（材料加工工程专业论文）基于dsp的逆变co2焊机控制系统的研制.pdf

摘要 目前c 0 2 焊机控制系统的非数字化，限制了控制系统的精确性、灵活性、抗 干扰等性能的改善。针对这种状况，本课题研制了基于d s p 的逆变c 0 2 焊机控制 系统。该系统从焊接电压和焊接电流信号的采集、a d 转换、p w m 脉冲波形以及 各控制信号的产生等，均由d s p 芯片以软件完成，从而实现了控制系统的数字化。 本文首先设计了基于d s p 的信号处理电路，信号处理电路分为电压信号和电 流信号处理电路，电路中分别采用了高精度的霍尔电压和霍尔电流传感器为核心 元件，将焊接电压和电流转换为d s p 采样允许输入的电压范围，同时起到了隔离 主电路和控制电路的作用。其次设计了驱动电路，驱动电路选用了i g b t 的专用驱 动芯片m 5 7 9 5 9 l ，将d s p 提供的o 3 3 v p w m 脉冲转变为一1 0 v 1 5 v 的驱动波 形以驱动i g b t ，同时该电路还具有短路过载保护的功能；为了提供良好的人机对 话晃面，本文设计了由l e d 数码管组成的显示电路，可以根据d s p 提供的控制信 号实时显示焊接电流和焊接电压信息；为了保证焊机的正常运行，避免各种意外 情况对焊机的损坏，本课题还进行了保护电路的设计，主要由过热保护、过流保 护、过压保护以及欠压保护等电路组成。以此为硬件平台，针对c 0 2 焊机的工作 流程，本文采用模块化程序设计方法，设计了基于d s p 的a d 转换、显示驱动、 p w m 脉冲波形等子程序。在软硬件设计完成的基础上，最后构建出了逆变c 0 2 焊机的控制系统，并对系统的各部分进行了实验调试，实验验证该系统工作稳定 可靠，达到了设计要求。 关键词：c 0 2 焊逆变电源脉宽调制d s p a b s t r a c t n o w d a y sc 0 2w e l d i n gm a c l l i 鹏c o n t r o is y s t e mi sf o r m e db yn o n - n u m e r a l i z a t i o n a e c 嘲ya n df l e x i b i l i t ya n di n t e r f e r e n c eo f t h ec o n t r o ls y s t e mi sl i m i t e d i nt h i sp a p e r , t h ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nd s po f i n v e r t e rw e l d i n gi sd e s i g n e d n 地a c q u i s i t i o no f t h e w e l d i n gc u r r e n ta n dv o l t a g es i g n a l s ，a dt r a n s f e r ，p w mp u l s ea n dt h ec o n t r o ls i g n a l si s c o m p l e t e db yt h ed s p n 圮f i g u r e su s e df o rb o t hp h y s i c a lf o r m s t h u sr e a l i z i n gt h e d i g i t a lc o n t r o ls y s t e m 1 r i 圮m a i nb o d yo ft h i sp a p e rh a sb e e nd e s i g n e ds i g n a lt r e a t m e n tc i r c u i tb a s e do n d s p , t h es i g m dt r e a t m e n tc i r c u i td i v i d e st h ev o l t a g es i g n a la n de l e c t r i cc u r r e n ts i g n a l t r e a t m e n tc i r c u i t , a n dh a sa d o p th i g h a c c u r a c yh a l lv o l t a g es e n s o ra n dh a l le l e c t r i c c l l r r e n ts e n s o rt ob eac o r ec o m p o n e n t r e s p e c t i v e l yi nt h ec i r c u i t , t h es i g n a lo fv o l t a g e ， e l e c t r i cc u r r e n ti sc h a n g e ds u i t a b l ev o l t a g es i g n a l ，t o s a t i s f yd e m a n do fd s ps i g n a l c o l l e c t a n dt h es i g n a lt r e a t m e n tc i r c u i th a v et h ef u n c t i o nt op u tm a i nc i r c u i ta n dc o n t r o l c i r c u i tu n d e ri s o l a t e da tt h es a m et i m e s e c o n d l yt h i s p a p e rh a v ed e s i g n e dd r i v 爸 c i r c u i t ，t h i sd r i v ec i r c u i ta d o p td r i v ec h i pm 5 7 9 5 9 la ss p e c i a lu s e t h i sc h a n g e s0 - 3 3v p w m p u l s et h a td s pp r o v i d e si n t o - 1 0 v - 1 5vd r i v ew a v ef o r m ，d r i v i n gp o w e rs w i t c h c o m p o n e n ti g b t a n dd r i v ec i r c u i th a v et h ef u n c t i o no fs h o r tc i r c u i t o v e r p o w e r p r o t e c t i o na tt h es 锄et i m e i no r d e rt oo f f e rf a v o r a b l em a n - m a c h i n ec o n v e r s a t i o n i n t e r f a c e ，t h i sp a p e rd e s i g n e dv i s i o nc i r c u i tc o n s t i t u t e db yl e d ，w h i c hc a nd i s p l a y s w e l d i n gc u r r e n ta n dv o l t a g ei nr e a lt i m ea c c o r d i n gt oi n f o r m a t i o np r o v i d e db yd s p i n a d d i t i o n ，t oe n s u r en o r m a lo p e r a t i o no fw e l d i n gm a c h i n ea n da v o i db r e a k d o w nb e c a u s e o fa c c i d e n t s ，t h e p a p e ra l s od e s i g n e dp r o t e c t i n g c i r c u i t sb u i l t u pb yo v e r - h e a t ， o v e r - c u r r e n t ，o v e r - v o l t a g ea n du n d e r - v o l t a g ep r o t e c t i n gc i r c u i t s f o rw o r k f l o wo fc 0 2 w e l d i n gm a c h i n ea n db a s e do nt h e s eh a r d w a r ec i r c u i t s ，t h i sp a p e ra d o p tm o d u l a r i z a t i o n p r o g r a m m i n gm e t h o d ，h a v ed e s i g n e dt h a td s p - b a s e da dt r a n s f e r , v i s i o nd r i v e ，p w m p u l s ew a v e f o r ms u b p r o g r a m s a f t e rf i n s h i n gd e s i g n i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r e as e to f c o n t r o is y s t e mo fc 0 2i n v e r t e rw a sc o n s t r u s t e d , a n dt h ee x p e r i m e n tv e r i f i e st h a tt h e s y s t e mi ss t a b i l ea n dr e l i a b l e ，d e m a n do f d e s i g n i n gi sa c h i e v e d k e y w o r d s ：c 0 2w e l d i n g ；i n v e r t e rp o w e r ；p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ；d s p u 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事 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。 如不实，本人负全部责任。 ，一 论文作者( 签名) ：燕噩盐 2 。7 年月日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 存上一 论文作者( 签名) ： 当一 2 1 年 矽月 ，日 第一帝绪论 第一章绪论 当前，焊接已从单一的加工工艺发展成为现代科技，多种学科互相交融的一 门新学科，并成为一种综合的工程技术，它涉及到材料、机械结构设计、焊接预 处理、焊接工艺装备、焊接材料、下料、成形、焊接生产过程控制及机械自动化、 焊接质量控制、焊后热处理等诸多技术领域，因此，焊接技术在推动工业的发展 和产品的技术进步中都发挥着重要作用i i 】。 1 1 ：焊的优点及在国民经济中的应用状况 c 0 2 焊接技术是从上世纪5 0 年代初期发展起来的一种新的焊接技术，自从其 问世以来，一直受到人们的极大关注，和其他焊接方法相比，有如下的一些特点 【2 】f 3 】： 1 焊接成本低；c 0 2 气体一般是酿造厂和化工厂的副产品，来源广，价格低。 所以c 0 2 气体保护焊的成本只有埋弧焊和手弧焊的4 0 5 0 左右。 2 生产效率高；c 0 2 电弧的穿透力强，熔深大而且焊丝的溶化率高，熔敷速度 快，与手工电弧焊相比，c 0 2 焊接的生产率可提高l 3 倍。 3 能耗低；c 0 2 电弧焊和药皮焊条手工焊相比，3 m m 厚低碳钢对接焊缝，每 米焊缝消耗的电能，前者为后者的7 0 左右。2 5 m m 厚碳钢板对接焊缝，每米焊缝 消耗的电能，前者仅为后者的4 0 。所以c 0 2 电弧焊是较好的节能焊接方法。 4 适用范围广；适合全位置焊接，薄板可焊到l 毫米左右，最厚几乎不受限 制( 采用多层焊) 。 5 抗锈能力较强，焊缝含氢量低，抗裂性好； 6 焊后不需清渣，又因是明弧，便于监视和控制； 7 操作简单，容易掌握。 但是，c 0 2 焊也存在以下缺点： 1 金属飞溅大，焊缝成形差； 2 抗风能力差，给室外作业带来一定困难。 c 0 2 焊的缺点可以通过提高技术水平和改进焊接设备加以解决，而其优点却是 其他焊接方法所不能比拟的，所以可以认为c 0 2 气体保护焊是一种高效率、低成 本的焊接方法。鉴于c 0 2 焊的应用优势，此种焊接方法在工业发达国家已得到广 泛的应用。例如，2 0 世纪8 0 年代仞，先进工业国家的c 0 2 焊接就已占焊接总量的 3 0 以上，到了8 0 年代末上升到5 0 ，其中日本达到7 1 ，成为一种主要的焊接 方法。我国虽然自5 0 年代末就开始研制与应用c 0 2 焊，但由于受到科学技术、生 自海人学硕i ：学位论文 肇十d s p 的逆蹙c 啦焊机摔制系统的研制 产水平的限制，该焊接方法的发展一直比较迟缓。直到8 0 年代以来，外国的焊接 设备和材料大量进口，。同时也从国外引进了c 0 2 焊接设备的生产技术和焊接生产 线，才极大地推动了我国c 0 2 焊接技术的发展1 4 。 目前，c 0 2 气体保护电弧焊是我国大力推广应用的高效节能焊接工艺，其应用 领域越来越广泛。截止到2 0 0 0 年的统计显示，c 0 2 焊接总量已占我国焊接总量的 1 5 。这个比例与我国以前的情况相比有较大的提高，但与发达国家还有很大差距， 因此，c 0 2 气体保护焊在我国还存在巨大的发展空间，可以预计，在本世纪c 0 2 焊接将会在我国有一个大的发展。 1 2c 0 ：逆变电源特点及研究状况 c 0 2 焊接工作过程需要焊接电源和工装配合等几方面协调工作才能顺利进行， 其中焊接电源是焊接能量的提供者，是焊缝成形的主导因素，在焊接过程控制系 统中是最重要的执行机构。而逆变焊接电源是焊接电源的最新发展，它采用逆变 技术，以大功率电子开关器件为核心，去除了工频变压器，从而在性能上发生了 质的飞跃。它与传统的晶闸管式电源和晶体管式电源相比，具有的特点为： i 体积小、重量轻、节省材料 主变压器的重量仅为传统弧焊电源主变压器的几十分之一；整机重量仅为传 统弧焊电源1 8 至i 1 0 ，体积也只有传统弧焊电源的l 3 左右。 2 高效节能 逆变弧焊电源由于工作频率提高使变压器和输出电抗器的体积、重量大大减 少，而它们的铜损、铁损也随之减小。同时，从电网直接整流得到高压，在同样 输出功率条件下，控制功耗小。因此逆变弧焊电源的效率商，功率因数高，能节 约大量电能及减少配电装备的容量。逆变焊接电源的效率、功率因数和磁放大器 式及晶闸管式弧焊整流器的比较，如图1 1 所示。 图1 1 弧焊电源的效率和功率因数比较 从图1 1 可以看出，逆变弧焊电源比一般孤焊电源可节能1 0 2 0 ，节约 配电容量4 0 左右，这是一个非常可贵的优点。对于当前许多地区没有足够的能 2 第一帝绪论 源来满足电力增长的要求来说，逆变弧焊电源将是一个必然的选择。 3 动态响应时间短，控制速度快 这一特点是逆变电源最重要的特点。普通晶闸管弧焊电源的控制周期为 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，和电弧焊接每个物理过 程的时间常数相当，故能更精密地控制电弧焊中各种物理现象，使焊接电源的动 态控制成为可能。 4 控制能力增强，工艺性能显著提高 控制能力是与控制速度、控制手段密切相关的。控制能力直接反映了电源适 应焊接条件和焊接要求的能力。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理论方法的应用。 逆变弧焊电源主要由主电路和控制系统组成。其中，控制系统按照发展历程 可以分为模拟电路控制和数字电路控制。传统的控制系统是由模拟电路控制的， 这种控制系统经过几十年的发展，技术已经成熟。随着数字控制技术的迅速发展， 目前使用的焊机中模拟电路控制虽然占有很大比例，但由于本身存在一些局限性， 己有被数字控制技术取代的趋势。这是因为模拟控制器存在以下一些缺点1 5 1 1 6 1 ： 1 控制电路的元器件比较多，电路复杂，所占的体积较大； 2 灵活性不够，硬件电路设计好了，控制策略就无法改变； 3 由于所使用的模拟器件各自的特性差异致使各电源之间特性有所差异，电源 不便于调试，一致性不好； 4 有些器件的一些参数受外界因素影响较大，并且它们的精度也差； 5 由于模拟电路自身特点，使焊机动态响应速度慢，难以实现对电弧的实时控 制，最突出的是可靠性差、返修率高，这直接影响焊机的推广和应用。 以上这些缺点使得模拟控制器的可重复性比较差，控制效果不理想，因此这 就为逆变电源的控制器逐渐朝数字控制的方向的发展提供了空问。以前，由于受 到控制器及外围芯片的限制，使得模拟控制器向数字控制器的转变始终未得到圆 满实现。近年来，随着大规模专用集成电路a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e d c i r c u i t ) 、数字信号处理器d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 及复杂可编程逻辑器件 c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 、现场可编程门阵列f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 的发展，给数字控制器的研究提供了机会1 7 l 。数字控制 器与模拟控制器相比较，具有可靠性高、参数调整方便、更改控制策略灵活、控 制精度高、对环境因素不敏感等优点。 如今一些生产厂家对弧焊电源的控制系统采用单片机完成控制功能，而单片 机采用冯诺依曼结构，程序和数据在同一空间存取，同一时刻只能单独访问指令 和数据，并且多数指令要2 3 个指令周期来完成，也就是说数据处理速度比较慢。 目前随着各种集成化的单片d s p 的性能得到很大的改善，软件和丌发工具也越来 越多，同时价格却大幅度降低，低端产品的价格己接近单片机的价格水平，但却 州海人学硕i j 学位论文 摧十d s p 的逆变c o ! 焊机柠制系统的研制 比单片机具有更高的性价比。表1 2 列出了d s p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ) 与单片机 ( m c s 5 1 ) 的性能比较1 5 1 1 9 1 。由表1 2 可以看出与单片机相比，d s p 的优势表现为： 数据处理能力强、运算速度高、能实时完成复杂计算、单周期多功能指令、p w m 分辨率高、更短的采样周期，更适于做焊机的控制芯片另外，d s p 器件还提供 了j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o nc r o u p ) 接口，具有更先进的开发手段，批量生产钡4 试更 方便。 表i 2d s p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ) 与单片机( m c s 5 1 ) 的性能比较 比较项目 d s p 单片机 指令执行时间单周期多功能指令多周期 数据处理能力很强，实时完成 差 总线结构 并行总线公用总线 乘加运算( u s ) 0 0 2 52 速度测量( u s )5 7 4 9 6 位置估算( u s ) 2 1 1 6 4 电流控制( u s ) 4 3 4 0 p w m 单位( u s )0 0 2 5 2 正余弦查表( u s )1 o 1 7 2 性能价格 2 1 正是在这一背景下，本文提出对c 0 2 焊机的控制系统进行研究，采用d s p 芯 片作为控制系统的控制核心，以焊接电弧的控制理论为依据，使焊机能够在不同 的情况下输出合适的焊接参数，保证焊接质量，使c 0 2 焊的高生产率和高质量得 到统一。 1 3d s p 的应用现状 世界上第一颗数字信号处理器d s p 芯片是1 9 7 8 年a m i 公司发布的s 2 8 1l 。 经过十几年的发展，d s p 器件在高速度、可编程、小型化、低功耗等方面都有了 长足的发展。目前，d s p 的应用主要集中在如下领域： 1 快速处理：实时控制、机器人视觉、电机控制( 如变频空调) 等； 2 图形图像处理：三维动画、图像传输、图像压缩、电话会议、多媒体、图 像识别等； 3 语音处理：语音压缩编码、语音识别、语音信箱等； 4 通信：m o d e m 程控交换机、可视电话、蜂窝站、a t m 、移动电话( 如手机) 第一帝绪论 等； 5 民用：数字音响、数字电视、多媒体等； 6 军用：雷达、声纳、通信等： 7 仪器、仪表：医疗、数字滤波、谱分析等 d s p 在焊接中的应用起步虽然比较晚，但是发展速度较快。在1 9 9 8 年，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 字化焊机开始进入市场，其控制系统采用d s p 芯片集中处理所有焊接数据，检测 并实时监控焊接过程，实现程序化引弧、收弧、电弧精确控制、专家系统、一机 多用、焊接数据接口和评价系统等功能i i o l 。 如今在国内，上海交通大学、西北工业大学等高校及北京时代焊机等生产厂 商的科研单位都在进行数字式的逆变c 0 2 焊机的研究，但还没有成熟的产品出现。 1 4 本课题的研究任务 本课题在借鉴前入研究成果的基础上，研究基于d s p 的i g b t 逆变c 0 2 控制系 统。具体研究内容为： 1 系统硬件的设计。在充分了解t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的各种功能模块的基础上， 以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为控制芯片，对控制电路硬件进行设计。所设计的硬件系统 包括： 1 ) 信号采集电路的设计 由于在焊接过程中需要对焊接电流和焊接电压进行实时显示，所以必须要对 焊接电流和焊接电压进行采集。本设计中采用了体积小、外围电路简单、频带宽、 动态特性好、寿命长，并具有电磁隔离功能的霍尔电流和霍尔电压传感器实现这 个功能。 2 ) 参数设置的设计 为了能使焊机输出合适的焊接电流和焊接电压，系统中设计了参数设置电路。 焊接电流和焊接电压的改变可以通过控制面板上的电流旋钮和电压旋钮进行调 节。 3 ) 显示电路的设计 显示电路是人机对话的必要设备，因为在焊接过程中需要实时显示焊接电压、 焊接电流等参数。本设计中采用了价格低廉、显示信息清晰醒目、能量消耗相对 较小的l e d 数码管实现显示功能。 4 ) 驱动电路的设计 为了对d s p 输出的脉冲信号进行功率放大并实现主电路与控制电路之间的隔 离，系统中设计了驱动电路。驱动电路采用日本三菱电气公司为驱动i g b t 而设计 的、配有短路过载保护功能的专用厚膜集成模块m 5 7 9 5 9 l 。 和海人学硕i 。学位论文 幕十d s p 的逆娈c o ! 鹳l 机挣制系统的研制 5 ) 送丝电路的设计 设计合理的送丝装置是实现高质量焊接的前提，为此，本系统中对送丝电路 进行了设计。设计中送丝机采用惯性小和机械特性硬的2 4 v 印刷电机，对电机的 电枢电压采用p w m 控制，通过改变p w m 脉冲宽度，实现对电机转速的平滑调节。 6 ) 保护电路的设计 在焊接过程中，常常会发生过流、过压，欠压、过热等故障，为了能保证焊接 过程的顺利进行以及开关管i g b t 的安全，本系统设计了过流、过压欠压、过热 保护电路。设计中利用d s p 的功率驱动保护中断引脚( p d p i n t a ) 实现保护功能， 当焊接电源发生异常情况时，该中断有效，关断p w m 的输出，停止焊接过程。 2 以上述硬件系统为平台，利用汇编语言和c 语言混合编程，设计相应软件 系统，主要包括：系统初始化模块、主程序、中断子程序模块、功能子程序模块 以及软件抗干扰等的设计。 3 对设计的硬件电路和软件程序，进行调试试验。 6 第二章系统酬件设计 第二章系统硬件设计 为了能使整个系统按照预定的时序进行正常的工作，首先必须构建性能优良 的硬件平台，然后再设计相应的控制程序。逆变c 0 2 焊机硬件电路主要由主电路、 控制系统电路、送丝电路和控制面板等组成，本章将首先介绍硬件系统的总体结 构及工作流程，其次对主电路拓扑结构的选择、d s p 内部资源、控制系统电路、 送丝电路的设计进行详细阐述。 2 1 逆变6 0 2 焊机的总体结构 本文研制的是基于d s p 的逆变c 0 2 焊机控制系统，逆变c 0 2 焊机的主要参数 为焊接额定电流3 5 0 a ，最大空载电压6 0 v ，频率2 0 k h z 。d s p 芯片采用了t i ( 美 国德州仪器) 公司的型号为t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的芯片。 本设计中逆变c 0 2 焊接电源的主电路采用全桥逆变工作模式，实现 a c d c - a c d c 变换过程，其中用于逆变的开关管采用大功率的i g b t 管。图2 1 为这个i g b t 式逆变c 0 2 焊机的结构框图。 幽2 1 i g b t 式逆变c 0 2 焊机结构框图 如图2 1 所示，基于d s p 的弧焊逆变电源主电路主要由5 0 h z ，3 8 0 v 的供电系 统、逆变器、中频变压器和输出整流滤波几个部分组成。供电系统把5 0 h z 、3 8 0 v 的工频交流变成直流向电子开关系统供电，电子丌关( i g b t ) 逆变器实现d c - - a c 的逆变过程，然后通过中频变压器降压，输出整流得到焊接电压。 逆变弧焊电源的控制系统是以d s p 为控制核心，通过对焊接电流、焊接电压 的采集，经a d 转换后进行实时的显示焊接参数。通过控制面板上的电压旋钮， 自f 海人学硕i 学位论文 草十d s p 的逆雀c o ：稿l 帆拧制系统的研制 调节p w m 脉冲宽度，该信号经过驱动电路输送到i g b t 模块，控制i g b t 的开关 占空比，即可调节焊接电压。通过控制面板上的电流调节旋钮，调节送丝速度， 从而调节焊接电流。 2 2 主电路拓扑结构的选择与分析 2 2 1 主电路拓扑结构的选择 逆变式弧焊电源的主电路是整个电源的基础，它完成电能的转换和传输，是 逆变电源的主要部分；控制电路的作用是对逆变主电路进行控制，实现电源外特 性输出控制、焊接工艺参数调节及其它功能。逆变电源控制系统研究必须以一定 的逆变主电路为基础，因此必须对主电路的拓扑结构进行选择。 主电路必须安全、可靠，器件参数的选择应该以极限工作条件为依据，并留 有一定余量，保证所选器件工作在安全区域。逆变焊机主电路的拓扑结构有推挽 式、全桥、半桥以及单端正激、单端反激等，各个基本电路各有其特点，综合比 较见表2 2 n 1 1 2 1 1 3 】。 表2 2 逆变电路的比较 型式 全桥式半桥式 单端式 推挽式 项目 截止期二极管 稳态为2 e 。由漏功率开关管 稳态为e ，二极 同全桥式 箝位使感引起的尖峰集射极问旌 管箝位使 加的电压v c e m a x = e使v c e m a x ) 2 e v c e m a x = e 中频变压 ；e ee 器上施加 e 的电压 功率开关 管的数量 4 2 22 输入滤波 电容容量 12 l l 宜于获得的 输出容量 大 巾等 中、小 大 从表2 2 中可以看出，要获得大容量的输出，宜选用推挽式或全桥式拓扑结构， 但是推挽式电路中由于漏感引起的电压尖峰v 。是全桥式的2 倍，这给电路设计 与调试带来了困难，并对开关管的耐压提出了更高的要求，因而本系统决定采用 已被广泛应用的全桥式电路拓扑结构。 2 2 2 主电路的结构分析 。 图2 3 即为本设计中所采用的主电路。这种电路的优点是输出功率较大，功率 第二章系统碰件设计 开关管耐压要求较低。电路结构可分为三个部分： 第一部分：输入整流滤波电路 该电路的主要作用是完成第一个电能形式的转换，即将交流电网电压变为直 流电压。二极管d l d 6 组成输入整流电路，设计中选用的二极管额定值为1 2 0 0 v ， 6 啪岛马憾：芦一j b 。酵”萨 l l j = 羽邗。i ” d l 阱l 卅o j 靠 jk一lj【 门 u 一r - 一 椠 c i v _ ： _ - 一 i d f 9 w 伪m l ，唾1 严丰1 i 一 l u j s ( 3 0 1 v l i p s ) ，使 其速度远远超过任何传统的1 6 位微处理器，而x 2 4 0 x a 的运行速度甚至可高达 4 0 m i p s 。 本课题根据实际的焊机应用系统需要，结合d s p 的运算速度、外围电路的复 杂程度、还有控制过程中的数据运算量等因素，采用t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 ad s p 芯片 作为控制系统的核心芯片其芯片外形如图2 6 所示。 2 3 4t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 主要功能模块 d a r a m ( b o ) c 2 x x 2 5 6 - 。j a p l l 时钟 d s p d a r a m ( b 1 ) 2 5 6 字 内核1 0 b i ta d c d a r a m ( b 2 ) 具有双排序器 3 2 字 s a r a m s c i 2 k 字 s p i f l a s h r o m 3 2 k 与2 ： c a n 4 k 1 2 k 1 2 k 4 k w d 数字i 0 外部存储器接口 与其他引脚共享 j t a g 端口 事件管理器a 3 个捕获输入 事件管理器b 6 个l 匕较p w m 3 个捕获输入 6 个比较p w m 2 个定时器 2 个定时器 图2 7t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 的功能结构 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片的主要功能模块如图2 7 所示。 各部分功能如下f 1 6 l ： 1 中央处理器( c p u ) 它可以以3 0 m i p s 运算速度进行运算和逻辑信息处理，其主要包括输入定标 器、中央算术逻辑单元和乘法单元。 争海人学硕i ：学位论文 肇十d s p 的逆变c o ：焊机撺 i j j 系统的研制 h e x 0 0 0 0 0 0 5 f 0 0 一0 0 7 f 0 呻o o o f f 0 1 o i f f 0 2 0 0 0 2 f f 0 3 0 3 f f 0 4 0 0 0 4 f f 0 5 0 0 0 7 f f 0 8 0 0 o f f f 1 0 0 0 6 f f f 7 0 0 0 7 3 f f 7 4 0 0 7 4 3 f 7 4 4 0 7 4 f f 7 5 0 0 7 5 3 f 7 5 4 0 7 7 e f 7 7 f 0 7 7 f 3 7 7 f 4 7 7 f f 7 8 0 0 7 f f f 8 0 0 0 f f f f 保留 中断屏蔽寄存器 保留 中断标志寄存器 仿真寄存器 和保留 非法 系统配置和控制寄存器 看门狗定时器寄存器 非法 s p i s c i 非法 外部中断寄存器 非法 数字i o 控制寄存器 a d c 控制寄存器 非法 c a n 控制寄存器 非法 c a n 邮箱 非法 事件管理器e v a 通用目标定时器寄存器 比较、p 删和死去寄存器 捕获和q e p 寄存器 中断屏蔽、向量 和标志寄存器 非法 事件管理器e v b 通用目标定时器寄存器 比较、p 州和死去寄存器 捕获和q e p 寄存器 中断屏蔽、向量 和标志寄存器 保l l h e x 0 0 0 3 0 4 0 0 0 5 0 6 0 0 0 7 0 0 5 f 7 0 0 0 7 0 0 f 7 0 1 0 7 0 l f 7 0 2 0 7 0 2 f 7 0 3 0 7 0 3 f 7 0 4 0 7 0 4 f 7 0 5 0 7 0 5 f 7 0 6 0 7 0 6 f 7 0 7 0 7 0 7 f 7 0 8 0 7 0 8 f 7 0 9 0 7 0 9 f 7 0 a o 7 0 b f 7 0 c o 7 0 f f 7 1 0 0 7 1 0 e 7 1 0 f 7 1 f f 7 2 0 0 7 2 2 f 7 2 3 0 7 3 f f 7 4 0 0 7 4 0 8 7 4 1 1 7 4 1 9 7 4 2 0 7 4 2 9 7 4 2 c 7 4 3 l 7 4 3 2 7 4 3 f 7 5 0 0 7 5 0 8 7 5 1 1 7 5 1 9 7 5 2 0 7 5 2 9 7 5 2 c 7 5 3 l 7 5 3 2 7 5 3 f 图2 8t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的数据存储器映射幽 2 程序存储器 程序存储器空间用于保护程序代码以及数据表信息和常量操作数。程序存储 器空间的寻址范围为6 4 k 字，这包括片内d a r a m 和片内f l a s he e p r o m r o m 。 当访问片外程序地址空间时，d s p 自动产生一个访问外部程序地址空间的信号p s 。 3 数据存储器 数据存储器空间的寻址范围高达6 4 k 字。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的数据存储器包 括：3 个片内d a r a m 块：b 0 、b l 和b 2 块。b o 块既可配置为数据存储器，也可 4 第二帝系统碰件设计 配置为程序存储器；b l 和b 2 块只能配置为数据存储器。见图2 8 所示。 4 i o 空间 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 有多达4 1 个通用、双向的数字i o ( g p i o ) 引脚，其中大 多数是基本功能和一般i o 复用引脚，1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的大多数i ，o 引脚都可用 来实现其他功能。数字i o 端口模块采用了一种灵活的方法，以控制专用i o 和复 用i o 引脚的功能，所有和复用引脚的功能可通过9 个1 6 位控制寄存器来设 置，这些寄存器可分为两类： i o 口复用控制寄存器( m c r x ) ：用来控制选择i 0 引脚作为基本功能或一 般i o 引脚功能； 数据和方向控制寄存器( p ) ( d a l m i r ) ：当i o 引脚用作一般i o 引脚功能 时，用数据和方向控制寄存器可控制数据和i o 引脚的数据方向，这些寄 存器直接和i o 引脚相连。 2 3 5 信号处理电路的设计 由于在控制过程中需要对焊接参数进行实时显示，并且用所测的电流值来判 断引弧是否成功，所以需要设计信号处理电路。早期，人们采用分流器和分压器 的方法来实现对电流和电压的信号的处理，但这种方法无法对主回路进行隔离测 量，而且使用不安全、精确度低。后来人们又发明了互感器，它与直接分流、分 压的方法相比，实现了对主回路进行隔离处理，无疑是一大进步，但它的应用范 围比较窄，只适用于5 0 h z 正弦波的工频检测，对于其它波形电流、电压的测量它 就无能为力了。随着电力电子技术的发展，原有的电流、电压检测元件( 如分流器、 互感器) 己不能满足测量需要，霍尔电流、电压传感器是弥补这一空缺的、有着广 泛应用范围和前景的主要检测元件。 1 霍尔传感器的优点1 8 11 1 9 1 ： ( 1 ) 测量精度高；一般的霍尔电流电压传感器模块在工作区域内的精度优于l ，该精度适合于任何波形的测量，而普通互感器精度一般为3 5 ，且只适合 于5 0 h z 的正弦波形； ( 2 ) 动态性能好，响应速度快；一般霍尔传感器模块的动态响应时间小于l 岬， 而普通互感器的动态响应时自j 为1 0 2 01 s ： ( 3 ) 测量范围广；它可以测量任意波形的电流和电压，如直流、交流、脉冲、 三角波形等，甚至对瞬态峰值电流、电压信号也能准确地进行测量； ( 4 ) 工作频带宽；可在0 1 0 0 k h z 频率范围内工作； ( 5 ) 过载能力强，测量范围大。测量范围可以从零到正负几千安培； ( 6 ) 可靠性高，平均无故障工作时间大于5 x1 0 4 小时； ( 7 ) 体积小，重量轻，易于安装。 2 霍尔传感器的选用 * 海人学耐ii 岸化论史幕十d s p 的逆蹙c o ! 焊机摔制系统的研制 经过比较，由北京森社电子有限公司生产的字波模块系列产品性能稳定可靠， 价格适中，因此，本设计中选用该公司生产的c h b 系列的电流传感器和c h v 系 列的电压传感器。所采用的电流传感器的型号为：c h b 5 0 0 s 。其额定电流为5 0 0 a ， 最大测量电流为1 0 0 0 a ，输出电流1 0 0 m a ，响应时间小于l g a ，匝数比为：l ：5 0 0 0 。 由于测量的c 0 2 焊接电流范围是2 0 5 0 0 a ，因此可以满足使用要求。因为焊机的 焊接额定电流为3 5 0 a ，最大空载电压为6 0 v ，所以采用c h v 5 0 p 4 0 0 型号的电压 传感器，其额定电压为4 0 0 v ，最大量程为6 0 0 v ，输出电流2 5 m a ，线性度为2 ， 匝数比为5 0 0 0 ：1 0 0 0 。霍尔电流、霍尔电压传感器设计中都采用1 5 v 电源供电。 3 霍尔传感器的连接方式 电流、电压传感器只需外接正负直流电源，被测电流母线一般从传感器中穿 过或接于原边端子，然后在副边端再作一些简单的连接即可完成主电路与控制电 路的连接。磁平衡( 补偿) 式电流、电压传感器其输出信号均为电流，若需要电压 输出方式，可在m 端与电源地之间据所需电压大小外接取样电阻【2 0 】。设计中霍尔 电流、电压传感器的外部接线如图2 9 、2 1 0 所示。3 个接线端子分别为：正电源 输入接“十”端，负电源输入接“一”端，“m ”为信号输出端。 图2 9 电流传感器的具体工作原理为： 当主回路有一电流通过时，在导线上产生的磁场被聚磁环聚集并感应到霍尔 器件上，所产生的信号输出用于驱动相应的功率管并使其导通，从而获得一个补 偿电流i m 。这一电流再通过多匝绕组产生磁场，该磁场与被测电流产生的磁场正 l + i s v 3 v k - 1 i p 被测电流 本 彳栽訾； = i i s l 副边补偿电流ii 接入a d 转 匕兰二二 r 3 上c 2 上换第3 通道 一 i 郴v掣0 4 好相反，因而补偿了原来的磁场，使霍尔器件的输出逐渐减小。当i p 与匝数相乘 所产生的磁场与i m 和匝数相乘所产生的磁场相等时。i m 不再增加，这时的霍尔器 件起指示零磁通的作用，此时可以透过i m 来测试i p 。当i p 变化时，平衡受到破坏， 霍尔器件有信号输出，即重复上述过程，最后重新达到平衡。被测电流的任何变 化都会破坏这一平衡。一旦磁场失去平衡，霍尔器件就有信号输出。经放大后， 立即就有相应的电流流过次级绕组以对失衡的磁场进行补偿。从磁场失衡到再次 平衡，所需的时间不到1 9 s ，这是一个动态平衡的过程。 1 6 第二章系统硬件设计 图2 1 0 霍尔电压传感器接线图 图2 1 0 霍尔电压传感器的工作原理与电流传感器相似，也是以磁平衡方式工 作的，这里不再重述。 因霍尔电压传感器和霍尔电流传感器都是电流型的，所以在采集信号时，其 输出端必须接入一个测量电阻。如图2 9 和图2 1 0 中r 3 和r l 。 图2 1 0 电路中的r 5 选定的方法如下： 由于取焊接电源输出的电压已经是被控制的量，所以取其最大值为6 0 v ，此时 对应输入电流为峰值电流i p ，可以计算出输入电阻r 5 的大小， r s = v p i p = 6 0 v 2 0 m a = 3 1 m ( 2 一1 ) 考虑安全系数，r 5 取3 6 k q 的电阻。 其功率计算为 p u = ( v p ) z r 5 = ( 6 0 v ) 。3 6 k q = 1 w ( 2 2 ) 考虑到安全因素，取用2 w 。 r 3 可按下面的方法进行选定： 根据磁补偿原理：输出线圈的补偿电流安匝数在任何时候都与输入线圈的输 入电流的安匝数相等，即：n i j l ，= n 。+ i 。因此，在输出电压为额定电压+ 5 v 时，输入电流为额定电流h l 时，输出电流i 。为： i = n i n * l i dn o 。产5 0 0 0 2 5 m a 1 0 0 0 = 5 0m a( 2 3 ) r 3 = u n i 。“= 5 v 5 0m a = 1 0 0 f 2( 2 4 ) 考虑到安全系数，r 3 取1 6 0 f 2 。 功率为 p r 3 = ( u n ) z r 3 = ( 5 v ) 2 ，1 6 0 f l = 0 1 5 6 w ( 2 5 ) 所以r 3 选普通电阻即可。 由于霍尔传感器本身隔离性就非常好，而且精确度和线性度都很高，所以在 电路设计中就无需在加光耦进行隔离，只要对检测来的信号进行电容滤波就可以 了。如图2 9 、2 1 0 所示，在副边引出线和d s p 之间分别加入一个阻容滤波电路( c 2 ， r 4 ) 和( c l ，r 2 ) 。此外，为了防止焊接时出现的瞬时电流毛刺损坏d s p ，采用了 两个高频齐纳二极管组成限幅电路，它