（材料加工工程专业论文）基于dsp的co2焊焊缝跟踪电弧传感器设计.pdf

河海大学硕上研究生论文摘要 摘要 在自动焊过程中，传感器是实现焊缝跟踪的关键。本文通过对电弧传感器理论的研 究，结合c 0 2 焊自身熔滴过渡特点，采用了对电弧电流信号的离散积分差值的判断方 法；信号的离散积分精度决定了整个系统的跟踪精度，要提高信号离散积分精度，就必 须增加信号采样频率，同时也增加了数据处理量，而本系统又要求有良好的实时性，普 通性能的单片机难以满足要求，故此，我们选用了高性能数字信号处理器( d s p ) ，并 以2 4 0 7 ad s p 芯片为核心控制器设计了c 0 2 焊焊缝跟踪电弧传感器系统的硬件结构， 系统的硬件电路，包括d s p 外围电路、信号处理电路。短路过渡的c 0 2 气体保护焊过 程具有非线性、不确定性特点，难以建立理想的数学模型，使用常规控制方法很难达到 系统的控制要求，本论文采用不需要建立数学模型的控制策略模糊控制作为系统的 控制方法，由于常规模糊控制方法在控制性能上存在不足，本文分析并设计了参数自整 定模糊控制方法，并利用m a t l a b 软件的s i m u l i n k 仿真库对此控制算法进行了仿真， 检验了参数自整定模糊控制方法的控制性能。最后，编制传感器系统软件，通过实验， 验证了本文设计的c 0 2 气体保护焊焊缝跟踪电弧传感器的可行性。 关键词d s pc 0 2 气体保护焊电弧传感器模糊控制 基于d s p 的c o ! 焊焊缝删踪电弧传感器设计 a b s t r a c t i nc o u r s eo fa u t o m a t i ca r cw e l d ，as e n s o ri sp i v o t a lt or e a l i z ea u t o t r a c k i n go f w e l d i n g l i n e t h r o u g hr e s e a r c h i n gt h et h e o r yo fa r c s e n s o r sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fc 0 2s h i e l d e d w e l d i n g ，i nt h i sp a p e r , w ea d o p t t h ew a yo fd i s c r e t ei n t e g r a lf o ra r cc u r r e n tt oj u d g et h ew a r p b e t w e e nw e l d i n gl i n ea n dw e l d i n gt o r c h ，t h ep r e c i s i o no fd i s c r e t ei n t e g r a lf o ra r cc u r r e n ti s i m p o r t a n tt o t h et r a c k i n gs y s t e m t oi m p r o v et h ep r e c i s i o no ft h et r a c k i n gs y s t e m ，i ti s n e c e s s a r yt oi n c r e a s es a m p l i n gf r e q u e n c ya n dt h eq u a n t i t yo fd a t a t h eg e n e r a ls i n g l e c h i p c o u l dn o tm e e tt h ed e m a n do ft h i ss y s t e m ，s ow es e l e c td i g i t a ls i n g l e sp r o c e s s o r ，a n dd e s i g n t h eh a r d w a r eo ft h i ss y s t e m t h ec o n t r o ls y s t e m sh a r d w a r ec i r c u i t si n c l u d ed s p sp e r i p h e r a l c i r c u i ta n ds i g n a ld i s p o s a lc i r c u i t t h ep r o c e s so fs h o r tc i r c u i tt r a n s i t i o ni nc 0 2s h i e l d e d w e l d i n gi sn o n - l i n e a ra n dw i t hm a n yi n f l u e n c i n gf a c t o r s ，m a di t i sd i f f i c u l tt of i n da ni d e a l m o d e lf o rc o n t r o l ，s of u z z yc o n t r o li su s e di nt h i ss y s t e m i nt h i s t h e s i s ，a na r c s e n s o rb a s e do nf u z z yc o n t r o lh a sb e e nd e v e l o p e d ，w h i c hi s d e s i g n e df o rc 0 2 s h i e l d e dw e l d i n g ，a n dt 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 t o nm a t l a b a tl a s t ，t h e f e a s i b i l i t yo ft h ep a r a m e t e r ss e l f - a d j u s t i n gf u z z yc o n t r o l l e r i s v a l i d a t e db ye x p e r i m e n t s k e y w o r d s d s pc 0 2s h i e l d e dw e l d i n ga r cs e n s o r f u z z yc o n t r o l i i 河海大学硕士研究生论文 笫一章绪论 第一章绪论 众所周知，焊接工程在国民经济生产中占有重要的地位，它是仅次于机械制造业中 装配和切削加工的第三大工程。经过几十年的发展，出现了各种各样、不同类型的焊 接方法，目前世界上应用最多最广的、综合一| 生价比最高的焊接方法是c 0 1 气体保护焊， 它广泛运用于农业机械、汽车工业、船舶制造业、压力容器、石油化工、海洋工程等方 面，成为机械制造业中应用最广、发展潜力最大的焊接方法之一2 1 。 精确的焊缝跟踪是保证达到焊接目的的首要关键。保证这一前提的直接途径就是设 法使电弧的轴线在焊接过程中始终对正并跟踪焊缝。手工焊时，这个前提是靠焊工操作 来实现的；在自动焊接过程中，则需要解决焊接熔池( 或电弧) 中心始终对正焊缝的问 题。因此，研究焊接过程中焊缝实时跟踪控制是现代弧焊过程焊接自动化的一个重要内 容，多年来吸引了许多焊接工作者进行研究与探讨，随着科学技术的不断迸步，尤其是 现代控制技术、计算机技术的迅速发展，已经找到了许多途径来实现焊缝的传感与跟踪 控制。 1 1 焊缝跟踪技术的发展现状 ( 1 ) 国外焊缝跟踪技术的研究进展 国外关于焊缝实时控制的研究主要集中在传感器选择及其控制方法的改进上。 早在1 9 8 5 年保加利亚的d l a k o v 就提出了用模糊模型来描述弧焊过程的不确定性， 借助于配置的非接触式激光传感器，用模糊控制推理对示教机器人的运动进行估计、预 测和控制，实现焊缝的自动跟踪“1 。意大利的a n s a l d o 焊接中心，采用硬件逻辑电路， 对焊缝进行x y z 三维方向上的自适应跟踪，无论是i 型还是u 型坡口都能保证连续 施焊，是目前最先进的焊缝跟踪系统之一。1 9 8 9 年日本的s m u s a a m i 等研究了利用电 弧传感弧焊机器人焊缝跟踪的模糊控制，该控制系统根据焊枪的振幅位置同焊丝与工件 的距离关系判断焊点的水平和垂直位移，并在强烈的弧光、高温、烟气下，采用基于语 言规则的模糊滤波器和模糊控制器来设计焊缝跟踪控制系统，取得了较好的效果”。 j w k i m 等人利用电弧传感对c o ：气体保护焊焊接，采用简单模糊控制和自组织模糊控 制方法进行焊缝跟踪。实验表明，基于电弧传感器的自组织模糊控制方法，在偏差角度 为1 0 。时，系统仍有很强的跟踪能力。3 。1 9 9 4 年y 。s u g a 等研究了采用人工神经网络来对 未开坡口对接接头的焊缝图像进行识别，该研究将焊缝的可能偏差分为0 。、5 。、 1 0 。、1 5 。和2 0 ”等几种情况，并将识别结果用于实时控制，结果表明，基于视觉传 感，采用神经网络进行焊缝识别的准确率高，鲁棒性好“1 。1 9 9 5 年，h b s m a r t t 利用 激光测量焊枪和焊缝的位置和方向偏差，应用模糊概念，实现焊枪的位置控制”1 。 ( 2 ) 国内焊缝跟踪技术的研究进展 我国对焊缝跟踪控制技术的研究起步较晚，绝大部分工厂的焊缝跟踪控制技术还很 落后，基本上停留在直线焊缝的程序控制阶段，即焊枪运动轨迹在焊接前根据坡口形状 预先设定，而在焊接过程中不加以进行任何调节。随着智能控制技术在弧焊跟踪系统中 基于d s p 的c 0 2 焊焊缝跟踪电弧传感器设计 的引入、渗透，国内各大高校、科研机构对焊缝跟踪控制技术的研究变得非常活跃。 清华大学潘际銮院士、陈强和何方殿等人对弧焊跟踪系统中的传感器和控制方法进 行了较为深入的研究，并提出了种基于焊缝c c d 图像模式特征的焊缝轨迹识别的新 算法8 。天津大学采用自调整比例因子f u z z y p 控制理论用于非接触超声传感焊缝跟 踪系统，具有良好的控制特性，能满足焊接工程应用的要求”“1 。华南理工大学主要侧重 于应用视觉传感来检测焊缝，王国荣等人将人工神经网络技术与模糊控制技术相结合， 成功实现了对药芯焊丝湿法水下焊接的焊缝跟踪控制，试验证明能满足实际工程施工的 要求“：黄石生等人提出了一种基于a r t 神经网络的焊缝跟踪算法，将识别到的焊缝 偏差送入设计的自调整p i d 模糊控制器中运算给出控制量，对t 1 6 焊进行焊缝跟踪控 制试验，取得了良好的效果“。 此外，哈尔滨工业大学成功研制了单片机控制高精度激光跟踪系统，西北工业大学 研制成功了微处理机控制熔化极脉冲窄间隙焊缝自动跟踪系统等，都获得了较好的自动 控制效果。 1 2c 0 ：气体保护焊焊缝自动跟踪 焊缝跟踪技术是焊接过程自动化水平的重要标志。c o 。气体保护焊焊缝自动跟踪焊 缝跟踪系统主要由传感器、控制器和执行机构组成，如图1 1 所示。从系统结构来看， 它是以电弧( 焊炬) 相对于焊缝中心位置的偏差作为被调量，以焊炬位移量为操作量的 闭环控制系统。 图1 1 焊缝跟踪系统示意图 在整个闭环系统中，传感器起着非常重要的作用，它决定着整个系统对焊缝的跟踪 精度。在焊接过程中，传感器必须精确地检测出焊缝( 坡口) 的位置和形状信息，然后 传送给控制器进行处理。我们知道，在c o ：气体保护焊焊接过程中，存在着强烈的弧光、 烟尘、强磁场、高温辐射、飞溅等干扰，焊接过程伴随着热传导和物理化学冶金反应， 工件会产生热变形，因此，用于c o 。气体保护焊焊接的传感器必须具有很强的抗干扰能 力和很好的工作稳定性。随着大规模集成电路、半导体技术、光纤及激光等的迅速发展， 促进了焊接技术向自动化、智能化方向发展，出现了多种用于c o 。气体保护焊焊缝跟踪 的传感器，它们主要是检测光、磁、声、热、机械等各物理量的变化来检测出焊缝( 坡 口) 的位簧和形状信息。目前，用于c o 。气体保护焊焊缝自动跟踪传感器主要有以下几 种： ( 1 ) 接触式机械电子传感器，利用与坡口接触的探针、杠杠等机构，通过光敏元 件、微动开关等产生偏差信号。其结构简单，抗干扰性好，工作可靠，但跟踪精度较低： 2 丽 竺甲壁 一 一 一 一 翥鬻 洲海大学砸上研究生论文 第一章绪论 由于采用机械接触式，检测过程中受力，且处于高温的焊接环境中，磨损大，容易发生 变形，影响跟踪精度；而若将传感器尽量远离电弧，则又会产生导前误差。 ( 2 ) 电磁感应式传感器，利用差动变压器次级线圈输出电压的差值反映偏差信号。 其结构简单，工作可靠，寿命长，但易受错边、强磁场等干扰。 ( 3 ) 光电传感器，利用自然光、激光、红外光等照射焊缝坡口或边缘，通过接收 反射光判断差值。这种传感器结构复杂，跟踪精度高，但易受电弧光等干扰，抗干扰能 力弱。由于传感器安装在焊枪的前方，可能会出现导前误差。 ( 4 ) 电弧传感器，从电弧电流和电压的变化中获得焊缝横向和高低偏差信息。当 焊炬与工件距离变化时，电流相应改变，以保持原有的熔化率。因此，电弧电流的变化 反映了焊炬高度的变化，通过电弧扫描焊缝的坡口，从电流波形特性中可获得焊炬横向 对中的信息。电弧传感器结构简单，可在电弧状态下实时提供熔池表面位置信息，成为 各种焊接传感器中最流行的种。 ( 5 ) 视觉传感器，通过c c d 等设备直接获取焊缝图像，经处理获取偏差信号。设 备复杂，精度和可靠性较高，但价格昂贵，一套激光传感器需要十几乃至几十万元；同 时，激光传感器的体积较大，在部分情况下安装存在一定的困难。在c o 。电弧焊时，由 于烟雾和飞溅较大，同时又因为频繁的短路过渡过程会产生弧光闪烁，更增加了电弧拍 摄的困难。 ( 6 ) 超声波传感器，利用超声波脉冲在金属内传播时的界面反射现象，可以接收 到反射波脉冲，由入射反射波脉冲的行程，即可测得界面的位置。其测量精度主要 取决于超声波的频率，一般采用1 2 5 m h z 和2 5 m h z 的晶体，频率越高，则误差越小。 和其他任何传感器一样，超声波传感器也存在着一定的问题：它对母材表面状况要求较 高，承载超声波的介质对超声波也有很大的影响。如c 0 ：电弧焊时，c o 。对超声波的吸 收很严重，使超声波的信号大大衰减，其回波信号几乎为零“”。 以上几种传感器应用于不同的焊缝自动跟踪过程，有各自的优缺点。据调查，目前 世界各国研究较多、最有前途的传感器是视觉传感器和电弧传感器。视觉传感器属于附 加装置，使得焊接系统复杂、重量增加、可达性差，且成本较高；电弧传感器的信号检 测点就是焊接电弧点，不存在传感位置导前误差，不怕电弧的飞溅、烟尘、弧光等干扰， 成本较低，已成功用于弧焊机器人及自动焊接设备的焊缝自动跟踪。 c o 。气体保护焊焊缝自动跟踪系统中另一个重要部分是控制器，控制器利用传感器 的传感信号，通过一定的控制方法来控制执行机构的动作，进行焊缝纠偏，实现焊缝的 自动跟踪。近几年来，随着高性能数字芯片及计算机技术的飞速发展，数字控制方法的 到得到越来越广泛的应用，利用数字信号处理器( d s p ) 、高性能单片机及计算机作控制 器的应用也越来越广泛。随着自动控制技术的发展，控制方法也不仅仅局限于经典控制 理论许多现代控制理论及人工智能控制技术也被广泛应用到控制系统中来。模糊控制、 神经网络控制、遗传算法等新技术在焊缝跟踪系统的中的应用为e 0 ：气体保护焊焊缝自 动跟踪系统提供了极好的控制手段，其中，模糊控制以其优良的控制算法及其较高的实 基于d s p 的c o z 焊焊缝跟踪电弧传感器设计 时性等特点在焊缝跟踪控制系统中得到广泛关注。 1 3 本课题的主要研究任务 为了解决c o 。气体保护焊焊缝自动跟踪问题，借鉴目前国内外在焊缝跟踪方面的研 究方法及研究成果，确定了本文的主要工作任务是研究一种用于短路过渡c o ：气体保护 焊实现对v 型坡口的焊缝跟踪电弧传感器，这种电弧传感器应具有结构简单、跟踪精度 较高及工作性能稳定等特点。并利用这种电弧传感器初步实现c 0 。气体保护焊焊缝跟踪 系统的模拟，为后续的应用于实践环节的研究打下坚实的基础。 基于以上设想，本论文需要做以下几个方面的主要任务： ( 1 ) 完成短路过渡c o 。气体保护焊焊缝跟踪电弧传感器的理论研究，初步建立电弧 传感器的理论模型，并分析其可行性。 ( 2 ) 构建合理的硬件系统，力求硬件简单、可靠、抗干扰能力强，保证硬件电路 有良好的通用性，即在不改变硬件的条件下，可通过修改软件改变系统的功能。 ( 3 ) 设计合理的模糊控制算法，并采用m a t l a b 对设计的模糊控制器进行仿真，验 证其性能。 ( 4 ) 根据设定的模糊控制算法，设计并编制d s p 控制软件。 ( 5 ) 通过模拟试验检测所设计的c o ：气体保护焊焊缝跟踪电弧传感器，并分析其性 能。 河海大学硕士研究生论文第二章电弧传感器及其识别方式的设计 第二章电弧传感器及其识别方式的设计 2 1 电弧传感器发展概述 焊缝自动跟踪方面，传感器提供着系统赖以进行处理和控制所必须的有关焊缝的信 息。我们研究电弧传感器就是要从焊接电弧信号中提取出能够实时并准确反映焊炬与焊 缝中心的偏移变化信号，并将此信号采集出来，作为c 0 ：焊焊缝自动跟踪系统的输入信 号，即c o ：焊焊缝自动跟踪系统的传感信号。 目前，国际、国内焊接界对电弧传感器的研究非常活跃，用于焊缝跟踪的电弧传感 器主要有以下几种类型： ( 1 ) 并列双丝电弧传感器。利用两个彼此独立的并列电弧对工件施焊，当焊枪的 中心线未对准坡口中心时，其作用焊丝具有不同的干伸长度，对于平外特性电源将造成 两个电流不相等，因此根据两个电流差值即可判别焊炬横向位置并实现跟踪。 ( 2 ) 旋转扫描电弧传感器。在带有焊丝导向的喷嘴旋转时，旋转速度与焊接电流 之间存在一定的关系“。高速旋转电弧传感器可用于厚板间隙及角接焊缝的跟踪，在结 构上比摆动式电弧传感器复杂，还需要在焊接工艺、信息处理等方面进行深入的研究 1 a ( 3 ) 焊炬摆动式电弧传感器。当电弧在坡口中摆动时，焊丝端部与母材之间距离 随焊炬对中位置而变化，它会引起焊接电流与电压的变化。由于受机械方面限制，摆动 式电弧传感器的摆动频率一般较低，限制了在高速和薄板搭接接头焊接中的应用。在弧 焊其他参数相同的条件下，摆动频率越高，摆动式电弧传感器的灵敏度越高。 对电孤传感器的传感方式的研究目前主要有：弧压传感式、弧流传感式，此外，采 用短路过渡频率、短路周期、电弧电阻变化等作为电弧传感器的信号也有一些研究。对 于c 0 。气体保护焊来说，由于短路过渡弧压变动范围大，且其电源外特性一般为平特性， 焊炬到工件距离的变化对电弧电压的影晌很小，很难从电弧电压变化来判别是否偏离焊 缝中心，因此弧压传感方式很难适用。弧流传感式是通过对电弧电流的检测来反映焊炬 高度的变化，c o 。气体保护焊电源的平外特性，使得焊炬高度的变化最终会造成焊丝伸 出长度的变化，确立新的平衡，从而引起电弧电流的波动。只要有效地检测电流波形的 变化，就能达到电弧传感的目的。 综合目前国内外对电弧传感器的研究成果及经验本论文拟采用摆动弧流式电弧传 感器。 2 2 电弧传感器的工作原理 电弧传感器的基本原理是从弧长变化所引起的电弧参数的变化中获取电弧扫描时 焊炬高度的变化，并根据焊炬与焊缝的几何关系导出焊炬与焊缝的相对位置等被传感 量。 图2 1 说明了焊枪导电嘴与工件表面距离变化引起焊接参数变化的过程“。以缓降 基于d s p 的c o ! 焊焊缝跟踪电弧传感器设计 外特性电源为例，在焊炬高度为瞄稳定状态时，电弧工作点为弧长厶，干伸长厶， 电流厶，当焊枪与工件表面距离岛发生阶跃变化增大到爿时，弧长忽然被拉长为，。 此时厶还来不及变化，电弧随即在新的工作点燃烧，电流突变为上。由于电源输出外特 性曲线为缓降外特性，电弧电压保持近似不变，此时电弧电流五明显变小，焊丝熔化 速度k 随电流，的减小而减小，则此时的焊丝熔化速度要比a 。点时的熔化速度小，由 于等速送节特性。由以上所述，当电弧沿着焊缝的垂直方向扫描，焊接电流将随着扫描 引起的焊枪高度的变化而送丝系统的送丝速度保持不变，则此时的焊丝熔化速度小于送 丝速度，使得焊丝伸出长度渐渐变长，此时的电弧弧长逐渐变短，干伸长增大，最后电 弧稳定在一个新的工作点a ! ，弧长! ，干伸长厶，电流五，结果是干伸长和弧长都比原 来增加。在上述变化中，有两个状态过程即调节过程的动态变化( a l ) 和新的稳定点 建立后的静态变化( ) 。动态变化的原因是焊丝熔化速度受到限制，不能跟随焊枪 高度的突变；静态变化的原因是由于电弧的自调，从而获得焊缝坡口信息，达到传感的 目的。 舶a血m爪 奄 i _ 。_ 茔 一 图2 1电弧传感器的工作原理 c 0 ：气体保护焊焊接电源一般是平外特性，在电弧传感器的工作原理方面，上述的 分析方法依然适用。 2 3 焊枪偏移判断的极值比较法及其局限性 在c o 。气体保护焊焊接过程中，焊枪以焊缝中心为基准进行左右往返摆动，焊枪到 焊件的距离不断变化，从而导致焊接电流按一定规律变化：若焊枪摆动中心未偏离焊缝 中0 ，则焊枪左摆至极限位置和右摆至极限位置时到焊件表面的距离相同，相应的焊接 电流相等。而当焊枪左偏时，焊枪左摆至极限位置时距焊件表面的距离要小于右摆至极 限位置时距焊件表面的距离，从而导致左摆至极限位置时的焊接电流值五大于右摆至极 限位置时的焊接电流值厶，二者的差值正比于焊枪的偏移量，存在关系“： i = e 希k( 2 1 ) 卜一焊接电流差值，厶产五一厶：p 一焊枪的偏移量；卜与焊丝直径和熔滴 过渡的形式有关的常数。焊枪右偏时，有同样的结论。因此，根据左摆极限位置和右摆 极限位置焊接电流的差值，可以判断焊枪相对于焊缝中心的偏移方向和偏移量。但这种 焊枪偏移的判断方法只有在比较理想的条件下才能得到满意的结果，抗干扰能力较差。 河海大学埘士研究生论文第二章l 乜弧传感器段其识别方式的吐计 2 4c 0 。气体保护焊短路过渡过程分析 焊接中，在电弧热作用下，焊丝与焊条端头的熔化金属形成熔滴，受到各种力的作 用向熔池过渡，称之为熔滴过渡。熔滴上的金属受到以下几个力的作用：表面张力、重 力、电磁收缩力、斑点压力、等离子流力和其他力，它和焊接过程稳定性、焊缝成形、 飞溅大小有直接的关系。对于庐o 6 1 4 m m 的细焊丝，一般采用短路过渡。短路过渡 焊接处于较低电压、较小电流规范区间，适合于焊接薄板及进行全位置焊接。焊接薄板 时生产率高，变形小，同时由于焊接规范小，焊接过程中光辐射、热辐射以及烟尘等都 比较小，因而在生产中得到广泛推广和应用。 焊接过程中，当熔化金属与熔池接触形成短路后又引燃电弧时，总会产生飞溅：当 熔滴与熔池接触时，由熔滴把焊丝与熔池连接起来，形成液体小桥。随着短路电流的增 加，使缩颈小桥金属迅速的加热，最后导致小桥金属发生汽化爆炸，同时引燃电弧，也 引起金属的飞溅。飞溅的多少与爆炸能量有关，此能量主要是在小桥破断之前的1 0 0 t 1 5 0 s 短时间内聚集起来的，主要由这个时间内短路电流大小所决定。飞溅是有害的， 它不但降低焊接生产率，影响焊接质量，而且使劳动条件变差。 产生飞溅的原因很多，当焊接规范不合适( 如送丝速度过快而电弧电压过低，焊丝 伸出长度过大或回路电感过大等) 时，都会发生固体短路。这时固体焊丝可以成段直接 被抛出，同时熔池金属也被抛出，而造成大量的飞溅。在细颗粒过渡焊接过程中，由于 焊丝或工件清理不良或焊丝含碳量较高，在熔化金属内部大量生成c o 等气体，这些气 体聚积到一定体积，压力增加而爆破，造成小滴飞溅。同时，大滴排斥过渡时，会形成 大颗粒飞溅。 在实际生产中，较多采用电流波形控制法来减小飞溅，提高焊接质量：通过控制输 出电流波形，使金属液桥在低的电流上升速度和低的短路峰值电流下爆破，以便减小飞 溅。液桥爆破、电弧再引燃后，立即提高燃弧电流，甚至此时施加电流脉冲，经一段时 间后，燃弧电流再从高值过渡到稳定值，这样可增加燃弧期间母材输入热量，从而达到 增加熔深和改善焊缝成形的目的1 “。经实测，我们所采用的f r o n i u st p s4 0 0 0 焊接电 源在弧焊过程中的电流变化波形如图2 2 所示： 图2 ，2s t t 电流波形控制图 ( 1 ) t l - t 。段，基值电流根据焊丝材料、直径及送丝速度来决定，使焊丝末端维持 一个1 2 倍焊丝直径的熔滴。 基于d s p 的c o ：焊焊缝蹦踪电弧传感器设计 ( 2 ) t ：一t ：，段，在基值电流下，焊丝端部熔滴在表面张力的作用下形成近似球状， 熔滴一接触熔池，电压探测器提供一个短路信号，此时电流在很短时间内减小到一个极 小值，表面张力开始吸引熔滴从焊丝向熔池过渡，形成小桥。 ( 3 ) t3 - t 。段，形成小桥后，电流以很快的速度上升到一个较大的值，加快熔滴过 渡的过程，小桥开始缩颈。 ( 4 ) ts - t 。段，随着缩颈的形成，小桥电阻增大，当小桥断裂前，将焊接电流在数 微秒内减小至极小值，使小桥在表面张力下，实现无飞溅过渡。 2 5 离散积分差值法及其可行性 由于短路过渡过程的电弧电流信号波动范围比较大，实际的焊接电流信号与图2 3 所示的理想信号差异很大，使得焊枪在左摆极限位置和右摆极限位置时，可能处于电流 波形的不同阶段，此一瞬间焊接电流的差值，与焊枪的偏移量e 之间已经不一定满足 l i i ：e 学k 的关系。若仍然采用极值比较的方法来判断焊枪的偏移方向和偏移量，将会得 出错误的结论。为尽量消除或减小此类因素造成的误判和错判，采用对传感器电流进行 离散积分的方法判断焊枪的偏移方向和偏移量。 _ 队 队fl爪烤 _ i i ； 庞态 i 。爪4 l。 么 i i j 八 外一 ili 摆摆摆摆 图2 3焊枪偏移时的焊接电流变化曲线 对焊枪左摆周期和右摆周期的焊接电流进行离散积分，即计算图2 3 中两个阴影部 分的面积s 和s ，然后求出电流积分差值l t s , 一s ，根据积分差值五的符号和大小可得 焊枪的偏移方向和偏移量。若焊枪左偏，焊枪在左摆过程中焊枪距离焊件的高度小，焊 接电流积分值s 大，焊枪右摆过程中，焊枪距离焊件的高度大，焊接电流积分值s 小， 则焊接电流积分差值上j s s o ，且焊枪左偏的偏移量越大，电流积分差值五的绝对值 l i 也越大。两当焊枪右偏时，同理可知，焊接电流积分差值ps , - s s 0 ，且厶的绝对 值ll 随着焊枪偏移量的增加而增大。这样，即使焊接过程中可能出现尖峰干扰，但经 分摊到整个左摆或右摆周期，它的影响已大大减小，另一方面，又可以不必考虑焊接电 流脉冲的变化，从而有效地保证判断结论的正确性。 离散积分差值法要求系统对传感器的信号进行准确采集，根据合适的算法判断出焊 河海人学硕士肼究生论文第二章电弧传感器及其识别方式的设汁 枪的偏移信号，进而做出纠偏调整。信号采集精度越高，判断就越准确，同时系统要完 成数据的运算、判断及控制输出等多项任务，要保证系统有良好的实时性，采用高性能 的芯片成为必然。近年来，数字信号处理器( d s p ) 、高性能单片机及计算机水平的飞速 发展，已经为我们提供了很好的硬件保证。 基于d s p 的c o ：焊焊缝跟踪电弧传感器设汁 第三章电弧传感器硬件平台的搭建 3 1 控制芯片的选型 本论文在前期研究过程中使用了a t m e l 公司的8 9 c 5 5 w d 单片机作为中央处理器，在 实验调试中发现，当希望进一步提高传感器采样精度的时候，系统出现工作不稳定甚至 不能够正常运行。经分析总结，由于系统在提高采样精度的过程中，提高了采样数据的 采集频率，增加了数据处理量，中央处理器速度无法满足系统要求，就出现了工作不稳 定及不能正常工作的情况。 基于上述情况的考虑，我们选择了运算速度更快、控制功能更强的数字信号处理器 ( d s p ) ，本文选用的d s p 是t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 。 3 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 简介 3 2 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p 性能特点 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 片内资源图如图3 1 所示 l l 直鞋0 如嚣 可选3 2 x 事x1 6 位 一蚌台的a s i c n p d u s 博黼i 刨刨刨刨倒1 蕊l 隅l 囱一 图3 ，lt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 片内资源框图 在t m s 3 2 0 系列d s p 的基础上，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 有以下一些特点1 1 “”】： ( 1 ) 采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减小了控制器的功耗； 4 0 m p s ( c p u 工作频率为4 0 m h ：时) 的指令执行速度使得指令周期缩短到2 5 n s ，从而提高 了控制器的实时控制能力，片内f l a s h 可加密，保护片内程序不被盗版；基于t m s 3 2 0 c 2 x x d s p 的c p u 核，保证了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的代码和t m s 3 2 0 系列d s p 代码兼容。 ( 2 ) 片内有高达3 2 k 字1 6 位的f l a s h 程序存储器；高达2 5 k 字1 6 位的数据 程序r a m ，包括：5 4 4 字双端口r 蛳( d a r a n i ) ：2 e 字的单口r a i l ( s a r a ) ；1 5 k 字的数据 程序r a m 。 ( 3 ) 1 0 位a d c 转换器，其特性为：最小转换时间为5 0 0 u s ，8 个或1 6 个多路复用 的模拟输入通道、可选择由两个事件管理器来触发的两个8 通道模拟输入a d 转换器或 一个1 6 通道输入的a d 转换器。 ( 4 ) 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个包括：两个1 6 位通道定时器；8 个1 6 位通道脉宽调制( p w m ) 通道。它们能够实现：三相反相控制器：p w m 的对称和非对称 怒 嚣靠磊 河海人学硕士研究生论文第二章i u 弧传感 | 碗件、f 台的搭建 波形；当外部引脚p d p i n t x 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：时间管理器模块适用于控制交流感应电机、步进电 机、无刷直流电机和逆变器。 ( 5 ) 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 字i o 寻址空间。 ( 6 ) 丰富的片内集成外设：s c i 模块、s p i 模块、c a n2 o b 模块、看门狗定时器模 块及高达4 0 个可单独编程或复用的通用输入输出( g p i o ) 引脚。 由于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 具有这些先进特性，本文选定它作为焊缝跟踪模糊控制器的核 心处理器。以下将t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 简称为2 4 0 7 a 。 3 _ 2 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 内部功能模块介绍 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 的内部功能模块及其功能介绍如下： ( 1 ) 输入定标移位器。l f 2 4 0 7 ad s p 提供了个输入定标移位器，该移位器将来 自程序存储器或数字存储器的1 6 位数掘调整为3 2 位数据送到中央算术逻辑单元 ( c a l u ) ，因此其1 6 位输入与数据总线相连，3 2 位输出与c a l u 单元相连。输入定标移 位器作为从程序数据存储空间到c a l u 间数据传输路径一部分，因此不会占用时钟开 销。该移位器在算术定标及逻辑操作设置非常有用。 输入定标移位器对输入数据进行0 1 5 位左移。左移时，输出的最低有效位( l s b 。) 为0 ，最高有效位( m s b 。) 根据状态寄存器s t l 的s x m ( 符号扩展方式) 位的来决定是 否需要进行符号扩展。移位量由包含在指令中的常量或由临时寄存器( t r e g ) 指定，由 指令指定的移位量允许用户用特定的数据定标或调整运算来得到特定的代码。基于临时 寄存器的( t r e g ) 的移位允许动态调整数据定标因子，从而可以适应不同的系统要求。 ( 2 ) 乘法器。l f 2 4 0 7 ad s p 采用一个1 6 1 6 位的硬件乘法器，可以在单个周期 内产生一个3 2 位的有符号或无符号乘积结果。除了m p y u 指令( 无符号乘法指令) ，所 有的乘法指令均执行有符号的乘法操作。乘法器接收的两个乘数，一个来自1 6 位的临 时寄存器( t r e g ) ，另个通过数据读总线( d r d b ) 取自数据存储器，或通过程序读总 线( p r d b ) 取自程序存储器。两个输入值相乘后，3 2 位的乘积结果保存在3 2 的乘积寄 存器( p r e g ) 中。p r e g 的输出连接到乘积定标移位器，通过乘积定标移位器( p s c a l e ) ， 乘积结果可以从p r e g 传到c a l u 或数据存储器。 乘积定标移位器( p s c a l e ) 对乘积结果采用4 种乘积移位方式，移位方式由状态寄 存器s 的乘积移位方式位( p m ) 指定。这些移位方式对于执行乘法累加操作、进行 小数运算或者进行小数乘积的调整都很有用。 不管把p r e g 寄存器中的乘积传输至c a l u 还是数据总线，都要通过乘积定标移位器 ( p s c a l e ) 。由于在数掘传输过程中p s c a l e 的值受p m 位所规定的乘积移位方式的影响， 在执行中断服务程序前，必须对p r e g 的值进行保存，可通过执行m p y # o 指令将p r e g 寄 基于d s p 的c o z 焊焊缝跟踪电弧传感器殴计 存器清0 。当把被保存的低1 6 位字传送t r e g 寄存器并执行一条m p y g l 指令后，乘积寄 存器中的值可恢复。再通过l p h 指令，高1 6 位字也可传送t r g e 寄存器。 ( 3 ) 中央算术逻辑单元。中央算术逻辑单元( c a l u ) 实现大部分算术和逻辑运算 功能，而且大多数的功能都只需一个时钟周期。这些运算功能包括：1 6 位加、1 6 位减、 布尔运算、位测试以及移位和循环功能。c a l u 的位移和循环在累加器中完成。c a l u 之 所以被称为中央算术逻辑单元，在于它是一个独立的算术单元，它和后面要介绍的辅助 寄存器算术单元( a r a u ) 在程序执行时是完全不相关的两个模块。一旦操作在c a l u 中 被执行，运算结果会被传送到累加器中，在累计器中再实现附加操作如移位等操作。 当来自数据总线( d r d b 或p r d b ) 之一，或者来自乘法器的数据被p a s c l e 定标，则输入 到c a l u 的数据可以由i s c a l e ( 输入数据定标移位器) 实现定标。 c a l u 是一个通用目标算术逻辑单元，它可以操作来自数据存储器或者来自立即操 作指令的1 6 位数。除了一般的算术指令，c a l u 可以执行布尔运算操作，使得高速控制 器所要求的位操作很容易。c a l u 有两个输入，一个由累加器提供，另一个由乘积寄存 器( p r e g ) 或数据定标移位器的输出提供。当c a l u 执行完次操作后将结果送至3 2 位 累加器，由累加器对其结果执行移位操作。累加器的输出送到3 2 位输出数据定标移位 器，经过输出数据定标移位器，累加器的高、低1 6 位字可分别被移位或存入数据寄存 器。 对于一个要求大动态范围的应用，l f 2 4 0 7 ad s p 可以支持浮点操作。n o r m ( 归一 化) 指令可以通过数据左移，用于对包含在累加器中的浮点数据定标。t r e g 的4 位通 过定标移位器位l a c t a d d t s u b t 指令定义一个变量。这些指令对浮点运算是有用的， 因为计算时浮点数据需要向定点数据转换。基于包含在t r e g 的低有效位( l s b 。) 的4 位，b i t t ( 位测试) 指令对数据存储器中的一个字进行位测试操作。 ( 4 ) 累加器( a c c ) 。当c a l u 中的运算完成后，其结果就被送至累加器，并在累加 器中执行单一的移位或循环操作。累加器的高位和低位字中的任意一个可以被送至输出 数据定标移位器，在此定标移位后，再保存于数据存储器。 ( 5 ) 输出数据定标移位器。输出数据定标移位器存储指令中指定的位数，将累加 器输出的内容左移o 7 位，然后用s a c h 或s a c l 指令将移位器的高位字或低位字存到 数据存储器中。在此过程中，累加器的内容保持不变。 ( 6 ) 辅助寄存器算术单元( a r a u ) 。该算术单元独立于中央算术逻辑单元( c a l u ) ， a r a u 的主要功能是在c a l u 操作的同时执行8 个辅助寄存器( a r o a r 7 ) 中的算术运算。 这8 个辅助寄存器提供了强大而灵活的问接寻址能力，利用包含在辅助寄存器中的1 6 位地址可以访问6 4 k 字的数据空间中的任意单元。为选择一个特定的辅助寄存器，需向 状态寄存器s t o 中的3 位辅助寄存器指针( a r p ) 中传送o 7 的数值。可以通过m a r 指 令或l s t 指令把装载a r p 作为主要操作来执行，电可以通过任何支持间接寻址的指令把 装载a r p 作为辅助操作来执行，其中m a r 指令仅用于修改辅助寄存器和a r p ，而l s t 指 令可通过数据总线( d r d b ) 把一个数据存储器的值传送到$ t o 。由a r p 所指定的寄存器 河海犬学硕士研究生论文第三章电弧传感器硬件平台的措建 被当作当前辅助寄存器或当前a r 。在一条指令执行的过程中，当前辅助寄存器存放被 访问的数据存储器的地址。若指令需要从数据存储器读数，则a r a u 将该地址送至数据 读地址总线( d r a b ) ；若指令需要向数据存储器写数据，则a r a u 将该地址送至数据写地 址总线( d w a b ) 。当指令使用完数据后当前辅助寄存器的内容可以被a r a u 增加或减小。 a r a u 可以实现无符号的1 6 位算术运算。 一般地说，在流水线的译码阶段( 即当指令所指明的操作正在被译码时) ，a r a u 执 行其算术运算。这使得在下一条指令的译码阶段之前能够产生本条指令的地址。但有一 种情况例外，在处理n o r m 指令时，是在流水线的执行过程中完成对辅助寄存器的修改。 3 3d s p 系统中3 v 与5 v 逻辑电平接口 l f 2 4 0 7 ad s p 的供电电压是3 3 v ，其逻辑电平是3 。3 v 的电平，目前市场上有很多 5 v 电源的逻辑器件和数字器件可用，因此，在设计中3 v ( 含3 3 v ) 的逻辑系统和5 v 逻辑系统共存，而且，不同的电源电压在同一电路板中混用。不同电源电压逻辑器件间 的接口问题将在很长一段时间内共存。1 。 3 3 ，l 逻辑电平不同导致接口时出现的问题 在混合电压系统中，不同电源电压的逻辑器件相互接口时存在以下3 个主要问题： 加到输入和输出引脚上允许的最大电压的限制问题；两个电源间电流互串问题；必须满 足的输入转换门限电平问题”“。 器件对加到输入脚或输出脚的电压通常是有限制的。这些弓l 脚有二极管或分离元件 接v 。如果接入的电压过高，则电流将会通过二极管或分离元件流向电源。注意：持 续的电流将会损坏二极管和电路元件。在等待或掉电方式下时，3 v 电源降落到o v ，大 电流将流通到地，这使得总线上的高电压被下拉到地，这些情况将引起数据丢失和元件 损坏。必须注意的是：不管是在3 v 的工作状态或是0 v 的等待状态都不能允许电流流向 v 。另外，用5 v 的器件来驱动3 v 的器件有很多种不同情况，同样t t l 和c m o s 问的转 换电平也存在不同情况。驱动器必须满足接受器的输入转换电平，并要有足够的容限和 保证不损坏电路元件。 目前，有一些设计有保护电路的3 v 的逻辑器件具有5 v 的输入容限，它们是l v c 、 l v t 、a l v t 、l c x 、l v x 、l p t 和f c t 3 等系列。此外，还有不带总线保持输入的飞利浦a l v c 器件。 3 3 2 几种l f 2 4 0 7 ad s p 与5 v 器件接口 ( 1 ) 5 vt t l 输出至3 。3 vd s pc m o s 输入： 假设5 vt t l 器件供电电压达到其最大的额定供电电压5 2 5 v ，t t l 的输出电压典型 值为3 4 v 。无负载时是4 0 5 v ，3 3 vd s p 引脚最大输入电压是( v 。+ 0 3 v ) ，考虑最坏 的情况，设v 。= 3 o v ，那么这时两种逻辑电平最大电压差为0 7 5 v 。如果想限制其流入 电流为7 5 u a 可以在t t l 输出和3 3 vc m o s 输入之间接一个l o f t 的电阻，如图3 2 所示。 堆于d s p 的c 0 2 焊焊缝跟踪电弧传感器殴计 但是，这会使得输出有一个r c 常数的延迟，这个延迟为i o k 5 p f = 5 0 n s 。 ( 2 ) 5 vc m o s 输出至3 。3 vd s pc m o s 输入： 如果5 vc m o s 器件供电电压为5 2 5 v ，那么5 vc m o s 输出在无负载时为5 2 5 v ，那 么这时的逻辑电平之差为1 9 5 v ，这时可以使用一个电阻分压网络，如图3 3 所示，使 用r i = 1 8 k ，r 2 = 2 2 k ，这样，5 2 5 的c m o s 输出电压将会产生2 9 v 的d s p 输入，d s p 的输入阻抗变为9 9 k o h m s