（材料加工工程专业论文）基于dsp的co2焊接电源数字化控制系统的研究.pdf

中文摘要 由于c 0 2 焊接具有高效率、低成本而广泛应用于低碳钢和低合金钢以及各种 位置焊接中。但是，由于c 0 2 焊接飞溅较大，使其在高质量要求产品的焊接中的 应用受到限制。近年来，在c 0 2 焊接中采用波形控制来减少焊接飞溅的研究日益 深入。由于传统的模拟控制在控制精度、速度和稳定性上很难满足波形控制的要 求，因此在现代弧焊电源及c 0 2 焊接波形控制中应用数字化技术具有重要的理论 意义和实际应用价值。 本论文对m c u 和d s p x 2 处理器弧焊电源数字控制系统进行了研究，其中重点 研究了d s p 数字控制系统。该数字控制系统包括硬件系统和软件系统。其中，硬 件系统包括d s p 最小单元电路、电压和电流采样电路、c 0 2 焊接短路起始点与“液 态小桥”即将爆断点的检测电路、偏磁和过流保护电路等；软件系统包括相位差 1 8 0 的双路p w m 信号产生程序、a d 转换程序、p i 控制程序、异步通信程序以及 各种保护程序等；构建了弧焊电源数字控制研究的平台，为弧焊电源的数字化控 制技术的深入研究创造了条件。 本文通过实验方法建立了电源数字控制系统仿真模型，利用m a t l a b 仿真软 件确定了c 0 2 焊接p i 控制规则和参数。 本文进行了相关的实验研究，研究结果表明，本文研究的数字化控制系统硬 件电路与软件程序均达到了设计要求；采用该数字化控制系统可以进行弧焊电源 的数字化控制技术研究；采用该系统实现y c 0 2 短路过渡焊接。 关键词：弧焊电源：数字控制；d s p ( 数字信号处理器) ；c 0 2 焊接 a b s t r a c t o na c c o u n to ft h eh i g he f f i c i e n c yo fw e l d i n ga n dl o wc o s t ，c 0 2w e l d i n gi s w i d e l yu s e do nm i l ds t e e l ，l o wa l l o ys t e e la n da l l - p o s i t i o nw e l d i n g b u ti ti sb a d l y r e s t r i c t e dt ob eu s e di nh i g hq u a l i t yp r o d u c t i o nw e l d i n gb e c a u s eo fn u m b e r so f s p a t t e r si nc 0 2w e l d i n g i nr e c e n ty e a r s ，t h es t u d yw h i c ha d o p t st h ew a v e f o r mc o n t r o l t or e d u c et h ew e l d i n gs p a t t e rh a sb e e ng o i n go np r o f o u n d l yd a yb yd a y i ti sd i f f i c u l t f o ra n a l o gc o n t r o lt os a t i s f yt ot h er e q u i r e m e n to fw a v e f o r mc o n t r 0 1 s oi ti so f s i g n i f i c a n c ea n du s e f u lv a l u et oa p p l yt h ed i g i t a lt e c h n o l o g yi n t om o d e mp o w e r s o u r c ea n dc 0 2 w e l d i n gw a v e f o r mc o n t r 0 1 i nt h i sp a p e r , t h es t u d yo f d i g i t a lc o n t r o ls y s t e mo fd u a l - p r o c e s s o rc o n s i s t e so f m c ua n dd s pw a se x e c u t e d ，e s p e c i a l l yw a sp a i dm o r ea t t e n t i o nt od s pc o n t r o l s y s t e mw h i c hi n c l u d e st h eh a r d w a r es y s t e ma n ds o f t w a r es y s t e m t h eh a r d w a r e i n c l u d e st h em i n i m u ms y s t e mo fd s p , v o l t a g ea n dc u r r e n ts a m p l ec i r c u i t ，d e t e c t i v e c i r c u i to ft h ek e yt i m eo fc 0 2w e l d i n gs h o r t - c i r c u i ts t a r t n e s sa n de n d n e s s ，m a g n e t i c b i a s i n ga n do v e r c u r r e n tp r o t e c t i v ec i r c u i t t h es o f t w a r es y s t e mi n c l u d e sp r o g r a mo f t w o - c i r c u i tp w m s i g n a lb e t w e e nw h i c ht h e r ew a sp h a s i cd i f f e r e n c eo f18 0d e g r e e d ， a dc o n v e r s i o n ，p i dc o u n t i n gs u b r o u t i n e ，a s y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t i o nb e t w e e n d s pa n dm i c r o - c h i pu n i t ( m c u ) ，p r o t e c t i v ep r o g r a ma n ds oo n af i a t - f o r mw a s c o n s t r u c t e dt os t u d yd i g i t a lc o n t r o lo ft h ea r cp o w e ra n dac o n d i t i o nw a sc r e a t e dt ot h e p r o f o u n ds t u d yo fd i g i t a lc o n t r o lt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , s i m u l a t i o nm o d e la b o u tt h ep o w e rd i g i t a lc o n t r o ls y s t e mw a ss e tu p b ye x p e r i m e n ta n dt h ep a r a m e t e r so fp ic o n t r o lr u l ew e r ef o u n db yt a k i n gm a t l a b a sa t 0 0 1 s o m er e l a t i o n a l e x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u t t h er e s u l ts h o w st h a tt h e h a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r ep r o g r a md e s i g n e di n s t u d yw e r eb o t hf i t t ot h e r e q u i r e m e n t ，t h a tt h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e md e s i g n e di n t h i sp a p e rc o u l db eu s et o s t u d yo nt h ed i g i t a lt e c h n o l o g yo fa r cw e l d i n gp o w e rs o u r c e ，t h a tc 0 2s h o r t c i r c u i t t r a n s f e rw e l d i n gc o u l db er e a l i z e d k e yw o r d s ：a r cw e l d i n gp o w e rs o u r c e ，d i g i t a lc o n t r o l ，d s p ( d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s i n g ) ，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 研究成果，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 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘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了谢意。 学位论文作者签名：- 4 a 4 誊 签字同期： 2 矿驴7 年2 月7 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞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 索，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 向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) 学位论文作者签名：寺超书卜 导师签名：胡绳玛、i ， 签字日期2 洲7 年2 月7 日签字日期一7 秘月夕曰 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 数字化焊接电源系统简介 在2 l 世纪的今天，由于数字化技术的巨大优越性，数字化产品已经无处不 存于我们的生活当中，它使我们的生活越来越丰富。无一例外，对于工业自动化 而言，数字化更是得到了充分发展。在焊接领域里，也已经开始进入了数字化的 阶段。 1 1 1 数字化焊接电源系统结构 所谓数字化【l 】，是指按照一定的规则把连续的物理变量用0 l 编码的数字形 式来表示。将数字化技术应用于焊接电源控制系统，能更加灵活有效地实现模拟 电路所无法实现的控制方案，因此目前数字化焊接电源技术成为焊接电源领域的 一种发展趋势。 一般来讲，数字化焊接电源是指焊机主要的控制电路由数字控制技术替代传 统的模拟控制技术【2 1 ，且在控制电路中的控制信号也由模拟信号过渡n o 1 编码 的数字信号。焊接电源在经历了弧焊发电机、交流焊接变压器、硅弧焊整流器之 后，现在已经发展到了弧焊电源逆变技术【3 1 。该技术自上世纪7 0 年代问世以来得 到了迅猛发展，到9 0 年代已经发展相当成熟，使电源具有良好的动态响应性能， 为改善c 0 2 焊的工艺性提供了良好的条件。而这里所指的数字化焊接电源亦主要 就是采用数字化控制技术与逆变技术相结合的焊接电源，这是当前数字化电源发 展的必然方向。 从焊机系统角度出发，所谓的数字化焊机主要包括以下四个方面 4 , 5 1 。 ( 1 ) 弧焊电源主电路的数字化弧焊电源从模拟式晶体管、晶闸管弧焊电源 发展到开关式逆变弧焊电源主电路，现在大量应用的开关器件主要有s c r 、g t r 、 m o s f e t 、i g b t ，开关频率由3 k h z 发展到1 0 0 k h z ，逆变式弧焊电源电路的基本 结构如图1 1 所示，从图中可以看出，主电路的数字化是利用了开关电路的导通 与关闭来实现系统功率的输出的控制。这样做的好处体现在两个方面： 1 ) 弧焊电源的功率损耗大大减少，使得弧焊电源的效率达到了9 0 以上； 2 ) 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 天津大学硕士学位论文第一章绪论 弧焊电源可以获得更好的动态响应特性。 图1 1 逆变式弧焊电源电路的基本结构 ( 2 ) 控制电路的数字化这方面的技术应用发展非常快，数字控制系统结构 由微控制器( m c u ) 、数字信号处理芯片( d s p ) 或微处理器与数字信号处理器组合 构成，利用数字信号处理芯片等处理器对焊接过程的电信号进行实时数字信号处 理，采用软件来实现焊接过程的信息控制。 ( 3 ) 人机接口技术人机交互系统是人机最直接的操作界面，是操作者向计 算机输入信息、发出指令及观察现场参数和信息的窗口，具有友好性、灵活性、 功能性、明确性、一致性、可靠性等特点。 ( 4 ) 系统网络化利用数字化焊接电源的数字化接口，实现焊接电源系统与 互联网的通信，这样一方面可以在网上控制和监控焊接过程，保证焊接质量；另 一方面焊机可以通过计算机从网上下载软件到焊接电源系统中，便于焊机升级和 功能的改进，图1 2 为数字化焊接电源系统的功能图。 图1 2 数字化焊接电源系统的功能图 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 2 数字化焊接电源的优点 与非数字信号( 信息) 相比，数字信号( 编码) 具有传输速度快、容量大、 放大不易失真，抗干扰能力强，保密性好，便于计算机操作和处理等优点，决定 了数字化焊接电源具有模拟焊接电源所不具有的优点【2 6 7 1 。 1 ) 控制系统设计、开发的自由度大大提高，更加便于系统升级。因为外特性 是利用软件来实现的，所以同样的硬件结构，可以通过不同的软件来实现多种外 特性以适应不同焊接方法的要求，从而实现一机多用。此外，还可以通过通信接 口与焊机进行联系，调整固化在芯片内部的程序，根据要求改变参数，或者为焊 机赋予更多的功能。 2 ) 系统的控制性能得到了很大的提高。数字化电源可以避免模拟电路中大量 模拟器件固有的参数漂移等误差的产生，容易得到理想的控制特性，使现代智能 控制理论的实现成为可能。 3 ) 数字电路替代了传统的模拟电路，使焊机的结构简化，可靠性和易维修性 得到了提高，无需对参数的漂移等进行调整和补偿，系统的性能不受原器件特性 的影响，提高了系统性能的稳定性和抗干扰能力。 4 ) 可以实现便捷的人机交互功能。随着高性能的数字信号处理器的出现，人 机交互功能显得越来越完善，同时也为用户带来了越来越方便快捷的操作。在自 动化焊接过程中，操作者只须按动操作界面上的按钮便可方便地进行相关焊接操 作，如参数设置、特性选择、焊接启动或停止等。 5 ) 易实现网络化控制。数字化焊接电源采用具有标准网络接1 2 1 的d s p 处理 器，可以和其它设备间非常方便地进行大量信息的交换。现在市场上已经出现具 有有线或无线网络功能的数字化焊机产品，比如l i n c o l i lp o w e rw a v e a c d c l 0 0 0 已经具备了基于i e e e 8 0 2 1l bw i f i 网络协议的无线网络功能。 1 1 3 数字化焊接电源发展历程 数字化焊机的发展经历了一个由简单到复杂，由单机到多机控制的过程。 1 1 单片机( m c u ) 控制。采用该控制的典型例子有k e m p p im a s t e r5 0 0 。该系统 只采用单个单片机为核心来实现控制，仅仅完成了参数给定和程序管理的功能， 无法实时计算，进行电参数的实时控制。可以说不能称之为真正意义上的数字化 焊接电源。 2 ) 数字信号处理器( d s p ) 控制。由于d s p 具有高速运算能力，因此单独以其 为核心控制，可以实现实时计算，包括p i d 计算、p w m 信号产生、采样等，并实 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 时进行控制。可以称得上是真正的数字化逆变焊接电源。 3 ) d s p 与m c u 联合控制。虽然d s p 运算速度很快，但如果仅采用d s p 来实现 控制的话，由于还需要进行焊接程序管理的功能，必然会浪费d s p 的宝贵资源， 不能很好地实现焊接过程的动态控制。因此，将d s p 与m c u 联合来实现控制，不 仅能快速实现良好的柔性控制，而且还能实现其它功能的灵活控制，现在数字化 焊机正向着该方向发展。随着高速d s p 的出现，单处理器控制将会完成全部功能 成为可能。 1 2c 0 2 焊接概述 c 0 2 焊是5 0 年代初期发展起来的一种新的焊接技术，是利用c 0 2 气体作为一 种保护气体以及电离介质来实现正常的焊接。和其它电弧焊相比，c 0 2 焊接具有 以下一些特点f 8 】： 1 ) 生产率高c 0 2 电弧的穿透力强，熔深大而且焊丝熔化率高，所以熔敷速 度快，生产率可比手工焊高1 3 倍； 2 ) 焊接成本低c 0 2 气体是酿造厂和化工厂生产中伴随的一种副产品，成本 相对来说非常低： 3 ) 能耗低c 0 2 电弧焊和药皮焊条手弧焊相比，具有优越的节能效果。据统 计，3 m m 厚的低碳钢板对接，每米消耗的电能，前者为后者的4 0 ； 4 ) 适用范围广不论何种位置都可以采用该种焊接方法。薄板可以焊到l m m 左右，最厚几乎不受限制，( 需采用多层多道焊) 。而且焊接薄板时，较之气焊速 度快、变形小； 5 ) 易实现监控焊后不需要清渣，又因是明弧，便于监视和控制，有利于实 现焊接过程的机械化和自动化； 6 ) 钢材焊接保护效果好由于c 0 2 气体密度较大，并且受电弧加热后体积膨 胀也较大，所以在隔离空气保护焊接熔池和电弧方面效果良好。 正是由于c 0 2 有着上述优点，现在该焊接方法已经在我国造船、机车制造、 汽车制造、石油化工、工程机械、农业机械等工业部门中获得了日益广泛的应用。 每种焊接方法有其优点，但也有其缺点。c 0 2 焊接也不例外，其缺点主要有 以下： ： 1 ) 金属飞溅严重。c 0 2 焊接最大的缺陷就是飞溅严重，影响了焊缝的美观； 2 ) 焊接氛围氧化性强，不适用于易氧化材料的焊接。目前主要用于焊接低碳 钢、低合金钢等黑色金属以及对焊缝要求性能不高的不锈钢的焊接； 3 ) 易产生气孔； 4 天津大学硕士学位论文第一章绪论 4 ) 合金元素烧损严重。 从焊接成型角度来讲，金属飞溅是影响焊缝外观的主要影响因素，同时也影 响到焊接效率。因此，控制c 0 2 焊接飞溅成为该焊接技术的一个主要研究方向。 1 3 数字化c 0 2 焊接电源研究现状、意义及发展前景 针对c 0 2 飞溅严重的问题，长时间以来，国内外许多学者从多个角度着手对 c 0 2 焊接进行了深入研究，取得了一定的进展，有从工艺角度来进行研究，有从 电源角度来进行研究，为减少c 0 2 焊接飞溅的产生提供了许多的有价值的解决方 法，如：脉动送丝法、切换电源外特性法、焊接电流波形控制法以及使用药芯焊 丝等方法。其中电流波形控制法的设备简单、效果明显，受到普遍关注【9 】。 c o z 焊接短路过渡波形控制如果依赖以往的模拟电路来实现，不仅设备上复 杂，而且精确度不高，无法精确地进行短路过渡控制。随着数字信号技术的发展， 为精确波形控制的实现提供了坚实的技术基础。目前国外许多厂商都推出了相应 的数字化焊机，如f r o n i u s 、p a n o s o n i c 、k c m p p i 等公司都推出了各自的数字化焊 接电源产品。在我国，数字化c 0 2 焊接电源还处于刚刚起步的初级阶段，上海交 通大学、甘肃工业大学、北京工业大学、兰州理工大学、华南理工大学、天津大 学等高等院校以及北京时代公司等焊机生产厂家都在开展数字化c 0 2 焊机的研 究，但是距离国外该领域的研究和应用还有一定的差距 j 0 l 。 虽然数字化c 0 2 焊接电源具有模拟控制电源所不具有的种种优点，但仍存在 诸如用户可操作的空间不大、对不同焊接方法的适应性不强、通讯接口设计较为 单一以及设备抗干扰能力差等问题，需要不断完善【i 卜1 4 】。 研究数字化c 0 2 焊接电源具有非常重大的意义。它的不断发展可以推动整个 焊接技术的进步，提高我国焊接技术在国际焊接领域中的地位，并进一步提高我 国工业生产的整体水平。 数字化焊机是计算机技术与焊接技术“融合”的产物，其发展必然以服务于焊 接生产为目的。当前，数字化焊机比较多地以相对独立的系统形式存在，但是自 动化焊接生产才是数字化焊机真正的用武之地。因此，数字化焊机发展前景主要 是： 1 ) 在机器人焊接系统中集成数字化焊机，利用其较强的数字通讯能力，发挥 数字化焊机稳定的、优异的焊接工艺性能； 2 ) 网络化焊接，将数字化焊机组成网络，工艺调试、质量监控和管理网络化； 3 ) 柔性制造，数字化焊机将多种工艺集于一身，以其为基础组成的焊接加工 系统具备一定的柔性，可以一定程度上满足不同材质、不同工件对焊接工艺的不 天津大学硕士学位论文第一章绪论 同需要： 4 ) 智能化，在数字化的基础上，要进步研究焊接电弧物理和焊接工艺，在 常规控制基础上要发展智能化。 1 4 本文研究的目的和主要研究内容 本文主要针对c 0 2 焊接过程飞溅大的问题，采用数字化技术来进行相应的动 特性的控制，从而实现减小焊接飞溅。为此，本文主要研究内容有： 1 ) 基于m c u + d s p 双处理器的弧焊电源数字化控制系统的设计，重点完成 d s p 控制系统的设计以及相关硬件电路的研究、设计与实现； 2 ) 针对c 0 2 焊接短路过渡的特点，设计了特征点信息采样及判断电路，并应 用了m a t l a b 软件对控制系统进行仿真研究，确定p i 控制规则和相关参数； 3 ) 基于d s p 控制硬件系统，针对c 0 2 焊的波形控制，进行d s p 数字化控制软 件的设计，实现了双路带死区的p w m 信号的输出，以及多通道a d 转换程序、d s p 与m c u 通信、波形控制等程序。 6 天津大学硕士学位论文第二章c 0 2 焊接短路过渡波形控制理论及研究方案 第二章c 0 2 焊接短路过渡控制理论及研究方案 c 0 2 焊短路过渡焊接被广泛应用于低碳钢、低合金钢的中、薄板焊接中， 具有高效、节能、低氢、低成本、变形小以及可以进行全位置焊接等优点，是一 种易于实现自动化的焊接方法。但其在使用中存在着两个缺点：飞溅大和焊缝成 型欠佳，这是进一步推广c 0 2 焊所需克服的两个突出问趔1 5 1 。 2 1 c 0 2 焊飞溅产生机理【5 l 每2 1 】 c 0 2 作为一种熔化极气体保护焊接，其熔滴过渡形式主要有：射滴过渡、短 路过渡以及含有瞬时短路的排斥滴状过渡三种。对于稳定的短路过渡来说，焊接 过程处于燃弧与短路不断交替状态，其焊接电流处于周期性地变化，致使在焊接 过程中，容易出现大量的飞溅，从而影响焊缝的成型质量。 经过多年的研究，人们逐渐摸清了飞溅产生的原因。通过选择合理的焊接参 数，采用优质的焊材，可减少飞溅。c 0 2 焊接短路过渡过程所产生的飞溅主要包 括短路初期的瞬时短路飞溅和短路末期的电爆炸飞溅。短路初期，如果熔滴在比 较大的电流下与熔池发生接触或者接触后短路电流的上升速度过快，则熔滴往往 来不及在熔池表面铺展开，便被迅速增长的电磁力排斥出熔池而形成飞溅，此时 飞溅被称为瞬时短路飞溅；在短路过程的最后阶段，苏联学者宾丘克、扎鲁巴和 日本学者安藤等指出的电爆炸理论认为，短路电流急剧增加，流体在短路电流产 生的电磁力的作用下截面不断缩小，最终形成液体小桥，液体小桥处的流体金属 被迅速加热，造成了过剩能量的积聚，最后导致液体小桥发生汽化爆炸，所形成 的飞溅就被称为电爆炸飞溅。这是目前广为人们所接受的电爆破理论。爆炸中的 能量为液体小桥中所积聚的总的气化热斛5 】： 辟= r d 2 f l q ( 2 1 ) 式中 尺。一爆炸时液桥的半径( m ) ， ，一液桥的长度( m ) ， q 一金属的气化热( j m 3 ) 。 天津大学硕士学位论文第二章c 0 2 焊接短路过渡波形控制理论及研究方案 从图2 1 中可以看到c 0 2 焊接过程电压及电流波形变化。 图2 1 短路过渡电压电流波形 t 一周期；t l 一电弧燃烧时间；t 2 短路电流上升时间：t 卜电雎恢复时间；晦燃弧到短路过渡时阊； l 矿短路峰值电流；i 广平均焊接电流；u 广电弧电压 2 2 控制飞溅措施 在绪论中，已经提到了控制飞溅的产生主要从两个角度来进行研究：个工 艺角度，一个是电源角度。从电源角度来研究，也就是对设备的动特性进行研究， 这一研究贯穿于c 0 2 焊接设备的整个发展过程。随着电力电子技术的发展，控制 飞溅的方法也不断演变和进步。 1 、传统设备 传统设备对于短路过渡的控制主要是依靠串联在电路中的电感来实现短路 时电流的上升速度d i d t 以及短路峰值电流i s d 的控制。这因为电感量的大小对于电 流波形的影响很大。当电感量小时，d i d t 大，i s d 也大，燃弧电流衰减很快，并接 近于0 ，如图2 - 2 ( a ) 。当电感合适时，d i d t 较小，i s d 不高，燃弧电流衰减较慢， 如图2 - 2 ( b ) 。当电感较大时，d i d t 很小，短路峰值电流i s d 保持一段时间之后小桥 才能爆断，如图2 - 2 ( e ) 。显然，电感较小时，容易产生小颗粒飞溅，而电感较大 时容易产生大颗粒飞溅，当电感很大时，由于d i d t 很j , ，焊丝与熔池接触处来不 及爆断，而使焊丝与熔池发生固体短路，难以爆断。传统设备都使用铁磁电感， 天津大学硕士学位论文第二章c 0 2 焊接短路过渡波形控制理论及研究方案 比较笨重，且难以改变电感量，只适用于某一直径焊丝的某一段电流区间。 h ) t c ) 1 ， 图2 2 电感量对电流波形的影响 a ) 小电感b ) e e 电感c ) 大电感 2 、带有电流波形控制晶闸管整流弧焊机 主要是利用晶闸管整流弧焊机的可控性特点，通过电路参数来调节动特性。 该回路中的d i d t 不仅受到回路中的电感的影响，也可以通过改变短路时的电源 输出来调节。短路电流上升速度如式( 2 2 ) 所示： 磊d = ( i m i m ) ( 半) p 半。 ( 2 - 2 ) 7 f 式中：i m 一短路时稳态电流( a ) ，i m = r o l + r d ； i m 燃弧时稳态电流( a ) ，i m 2 瓦了e 2 i - 鬲0 2 ； 凡一焊机内阻( q ) 5 r d 焊丝干伸长电阻( q ) ； u z _ 弧长接近于0 时的电弧电压( v ) ； e l 一短路时的电源电压( v ) ； e r 燃弧时电源电压( v ) 。 从式( 2 2 ) 可以看出，如果将短路时的电源电压e 1 降低，不但可以降低短路电 流上升速度，还可以控制短路峰值电流，对于焊接飞溅可以大大减少。该设备由 于采用晶闸管，其控制频率约为3 0 0 h z ，电源的时间常数与短路周期大约为同一 数量级，难以对每一次短路都能进行控制。 9 ； 0 ； o 一 d 天津大学硕士学位论文 第二章c 0 2 焊接短路过渡波形控制理论及研究方案 3 、采用电子电抗器控制的逆变焊机 该控制思想是利用可控电子电抗器代替固定的铁心电感。由于电子电抗器的 均匀可调性使得该类焊机较之以往的传统焊机而言，它具有适应范围广，灵活性 高的特点，而且能够保证逆变焊机的响应速度快的特性。它可以根据焊接需要， 可以十分方便地对其进行均匀调节，实现对电流波形的控制，使之达到最佳配合， 以减少焊接过程中的飞溅。 4 、多阶梯输出外特性控制焊接电弧【1 7 】 这种方案的思想基于c 0 2 焊接过程各阶段需要不同的电源外特性，针对特定 阶段，定时切换电源外特性。其方法实质上与电流波形控制类似，不同之处是不 同的外特性对电弧具有不同的调节作用。这种方法不仅可以改善c 0 2 焊的熔滴过 渡行为，而且还可以起到平衡熔化和送丝过程的作用。其外特性由一条恒压特性， 三条恒流特性和两条上升特性组成。如图2 3 所示。 t 图2 3 双阶梯输出外特性控制示意图 电弧工作点在三条恒流特性之间跳动。该方法可以有效地减少焊接飞溅，但 是复杂的外特性曲线需要复杂的控制系统，且随着焊接参数的改变，外特性曲线 也需作相应调整，设计上比较复杂。 5 、精确电流波形控制焊机 随着电子技术的高度发展，新型高速逆变器件如i g b t 等的出现，使焊机的 逆变频率越来越高，为实现c 0 2 焊接短路过渡的精确控制提供了硬件基础，可以 实现将每个短路周期细分，在不同的阶段实现精确的电参数控制，从而达到减少 飞溅的效果。要实现这一工艺过程的焊接设备不是简单的恒流或恒压控制，而是 一种特殊的电流波形控制的焊机。目前，随着数字化技术的发展，尤其是数字信 号处理器以及微控制器的快速发展，该类焊机正向着数字化方向发展，而且越来 越成熟。 1 0 天津大学硕士学位论文第二章c 0 2 焊接短路过渡波形控制理论及研究方案 2 3 波形控制理论及研究设计方案 从实际经验中可以知道，短路过渡频率通常为3 0 1 5 0 h z ，根据电爆炸理论， 电爆破能量主要由液体小桥爆破前1 0 0 1 5 0 9 s 内的短路电流所决定的。可见飞 溅是在极短暂的时间所发生的行为。为了控制这一动态过程，则需要设备具有很 高的响应速度，也就是对设备的动特性提出了较高的要求。随着电力电子技术的 发展，i g b t 应用于逆变式弧焊电源，实现了2 0 k h z 以上的响应频率，为精确分 析和控制熔滴过渡过程的电流、电压波形奠定了硬件基础。 所谓的波形控制实质上是指焊机控制系统能够根据c 0 2 焊熔滴过渡的特点 以及基于电弧物理的认识，将c 0 2 焊接过程进行细分，在不同的阶段采用不同的 电压、电流波形，以达到减少飞溅的效果。 波形控制理论自提出以来受到了很多的关注，并给与了高度重视。这方面苏 联学者做的比较多，提出了几十种电流、电压波形。日本学者于8 0 年代借助于 先进的电子技术对电流、电压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，使电流值和电压值在短路期间和燃弧期 间按照预定的曲线变化。国内在这方面的研究同样始于8 0 年代，十几年来在这 方面也取得了很大的进展。综合当前国内外波形控制法的研究情况，典型的波形 控制法主要有以下几种：表面张力过渡控制法，能量控制，并联式电流波形控制 等。尽管波控方法多种多样，但最终都是依赖控制飞溅产生的两个关键时刻的电 流大小以及电流的上升速率d i d t 、短路电流峰值i s d 。由于焊接过程是一个动态过 程，因此波形控制不应该是一个固定不变的波形，而是需要根据实际焊接状态不 断改变的，其关键是波形转换时刻的判断，主要包括短路开始、结束时刻，液体 小桥即将断开时刻等三个信号。在所有的焊接信号中，电压信号是比较容易检测， 而且在短路过渡中，电压信号变化也是非常明显的，因此利用电子技术设计短路 开始、结束时刻以及液体小桥即将断开时刻等关键信号检测硬件电路来实现检 测。该信号检测的即时准确性，对于c 0 2 焊接短路过渡波形控制非常重要，是实 现灵活控制以达到减小焊接飞溅目的的重要保证条件。 2 4本章小结 本章在分析了c 0 2 焊接短路飞溅产生机理并通过研究各种控制措施特点以 及发展进程。结合目前本领域的研究情况，总结出c 0 2 焊接短路过渡的波形控制 的关键所在，进而设定了本文的研究方案，为后面的硬件系统及软件系统的设计 提供设计指导。 天津大学硕士学位论文第三章系统总体设计和硬件控制电路设计 第三章系统总体设计和硬件控制电路设计 3 1 数字化焊机系统总体设计 目前的数字化焊机是指数字化控制与逆变技术相结合的焊机，主要包括主电 路的数字化以及控制电路的数字化。由于焊接过程需要处理的数据量比较大，单 一的单片机是难以处理这样的数据，随着数字信号处理器的性能的不断提高，及 其开发工具越来越多，越来越好，使得d s p 器件及技术得以普及。就二者功能而 言，d s p 器件是运算密集型的，而单片机是事务密集型的，各有优缺点。本课题 主要是采用高性能数字信号处理器( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ) 与单片机( m s p 4 3 0 f 1 4 9 ) 结 合实现数字化控制。其整体结构如图3 1 所示( 2 4 猫】： ( 逆变电i 蹄) 图3 - 1 数字化焊机系统结构框图 从图中可以看出，该系统主要包括：主电路和数字控制电路两部分。 主电路采用a c d c a c d c 的形式，逆变电路将整流后5 4 0 v 的直流电 变为2 0 k h z 的交流高压电，然后经过中频变压器降为2 0 k h z 的低压输出，经过 天津大学硕士学位论文第三章系统总体设计和硬件控制电路设计 二次整流后变为一定幅值的直流输出，为焊接提供能源。 数字控制部分主要以单片机( m c u ) 与数字信号处理器( d s p ) 为核心相互配合 完成，二者通过r s 2 3 2 异步通信串口进行数据通信。它们都是t i 公司的产品， 在该系统里，单片机( m c u ) 主要实现了整个c 0 2 焊机的时序管理、参数显示 与参数设置、与上位机通信、送气，并在焊接过程中对送丝机构进行实时控制， 可以为d s p 节省大量资源。d s p 主要是利用其快速的运算能力来实现c 0 2 焊接短 路过渡过程中，不同阶段的实时控制，是系统的控制核心。在程序上利用电压、 电流采样值与给定值的误差进行p i d 计算，得到相应的控制参数耳p p w m 信号的占 空比，利用d s p 的事件管理器模块产生对应占空比的双路p w m 信号，对电源的 输出进行控制，从而实现不同阶段的电压电流的输出波形。根据c 0 2 焊接短路过 渡的机理可知，要进行相应的波形控制，需要即时检测到不同阶段的转换时刻， 尤其是飞溅出现最多的两个阶段的起始及结束时刻。本系统包含了相应的信号检 测电路，并利用d s p 的捕获中断实现调用相应阶段的控制子程序，从而实现不同 阶段的控制。此外，由于防止过程中出现过流等异常信号，该系统还包含了相应。 的信号检测电路，利用d s p 的p w m 输出保护引脚对该信号进行捕获，判断控制 信号，以保护焊机安全使用。 对于电压电流采样转换是利用了d s p 内部自带的a d 转换模块进行，其转换 速度为纳秒级。由于c 0 2 焊接过程是一个极其复杂的过程，其焊接条件造成对周 围电气环境有较大的污染，电压、电流和送丝速度的反馈信号会包含有很多高频 干扰，会对相应的控制运算造成相当大的误差，虽然现在有许多相应的软件算法， 如f i r 滤波或者i i r 滤波等数字滤波算法，但是若要利用d s p 软件进行滤波算法， 必然会额外造成相当多的时间的消耗，会影响到过程控制的实时性。因此，在电 压、电流、送丝速度反馈模拟量输入d s p 之前需要用硬件滤波电路来对该模拟量 进行处理，将干扰去除，然后再输入到d s p ，进行a d 转换，以用于计算。此外， 对于焊接的送丝、送气等也设计了相应的控制电路。 3 2数字信号处理器概述 3 2 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 简介 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 是1 6 位定点d s p ，它将实时处理能力和控制器外设功能 集于一身，为控制系统应用提供理想的解决方案。，i m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片的基本 结构包括： 1 ) 哈佛结构，该结构主要特点是将程序和数据存储在不同的存储器中，即程序存 天津大学硕士学位论文 第三章系统总体设计和硬件控制电路设计 储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问， 与两个存储器相对应的是系统中设置了程序总路线和数据总路线，从而使数据的 吞吐率提高了一倍。由于程序和数据存储在两个分开的空间中，因此取指和执行 能完全重叠； 2 ) 流水线操作，d s p 芯片广泛采用流水线操作，以减少指令执行的时间，从而增 强了处理器的处理能力。处理器可以并行处理2 _ 4 条指令，每条指令处于流水线 的不同阶段； 3 ) 专用的硬件乘法器，乘法速度越快，d s p 的性能越高。由于具有专用的应用乘 法器，乘法可在一个指令周期内完成； 4 ) 特殊的d s p 指令： 5 ) 快速的指令周期，哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的d s p 指 令再加上集成电路的优化设计可使d s p 芯片的指令周期达到了2 5 n s 。 另外，它还具有以下一些特点： 1 ) 采用高1 1 7 1 4 - 台日匕t - , 静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减小功耗；4 0 m i p s 的 执行速度使得指令周期缩短到2 5 n s ( 3 0 m h z ) ，从而提高了控制器的实时控制能 力； 2 ) 片内有高达3 2 k 字x1 6 位的f l a s h 程序存储器( e e p r o m ，4 扇区) ，高达2 5 k 字 x 1 6 位的数据程序r a m ，5 4 4 字双端口r a m ( d a k a m ) ，2 k 字的单口 r a m ( s a r a m ) ； 3 ) s c i s p i 弓l 导r o m ； 4 1 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个均包括如下资源：两个1 6 位通用定时 器；8 个1 6 位的脉宽调f l 割j ( p w m ) 通道。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： 5 ) 可扩展的外部存储器( l f 2 4 0 7 ) 总共具有1 9 2 k x l 6 位的空间，分别为6 4 k 字程序 存储器空间、6 4 k 字的数据存储空间和6 4 k 字的i o 空间； 6 ) 看门狗( w d ) 定时器模块； 7 ) 1 0 位a d c 转换器，其特性为最小转换时间为5 0 0 n s 、8 个或1 6 个多路复用的 输入通道、可选择由两个事件管理器来触发两个8 通道输入a d 转换器或一个1 6 通道输入的a d 转换器； 8 ) 串行通信接口( s c i ) 模块； 9 ) 1 6 位串行外设接口( s p i ) 模块； 1 0 ) 高达4 1 个可单独编程或复用的通用输入输出引脚。 1 4 天津大学硕士学位论文 第三章系统总体设计和硬件控制电路设计 3 2 2d s p 数字化系统设计 本课题研究采用d s p 作为控制核心，要保证其正常稳定运行，必须要具有 保证使其上电能正常运行的最小系统。针对本课题采用的d s p 型号芯片，最小 系统主要包括：电源电路、复位电路、时钟电路，另外为进行程序调试需要有一 片外置静态存储器。由于需要进行采样及其它信号的输入输出，预留了d s p 中 相应的i o 复用端口作为外接端口。本课题所设计的d s p 系统框图如图3 - 2 所示。 详细电路可见附录l 。 图3 2d s p 控制系统设计框图 3 3控制电路硬件设计及调试【3 5 】 3 3 1电压反馈电路 焊接电压采样主要是利用了d s p 内部自带的保持采样模块，因此焊接电压信 号在进入d s p 之前必须要进行降幅处理，使最大输入d s p 电压信号不超过3 3 v 。 由于本课题采用全桥式c 0 2 焊接逆变电源设计，其单路开关频率为2 0 k h z ，因此最 终输出的电压波形在微观上呈现为4 0 k h z 的脉冲波形，在进行采样之前还必须将 其进行滤波，以得到能正确反映焊接电压的平均值。其硬件电路设计如图3 3 所 示。在该电路里，采用复式滤波电路，由于无源滤波电路的通带放大倍数及其截 止频率都随负载而变化，因此，在滤波后采用电压跟随器，来隔离滤波电路与负 载。通过调节v r 2 与电阻r 1 分压可实现电压采样信号的降幅处理。根据实际经验 可知，c 0 2 短路过渡频率为3 0 1 5 0 h z ，要求采样电路必须保证对低频信号响应有 较小的延迟，才可以实现短路过渡的即时调节。通过调节v r l 和v r 3 到一定值 后可以保证低频信号不产生延迟，并且能对4 0 k h z 脉动信号达到 1 5 无津大学硕士学位论文 第三章系统总体设计和硬件控制电路设计 图3 - 3 电压反馈电路 良好的滤波效果。利用信号发生器给出不同频率的脉冲信号来进行调试，低频 高频信号调试图形分别如图3 4 、3 5 所示： 图3 4 电压反馈电路低频电压信号处理效果( 1 0 5 h z ) 一_ 1r _ 1 _ 广- 1r 一一 i 鼍r 。鼍 i 惯l 怒f l _ _ 圈3 - 5 电压反馈电路高频电压信号处理效果( 4 0 k h z ) 从图3 4 中可以看出对于低频输入信号( 对应1 通道信号) 该电路可以完 好地再现其原有形状( 2 通道波形) ，时间上的延迟很少，对于c 0 2 焊接能够进行 天津大学硕士学位论文 第三章系统总体设计和硬件控制电路设计 实时地信号检测，并与过渡阶段相匹配。对于4 0 k h z 高频输入信号( 图3 - 5 中1 通道信号、能够进行良好的滤波，得到比较光滑的电压信号( 图3 - 5 中2 通道信 号1 。 后期将该电路与焊机相连，通过采集实际焊接信号，来进一步调试该电路的 效果。其效果如图3 - 6 所示： 图3 - 6 电压反馈电路实际信号处理敬果 从图3 _ 6 可以看出，4 0 k h z 的脉动电压信号经过该电路的处理，可以准确得 到体现c 0 2 焊接不同阶段的电压平均值。 3 32 电流反馈电路设计 根据焊机的主电路，其电流信号检测采用分流器作为传感器来实现。从图 3 - 1 的系统结构图中可以看出，分流器位于正极一端，而电路设计中以负极作为 参考地。因此，在电流采样电路的设计中，对于电流信号即分流器两端电位差的 采样，以差分电路作为计算器来对分流器两端电位进行差分，从而得到分流器两 端电压，即电流信号大小。由于采样点部位于电极正端，存在较大的共模信号， 所设计电路应该具有较大的共模抑制比。根据文献 3 4 所设计差分电路如图3 7 、 3 -