（材料加工工程专业论文）基于DSP的COlt2gt气保焊STT波形控制的研究.pdf

基于d s p 的c 0 2 气保焊s t t 波形控制的研究 摘要 随着科学技术在焊接领域应用的不断深入，数字化技术和波形控制技术在 弧焊电源中的应用也越来越广泛。 本文以表面张力熔滴过渡( s t t ) 为基本指导思想，应用数字信号处理技 术，对c 0 2 气体保护焊短路过渡控制系统加以研究。根据c 0 2 焊短路过渡过程 的特点把其细分成七个阶段。在颈缩形成过程中，提高电流促使颈缩形成，而 在短路过渡后期降低电流，使液桥在低能量条件下爆破，完成较小飞溅的短路 过渡。在此过程中，通过数字信号处理器( t m s 3 2 0 f 2 8 0 1 6 ) 对焊接电流、电 弧电压实时采样，最后控制输出符合于短路过渡特点的电流波形。 控制系统芯片采用数字信号处理器t m s 3 2 0 f 2 8 0 1 6 ，主要用到其a d 转换 接口和事件管理器中p w m 输出等功能。软件技术采用了中断服务技术，程序 结构采用子程序编程思想，使其清晰明了，便于调试修改，提高系统的可移植 性。 本文设计了基于d s p 分析c 0 2 焊接过程的试验平台，通过该平台来探讨 d s p 的控制效果。本研究对波控c 0 2 弧焊电源的研究而言是一种新的有益的 尝试。 关键词：波形控制d s p表面熔滴短路过渡( s t t ) p w ma dc 0 2 弧焊 电源 i v a s t u d yo fs t t w a v e - - c o n t r o lc 0 2 w e l d i n g b a s e do nd s p a bs t r a c t w i t ht h ef u r t h e ra p p l i c a t i o no fa d v a n c e dt e c h n o l o g yi nt h ew e l d i n gf i e l d ，t h e d i g i t a lt e c h n o l o g ya n dw a v ec o n t r o l l e dt e c h n o l o g yh a v eb e e nw i d e l ya p p l i e di nt h e a r cw e l d i n gp o w e r i nt h i sp a p e r ，t h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ep o w e rs o u r c ef o rt h es h o r t - c i r c u i tc 0 2 g a ss h i e l d e da r cw e l d i n gi sr e s e a r c h e d ，b a s e do nt h et e c h n o l o g yo fs t t ( t h es u r f a c e t e n s i o nt r a n s f o r m a t i o n ) a n dd s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s ) a c c o r d i n g t ot h e c h a r a c t e ro fs h o r tc i r c u i tt r a n s f e ro fc 0 2w e l d i n g ，t h ep r o c e s si sf r a c t i o n a l i z e di n t o s e v e ns t a g e s i nt h ep r o c e s so fn e c k i n g ，r i s i n gt h ec u r r e n tm a k ei tc o m ei n t ob e i n g a n da tt h el a t e ro fs h o r t - c i r c u i t i n gt r a n s f e r ，t h ew e l d i n gc u r r e n ti sd e c l i n e d ，w h i c h m a k e st h eb r i d g ed e s t r o ya tt h el o we n e r g ya n df i n i s h e st h et r a n s f e rw i t hl e s ss p l a s h d u r i n gt h ep r o c e s s i n g ，t h er e a lt i m ec u r r e n ta n dv o l t a g ev a l u e si n f o r m a t i o na r e o b t a i n e dt h r o u g ht h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( t m s 32 0 f 2 8 016 ) ，t h e nt h ew a v eo f c u r r e n ti sp r o d u c e db yt h ec o n t r o lo fd s pa tt h eo u t p u te n dt h a ti ss u i t a b l ef o rt h e s h o r t c i r c u i t i n gt r a n s f e r t h ec o n t r o l s y s t e mh a sa d o p t e d t h e d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rc h i p ( t m s 32 0 f 28016 ) ，w h i c hm a i n l yu s ei nt h ea dc o n v e r s i o ni n t e r f a c ea n dp w m o u t p u tf u n c t i o no fe v e n tm a n a g e ra n do t h e rf u n c t i o n s t h es o f t w a r et e c h n o l o g y a d o p t si n t e r r u p t i n gs e r v i c et e c h n o l o g y ，t h ep r o g r a ms t r u c t u r eu s e st h es u b r o u t i n e p r o g r a ms t r u c t u r ep r o g r a m m i n gi d e a ，w h i c hm a k ei tc l e a r l ya n de a s i l yd e b u ga n d m o d i f ya n di m p r o v et h es y s t e ms t a b i l i t ya n dr e p l a n t a t i o n i nt h i sp a p e r ，t h ed s p - b a s e da n a l y s i so fc 0 2w e l d i n gp r o c e s st e s tp l a t f o r mi s d e s i g n e d ，a c c o r d i n gt oi t ，w ec a ne x p l o r et h ec o n t r o le f f e c to fd s p i ti sas o r to fn e w b e n e f i c i a l a t t e m p t f o rt h er e s e a r c ho fw a v e f o r mc o n t r o l l e d s t u d y o fc 0 2 a r c w e l d i n gp o w e r k e y w o r d s ：w a v ec o n t r o l ；d s p ；s u r f a c et e n s i o nt r a n s f o r m a t i o n ( s t t ) ；p w m ；a d ； c 0 2a r c w e l d i n gp o w e r v 插图清单 图1 1 模拟式控制逆变弧焊电源系统原理框图4 图1 2 单片机控制式逆变弧焊电源系统原理框图5 图1 3d s p 控制式逆变弧焊电源系统原理框图5 图2 - 1 电源整体结构9 图2 - 2 理想的电流电压波形1 0 图2 3 表面张力过渡控制电流电压波形1 1 图2 - 4 能量控制法电流电压波形1 3 图2 5 并联式控制法电流电压波形1 3 图2 - 6 全桥式i g b t 逆变电路1 4 图2 7 最小系统功能图1 5 图2 _ 8t m s 3 2 0 f 2 8 0 1 6 的功能框图1 6 图2 - 9t m s 3 2 0 f 2 8 0 1 6 d s p a d 转换模块功能框图1 7 图2 1 0t m s 3 2 0 f 2 8 0 1 6 d s pe p w m 功能框图1 8 图2 1 1e p w m x 子模块框图。1 9 图2 1 2 电压反馈控制的s i m u l i n k 模型2 1 图2 1 3k i = 0 时，改变k p 值得到的系统阶跃响应曲线2 1 图2 1 4k p = o 0 1 时，改变鼬值得到的系统阶跃响应曲线2 2 图2 1 5 电流反馈控制的s i m u l i n k 模型2 3 图2 1 6k i = 0 时，改变k d 值得到的系统阶跃响应曲线2 3 图2 1 7k i = o 时，k d = 0 0 0 0 0 1 时，改变k i 值得到的系统阶跃响应曲线2 4 图3 1c c s 开发周期3 0 图3 2a 佃转换流程图3 0 图3 3p i d 控制系统原理图3 2 图3 。4p i 运算流程图3 3 图3 5p w m 功能模块框图3 4 图3 6s t t 算法流程图。3 7 图3 7s t t 拟合曲线3 9 图4 1 弧焊电源控制系统的试验平台4 1 图4 2 焊接控制系统试验平台原理图4 2 图4 3 松下e a l 3 5 0 焊机实物图4 2 图4 4 电流电压传感器4 3 图4 5 采集的电压波形4 4 图4 6a d 转换结果寄存器的查看窗口4 4 图4 7 不同占空比时的波形图4 5 i i i 图4 8 设置死区后的输出波形图4 8 i v 表格清单 表3 1 时间参数3 8 表3 2 电流参数3 8 表3 3 短路与燃弧阶段占空比采集值。3 8 表4 15 组典型电弧电参数4 4 v 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及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金旦曼王些太堂 或 其他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谢意。 学位论文作者签字夕毵显夹，签字日期：神罗年伊月2 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金目曼王些太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅或借阅。本人授权 金星曼工业太堂可以将学位论文的全部或部分论文内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：耋诅囊 签字日期：斯7 年乒月2 。日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 卵押童 签字日期：歹呷年印月f 7 日 i i i 电话： 邮编： 致谢 经过前期的大量准备及近一个月时间的专心写作，攻读硕士研究生的学位 论文到今天接近尾声了，这也预示着为期两年的研究生生涯即将结束。 感谢我的导师胡小建教授，原谅我初来时的无知，在学术上给我耐心的指 导，引领我走入了科研领域，培养了我的科研兴趣，提高了我的科研能力，；在 做人上，给我积极地引导；在做事上，培养了我严谨的态度与执着的追求精神。 在您的身上，我看到了那份孜孜不倦地学术研究态度和为学科的发展建设而鞠 躬尽瘁的献身精神。感谢您在我学术及做人做事上积极的影响，我受益终身。 我庆幸有您这样的导师。 感谢秦琳老师在试验中对我耐心的指导。感谢焊接实验室的同学一一钱学 君、王丽婷、仝维维、b 士瑞、吴志国，感谢你们在实验遇到问题时伸出援手。 两年里，我们情同手足，在我需要的时候，给了我最温暖的问候与最无私的帮 助，衷心地祝福你们，前程美好! 最后，感谢我的家人，多年来对我学业的全力支持! 祝福家人健康快乐平 安! v i 作者：李旭光 2 0 0 9 年4 月 第一章绪论 1 1c 0 2 气体保护焊的特点及发展状况 1 1 1c 0 2 气体保护焊的原理 c 0 2 气体保护焊是利用c 0 2 作为保护气体的熔化极电弧焊方法。这种方法 以c 0 2 气体作为保护介质，使电弧及熔池与周围空气隔离，防止空气中的氧、 氮、氢等对熔滴和熔池金属的有害作用，从而获得优良的机械保护性能。生产 中一般是利用专用的焊枪，形成足够的c 0 2 气体保护层，采用送丝机构将焊丝 送入焊接区，依靠焊丝与焊件之间的电弧热进行焊接【l 】。 1 1 2c 0 2 气体保护焊的特点 ( 一) c 0 2 气体保护焊的优点 1 生产效率高 c 0 2 气体保护焊焊接过程中焊丝连续送进，节省更换焊条的时间；c 0 2 焊 接不用清渣，节省了清渣的工作量；焊接电流范围很宽，例如中1 2 m m 焊丝， 焊接电流可以覆盖8 0 至4 0 0 a ，小电流工作在短路过渡状态，工件变形小，大 电流工作在细颗粒过渡状态，电流密度大，产生较大的熔深，焊接中厚板有明 显的效率优势。 2 焊接质量好 c 0 2 气体保护焊是一种低氢型焊接方法，对油、锈的敏感性低，焊缝不易 产生气孔，提高了低合金钢焊接时抗冷裂纹的能力。工作在短路过渡状时，焊 接热输入低，焊接变形小。 3 焊接成本低 c 0 2 气体价格便宜，焊丝价格低廉。 4 焊接适应性强 c 0 2 气体保护焊的电弧是明弧，便于监视电弧和焊缝的形状，适合焊接任 何长度及复杂曲面的焊缝，能够实现各种位置焊接，如平焊，立焊，仰焊和全 位置焊接，易于实现机械化操作。薄板可焊厚度为l m m 左右，厚板可采用多层 多道焊接，不受结构条件的制约。 ( 二) c 0 2 气体保护焊的缺点 1 焊缝飞溅大，焊缝成形差。 2 对风速较敏感，焊接过程中需要防风处理。 3 焊接过程中弧光很强，有较强的紫外线辐射，注意防护1 7 l 。 1 1 3c 0 2 气体保护焊的发展状况 c 0 2 气体保护焊是2 0 世纪5 0 年代初期发展起来的一种焊接技术，其一经 开发，就应用于金属结构制造，并伴随着焊接结构设计、制造技术水平的不断 提高，逐渐成为金属结构焊接的主要方法。其高效、优质、自动化的技术特点， 具有良好应用条件，并且极大地推动了金属结构焊接技术和相关产业的发展， 在焊接技术发展史上书写了辉煌的一页。 目前在美国、日本、欧洲等发达国家及地区采用焊接金属结构件比例日趋 增大，其中c 0 2 气保焊消耗的焊接金属材料重量约占全部焊机材料总重量的 5 0 至7 5 。经过多年努力，我国c 0 2 气保焊技术在金属结构制造业中的推广 应用，取得了长足的进步，已经发展成为一种重要的焊接方法。目前c 0 2 电弧 焊在焊接设备、焊接材料、焊接工艺方面已发展到一个较高的水平，在造船、 机车制造、汽车制造、石油化工、工程机械、农业机械、冶金机械、钢结构建 筑等工业部门中c 0 2 气体保护焊已获得了广泛的应用【2 l 。 1 2 波形控制法的研究 c o z 气体保护焊存在飞溅大，焊缝成形差两大缺陷，为解决c 0 2 气体保护 焊这两大难题，国内外焊接工作者在深入研究认识c 0 2 气体保护焊熔滴过渡机 理的基础上，从焊接材料、焊接工艺规范、焊接设备等方面着手探索减少飞溅、 改善焊缝成形的方法。其中，从焊接设备和电源入手，通过电控方法对焊接电 弧和熔滴过渡行为加以控制，能够在保留短路过渡形式及保证使用纯c 0 2 气体 而成本低、使用简便的优点的前提下，有效地减少飞溅、改善焊缝成形【3 】。而 波形控制法属于众多电控方法的一类，它突破了过去焊接电源的外特性只限于 平或缓降的框框，能够根据c 0 2 焊熔滴过渡的特点将熔滴过渡分段细化，针对 各阶段的不同特点设置相应的电流和电压波形【4 j 。 波形控制法由于能够根据c 0 2 焊接过程的不同时刻对电参数的不同要求提 供合适的电流电压波形，可以有效地减少飞溅、改善焊缝成形，因此，波形控 制法受到各国焊接工作者的重视。随着电力电子技术的发展，弧焊逆变器的出 现，尤其是以绝缘双极型晶体管( i g b t ) 作为开关器件的弧焊逆变器的出现， 更加灵活、精确地实现所需电流电压波形提供了有利条件。计算机技术的发展， 现代控制理论的丰富，使得焊接电源的电控系统功能更加强大，实现波形控制 更加多样化。 c 0 2 焊波形控制方面的研究工作前苏联学者研究较多，前苏联自动焊 杂志19 8 8 年1 2 月刊中，沙拉耶夫的文章“c 0 2 短路焊熔滴过渡的控制”介绍 的各种电流电压波形足有几十种之多。日本学者在2 0 世纪8 0 年代借助先进的 电子技术对波形控制法进行了研究，其中三田常夫利用逆变弧焊电源，采用微 机控制焊接电流电压波形，使电流值和电压值在短路期间和燃弧期间按照设定 的曲线变化，采用了有关时间、电压、电流等1 4 个波形参数。据报道，该方法 取得了良好的工艺效果【4 j 。 我国在波形控制方面的研究也始于2 0 世纪8 0 年代。经过众多焊接工作者 2 的不懈努力，我国在波形控制方面的研究也取得了很大进展，也研究出不少较 具代表性的波形控制法，例如在短路期间叠加电流负脉冲，短路和燃弧分段控 制等，发表了大批有见解的论文，如人工神经网络用于c 0 2 短路过渡焊的研究 【5 6 】，c 0 2 焊波形控制法的模糊控制讨论【7 1 ，16 位单片机、d s p 用于实现波形控 锋j u 8 , 9 】，以及研究波形控制法用于c 0 2 高速焊，研究波形控制c 0 2 焊短路过渡 过程的计算机仿真及试验等【l 引。波形控制法的实现平台是逆变焊机。 1 3 逆变焊机的特点及发展现状 1 3 1 逆变焊机的特点 逆变式c 0 2 焊机是8 0 年代发展起来的一种新型焊机，由于它采用了高频 逆变技术，具有传统电弧焊机无法比拟的优点。逆变焊机的电路结构，一般是 采用整流一逆变一再整流的过程，即交流一直流一交流。由于逆变过程中工作 频率提高，因此控制过程的动态特性得到提高，焊机的体积小、重量轻。逆变 焊机的发展是随着功率开关器件、铁心材料、电路拓扑形式和控制技术而发展 的，主要有晶闸管逆变焊机、大功率晶体管逆交焊机、场效应晶体管逆变焊机、 双极型晶体管( i g b t ) 逆变焊机的几个发展阶段j 。 ( 一) 逆变焊机的优点 1 体积小、重量轻 由于逆变焊机的逆变频率较高，变压器重量降低，现在逆变焊机变压器铁 心材料主要采用铁氧体材料和微晶材料，小功率逆变焊机已作为工具进入家庭。 传统焊机中变压器的重量占了焊机重量的8 0 以上，逆变焊机中变压器重量是 焊机重量的1 5 1 1 0 。逆变焊机重量是同容量整流焊机的1 2 1 4 。 2 节能 逆变焊机的节能体现在两个方面：空载时节能和负载时节能。空载时逆变 焊机可以将主电路、风机等全部进入停止状态，空载功耗仅有几瓦，逆变焊机 负载时的效率要比晶闸管整流焊机的高。 3 可实现熔滴过渡的精细控制 由于逆变焊机的工作频率为2 0 k h z 以上，可以对熔滴过渡细分为多个阶段 进行控制。对c 0 2 气体保护焊来讲，可大幅度降低飞溅，对脉冲熔化极惰性 活性气体保护焊( m i g m a g ) ，可有效地控制射流过渡的稳定性，还可以将熔 滴过渡和送丝机构的运动结合起来，进行一步控制熔滴过渡过程。这些是传统 整流焊机无法做到的。 ( 二) 逆变焊机的缺点 1 电路较复杂 由于逆变焊机存在整流一逆变一再整流的过程，电路环节较多，控制较复 杂，相比现阶段的整流焊机，制造水平要求相对比较高。 3 2 对电网有谐波污染 逆变焊机的输入侧采用二极管整流、电解电容滤波，对电网的冲击电流较 大。为了降低对电网的冲击，降低电流的尖峰，将电解电容改为小电容量无极 性电容，输入电流谐波有所降低，但是焊机集中使用时，会引起电网的谐波。 1 3 2 逆变焊机的控制模式 不同的焊接模式所对应的逆变弧焊电源主电路形式相同，而外特性控制系 统各异。因此这里不管是模拟式、单片机式还是d s p 式弧焊逆变电源，都采用 相同的由i g b t 管为逆变器的主电路，重点介绍控制电路。 ( 一) 模拟控制式逆变弧焊电源 模拟控制式逆变弧焊电源的控制系统框图如图1 1 所示。焊接电流、电压 等参数通过采样，负反馈到控制回路。反馈量与给定信号比较，经过逻辑控制 运算输出到p w m 控制芯片，p w m 信号则经过驱动电路的功率放大、隔离作用 来触发功率开关元件的导通关断，完成系统的闭环控制【1 2 】。 模拟控制器是模拟式逆变弧焊电源控制电路的核心，它是一个由电阻、电 容、运算放大器组成模拟电子电路。在控制过程中，模拟控制器直接对反馈模 拟量进行逻辑控制运算，输出模拟量控制p w m 电路。一般通过调节电位器对 算法进行参数整定，以实现较好的控制效果。 图1 - 1 模拟式控制逆变弧焊电源系统原理框图 ( 二) 单片机控制式逆变弧焊电源 在该系统中，输出电流、电压的反馈值与给定值进行比较，经过a d 转换， 由单片机对转换量进行控制算法逻辑运算后，进入p w m 脉宽调制器。该调制 器输出两路互不重叠的p w m 触发脉冲，经驱动电路去触发i g b t ，以完成控制 和调节功能。图1 2 是单片机式控制原理框图【1 3 】。 4 图1 - 2 单片机控制式逆变弧焊电源系统原理框图 与模拟式控制不同，单片机式的控制算法的逻辑运算主要由计算机完成。 工作时，对算法进行软件编程，由计算机软件的运算来替代模拟电路中的电阻、 电容、运算放大器的工作，运算后的数字量必须通过d a 转换，才能加载到p w m 发生器。 ( 三) d s p 控制式逆变弧焊电源 逆变弧焊电源的数字化控制是通过d s p 和单片机的双机系统来实现的。如 图1 3 ，在控制过程中，单片机主要完成焊接参数给定及实时显示，d s p 完成 反馈值的a d 转换，并将其与电流、电压的给定量进行复杂的逻辑运算，得到 i g b t 的导通时间，输出p w m 脉冲序列。该脉冲信号经驱动电路放大驱动 i g b t ，从而控制电源的输出电流、电压( 9 】。 图1 - 3d s p 控制式逆变弧焊电源系统原理框图 d s p 控制式逆变弧焊电源的控制过程由软件完成。控制软件整体结构采用 传统的前后台模式，即主程序为一超循环结构，对实时性要求高的部分放在中 断服为子程序中执行。程序编写采用模块化的设计方法，每个功能模块相互独 立，使程序清晰易懂，便于理解、调试和维护，主程序通过调用功能模块子程 序实现对电源的整体管理，a d 采样、短路过渡控制和故障处理等采用中断服 务子程序来完成。 1 3 3 逆变焊机的发展方向 逆变式焊机是电焊机发展的必然趋势，逆变焊机总的发展趋势可以归纳为 以下几个方向： ( 一) 可靠性的提高 研究较可靠的电路拓扑方案，例如采用软开关技术；采用可靠的功率开关 器件( 例如高结温的耐冲击电流的高速功率开关器件) ；研究合理的装配工艺， 以适合焊机的各种工作环境，这些都可提高逆变焊机的可靠性。控制电路采用 单片机、d s p 、现场可编程门阵列( f p g a ) 器件等控制技术和采用软件取代硬 件，可以提高焊机的一致性和可靠性。 ( 二) 控制的数字化 大量采用单片机、d s p 、f p g a 器件等数字控制器来取代原来的模拟器件， 焊接电源的控制由硬件的设计变为软件的设计，仅升级控制软件就可完成控制 性能的升级，并且焊机内可集成操作系统，具有网络接口、通用串行总线( u s b ) 接口等，可将焊接工艺和实际电流电压通过网络、u 盘以及i c 卡等进行数据传 输，也可通过以太网、现场总线等与其他设备相连。 ( 三) 控制的精细化 逆变焊机较快的相应速度和灵活的数字控制技术可以实现熔滴过渡的精细 控制。例如对熔滴过渡液桥分段时的电流进行控制，可生产出表面张力过渡焊 机；对双丝焊的脉冲电流相位控制，可生产出高速双丝m a g 焊机；通过焊丝 的运动和熔滴过程的联合控制，可生产出冷过渡焊机等。由于用户需要完全解 决方案，许多公司在提供焊接工艺的同时提供相应的焊接设备，同样焊接设备 的发展也改变了相应的某些焊接工艺。 ( 四) 低电网污染 逆变焊机的大量使用会引起电网谐波污染电网，因此进行功率因数校正、 抑制谐波是逆变焊机的一个方向。单相输入的逆变焊机可采用有源功率因数校 正来抑制谐波，三相有源功率因数校正结构较复杂、价格高，必须研制简单有 效的抑制谐波的方法，才能解决大功逆变焊机干扰电网的问题。 1 4d s p 简介 数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，简称d s p ) 是一门涉及许多学科 而又广泛应用于许多领域的新兴学科。2 0 世纪6 0 年代以来，随着计算机和信 息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。在过去的 二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用【”j 。 6 数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、 变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形 式。数字信号处理是围绕着数字信号处理的理论、实现和应用等几个方面发展 起来的。数字信号处理在理论上的发展推动了数字信号处理应用的发展。反过 来，数字信号处理的应用又促进了数字信号处理理论的提高。而数字信号处理 的实现则是理论和应用之间的桥梁。 数字信号处理是以众多学科为理论基础的，它所涉及的范围极其广泛。例 如，在数学领域，微积分、概率统计、随机过程、数值分析等都是数字信号处 理的基本工具，与网络理论、信号与系统、控制论、通信理论、故障诊断等也 密切相关。近来新兴的一些学科，如人工智能、模式识别、神经网络等，都与 数字信号处理密不可分。可以说，数字信号处理是把许多经典的理论体系作为 自己的理论基础，同时又使自己成为一系列新兴学科的理论基础。 数字信号处理的实现方法一般有以下几种： ( 1 ) 在通用的计算机( 如p c 机) 上用软件( 如f o r t r a n 、c 语言) 实现； ( 2 ) 在通用计算机系统中加上专用的加速处理机实现； ( 3 ) 用通用的单片机( 如m c s 5 1 、9 6 系列等) 实现，这种方法可用于一 些不太复杂的数字信号处理，如数字控制等； ( 4 ) 用通用的可编程d s p 芯片实现。与单片机相比，d s p 芯片具有更加 适合于数字信号处理的软件和硬件资源，可用于复杂的数字信号处理算法； ( 5 ) 用专用的d s p 芯片实现。在一些特殊的场合，要求的信号处理速度极 高，用通用d s p 芯片很难实现，例如专用于f f t 、数字滤波、卷积、相关等 算法的d s p 芯片，这种芯片将相应的信号处理算法在芯片内部用硬件实现， 无需进行编程。在上述几种方法中，第1 种方法的缺点是速度较慢，一般可用 于d s p 算法的模拟；第2 种和第5 种方法专用性强，应用受到很大的限制， 第2 种方法也不便于系统的独立运行；第3 种方法只适用于实现简单的d s p 算法；只有第4 种方法才使数字信号处理的应用打开了新的局面。然数字信号 处理的理论发展迅速，但在2 0 世纪8 0 年代以前，由于实现方法的限制，数 字信号处理的理论还得不到广泛的应用。直到2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初世 界上第一片单片可编程d s p 芯片的诞生，才将理论研究结果广泛应用到低成 本的实际系统中，并且推动了新的理论和应用领域的发展。可以毫不夸张地说， d s p 芯片的诞生及发展对近2 0 年来通信、计算机、控制等领域的技术发展起 到十分重要的作用。 1 5 本课题的研究任务 本课题针对c 0 2 气体保护焊波形控制法的研究现状，以减少飞溅，改善成 形质量为设计目标，进一步探讨波形控制法，实现基于d s p 的c 0 2 焊接波形的 7 s t t 控制系统。主要研究以下问题： 1 建立一个以t m s 3 2 0 f 2 8 0 1 6 d s p 为控制核心的逆变弧焊电源的硬件系 统。 2 通过对s t t 波形控制法的分析，研究基于t m s 3 2 0 f 2 8 0 1 6 d s p 的逆变 弧焊电源的软件系统。 3 进行逆变电源的硬件系统与软件系统的整体调试与测试。 8 第二章硬件系统设计 2 1 电源的主体设计 该课题主电路采用全桥式i g b t 逆变结构，工作频率约为2 0 k h z ，具有良 好的动态响应能力。考虑到数字p i 算法需要大量的乘累加运算的特性，电源控 制部分采用基于d s p 的控制系统，充分利用d s p 强大的运算处理能力以及智 能化和高集成化的特点，以更好地实现s t t 波形控制的功能。电源的整体结构 如图2 1 所示。 主电路工作过程如下：三相工频交流电经三相整流模块的全波整流，把交 图2 1 电源整体结构 流电变成5 4 0 v 左右的直流电，再经过滤波变为平稳的直流电，输入逆变电路。 高压直流电通过电力电子器件的开关作用和中频变压器的隔离与降压，变为 2 0 k h z 左右频率的低电压大电流交流电，之后采用二极管模块对电源进行二次 整流，二次整流后经电感滤波变成低电压、大电流输出。 整个电源通过电流采样构成一个恒流特性的电源，通过电压采样来确定从 燃弧到正常焊接的转变时刻，电源的电压和电流采样均采用霍尔传感器，使控 制电路与输出回路隔离，提高控制电路的抗干扰能力，保证控制系统的稳定工 作。焊接电源的输出功率可以通过控制电力电子器件的开关时间比率( 即占空 比) 来调节，该逆变电源的控制方法采用脉冲宽度调制( p w m ) 方式，它大幅 度提高了焊接电源的动态品质，保证了焊接质量【1 6 i 。 逆变焊机主电路主要包括整流滤波、逆变和输出整流滤波三部分，整流滤 波的作用是把输入的3 8 0 v 的交流电变为平滑的5 4 0 v 的直流电，逆变环节是把 5 4 0 v 的直流电变为频率为2 0 k h z 的中频方波交流电，而输出整流滤波的作用 之一是将中频变压器二次方波电压整流成单向脉动直流，并将其平滑成设计要 求的低纹波直流电压，另外一个作用是抑制开关整流二极管反向恢复时间内电 流急剧恢复产生的尖峰噪声。 9 电源的控制电路系统主要包括t m s 3 2 0 f 2 8 0 1 6d s p 的最小系统、信号采样 电路、保护电路等。d s p 最小系统是逆变电源控制系统的核心组成部分，它不 仅要完成电源的整体管理，同时也直接参与了电源的控制，其性能的好坏直接 影响逆变电源的整体性能。同时由于t m s 3 2 0 f 2 8 0 1 6 的a i d 模块的模拟输入范 围在0 v 3 v ，而焊接电压、电流较大难以直接采集，因此需要设计采样电路对 焊接电压和电流进行间接采样。采样后的信号，输入到d s p 的a d 口进行模数 转换。保护电路主要包括过流保护，过压保护和过热保护【1 7 j 。 2 2s t t 波形控制系统 2 2 1 理想的电流电压波形 波形控制法的最终目的是要实现c 0 2 焊无飞溅、获得优质焊缝的焊接过程。 根据上述对飞溅产生的原因和焊缝成形差的分析，如果在c 0 2 焊焊接过程中能 够满足如图2 2 所示的电流电压波形要求，那么将能实现c 0 2 焊无飞溅、获得 u ：t 土l 盥 _ 几 卜 t 图2 - 2 理想的电流电压波形 优质焊缝的工艺效果。在燃弧阶段，提供足够大的电流电压，保证燃弧能量。 在短路初期，应抑制短路电路电流及其增长率，使熔滴与熔池在较小的电流下 接触并顺利铺展；在熔滴颈缩形成阶段，为了促进液桥收缩，减小短路时间， 保证熔滴顺利过渡，熔滴在熔池表面有所铺展后，应尽量迅速提高流过液桥的 电流i 。d ，以增加电磁收缩力，促进液桥收缩；同时，应针对不同焊接规范设定 合适的i 。b 值( 短路基值电流) 。如果i 。b 值太大，会使液桥收缩过快，电控系统 难以满足要求；如果i 。b 值太小，会使液桥不能继续收缩或收缩过慢，出现短路 时间长或发生固体短路。在短路末期，当检测到液桥颈缩到即将破断时，应使 电流降低到较低水平。颈缩液桥在小电流条件下，主要依靠表面张力破断并重 1 0 新引燃电弧，从而避免大电流下的电爆炸及对熔池的强烈冲击，有效抑制飞溅。 在液桥柔顺破断后，加上一定幅值和宽度的燃弧电流脉冲i a d ，保证顺利引弧， 同时避免再引弧对熔池的产生强烈冲击，还能起到调节热输入，改善焊缝成形 的作用1 引。 2 2 2 表面张力过渡控制系统( s t t ) 表面张力过渡的基本思想由前苏联乌拉尔大学宾丘克在2 0 世纪8 0 年代提 出。这种技术称为s t t ( t h es u r f a c et e n s i o nt r a n s f e r ) ，表面张力熔滴过渡( s t t ) 控制是精细波形控制中最具代表性的一种波形控制法。其波形如图2 3 所示： u o i o j f 趟毒 图2 - 3 表面张力过渡控制电流电压波形 该电流的熔滴过渡精分为7 个阶段：基值电流段( t 0 - - 一，t 1 ) ；小桥形 成段( t l - 一t 2 ) ；颈缩段( t 2 t 3 ) ；能量减小段( t 3 - - - - t 4 ) ；脱离熔池 段( t 4 一- , t 5 ) ；等离子助推段( t 5 , - 一t 6 ) ；回复阶段( t 6 - - - ，t 7 ) 。具体过程细 分为如下 9 , 1 9 】： ( 1 ) 基值电流段( t 0 - - - t 1 ) ：电流在熔滴发生短路前处于较低的平稳状态， i l 约为5 0 , - 一1 0 0 a ，该电流保证熔滴在表面张力作用下形成近乎球状，即不会 凝固，也不会过分长大而脱落。 ( 2 ) 小桥形成段( t l - - t 2 ) ：焊丝送进，熔滴与熔池发生短路( 在基值电 流下) ，电压检测器检测到短路发生，为了进一步促进熔滴与熔池的接触和润滑 作用，电流1 2 立即降低到10 a 左右，持续约o 6 5 m s ，使熔滴与熔池形成稳定的 液相桥，同时防止了瞬时短路引起飞溅的产生。 ( 3 ) 颈缩段( t 2 - - - t 3 ) ：小桥形成后，电流以斜线迅速上升，使短路桥产 生颈缩力。 ( 4 ) 能量减小段( t 3 - - - - t 4 ) ：当t 3 时刻到来，说明熔断即将发生，电流在 几个us 内降低至i s ，约5 0 a ，使短路液桥依靠表面张力熔断并过渡到熔池中。 ( 5 ) 脱离熔池段( t 4 - - 一t 5 ) ：此阶段用于减小燃弧时等离子流力对熔池的 冲击，使焊丝平稳脱离熔池。 ( 6 ) 等离子助推段( t 5 t 6 ) ：熔滴过渡完成后，电流将很快上升到一个 较大值1 6 ，以保证电弧快速可靠地再次引燃，焊丝端部在该大电流作用下很快 浸透并发生回熔。同时，该大电流产生的等离子流力一方面推动刚脱离焊丝端 部的液相桥金属快速进入熔池，另一方面又作用于熔池表面迫使熔池表面下凹， 以获得必要的弧长和避免过早短路的发生，同时保证良好的熔合。为避免过度 的能量输入导致的飞溅发生，该大电流作用时间严格控制在大约1 2 m s 。 ( 7 ) 回复阶段( t 6 一t 7 ) ：焊接电流从等离子流力提升期较大电流值以斜 线形式降至基值电流，进入下一个过渡周期。这种电流衰减方式可以抑制因电 流陡降引起的熔池振荡。 s t t 波形控制的思想是：燃弧末期下拉焊接电流，短路结束之前下拉焊接 电流，短路中期、燃弧中期焊接电流较大，所以也称两高两低焊接电流波形控 制法。s t t 波形控制法可以在大幅度减少飞溅和烟尘的同时更好地控制热量输 入，从而得到合适的熔深和完整的背面成形【7 】【2 0 1 。 要灵活有效的实现表面张力熔滴过渡( s t t ) 控制，必须对复杂的c 0 2 焊 短路过渡过程进行正确的了解、认识和分析。通过分析各种电弧物理现象丰富 信息的载体一一焊接电流和电弧电压，对c 0 2 气体保护焊的熔滴过渡电弧特 性进行分析，提取有价值的焊接电弧特征信息，从而探讨c 0 2 气体保护焊短路 过渡过程的控制策略。 据s t t 控制的电流电压波形及其控制原理，运用不同的控制策略对焊接过 程中各个阶段的电流、电压波形进行控制，抑制焊接飞溅和改善焊缝成型的效 果都不一样。每个阶段的标称参数( 电压、电压变化率、时间和电流等) 和控 制参数( 电流、电压和时间等) 的设定不同都将影响到整个波形控制的效果。 本课题中采用的控制策略是以延时为主，判断标准是短路电压值，具体的 策略方案在后一章节详细介绍。 2 2 2 其他波形控制方式 综合当前国内外波形控制法的研究情况，其他的典型波形控制法主要有以 下几种： ( 一)能量控制 能量控制法的出发点是以熔滴能量为对象，通过控制调节熔滴的能量来达 到减小飞溅的目的。在熔滴刚短路的一小段时间内将电流调到某值，使焊丝可 靠插入熔池，接着发出高能脉冲电流，形成颈缩分离，再用较高电流维持一段 时间以增加重燃电弧的能量，之后电流回到基值，完成一次熔滴过渡的能量控 制【2 1j 。如图2 4 所示。 1 2 u i 、- - _ _ 一 t 图2 4 能量控制法电流电压波形 ( 二) 并联式电流波形控制 并联式电流波形控制法是以短路期间在原有的电源输出波形的任意一点上 叠加一电流负脉冲，实现电流波形的实时控制，以改善熔滴过渡状况【2 2 1 。一般 来说，电流负脉冲叠加在熔滴短路过渡之前的某一时刻。因为短路过渡时产生 u 七 队 i 一 ； t ot lt 2t 3 t 4 t 5t 6t 7 七 图2 5 并联式控制法电流电压波形 电爆炸的能量不仅来自短路期间的电阻热，短路前熔滴中所积累的过剩能量也 是导致电爆炸的重要原因，所以在熔滴过渡之前的某一时刻，应将焊接电流降 低到仅能维持电弧燃烧的最低程度直到熔滴发生短路。由于这段时间的电弧功 率大大降低，熔滴会释放掉大量积蓄的能量，因此，当熔滴脱落时，尽管也出 现了液态金属颈缩、短路电流上升很快、短路电流峰值也很大，但颈缩部分产 生的电阻热并没有达到使小桥发生电爆炸的能量水平。因而不会出现电爆炸现 象，熔滴过渡平稳，同时短路过渡前所施加的负脉冲也减少了电弧力，可促使 熔滴下垂，促进熔滴过渡，使熔滴成为受控过渡【3 】。如图2 5 所示。 2 3 硬件电路设计 2 3 1 逆变电路设计 逆变部分是逆变焊机的核心部分，其性能的优劣直接关系到整机的性能。 根据其电路结构不同，逆变电路主要有单端正激、推挽式、全桥式和半桥式四 种结构。i g b t 是8 0 年代末新兴起的功率开关器件，具有驱动功率小和控制电 流能力强的双重优点，是目前制造弧焊逆变电源的首选器件【16 1 。综合考虑各种 因素，我们选用全桥式i g b t 逆变结构。其图2 6 所示： v 。 i o l 1 4 _ v d 2 卜习厂 zv d 4 j l i g b l 2 f k 1 1 3 b r 3 fi - v d 3 v d i 厶 i o b t l 一 l t l l 图2 - 6 全桥式i g b t 逆变电路 功率开关管i g b t l 、i g b t 2 、i g b t 3 和i g b t 4 组成的四臂，中频变压器t 1 连接在它们中间，相对桥臂上的一对功率开关管i g b t l 、i g b t 4 和i g b t 2 、 i g b t 3 由驱动电路以脉冲方式激励而交替通断，将直流输入电压变换成中频方 波交流电压。当一组功率开关管( i g