（材料加工工程专业论文）基于DSP的COlt2gt焊接数字控制系统的研究.pdfVIP

摘要 摘要 c 0 2 焊因其生产效率高、成本低、能源利用率高而广泛应用于低碳钢和低合 金钢、薄板钢结构以及各种全位置焊接中。但是c 0 2 焊一直存在着飞溅较大的问 题，严重的制约着它的推广和使用。在短路过渡的c 0 ：焊中使用适合熔滴过渡行 为的波形控制，可以有效地减少焊接飞溅的产生。由于传统的模拟控制在控制精 度、速度和稳定性上不能满足波形控制的要求，因此在c 0 ：短路焊接波形控制领 域引入数字化技术有着良好的发展前景。 本文研制了一套c o 。焊接数字控制系统。使用d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 作为控 制核心，设计了包括d s p 外围电路、反馈电路、a d 转换电路、故障保护电路、 显示电路的硬件控制系统。设计了包括键盘输入和液晶显示人机交互系统。使用 s i m u l i n k 仿真工具对电压和电流反馈通路的p i d 控制系统进行了仿真，优化了 c o 。气体保护焊的p i d 控制参数。在研究已有的c o ：焊物理模型和波形控制的基础 上，拟定了独特的分时性波形控制策略，同时在s i m u l i n k 环境中创建了c 0 。焊短 路过渡波形控制模型，通过仿真实验验证了该波形控制策略。创造性的将m a t l a b 软件包中的e m b e d d e dt a r g e tf o rt ic 2 0 0 0d s p 系列工具引入到焊接电源数字 化控制系统的研究中，实现了由s i m u li n k 仿真模型直接生成d s p 系统软件代码。 通过模拟仿真实验，检验了c o ：焊接数字控制系统硬件、软件和控制策略。 实验表明，整个系统的快速性、准确性良好，能够实现波形控制策略。 关键词：数字化焊接电源；c 0 。焊；波形控制；m a t l a b 仿真；d s p a b s t r a c t a b s t r a c t c 0 2a r cw e l d i n gi sak i n do fh i g he f f i c i e n c yw e l d i n gm e t h o d 、析1l o wc o s t i ti s w i d e l yu s e di nm i l ds t e e la n da l l o ys t e e la l l - p o s i t i o nw e l d i n g b u ts p l a s hi sap r o b l e m w h i c hp r e v e n t st h i sm e t h o df r o mb e i n gu s e do ne v e r yc o n d i t i o n t h ew a v e f o r m c o n t r o lc a l ld e c r e a s et h es p l a s he f f e c t i v e l y t r a d i t i o n a lc o n t r o lc a n tm e e tt h e r e q u i r e m e n t si np r e c i s i o n ，s p e e da n ds t a b i l i t y t h e r e f o r ed i g i t a lw a v e f o r mc o n t r o lh a s ag r e a ts i g n i f i c a n c ei nc 0 2w e l d i n g t h ep a p e rd e v e l o p sad i g i t a lc o n t r o ls y s t e mf o rc 0 2a r cw e l d i n g b a s e do n t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，d s pm i n i m u ms y s t e m ，f e e d b a c kc i r c u i t ，a dc o n v e r t e rc i r c u i t ， p r o t e c t i o nc i r c u i t ，d i s p l a yc i r c u i t h a sb e e nd e s i g n e d t h i ss y s t e ma l s oi n c l u d e s k e y b o a r di n p u ta n dl c dd i s p l a yf o rm a n - m a c h i n ei n t e r a c t i o n t h ep i dc o n t r o li n v o l t a g ea n dc u r r e n tf e e d b a c kc i r c u i th a sb e e ns i m u l a t e da n dt h eo p t i m a lp a r a m e t e r s h a v eb e e nf o u n d ap a r t i c u l a rt i m e s h a r i n gw a v e f o r mc o n t r o lp o l i c yh a sb e e nb r o u g h t f o r w a r d t h em o d e lo fc 0 2s h o r tc i r c u i t i n gt r a n s f e rh a sb e e ns e tu pa n dt h ec o n t r o l p o l i c yh a sb e e np r o v e dw i t ht h em o d e l t h ec o d ei sp r o d u c e db yt h es i m u l i n km o d e l w i t ht h eh e l po fe m b e d d e dt a r g e tf o rt ic 2 0 0 0d s pt o o lb o x ，w h i c hi st h ef i r s tt i m e f o ru s i n gi nt h er e s e a r c ho fd i g i t a lw e l d i n gp o w e rs o u r c e t h ee n t i r ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e m ，i n c l u d i n gh a r d w a r e ，s o f t w a r ea n dc o n t r o l p o l i c y , h a sb e e np r o v e di nt h es t i m u l a n te x p e r i m e n t s t h es p e e da n da c c u r a c yo f t h i s s y s t e mc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so f w a v e f o r mc o n t r o lm e t h o d k e yw o r d s ：d i g i t a lw e l d i n gp o w e rs o u r c e ，c 0 2w e l d i n g ，w a v e f o r mc o n t r o l ， m a t l a bs i m u l a t i o n ，d s p 独创性声明 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鲎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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 靴敝储獬：辽芍辩醐：哪引川日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘堂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：丑 签字日期：也哳弓月7 日 导师竿名：澎阜 签字日期：夕即心年弓月2 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1数字化焊接电源的意义和研究现状 1 1 i 数字化电源的定义 在1 9 9 3 年的德国埃森焊接博览会上，芬兰肯比公司向世界发布了第一款数 字控制的弧焊系统_ k e m p p ip r o i i 】。从此之后，f r o n i u s 、松下等世界各大焊 机r 一商相继开始了数字化弧焊设备的研制，并向市场推出了一系列功能各异的数 字化焊机产品，使得弧焊数字化的行列越来越庞大。 数字化是指用数字来表示连续的物理量，并使之离散化的过程。在实现方式 上，数字化以数字信号处理技术为基础，用a d 转换器件获得数字量并对它进 行信号运算和处理将获得的处理结果直接输出或者经过d a 转换后再输出到 信号作用的对象。 数字化焊接电源的定义与数字化的概念相对应i 目前数字化焊接电源主要是 指采用数字化技术实现焊接电源闭环控制的逆变式弧焊电源。 图1 1 是一般的逆变式焊接电源的系统框图。从图中可以看到参数给定、控 制器和p w m 输出是它的核心。模拟式的焊接电源这三个部分都是由分立的模拟 器件实现的，这可以满足较低层次逆变电源的要求。但是，随着逆变器频率提高 和弧焊电源功能的增强，这种模拟控制的不足就逐渐显露出来了。第一，在进行 多特性、多功能、波形控制等复杂的控制时，模拟控制电源电路复杂，设计周期 长效率低；第二，模拟式电源电路的调试和校准的周期长；第三，模拟器件易受 干扰稳定性差，使得焊接电源可靠性低。为了解决这些问题，焊接工作者尝试使 用单片机控制来实现逆变电源的控制。 用单片机控制来实现逆变电源的控制。 图1 1弧焊逆变电源的控制系统框图 翥一蠢 呵团 第一章绪论 图1 2 是单片机控制的弧焊电源系统框图。采用这种结构的典型例子有 k e m p p im a s t e r5 0 0 。通过该图可以发现单片机控制系统并没有实现完全的数字闭 环控制。如果以控制器作为系统核心的话，单片机系统仅完成了参数给定和程序 管理的功能。尽管单片机可以在一元化控制、波形控制等方面发挥一定的作用， 但是由于受到处理能力的限制，系统的p i 控制和p w m 信号的产生往往由电子 线路或专用的p w m 芯片完成，使得系统的灵活性受到很大的限制。因此，尽管 这种焊接电源采用了单片机等数字化的芯片，但由于它的控制器仍然用运算放大 器，p w m 控制电路多采用专用芯片。由此可见单片机控制的弧焊电源并没有实 现真正的数字化，只能称为焊接电源数字化之路上的一个过渡性产品。 图1 - 2 单片机控制的弧焊电源的控制系统框图 图1 3 是采用d s p 控制的数字化焊接电源的系统框图。通过该图可以发现 以d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，数字信号处理器) 为控制核心的控制系统实现 了逆变电源的数字化闭环控制。d s p 负责给定值存储和加载、p i d 计算和p w m 信号产生的全过程。控制器提供功能全部由软件产生，克服了模拟硬件的种种缺 点，使得控制的灵活性有了本质的提高。这样的电源在控制部分实现了全数字化， 可以称为真正的数字化逆变焊接电源【2 j 。 图1 - 3 数字化焊接电源的控制系统框图 2 第一章绪论 1 1 2 研制数字化焊接电源的意义 数字化焊接电源的发展是继逆变焊接电源之后，在焊接电源领域又一具有里 程碑意义的重大技术革命。数字化焊机与模拟控制的焊接电源相比，具有巨大的 优越性： 1 数字化焊接电源的稳定性高 模拟控制系统的信号处理往往通过有源或无源的电路网络进行，电子器件在 工作中难以保证参数和焊机工作稳定。数字化焊接电源的信号处理和控制算法通 过软件中的运算得到的，稳定性好，产品一致性高。 2 数字化焊接电源具有更加便捷的人机交互功能 焊接参数的数字化显示和操作实际上是焊机数字化的第一步，基于强大的 d s p 芯片提供的计算能力，新型数字化焊接电源能为用户提供清晰美观的显示界 面和方便快捷的交互操作。操作者可以快速直观的观察焊机的工作状态并直接可 靠的选择焊接参数。 3 数字化焊接电源更容易实现柔性化控制 数字化焊机的外特性和输出波形由软件生成，可以设计多种外特性来适应不 同焊接方法的要求，实现一机多用。而且，还可以通过通讯接口与焊机进行联系， 调整固化在芯片内部的程序，为焊机赋予更多的功能。 4 数字化焊接电源更易实现网络化控制 数字化焊接电源采用具有标准网络接口的d s p 处理器，可以和其他设备间 非常方便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 np o w e rw a v ea c d c l 0 0 0 已经具备了基于i e e e 8 0 2 1 l bw i f i 网络协议的无线网络功能【6 堪j 。 1 1 1 数字化焊接电源的研究现状 当前，发展数字化焊接电源已成为焊接电源领域的前沿课题，很多科研机构 都进行了这方面的研究，世界各大焊接设备生产商也都推出了各自的数字化焊接 电源产品。比如：l i n c o l n 公司的p o w e rw a v e 系列和p o w e rm i g 系列，f r o n i u s 公司的t r a n ss y n e r g i c 系列，k e m p p i 公司的k e m p p ip r o 系列以及p a n a s o n i c 公司 的t i gs t a r 系列等【9 1 。这些市场化的产品，基本代表了当今数字化焊接电源最 高水平，但它们仍然有很大的不足： 1 电参数微观形态的一致性仍然较差 数字化电源虽然使用软件生成输出的外特性，较模拟电源在稳定性方面有了 第一章绪论 较大程度的提高。但是，在采用短路过渡等熔滴过渡形式时，每个熔滴过渡周期 的电压和电流在微观形态上仍有着较大的差异。图1 4 是使用f r o n i u s 数字化焊 机在c 0 2 焊短路过渡时的电流电压曲线，可以看出尽管大多数的周期焊接电流 和电压的变化是统一的，但仍有很多周期的值同典型值之间存在较大的差异。造 成这一现象主要是因为数字电源仍然以传统的电弧物理理论作为设计准则，在基 础理论没有取得新的突破的前提下，提高数字电源电参数的一致性仍有较大的难 度。 之 3 i a 图l 一4 t r a n ss y n e r g i c4 0 0 在i = 1 0 0 ac 0 2 焊短路过渡时的电压电流相图 2 设备抗干扰能力差 由于逆变焊机的工作频率越来越高，再加上t i g 焊等采用高频引弧脉冲， 数字化焊接电源的工作环境中电磁干扰相当强烈。但是，随着微处理器工作频率 的提高和数字化焊接电源网络的普及特别是无线网络的大规模使用，焊接电源非 常容易受到电磁波的影响，造成程序出错或“跑飞”、芯片间的通讯受到影响或 者网络连接质量大大下降。 3 没有专用芯片 尽管当前各公司使用的控制芯片各不相同，但是无一例外的都使用了多处理 器、多芯片配合工作的形式。一般来说，通常都具有主控核心芯片( d s p ) 、显 示控制芯片、计算机u s b 接口控制芯片和网络控制芯片。造成这一现象的主要 原因是开发微处理器的厂商( 如t e x a si n s t r u m e n t s 和a d i ) 并没有根据焊接电源 的实际需求和工作情况开发出专有的控制芯片，各焊接设备制造商只能选用通用 芯片进行数字化电源控制核心开发，再使用第三方提供的外围芯片对控制芯片的 功能进行扩展。多芯片配合的工作形式必然会造成整机成本上升，设计复杂性提 高，抗干扰能力下降。当前，急需上游芯片厂商能为数字化焊接电源设计出具备 4 第一章绪论 网络扩展、显示控制、计算机接口等功能的专用芯片。 4 用户自主设计的性能没有充分发挥 数字化焊接电源最大的特点就是柔性化控制使用软件完成模拟控制电 源需要用硬件才能实现的控制功能，能够让用户自由的选择电源输出的波形和外 特性。但焊机的生产商并不能为用户考虑每种可能遇到的焊接对象和情况，并为 之专门设计出对应的输出外特性和波形，就需要用户在实际生产中自己设计。不 过根据笔者掌握的情况，目前只有l i n c o l n 为用户提供了w a v ed e s i g n e r 软件， 能够在一定程度上实现用户自主设计输出波形的目的( 如图1 4 ) 。不过使用 l i n c o l nw a v ed e s i g n e r 软件在计算机上设计的波形和电源实际输出的波形还有较 大的差距【l 。 图1 - 5w a v ed e s i g n e r 软件界面 5 整机成本高 现在问世的数字化电源品种较少且多为国外厂商的产品，产品销量不很大没 有形成大批量生产的规模，上游芯片的采购成本也偏高，这些都造成了目前数字 化焊接电源的产品价格高昂的现状。当前市场上常见的数字化焊接电源的售价基 本都在1 0 ，0 0 0 美元以上，一些高端产品的价格甚至超过了1 0 0 ，0 0 0 美元。高昂的 价格又反过来抑制了数字化电源产品的普及，使得生产不能形成规模这样的 循环是造成当前数字化电源产品售价高的主要原因。 虽然数字化焊接电源具有模拟控制电源所不具有种种优点，但基于上面的五 第一章绪论 点不足，可以说数字化焊接电源还处在发展的初级阶段，未来还有很长的一段路 要走。 1 2 c 0 2 焊波形控制 c 0 2 焊因其生产效率高、成本低、能源利用率高，广泛应用于低碳钢和低合 金钢、薄板钢结构以及各种全位置焊接中。但是c 0 2 焊同时存在着焊缝成型差、 飞溅大等缺点，大大制约了它的使用和推广。特别是飞溅，严重降低焊接成品的 表面光洁度，降低熔覆率，还会造成焊枪口的飞溅堆积，焊后对焊件和焊枪口的 清理使辅助工作时间增加，阻碍c 0 2 焊高效率特点的发挥。为解决这一问题， 国内外许多学者从多个角度着手对c 0 2 进行了深入的研究，取得了一定的进展， 得出了如：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 焊丝等方法来减少焊接时的飞溅。其中电流波形控制法的设备简单、效果明显、 不提高焊接成本，受到普遍关注，应用也较为广泛【1 1 、1 2 】。 1 2 1 c 0 2 焊飞溅产生的机理 c 0 2 气体保护焊常采用短路过渡和细颗粒过渡两种过渡形式i l3 | ，但是对于薄 板焊接一般多采用短路过渡的形式。 c 0 2 焊短路过渡是在电压较低，弧长较短的时候发生的。它是个不规则的周 期性变化过程( 图1 6 ) 。焊丝端部和母材在电弧燃烧热的作用下熔化形成熔滴( 图 1 - 6 中f 阶段) ；焊丝在电弧加热下其尖端的熔滴逐渐长大( 图1 - 6 中g 阶段) ； 随着焊丝不断地送进，与熔池发生接触而短路( 图1 6 中i 阶段) ，形成液桥( 图 1 6 中a 阶段) ；在表面张力和电磁收缩力的作用下，发生颈缩( 图1 6 中d 阶 图1 - 6c 0 2 焊短路过渡的融滴过渡过程 6 第一章绪论 段) 直至液桥破断( 图1 6 中e 阶段) ；接着电弧又更新引燃，新的熔滴又开始 形成。如此周期性地不断重复，就构成了熔滴短路过渡过程【1 3 】。 短路过渡时熔滴主要是在表面张力、电磁收缩力、熔滴爆破力和重力的作用 下实现过渡0 3 。相对于另外三种力，重力的数值较小可以忽略不计。表面张力为： e = 2 瓢r o ( 卜1 ) 式中：月为熔滴与熔池接触的液面半径，单位m ；o 为表面张力系数。 此力在液桥颈缩变细的过程中先是有阻碍熔滴过渡的作用，当液桥直径达到 某- 1 1 台i 界直径后，表面张力又变成了促使熔滴过渡的力。 电磁收缩力： e = k 2 ( r 2 1 2 ) 1 0 0 zr 4 ( 1 2 ) 式中：，为短路电流，单位a ；r 为液桥半径，单位m ；r 为距焊丝轴心距离， 单位m ；k 为系数。 此力在瞬时短路过渡开始时对熔滴的过渡有阻碍作用，而在短路过渡过程中 加速液桥的形成，对熔滴过渡起促进作用。电磁收缩力与电流的平方成正比，且 从焊丝轴心向外逐渐减小，到表面时减小到0 。 短路过渡的过程中有两种主要的飞溅形式：一是在短路初期熔滴与熔池接触 时形成的飞溅；二是在短路末期熔滴的爆断形成的飞溅。前者表现在熔滴与熔池 接触时，电流上升过快造成熔滴被排斥或解体形成飞溅。为减轻这种飞溅，常常 在短路初期，限制短路电流的过快增长；后者目前广为人们所接受的是电爆破理 论。该理论认为短路过程中形成的液桥被急剧加热，过量的能量积累导致液桥汽 化爆炸，引起飞溅。爆炸的能量为液桥中所积聚的总的汽化热能： = r s 2 l q ( 公式卜3 ) 式中：孵为总的汽化热；r 。为爆炸时的液桥半径；，为液桥长度；g 为金属 的汽化热。 根据这理论，电爆破能量主要由液桥爆破前1 卜1 5 0l as 内的短路电流所 决定的。所以控制飞溅主要就是在液桥爆破前i 5 0 l as 内将短路电流迅速降下来。 另外，在电弧重新引燃时，焊丝尖端与熔池距离很小，电弧高速等离子流会 对熔池形成很强的冲击，将其中的液态金属溅出，形成焊接飞溅。 1 2 2 减少焊接飞溅采用的主要几种电流波控法 1 回路串联电感法 早期的c 0 2 焊机使用恒压电源，焊接电流由送丝速度决定。熔滴过渡取决 于焊机的外特性，随机性很强。在燃弧末期，熔滴与焊接熔池的接触短路使焊接 电压急剧下降，因为短路部分液桥的电阻很小，使得焊接电流随电压下降而快速 7 第一章绪论 上升。这个大电流试图在原来的等离子气氛中流过，熔滴会被排斥形成飞溅。但 是随着过渡的进一步进行，熔滴和熔池的接触面积增大使电流完全被限制在熔融 金属中，再加大电流就不会对飞溅产生直接的影响了。焊接工作者就提出在焊接 回路中串入电感的方法，实现对焊接燃弧短路过程能量输入的周期性控制。短路 开始时，电感可以抑制液桥的短路电流增长率d i d t ，人为造成短路电流的增长落 后于短路过程，从而减少短路初期的飞溅。同时，由于液桥的短路电流的增长率 受到限制，使得短路液桥爆断前的电流峰值和随之产生的飞溅也得到一定程度的 控制。 由于熔滴的收缩和过渡主要是靠短路液桥电流产生的电磁收缩力来进行，电 感过大会导致电流增长率d i d t 和焊接电流数值偏小，使电磁收缩力不足，难以 保证液桥的正常收缩和熔滴过渡，引起短路时间过长，整段焊丝被电阻热加热而 爆断，形成大量飞溅。采用的主回路串联电抗器的方式，难以兼顾短路过程，这 两个阶段对电流大小的需求，因此不能从根本上减少飞溅的产生。 2 早期焊接电流波形控制法 随着逆变技术以及对飞溅机理认识的不断深入，具有分时控制特点的波形控 制法便应运而生了。人们已认识到必须在熔滴过渡的不同时刻，根据电流不同的 瞬态过程进行相应的控制，满足过渡熔滴受力和受热的不同需要。这样才能既保 证稳定的过渡过程同时大幅度地减少飞溅。波控法便可达到这一控制要求。 早期的电流波形控制法的基本思路是通过实验，估算出熔滴过渡的周期，然 后按照时间次序输出指定的电流波形在颈缩形成时，提高电流上升速度，促 进颈缩形成，而在短路过渡后期，降低电流，使液桥的爆破在较低爆炸能量下完 成，从而减少飞溅。 但这种波形控制方法从本质上属于开环控制，焊接过程的短路、液桥收缩、 熔滴过渡和燃弧等过程与施加电流波形不能同步，理想电流波形很难跟熔滴过渡 各个状态对应，也就不能获得很好的效果。为了保证短路状态和燃弧状态与波形 同步，有的学者采用电压检测方法来判断两种状态，然后分别施加短路电流波形 和燃弧电流波形。但是，即使在短路期间和燃弧期间，每一个熔滴过渡周期所对 应的状态都不一样。使得理想电流波形难以与熔滴过渡状态相对应，很难取得满 意的效果。 3 引入反馈的电流波形控制法 随着对c 0 2 焊熔滴过渡和短路过渡过程研究的深入，人们对熔滴短路过渡 控制的能力已越来越强了。在逆变电源出现后，特别是在i g b t 等具有高速开关 能力的大功率电子器件的广泛应用，给电流波控法由粗糙控制到精细控制的改变 注入了的动力。典型的i g b t 焊机引进了反馈环节构成了闭环系统，可以按照设 第章绪论 计者的意愿实时控制电流值，使之与短路过程同步。通过这一改变，波形控制效 果随之增强，焊接飞溅得到了进一步的抑制。 4 表面张力过渡波形控制法 表面张力过渡( s t t ) 的控制方法是上世纪九十年代在充分研究了电弧和熔滴 过渡物理过程的基础上产生的一种新的焊接电流波形控制方法。将整个短路过渡 周期分为：基值电流、初始短路、颈缩、液桥爆断、电弧重燃和电弧燃烧六个阶 段，根据每个阶段的能量需求单独供给能量。表面张力过渡是c 0 2 焊短路过渡 波形控制众多方法中效果最好的一种，在本文后面将有专门的章节介绍表面张力 过渡，在此就不赘述了0 4 - 1 8 。 1 2 3 c 0 2 焊电流波形控制法的发展方向 c 0 2 电流波形控制法经过了几十年的发展已经取得了明显的进步，它对于焊 接中产生飞溅的控制已经达到了很高的水平。目前，波控法有以下三个发展方向 1 5 、1 8 】： 1 波形控制的精细化 c 0 2 焊熔滴过渡是一个复杂的过程，单一参数或者少量几个参数的控制已经 不能满足进一步减少飞溅的要求。随着电力电子器件的发展，特别是大功率开关 器件工作频率的提高，为焊接波形的精细控制奠定了物质基础。于是，焊接工作 者在电流波形曲线中引入了更多可控的参数，使它更加贴近电弧对于电流的真实 需要。 2 波形控制的智能化 焊接系统具有非线形、时变特性，并且容易受外界不可预测的干扰，因此难 以建立熔滴过渡的精确数学摸型。用传统的控制方法难实现最佳控制。智能控制 系统可凭借专家经验对参数进行合理选择，对系统进行最佳控制。模糊控制、神 经网络控制、最优化控制等智能控制理论在电流波形控制中的应用，往往能够获 得以前不能实现的电流最佳的动态控制。 3 波形控制的数字化 随着对波形信号处理处理越来越高的精度和不断提高的计算难度，使得传统 的模拟控制系统转变为数字控制系统已成为必然趋势。数字控制具有较之模拟控 制无比优越的优点，如电路的稳定性、可靠性、一致性、灵活性等。利用数字信 号处理芯片( d s p ) 的实时高速性对焊接过程的电弧信号进行实时数字信号处理 和驱动逆变主电路，可以对焊接飞溅有更进一步的控制。这也正是本课题主要的 研究内容。 9 第一章绪论 1 3 本文的研究目的和主要研究内容 虽然国内外已经出现了一些关于数字化焊接电源的研究成果，但已有的数字 化焊接电源还没有同c 0 2 焊波形控制理论较好的结合起来。根据这一情况，本 课题拟用d s p 为控制核心，借助d s p 强大的运算和数字信号处理能力，设计一 台用于c 0 2 气体保护波形控制的数字化控制系统。 本课题的主要研究内容： 1 设计一台c 0 2 焊接逆变弧焊电源d s p 控制系统的硬件和软件，该系统具 有触发主电路、显示、送丝电路驱动以及焊接过程的顺序控制的功能。 2 根据已有的c 0 2 气体保护焊波形控制理论，建立c 0 2 焊短路过渡的仿真 模型，设计出符合c 0 2 焊特点的波形控制策略。 3 利用d s p 控制的数字控制系统，编制相应的控制软件，输出控制波形， 为实现c 0 2 焊接短路过渡的波形控制奠定基础。 1 0 第二章系统总体设计和硬件电路设计 第二章系统总体设计和硬件电路设计 数字控制系统由硬件和软件两部分组成。其中硬件部分实现的功能包括：传 统的逆变整流；提供数字芯片必备的外围电路支持；对逆变器控制信号的功率放 大；电压及电流反馈信号的提取和处理；焊接参数和人机交互界面显示；交互信 息的输入等。 2 1 总体设计 数字化焊接控制系统方框图如图2 - 1 所示 1 9 - 2 1 】： 逆变 图2 1数字化焊接电源系统方框图 在图2 1 中，数字化控制系统控制的焊机主电路是一个标准的逆变电路，其 拓扑结构见图2 2 ：三相3 8 0 v5 0 h z 的工频交流电经整流后变为脉动频率3 0 0 h z 的脉动直流电，用电容滤波得到平直的直流电，然后通过逆变器的可控开关器件 ( 本研究中使用的是场效应管m o s f e t ) 转变为频率2 0 k h z 的高频交流电，再 经过变压s n - 次整流得到可供焊接使用的直流电【2 z j 。 在焊接过程中采得的实时焊接电流和电压信号经反馈通道滤波和适当放大 处理后由片外a d 转换芯片转换为数字量。这个数字反馈信号在本研究使用的 第二章系统总体设计和硬件电路设计 u 1 图2 2 数字化焊接电源主电路拓扑结构 d s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 内部与给定值进行比较后进行p i d 计算，得到p w m 信 号需要的占空比值，然后通过片内寄存器产生相应的p w m 波形。该波形经过峰 值和功率放大转变为可用于驱动主电路开关器件的驱动信号。 显示和键盘输入模块同属于人机交互系统，可以实时显示当前焊机的工作状 况和焊接参数，显示人机交互向导再由键盘输入值改变程序分支调用不同的 焊接参数，还可以依靠键盘输入值在线改变数字化电源的输出参数。 在一个高性能的数字化焊接系统中，如果送丝单元的性能与整体不匹配，在 进行m i g m a g 焊时不能得到高质量的焊缝。本研究中的系统包括对送丝机的控 制，它的转速决定于d s p 输出p w m 信号的占空比。这样送丝速度可以与焊接 参数实时调配，有利于实现整个系统的全局控制，可以更方便的获得很好的焊接 效果。 参数给定模块实际上是一个焊接专家系统数据库，其中内置了各种不同焊接 情况下的电流、电压、波形参数和送丝速度信息，可以由人机界面来访问该数据 库，并将其加载到当前p i d 算法的给定值中。 焊接动作控制模块的作用是实现焊接过程的顺序启动，比如：启动、应答、 引弧、送丝及停止等。这些动作在焊接中有顺序要求和时间要求，这些通过程序 的延时和开关量的输出来实现。 故障中断信号的作用是保护。焊接过程中难免会出现过压、过流、过热等情 况，这时候需要采取相应的保护措施。这些情况通过由保护电路转变为开关信号 由i o 接口输入d s p 控制器，由控制中心采取相应的保护措施。 在这里需要说明一点：由于焊接条件造成对周围电气环境较大的污染，电流、 电压和送丝速度的反馈信号会包含很多高频干扰，会对p i d 算法的正常运算产生 很大的影响，必须采取滤波措施消除这些干扰。尽管基于d s p 的数字化系统很 1 2 也 f 骂 第二章系统总体设计和硬件电路设计 容易实现诸如f i r 滤波或者i i r 滤波等数字滤波算法，但是由于本系统附加功能 太多，处理器很难有多余的运算周期实现数字滤波功能，因此在本研究中使用的 仍然是较传统的r c 滤波【2 3 、2 4 1 。 2 2 控制电路设计 数字化焊接电源的硬件电路主要包括控制电路和主电路两部分，其中控制电 路是数字化电源和传统模拟式焊接电源区别最大的地方。 2 2 1p w m 信号输出和隔离电路 焊接主电路的驱动的输入形式是低有效，需要对d s p 输出的p w m 信号进 行反相。另外，d s p 控制器输出的p w m 波形的峰值是3 3 v ，不能满足焊机驱 动电路1 5 v 峰值电压的要求。因为d s p 芯片的集成度高、易于损坏而且价格昂 贵，所以需要在d s p 对外输出时采用一定的隔离措施。在本文中采用了高速光 电耦合器6 n 1 3 7 实现d s p 的输出引脚与外界的隔离。信号输出和隔离的电路如 图2 3 所示。在电路中，比较器u 1 3 a 的两个输入端分别接控制器的p w m 输出和 一个恒定的1 7 v 电压，实现p w m 波形的增幅。反相是通过非门来实现的。电 路中非门并联可以提高驱动电流，u 3 a 的非门是为了提高对光电耦合器6 n 1 3 7 的驱动能力；u 6 b 的非门是为了提高对主电路m o s f e t 的驱动能力，保证它的 正常触发【2 5 、2 引。 图2 - 3p w m 信号输出和隔离电路 第二章系统总体设计和硬件电路设计 2 2 2 高速a d 转换电路 尽管d s p 芯片内部集成了一个1 6 通道1 0 位转换速率为5 0 0 k s p s 的a d 转 换器，但是在我们的实验中发现这个片内a d 转换器的静态误差超过了5 ，不 能满足焊接环境中电流和电压反馈的精度要求。为此在数字电源控制电路设计时 采用了由a n a l o gd e v i c e s 公司生产的a d 7 8 6 6 作为a d 转换器。a d 7 8 6 6 是一个高速双单元高精度a d 转换器，它的转换精度为1 2 b i t ，最大转换速率 1 m s p s 。在本研究中使用两个a d 7 8 6 6 分别进行电流、电压和送丝速度反馈的 a d 转换，使用了该芯片的a d 转换电路如图2 - 4 。在进行a d 转换电路设计时 为了保证转换精度，需要严格区分模拟地和数字地。 2 2 3 多色指示灯电路 图2 4a d 转换电路 为了让使用者能够更加直观的了解数字化焊接电源当前的工作状态，利用新 型三色l e d 设计了一个多色指示灯，其电路如图2 5 所示。这三个封装在一起 的l e d 有一个公共的接地引脚，另外三个输入管脚分别是：红色( 管脚2 ) 并 联在焊接电压反馈回路上，表示焊接主电路正常工作：蓝色( 管脚3 ) 接通过非 门接d s p 的i o p e 2 引脚，在程序运行初始就将该引脚置低电平表示程序开始运 行的状态i 绿色( 管脚4 ) 接3 3 v ，表示d s p 已加电。数字化电源正常工作的 时候，三盏l e d 都应该点亮，此时从外观察指示灯呈白色。 1 4 第二章系统总体设计和硬件电路设计 u iq 入 曲 i j ， j。 _ 一 一 图2 5 多色指示灯电路 2 2 4 数字化焊接电源控制电路总图 除了上面提到的三个电路外，数字化焊接电源的控制电路还包括d s p 及其 最小系统电路、电压电流反馈电路、故障中断保护电路等，其详细电路可参见本 文的附图1 ，限于篇幅就不详述t e 2 7 、2 8 1 。 2 3 本章小结 1 本章首先明确了数字化焊接电源的整体结构，并对该电源的主电路做了 简要介绍。 2 明确了控制电路各部分的功能，设计了p w m 输出和隔离、高速a d 转 换、多色指示灯等电路。 第三章人机交互系统弟= 早入制l 父且系统 人机交互系统是焊接电源数字化控制系统中重要的组成部分。人机交互系统 使操作者向控制器输入信息、发出指令及观察焊接现场参数和信息的窗口。本控 制器的人机交互部分包括键盘输入电路和显示电路，并且通过控制系统中的d s p 实现人机交互。 3 1 键盘输入电路 在本研究中，采用了4 x 4 的1 6 键标准键盘作为整个系统的输入设备，如图 3 - 1 。这个键盘使用8 根连接线，依靠连接线间不同的连通组合判定按下的是哪 个按键。 图3 - 11 6 键标准键盘图 其真值表见表3 1 ，表中为l 的真值表示按下相应按键后该连线为高电平，0 表示该连线仍为低电平。 表3 1 键盘连接真值表 越 1234567890abcdef k 01 oolo010010o0000 k lo o1oo1oo10ooooo1 k 2ooo000111olo0oo0 k 30 o 0 11100o001o00o k 41110oo00oo0 0 1 o 0 0 k 5o00000 0o01oo0111 k 60 1 0 0100l00000ol0 k 7 00o00o0o0o11l100 1 6 第三章人机交互系统 本系统使用了t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 上的i o p f o 、i o p f l 和i o p c 2 i o p c 7 这8 个i o 复用端口作为键盘的连接端口，并且在软件系统初始化时把这8 个端口配置成输 入( i n ) 端口。键盘与d s p 的连接见图3 - 2 。 i o p f ck 0 1 0 p f l 隧k 14 x 4 i 际准 i o p c 2 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 o o p c p c i光电隔离 1 0 p c 5 麓k 4 键盘i o p c 1 0 p c 7k 7 图3 - 2 键盘与d s p 连接图 d s p 的集成度高、易于损坏，因此对芯片的i o 接口实施隔离是有必要的。 鉴于键盘输入并不要求较高的速度，我们使用了8 个4 n 2 5 光电耦合器在键盘接 口和d s p 的i o 端口间进行隔离。其电路如图3 3 所示。 3 2 显示电路 图3 - 3 键盘光电隔离电路 选用q y - l c m l 2 8 6 4 z k 型图形点阵液晶显示模块作为本研究的显示器件。 该模块显示内容为1 2 8 6 4 点阵，8 4 行；具有串、并行两用接口；自带g b 中文汉字一、二级字库；s t n 黄绿显示模式带有绿色l e d 背景光。其外观如图 3 - 4 所示。 图3 4l c m l 2 8 6 4 z k 液晶显示模块外观图 1 7 第三章人机交互系统 为了减少d s p 占用的v o 接口数，在液晶显示模块与d s p 通讯时，采用了 串行方式( 将模块背面s p 的短路电阻接在“s ”侧) 。数字化电源液晶显示电 路连接图如图3 5 所示【2 9 、3 0 1 。 j f 图3 - 5 液晶显示模块连接电路 在r s 引脚被置为高电平时，液晶显示模块进入可以读写的状态。e 引脚输 入串行同步脉冲信号，r w 引脚输入串行数据信号。模块的同步时钟线e 具有独 立性，但是因为模块内部没有传输接收缓冲区，在有多个连续指令需要传输的 情况下，必须等到一个指令完全执行后，才能传送下一条指令。因此在编写显示 程序时要特别注意一条指令运行的时间长度。 从一个完整的串行传输流程来看，一开始先传输起始位，在起始位首需要先 接收到五个连续的“1 ”( 同步位串) ，此时传输计数将被重置，串行传输将被同 步。接下来的两个b i t 分别指定传输方向位( r w ) 及暂存器选择位( r s ) 。在接 收到起始位元组后，每个指令数据将分为二组：较高4 位元( d b 7 d b 4 ) 的指 令资料将会被放在第一组的l s b 部分，而较低4 位元( d b 3 d b 0 ) 的指令资 料则会被放在第二组的l s b 部分，至于相关的另四位则都为o ，控制界面时序 如图3 6 所示。 垦量弋一 里 亢艿矗 甬 吊甬曝r 靖r h 并冀再舅冀煎齐赘冗贯 婴厶二二二瑚! 叠国显墨望! ! 望盈叠趣盈墅翌旦旦厂 图3 - 6 液晶显示控制界面时序图 第三章人机交互系统 3 3 人机交互系统设计 数字化焊机的人机交互系统是人和焊机交互的途径，是操作者输入信息、发 出指令及观察实时参数的窗口，良好的人机交互系统应该具有可读性、灵活性、 功能性、可靠性、一致性和实时性的特点。 3 3 1人机交互方式的选择 人机交互常用的方法有问答式对话、菜单交互、功能键、图符、命令语言界 面、查询语言界面、自然语言界面等。其中前3 种适合于过程控制现场的人机交 互，后4 种则适合于后台操作的人机交互。焊机的人机交互可分为焊前准备的人 机交互和焊接过程中的人机交互，属于过程控制现场的人机交互情况。因此本研 究只考虑问答式对话、菜单交互、功能键这3 种人机交互方法【3 1 1 。 问答式对话是最简单的人机交互方式，它由系统启动对话，使用自然语言指 导性提问，提示用户进行回答。其优点是：容易使用、容易学习，软件编程实现 容易，系统资源消耗小，用户回答范围小，不易出现逻辑错误。缺点是：效率不 高，速度慢，灵活性差，修改扩充不方便。 使用功能键可代替输入命令等完成系统功能。其优势不言而喻，如：减少用 户的记忆负担，加快操作，减少输入量，较少出错率。但缺点也很明显，如：功 能键的定义存在任意性，缺少标准化；功能键的定义繁琐会引起记忆和操作上的 麻烦；不适合复杂的系统如果系统功能较多，就需要较多的功能键数，不仅 容易引起混淆，也对输入设备的硬件接口造成很大的负担。 菜单交互方式是使用最广泛的人机交互方式，其特点是让用户在一组多个可 能对象中进行选择，各种可能的选择项以菜单项的形式显示在屏幕上。一般这种 方式适用于较少数量的选择项。如果选择项过多，一个屏幕显示不下。而且如果 选择项对应功能本身又是逻辑上的层次结构，那么可通过分层次来组织安排菜单 系统，菜单的层次称为菜单系统的深度，同一层中菜单项的项数称为菜单的宽度。 菜单深度、宽度的组织安排将影响到用户对菜单的记忆和操作，以及搜索、选择 菜单项的速度，应该综合地加以考虑。菜单的优点是易学易用，能大大减轻用户 的记忆量，用户可以借助菜单界面提供的帮助信息，很快学会掌握新系统。在菜 单界面中，用户选择菜单的输入量少不易出错，而且菜单的实现也较容易。菜单 的使用对象可以是对系统软件知之不多的用户。 在本研究中采用的l f 2 4 0 7 处理器的计算速度很快，而且数字化焊接电源的 系统功能复杂，需要一个与之相适应的操作界面系统，因此选用了菜单交互方式 作为人机交互界面。这样焊接工作者在对数字化电源进行操作时，不需要记忆人 1 9 第三章人机交互系统 机交互的具体过程，只需要在系统的指导下就可以准确流畅的完成对焊机的操 作。 3 3 2 人机交互系统的设计 焊接电源的人机交互系统要完成焊接工艺的选择、焊接参数的设置、焊接过 程中参数的修改、焊接过程提示、焊接参数动态显示等一系列功能。 在本研究中，输入设备的硬件已经选用了一个4 4 的1 6 键标准键盘，按键 已被印刷上键位名，分别为0 - 9 和a f ，将其中的数字键保留，字母键定义为功 能键：“a ”和“b ”定义为“u p ”和“d o w n ”光标上下移动键；“c ”和 “d ”定义为“y e s ”和“n