2 6 电压反馈调理电路 2 给定与显示电路设计原理 作用：实现焊接参数设置、显示与保存。其中包括焊接规范设定时的显示和焊 接过程中的焊接参数的实旋现实。 青岛大学硕士学位论文 本设计中选用智能型键盘显示控制芯片h d 7 2 7 9 a 设计成一种适用于仪器仪表 的键盘显示电路，图27 所示为h d 7 2 7 9 a 芯片引脚图。h d 7 2 7 9 a 是一片具有串行 接1 3 的，可同时驱动8 位共阴式数码管的智能显示驱动：占片，该芯片同时还可连接 多达6 4 键的键盘矩阵，单片即可完成l e d 显示、键盘接口的全部功能。2 ”。 图2 71 t d 7 2 7 9 芯片引脚 h d 7 2 7 9 的特点： 串行接口，无需外围元件可直接驱动l e d 各位独立控制译码不译码及消隐和闪烁属性 ( 循环) 左移( 循环) 右移指令 具有段寻址指令，方便控制独立l e d 6 4 键键盘控制器，内含去抖动电路 有d i p 和s o i c 两种封装形式供选择 h d 7 2 7 9 的应用电路如图2 8 所示，读键盘、复位等操作均可由d s p 进行控制。 1 0 1 , 1 j l o p , f , 4 d s p 尬p f5 m v c c 舟c o i g o c l k 口p h d 7 2 7 9 as a d a t a s f k e v 图2 8i _ 7 2 7 9 应用电路图 3 p w m 输出隔离驱动电路 灶一一吣吣吣一峥强啦 呲毫三呲西洲m丽站”虻鸵 第二章d s p 控制的逆变弧焊电源原理 作用：d s p 产生p w m 脉冲幅值较低，在d s p 的工作电平3 3 v 左右，不足以 驱动l g b t ，同时由于不可预知的因素，d s p 产生的脉冲可能会产生高电平重叠的 部分，这样的脉冲会导致i g b t 自通发生过流现象，以至于系统不能正常上作，甚 至毁坏器件，同时采用驱动放大电路以保证可靠触发i g b t 。 目前国外多数生产i g b t 器件的厂家，为了解决驱动可靠性问题，都采用了混 合i c 驱动，如美国m o t o r o l a 公司的m p d 系列，日本东芝公司t f 系列，日本 富士公司的e x b 系列。本论文的研究工作中采用了日本富士公司的e x b 8 4 1 专用i c 驱动模块。e x b 8 4 1 是e x b 系列驱动器中高速、大容量器件之一，它集隔离、驱动 和保护于一体，性能优越，充分体现了“最优驱动和分散保护”两原则。模块仅需 单电源+ 2 0 v 供电，它通过内部+ 5v 稳压管为i g b t 提供了+ 1 5 v 和一一5 v 的电 平，既满足了i g b t 的驱动条件，又简化了电路，为整个系统设计提供了很大方便。 e x b 8 4 1 由以下几部分组成：信号隔离电路、过流检测电路、低速过流切断电路。i g b t 需要两个供电电压，一个是+ i s v 开栅电压，以获得一个低通态电压，另一个是一5 v 关栅电压，以防止关断状态时误动作。e x b 8 4 1 内装的栅极关断电源可从2 0 v 供电 电源获得开栅+ 1 5 v 和关栅电压一5 v 供i g b t 使用，从而简化了外部电路。输入隔离 电路由高速光电耦合器组成，可隔离交流2 5 0 0 v 的信号。过流监测及保护电路根据 i g b t 栅极驱动电平和集电极电压之间的关系，检测是否有过流现象，如果有过流， 保护电路将慢速关断i g b t ，以防止过快地关断时而引起因电路中电感产生的感应电 动势升高，使i g b t 集电极电压过高而损坏i g b t ”“。 由e x b 8 4 1 组成的1 g b t 栅极驱动电路如图2 9 所示。应注意的是，栅极驱动 回路接线的长度不宜过长，一般常用小于1 m 的双绞线或高频屏蔽线。为了提高抗 干扰能力，避免干扰信号导致逆变器上、下桥臂直通，驱动器中采用了互锁电路， 如图2 1 0 所示。当p w m 3 信号为高电平时，t 3 导通，逆变器下桥臂1 g b t 导通， 同时t 3 的导通把u 1 的输入端( 1 5 脚) 钳位在低电平( 约0 2 v ) ，从而确保上桥臂 1 g b t 可靠关断，反之p w m l 信号有效时，u 3 输入被钳定在低电平。 图2 9e x b 8 4 1 组成的i g b t 栅极驱动电路 青岛大学硕士学位论文 ：盛1 。邕 l ，、i一 m * ， 图2 1 0i g b t 栅极驱动互锁电路 4 保护电路：在电路的设计中，保护电路是非常重要的，其中包括过欠压保 护电路、i g b t 过流保护电路和过温保护电路等等，实时监测异常信号，一 旦出现异常状况，马上向d s p 发送终端请求，经判断后会有软件来封锁 p w m 脉冲的输出，复位后即可再次启动。在d s p 的硬件设计上还要注意 的是：为保证可靠性，中断输入脚需接上拉电阻( l o k ) ；适当选择锁相环 滤波器引n p c f 接阻容值；对所有的输入信号有明确的处理，对不用的引脚 根据要求接地或上拉电源；对d s p 、片外程序存储器和数据存储器，应加 0 1 p f 左右的去耦电容，并使其尽量靠近芯片电源引脚，以滤除电源噪声； 复位电路，应同时设计上电复位电路和手动复位电路，在运行中出现故障 时可方便地人工复位。对于复位电路，一方面应确保复位低电平时间足够 长，保证d s p 可靠复位，应一方面应保证稳定性良好，防止d s p 误复位。 第三章d s p 控制的逆变弧焊