（材料加工工程专业论文）埋弧焊电源数字化改造.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 数字化焊接电源控制灵活，易于实现柔性化控制，有更高的稳定性和控制精度， 接口兼容性良好。所以其概念一经提出就受到了学术界的高度关注，并成为研究热点。 本文针对埋弧自动焊机的控制特点和工艺要求，在m z 1 2 5 0 晶闸管式埋弧自动焊机主 电路的基础上设计了以d s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为控制核心的埋弧焊数字控制系统的外围 硬件电路和软件程序。硬件电路主要包括同步信号电路、信号调理电路、驱动隔离电 路等。此外，详细分析了同步电路和驱动隔离电路的工作过程，并对脉冲变压器隔离 与光耦隔离进行了分析比较，最终针对单宽脉冲触发选择了光耦隔离。 模块化设计了系统软件，根据各个模块功能划分，包括同步脉冲捕捉、a d 采样、 积分分离式p i d 、单宽脉冲输出等。相位分析表明同步信号超前于主电路相电压3 0 0 ， 为此解决了过零点与自然换相点3 0 0 相位差的问题，并且根据触发要求限制控制角移相 范围在5 0 - 9 0 0 。文章中提出了一种全数字触发中移相的方法，即事件管理器的定时器 工作于连续增模式，移相角取决于t x c m p r ( x = i ，2 ，3 ，4 ) 的计数值，在匹配中断中重新 赋值，利用变周期的思想产生触发脉冲，从而实现了全数字触发。并对全数字触发的 双窄、单宽脉冲的选用进行了详细探讨，提出了可行方案，考虑到程序的复杂性最终 选用单宽脉冲触发。此外还分析验证了全数字触发中触发角的计算问题，由于非线性 运算d s p 直接编程难度较大，提出了一种灵活快捷、易于编程、并且精度较高的触发 角计算方法，用m a t l a b 进行了精度验证，证明了算法的正确性和合理性。 最后，对数字埋弧焊电源进行了调试，证明可以实现埋弧焊电源的精确数字触发， 具有良好的通用性，值得继续开发应用。 关键词：埋弧焊；数字触发；三相全控桥；数字信号处理器 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t b e c a u s eo fs t r e n g t h si nf l e x i b l ep o w e rc o n t r o l ，e a s yf l e x i b l ec o n t r o li m p l e m e n t a t i o n , h i g h e rr e l i a b i l i t ya n dc o n t r o lp r e c i s i o n ，a n dc o m p a t i b l ei n t e r f a c e s ，t h ed i g l 。t a lw e l d i n gp o w e r s o u r c ed r e ws p o t l i g h ti nt h ea c a d e m i cw o r l da n db e c a m er e s e a r c hf o c u so n c ei ta p p e a r e d t h ed 姆t a lc o n t r o ls y s t e mf o rs u b m e r g e da r cw e l d i n g ( s a w ) i sd e s i g n e db a s e do nt h e m a i nc i r c u i to fm z - 12 5 0s c ra u t o m a t i cs a wm a c h i n e ，a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o l c h a r a c t e r i s t i c sa n dt e c h n i q u er e q u i r e m e n t so fs a w d s pt m s 3 2 0 f 2 812i ss e l e c t e da st h e m a i nc o n t r o l l e ro ft h es y s t e m 1 1 1 ee x t e r n a ld i g i t a lc o n t r o lc i r c u i t sa n ds o f t w a r eo ft h es a w m a c h i n ea r ed e s i g n e dr e s p e c t i v e l yn l eh a r d w a r ed e s i g nr e f e r st os i g n a ls y n c h r o n o u sc i r c u i t s ， s i g n a lc o n d i t i o n a lc i r c u i t s ，a n dd r i v e & i s o l a t i o nc i r c u i t s a d d i t i o n a l l y , t h ew o r k i n gf l o wo f t h es i g n a ls y n c h r o n o u sc i r c u i t sa n dd r i v e & i s o l a t i o nc i r c u i t sa r ea n a l y s e di nd e t a i l s ，a n d i s o l a t i o np u l s et r a n s f o r m e ri s o l a t i o na n do p t o c o u p l e r sa r ec o m p a r e da n da n a l y s e d f i n a l l y , o p t o c o u p l e ri ss e l e c t e df o rt h es i n g l ep u l s ew i d t ht r i g g e r m o d u l a ri d e ai sa p p l i e di ns o f t w a r ed e s i g n t h es y s t e mi sd i v i d e di n t om o d u l e sw i t h d i f f e r e n tf u n c t i o n s ，s u c ha st h es y n cp u l s e st oc a p t u r e ，a ds a m p l i n g ，p i dc o n t r o la l g o r i t h m w i t h i n t e g r a ls e p a r a t i o n , s i n g l e w i d t hp u l s eo u t p u t p h a s ea n a l y s i ss h o w st h a tt h e s y n c h r o n i z a t i o ns i g n a lh a p p e n sa h e a do ft h em a i nc i r c u i tp h a s ev o l t a g eb y3 0 0 t h ep r o b l e m o fp h r a s ed i f f e r e n c ei nz e r o c r o s s i n gp o i n tw i t hn a t u r ec o m m u t a t i o nb y3 0 0i ss o l v e d s k i l l f u l l y , a n dt h ea n g l ed i f f e r e n c ei sc o n t r o l l e di n5 0 9 0 0a c c o r d i n gt ot h et r i g g e rc o n t r 0 1 r e q u i r e m e n t s t h en e wm e t h o do fp h a s e s h i f t i n gd i 百t a lt r i g g e ri sp r o p o s e d ，n a m e l y , t h e t i m e re v e n tm a n a g e rw o r k si nt h ec o n t i n u o u sg r o w t hm o d e ，p h a s ea n g l ed e p e n d so n t h e t x c m p r ( x = 1 ，2 , 3 ，4 ) o ft h ec o u n t i n gv a l u e ，t h ev a l u ei sr e - a s s i g n m e n ti nt h em a t c h i n t e r r u p t i o n ，t r i g g e rp u l s ei sg e n e r a t e du s i n gv a r i a b l ec y c l ei d e ai no r d e rt oa c h i e v eaf u l l y d 蝤t a lt r i g g e r d i g i t a lt r i g g e ra n dd u a ln a r r o w , s i n g l e - w i d t hp u l s e su s e da r ed i s c u s s e di n d e t a i l sa n dt h ef e a s i b l es o l u t i o ni sp u tf o r w a r d e v e n t u a l l y , as i n g l et r i g g e rp u l s ew i d t hi s u l t i m a t e l ys e l e c t e di nt e r m so ft h ec o m p l e x i t yo f t h ea l g o r i t h m b e s i d e s ，d i g l t a lt r i g g e ri nt h e c a l c u l a t i o no ff i r i n ga n g l ei sv e r i f i e d a st h ed i r e c tp r o g r a m m m go fn o n l i n e a ro p e r a t i o n so f d s pi sd i f f i c u l t ，af l e x i b l ea n df a s t ，e a s yp r o g r a m m i n g ，a n dh i g hp r e c i s i o nf i r i n ga n g l e a l g o r i t h mi sp r o p o s e d n ep r e c i s i o no f t h ea l g o r i t h mi st e s t e da n dv e r i f i e di nm a t l a b r e s u l t s s h o wt h a tt h ea l g o r i t h mi sc o r r e c ta n dr a t i o n a l f i n a l l y , t h ed i 酉t a ls a wp o w e rs y s t e mi st e s t e d r e s u l t sp r o v et h a ta c c u r a t ed i g i t a l t r i g g e ri s f e a s i b l ea n da p p l i c a b l e t h u s ，t h es y s t e mi so fg o o dv e r s a t i l i t y , a n dw o r t h c o n t i n u e dd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：s a w ；d i g i t a lt r i g g e r ；t h r e e p h a s ef u l lb r i d g e ；d s p 西南交通大学曲南父逋大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：王潘左 指导老师签名： 日期：乙0 - 多、7 、日期：2 口( 6 ，孙恚 舌 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 ) 详细分析了变压器原边、侧边与同步变压器的相位关系，为移相触发提供了可 靠的理论依据。 2 ) 解决了全数字触发中触发角非线性计算难以直接编程的问题，提出了一种易于 编程实现且能保证精度的方法。 3 ) 提出了一种全数字触发中移相的方法，即将变周期的设计方法应用到了触发脉 冲的产生中。 4 ) 对所设计的软硬件系统进行了实验验证，实验结果分析表明，能够实现精确的 数字触发。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：上私一 嗍孙、6 7 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 i _ i i 皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼喜曼曼曼曼曼曼曼曼 第一章绪论弟一草缮化 1 1 埋弧焊综述 1 1 1 埋弧焊介绍 埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的一种方法，它是利用焊丝与焊件之间在 焊剂层下燃烧的电弧产生热量，熔化焊丝、焊剂和母材金属而形成焊缝，连接被焊工 件。在埋弧焊中，颗粒状焊剂对电弧和焊接区起保护和合金化作用，焊丝是填充金属【1 1 。 埋弧焊产生于1 9 3 5 年，到上世纪5 0 年代在我国开始应用。埋弧自动焊与其他焊 接方法相比具有很多优点：焊接电流大，生产效率高等。在焊接时，焊丝从导电嘴伸 出长度小，可以大大提高焊接电流，因此熔透能力和焊丝熔敷率得到很大提高。另外 由于焊剂和熔渣的隔热作用，电弧散热少、飞溅小，热效率高，可以提高焊接速度，焊 缝质量高。埋弧焊时，焊剂和熔渣能有效地保护熔池，并可以降低熔池的冷却速度， 从而可以提高焊缝的力学性能，节省焊接材料和能源。较厚的焊件不开坡口也能焊透， 省去开坡口和填充坡口所需的能源和时间，劳动条件好。焊接过程的机械化和自动化 使得焊工的劳动强度大大降低，有害气体少而且没有弧光的有害作用，改善了焊工的 劳动条件。 图i - i 埋弧焊装置示意图 2 】 图1 1 为最常见的埋弧焊接装置的示意图。各组成部分的工作是：焊剂漏斗在焊 接区前方不断输送焊剂于焊件的表面上，送丝机构带动压轮，保证焊丝不断地向焊接 区输送。焊丝经导电嘴而带电保证焊丝与工件之间形成电弧。通常焊剂漏斗、送丝机 构、导电嘴等安装在个焊接机头或小车上( 图1 1 中未标出) ，通过机头或小车上的 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 - - m_ _ _ m 皇曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼毫曼皇曼鼍曼曼曼曼皇曼曼曼量皇曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼 行走机构以一定的焊接速度向前移动，控制盒对送丝机构和机头行走速度以及焊机工 艺参数等进行调节与控制，小型的控制盒常设在小车上，大的控制箱则作为配套部件 而独立设置，电源向电弧不断提供能量。 1 1 2 埋弧焊焊接过程 焊接过程如图1 2 所示。焊接电弧是在焊剂层下的焊丝与母材之间产生电弧热使 其周围的母材、焊丝和焊剂熔化以致部分蒸发，金属和焊剂的蒸发气体形成一个气泡， 电弧就在这个气泡内燃烧。气泡的上部被一层熔化了的焊剂与熔渣构成的外膜所包围， 这层外膜以及覆盖在上面的未熔化焊剂共同对焊接起隔离空气、绝热和屏蔽光辐射作 用。焊丝熔化的熔滴落下与已局部熔化的母材混合而构成金属熔池，部分熔渣因密度 小而浮在熔池表面随着焊丝向前移动，电弧力将熔池中熔化金属推向熔池后方，在随 后的冷却过程中，这部分熔化金属凝固成焊缝熔渣凝固成渣壳覆盖在焊缝金属表面上。 在焊接过程中，熔渣除了对溶池和焊缝金属起机械保护作用外，还与熔化金属发生冶 金反应如脱氧、去杂质、渗合金等，从而影响焊缝金属的化学成分【3 1 。 螂撮 玉l 图1 - 2 埋弧焊焊接过程不惹图 1 1 3 埋弧焊的主要优点h 5 1 t 刀 1 ) 生产效率高。这是因为，一方面焊丝导电长度缩短，电流和电流密度提高，导致电 弧的熔深能力和焊丝熔敷效率大大提高；另一方面由于焊剂和熔渣的隔热作用，电 弧上基本没有热的辐射散失，飞溅也小，使得埋弧焊热效率大大增加，焊接速度快。 2 ) 焊缝质量高。因为熔渣隔绝空气的保护效果好，电弧区主要成分是c o ，焊缝金属 中含氮量、含氧量大大降低；另外焊接参数可以通过自动调节保持稳定，焊缝成分 稳定，机械性能较好。 3 ) 劳动条件好。除了减轻焊接操作的劳动强度，它没有弧光辐射，这是埋弧焊的独特 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 i i _ _ 曼曼曼曼曼曼曼舅曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼舅 优点。 1 1 4 埋弧焊的发展阳9 伽 我国焊接设备制造业起步较晚，五六十年代我国焊接装备大部分从原苏联引进。 到了7 0 年代，我国才组建一批专门生产焊接设备的制造厂，如上海、成都相继成立了 成套设备厂。进入8 0 年代，随着国内焊接设备需求量的增长，各地相继成立了多家中 小型成套焊接装备生产厂。迄今为止，我国己有多家焊接装备生产企业，但生产水平 却不容乐观。而世界工业发达国家，微机控制的焊机早已进入实用化阶段，并朝着采 用高档单片机系统，进行全数字、多功能、多参数控制、波形控制方向发展，且在焊 缝跟踪、焊后检验、多丝焊等方面已经得到了广泛的应用。埋弧自动焊机主要由电源、 控制箱、小车三部分组成。其主电源的发展经历了四个阶段机械调节型电源、磁饱和 放大器电源、可控硅整流电源及i g b t 逆变技术。机械调节是借助于机械移动装置来 实现对弧焊电源的外特性调节，电磁控制靠励磁电流大小调节铁心饱和程度来实现对 外特性曲线和参数的控制。无论是机械调节还是电磁控制的弧焊电源，他们的电气特 性外特性和动特性主要都取决于自身的结构，其特点结构简单、工作可靠、耐用，但 控制参数少，调节精度低，动态响应速度慢、稳定性差，而且为了获得良好的动特性 往往需要增加电抗器的体积，使弧焊电源做得笨重且耗电大。因而，工业发达国家正 在不断淘汰其中一些产品，例如机械调节型电源己被淘汰，磁放大器式弧焊电源整流 器也正在淘汰之中，准备逐步减少弧焊变压器，只有在较低的场合才使用这些“粗糙” 的弧焊电源。绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 技术的出现，对焊接设备领域产生了一定的 影响，但i g b t 逆变电源因其容量受到元器件本身的限制，其最大电流在数百安培范 围内。虽然它对手工电源将是一场革命，但还无法满足大电流埋弧焊的要求。 随着弧焊电源的不断发展，埋弧焊机的控制系统经历了三个阶段：机械控制、分 离元件控制、数字控制。在国内，大多数埋弧焊自动焊机仍采用分离元件模拟控制， 在生产中存在一些不足如，可靠性、互换性差；分离元件性能分散，调试复杂，需要 在线调试，互换性差：生产及维护成本高；埋弧焊焊接过程的稳定性受送丝速度、焊 接电流诸多因素影响；在外界干扰下，很难迅速恢复到稳定工作点。由于焊接过程是 一个具有高度非线性、时变性及多变量耦合作用的复杂系统。固定的控制模式和控制 参数难以保证各种焊接条件下的焊接性能，难以适应整个调节范围内参数的变化。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 1 5 埋弧焊机的数字化 焊机的数字化包括主电路的数字化和控制电路的数字化。 1 1 主电路的数字化 在模拟式弧焊电源中，主电路晶体管串联在焊接回路中，晶体管组工作在放大区， 焊接中有很大的能量消耗在晶体管组的集电极和发射极之间，造成晶体管组的能耗大。 而开关式晶体管弧焊电源中晶体管组工作在开关状态，半导体开关按照某一固定频率 周期性地开通关断，在开关式弧焊电源中可以采用i g b t 、金氧半场效晶体管 ( m o s f e t ) 或双极性晶体管等作为开关器件，其开关损耗很小。以一台2 0k h z 开关电 源为例，控制电路只需要几瓦的功率就可以满足要求。除了效率高外，开关电源另一 个优点是它的工作频率高。开关电源的工作频率越高，则回路输出电流的纹波越小， 响应速度就越快，因此焊机就获得了更好的动态响应特性。弧焊电源从模拟式发展到 开关式，实现了焊接电源主电路的数字化，从而使得焊接电源在两方面的性能上获得 了提高：焊接电源的功率损耗大大地减少，使得电源的效率达到9 0 以上【1 1 1 。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，具有更好的动态响应特性。 同时，由于提高了频率使得变压器的质量和体积大幅度减小，具有体积小、重量轻的 特点。 2 ) 控制电路的数字化 模拟控制是目前弧焊电源控制电路中应用最为普通的控制方式。在模拟控制方式 中焊接电流、电压等参数的采样、比较、p i d 运算以及p w m 信号生成一般由模拟电 路完成。随着数字技术的发展，出现了单片机控制的焊接电源。单片机控制弧焊电源 是弧焊电源数字化控制中一个重要的发展阶段。在这样的系统中，单片机主要完成了 控制信号的给定功能以及焊机的总体管理。单片机虽然在控制系统中仅仅完成了信号 的给定，但是已经使得弧焊电源在实现焊接工艺控制时，获得极大的灵活性。利用单 片机进行弧焊电源的控制虽然在信号的给定部分实现了数字化，但是受到单片机自身 处理能力的限制，p i d 控制器和p w m 信号生成仍然采用了模拟电路。因此，数字化的 特点在单片机控制的焊接逆变电源中并没有得到充分体现。由于d s p 强大的数值处理 能力，使得它可以实现数值的给定、p i d 处理、p w m 输出以及显示等各个环节的数字 化，使得真正意义上的数字化焊接电源的出现成为可能【l2 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 皇皇舅曼曼皇曼鼍曼曼寰曼皇曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼皇曼曼曼曼曼蔓寰曼皇曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼量曼鼍曼皇曼曼曼曼曼曼。 -nm m m m 蔓曼曼皇皇皇曼皇曼曼蔓皇曼皇曼曼曼曼曼蔓曼詈 1 1 6 焊接电源系统的数字化 焊接电源已不再是单纯的焊接能量提供源，还应具有数字操作系统平台、多特性 适应调整、送丝驱动外设及接口、焊接参数动态自适应调整、过程稳定质量评定、保 护及自诊断提示以及远程网络监控、生产质量管理等功能。这样焊接电源的概念就拓 宽为焊接电源系统。数字化焊接电源系统研究的主要内容有：通信协议的确定、单片 机系统、数字信号处理系统、数字化送丝系统、数字化操作面板系统、p c 机系统等【1 3 】。 采样及调理电路部分仍只能采用模拟电路来实现，这部分还无法实现数字化。状态判 断电路对于某些焊机是非常重要的，由于它对实时性要求较高，用比较器实现比较理 想，如对实时性要求不要，也可通过a d 转换引入到d s p 中去用软件来判断。传统 p i d 调节电路一般采用运算放大器和阻容网络来构建，在数字化焊机中一般采用数字 化p i d 。数字化p i d 的优势在于p i d 参数修改的方便性，这就使得电源在全规范区间 内均能获得良好的性能。以往p w m 调制电路般采用t i a 9 4 或s g 3 5 2 5 等芯片构成， 而在数字化焊机中一般采用数字化的p w m 调制，这部分实现起来有两种方案：一是 采用c p l d 建立数字化的p w m 调制电路，二是直接采用d s p 内部集成的p w m 调制 电路。保护部分主要分为电流、电压和温度三部分，这部分的实现主要根据具体实现 方式来确定，一般采用模拟电路来实现，因为它对实时性要求较高，否则起不到保护 作用。i g b t 的驱动部分比较成熟，不论对于传统焊机还是数字化焊机，这部分没有很 大的差别【1 4 】。由以上的分析可知，所谓焊机的数字化不外乎四个部分的数字化，数字 化的人机接口、数字化的主控系统、数字化的算法和数字化的p w m 调制。数字化的 人机接口尤其是带有液晶显示的焊机，其接口更加人性化，调节方便，甚至实现了多 组参数的存储和调用以及掉电保护等功能。数字化的主控系统一个显著特点就是用软 件来代替原来需要用硬件电路实现的功能，增加了系统的柔性，这也意味着可以用同 一个焊机平台通过更改或扩充软件实现多种焊接方法的集成，一旦软件编写通过，随 着产品产量的提高，其成本会迅速下降，另外，通过更新软件就可以实现焊机功能的 改造和提升，这是以往模拟焊机不可比拟的，这是数字化焊机的最大优势。 目前，对数字化焊机没有统一的定义，各个研究单位所研制的数字化焊机千差万 别，单片机控制、d s p 控制或二者混合控制，另外在软件方面，有传统的程序控制， 也有嵌入式操作系统控制。由于单片机运算速度和处理能力的限制，基于单片机的控 制系统般不直接参与电源的内环控制，电源的恒流恒压乃至特殊外特性控制都是采 用模拟电路来实现的，单片机控制系统仅仅实现参数的调节、存储、调用以及焊接过 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 程的时序控制和参数给定，因此这些基于单片机控制的焊机一般不称为数字化焊机。 随着d s p 控制技术的发展和器件价格的不断降低，d s p 逐渐被引入到焊机控制过程中 来，由于d s p 运算速度快，集成有a d 转换、p w m 调制等外设，因此经过简单的外 设扩展它就可以直接参与焊接电源的环路控制，狭义上的数字化焊机是基于d s p 控制 的。目前国内从事数字化焊机研究的单位，出了不少研究成果，但距离产品化都还有 一定的距离。由于各个研究单位的背景不同，所研制的数字化焊机也千差万别，华南 理工大学、北京工业大学、时代集团等这些研究起步较早的单位，所研制的数字化焊 机对以往的模拟控制部分继承较多，p w m 调制电路般采用c p l d 来实现，而天津大 学、兰州理工大学等研制的数字化焊机则对传统模拟控制部分继承较少，直接采用 t m s 3 2 0 c 2 4 x 系列d s p 进行控制，完全抛弃模拟的p w m 调制部分，直接采用d s p 内部的p w m 调制电路，不论采用哪种控制方式，目前的数字焊机效果都有待于进一 步改善1 1 5 , 16 】。 1 2 本论文的主要研究任务 埋弧焊在工业生产中广泛应用，具有诸多优点。但是埋弧自动焊机大多数采用分 离元件模拟控制，自身存在诸多问题，例如在一般的弧焊电源控制系统中，控制电路 被设计成具有简单闭环系统，再进行近似计算的模拟控制方式。此控制方法存在如较 大的稳态误差、焊机输出特性较差、多特性实时控制不足。同时，采用模拟控制，电 路复杂、抗干扰能力差，也为整个电源的调试和进一步开发带来困难。为此，通过对 国内外焊接过程控制、弧焊电源、计算机控制技术及埋弧焊研究现状的分析，针对目 前国内埋弧焊电源及过程控制存在的问题，本文选用t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 数字信 号处理器作为埋弧焊机的控制核心，配合外部模拟电路实现埋弧焊的数字化控制。本 设计拟完成以下几点设计任务： 1 ) 针对埋弧焊工艺要求，研制出满足电源外特性要求和埋弧焊过程控制要求的基 于d s p 的数字控制系统，利用d s p 片上的p w m 模块实现精确数字触发。 2 ) 绘制该焊机的控制系统软件流程图，编写代码程序。 3 ) 系统软件的模块化设计，根据各个模块的功能划分，包括a d 采样、同步信号捕 捉、脉冲输出等模块。 4 ) 绘制外围调理电路原理图与p c b 布线图，并调试所设计电路。 5 1 整体系统的实验验证。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第二章控制系统概述 2 1t m s 3 2 0 f 2 8 12 芯片介绍n 力 d s p 由于具有丰富的硬件资源、改进的并行结构、高速数据处理能力和强大的指 令系统，已经成为世界半导体产业中紧随微处理器与微控制器之后的又一个热点，在 通信、航空、航天、雷达、工业控制、网络及家用电器等各个领域得到了广泛的应用。 d s p 具有以下结构特点，使它具有体积小、功耗小、使用方便、实时处理迅速、 处理数据量大、处理精度高、性能价格比高等优点。c 2 8 x 系列芯片的主要性能如下： 1 高性能静态c m o s ( s t a t i cc m o s ) 技术 1 5 0 m h z 时钟( 时钟周期6 6 7 n s ) 低功耗( 核心电压1 8 v ，i o 口电压3 3 v ) 2 j t a g 边界扫描( b o u n d a r ys c a n ) 支持，方便调试 3 高性能的3 2 位中央处理器 支持1 6 位x 1 6 位和3 2 位x 3 2 位累乘操作 两个独立的1 6 位1 6 位的乘且累加 哈佛总线结构( h a r v a r db u sa r c h i t e c t u r e ) 迅速的中断响应和处理 代码高效( 支持c c “、汇编语言) 4 时钟与系统控制 支持动态的改变锁相环的频率 看门狗定时器( w a t c h d o gt i m e r ) 模块 5 外部中断扩展( p i e ) 模块 可支持9 6 个外部中断，当前仅使用了4 5 个外部中断 6 3 个3 2 位的c p u 定时器 7 1 2 位的a d c ，1 6 通道 2 x 8 通道的输入多路选择器 两个采样保持器 8 丰富的片内功能 两个事件管理模块( e v e n tm a n a g e m e n t ) ，包括4 路1 6 位事件定时器， 1 2 路p w m 输出通道及6 路光电码盘接口 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 串行外围接口( s p i ) 、l 路e c a n 总线模块 2 路串行通信接口( s c i ) 以及1 路多通道缓冲串行接口( m c b s p ) 2 2 电源控制系统的发展 目前大多数现有的埋弧焊机无论在结构上还是在焊机的控制模式上仍停留在由普 通集成电路和分立元件为主的硬件模拟结构上，硬件线路复杂，结构不紧凑，各部分 之间极易相互干扰，大大地影响了设备的可靠运行，很难优化控制，也就越来越难于 适应复杂焊接工艺的要求。解决这一问题的关键在于数字化，数字化、智能化是焊机 发展的一个总体趋势【1 8 】。 随着工业的发展，对焊机性能的要求越来越高，为了能够保证焊接过程的稳定和 达到良好的焊接工艺性，就必须对焊接过程的信息进行实时的提取与处理，这就要求 控制系统有足够的速度、反应精度和灵敏性。d s p 强大的数据处理能力和快速运算能力 为焊接信号的实时处理提供了物质基础，可使焊机迅速与信息化、数字化、集成化接 轨，提高焊机的高技术含量，实现焊机的信息化控制。 埋弧自动焊过程是一个焊接电流、焊接电压、小车行走和送丝速度等多参数系统， 针对埋弧自动焊电弧静特性的特点设计了下降外特性，当使用粗丝焊接时，电弧静特 性为水平的，由于自调节作用不强，故采用下降特性匹配变速送丝控制系统。采用电 流负反馈配合算法实现电源的下降外特性。 2 2 1 电源控制系统 弧焊电源控制系统电源的输出功率的改变是通过改变三相桥式全控整流电路的晶 闸管控制角来实现的。当要求得到下降外特性时，电源匹配变速送丝控制系统时，采 用电流负反馈p i d 调节。当要求得到平外特性时，则应采用电压负反馈以得到恒压外 特性。 下面以下降型外特性电源控制为例进行说明。 焊接电 图2 - 1 电流反馈p i d 算法示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 - - i ni ni il i li ：曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼舅量曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼舅舅曼曼曼曼曼量曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼 2 3pid 控制算法 常规p d 控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差， 将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。按偏差 的比例，积分和微分进行控制的调节器( 简称p i d 调节器) ，是控制系统中技术成熟、 应用最为广泛的一种调节器。具有结构简单，参数易于调整，且在长期应用中积累了 丰富的经验。 p i d 控制系统原理框图如图所示【1 9 】。 图2 2 模拟p i d 控制系统原理框图 p i d 控制器是一种线性控制器，它根据给定值厂( 力与实际输出值c ( 力构成控制偏差： p ( f ) = ，- ( f ) 一c ( f ) ( 2 1 ) 将偏差的比例( p ) 、积分( i ) 和微分( d ) 通过线性组合构成控制量，对被控对 象进行控制，故称p i d 控制器。其控制规律为： 以d = 砟卜+ - 专i e ( r ) d t 4t d d e ( t ) ， ( 2 - 2 ) 或写成传递函数形式： g 。等2 廓1 叫 亿3 ， 式中 k 。比例系数； 正积分时间常数； 死_ 微分时间常数。 简单来说，p i d 控制器各校正环节的作用如下： 1 比例环节即时成比例地反映控制系统的偏差信号e ( o ，偏差一旦产生，控制 器立即产生控制作用，以减少偏差。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于 积分时间常数乃，乃越大，积分作用越弱，反之则越强。 3 微分环节能反映偏差信号的变化趋势( 变化速率) ，并能在偏差信号值变 得太大之前，在系统中引入个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作时间， 减小调节时间。 在计算机控制系统中，使用的是数字p i d 控制器，数字p i d 控制算法通常又分为 位置式p i e ) 控制算法和增量式p i d 控制算法。一般认为在以晶闸管作为执行器或控制 精度要求较高的系统中，可采用位置控制算法。本设计中采用位置式p i e ) 控制策略， 通过反馈焊接电流值得到下降特性的埋弧焊电源。 焊接电流负反馈采用数字p i d 调节算法，系统将反馈值与给定值进行比较得到偏 差e ，再根据这个偏差信号按照p i e ) 控制算法进行运算输出控制信号( 控制角a 所对 应的计数值) ，由于采用单片机程序来实现p i d 控制算法，采样的信号为离散量，因 此连续域的p i d 控制算法不能直接使用，需要采用离散化方法将模拟p i d 控制算法 处理成数字p i d 控制算法，所谓数字控制算法就是要通过在离散的时间点上采样，把 模拟量量化( ，d 转换) ，然后通过对误差信号的比例、积分、微分计算，得到控制量， 然后输出。这就需要对积分和微分进行数值计算，本文采用的是位置式p i d 控制算法。 以一系列的采样时刻点k t 代表连续时间t ，以和式代替积分，近似变换后可得到 离散化的位置式p i d 算法表达式： 土 “( 尼) = p ( 七) + 岛p ( ，) + 饬( p ( 七) 一p ( 七一1 ) ) ( 2 - 4 ) = o 式2 4 中，勋为比例系数，厨为积分系数，k 为采样序号， u o c ) 为第k 次采 样时刻的输出控制量， “k ) 为第k 次采样时刻输入的偏差值，这样根据当前的偏差值 以及之前的偏差值就可以计算出当前的控制量。算法中，为了求和，必须将系统偏差 的全部过去值都存储起来。这种算法得出控制量的全部输出u ( k ) ，是控制量的绝对 值。在控制系统中，这种控制量确定了执行机构的位置。本设计采用的是位置式的p i d ， 具体的程序框图如图2 3 所示： p i d 程序同样通过i q r n a t h 库函数处理浮点计算。图2 3 中对采集回来的焊接电流 值进行判断，看是否大于给定值，这样是为了保证空载电压，以便引弧。控制程序初 始化时将比列系数印设置为肋，印，的值比较大。当程序开始运行而焊接还未开始 时，勋j 提供一个较大的输出控制量，得到合适的空载电压值；当焊接开始，电流反馈 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 值超过给定量，那么就将比例系数g p 改为k p 2 ，k p ：的值相对较小，最终的焊接过程 是以砀? 作为比例系数进行控制。 图2 - 3 积分分离式p i d 算法示意图 针对积分饱和的问题【2 0 】，改进了积分控制，即当误差值在阀值范围内才启动积分 控制，而当误差过大，超出阀值时停止积分控制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 li | ii 第三章系统硬件设计 针对埋弧自动焊过程控制及焊接操作控制的特点和工艺要求，在m z 1 2 5 0 晶闸管 式埋弧自动焊机主电路的基础上，设计了以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心的埋弧焊数字控制系 统。设计了埋弧自动焊机数字控制系统的外围硬件电路。硬件电路主要包括焊接电流 采样电路、同步和晶闸管触发电路、保护电路等。本章重点阐述电路的设计思想，硬 件结构，工作原理。 针对埋弧弧焊机存在的问题，结合生产的实际需要，在m z 1 2 5 0 焊机的基础上， 采用t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 作为三相全控桥式晶闸管埋弧焊电源的控制核心， 利用d s p 的片上e v 模块实现六只晶闸管的数字触发。 图3 - 1 系统总体框图 系统总体结构框图如图3 1 所示，三相3 8 0 v5 0 h z 的工频交流电经过变压器降压， 整个数字化埋弧焊硬件系统可以分为三个部分，分别为d s p 最小系统模块、信号调理 电路、驱动隔离电路。本文采用的数字化方法基本原理是：首先将焊接电流信号通过 分压、滤波、电压跟随器等转换成d s p 采样端口能够接受的电平范围( o - 3 v ) 。电源 的特性控制由d s p 对电流反馈信号进行a d 转换，然后根据数字p i d 控制算法与给定 信号比较求出下一时刻晶闸管的触发角，换算为时间常数i 1 1 ，写入d s p 产生触发脉冲， 用其控制同步触发脉冲信号的相位来调节晶闸管的触发角大小，从而得到相应的输出 功率，实现焊机的外特性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 本文所用的是m z 1 2 5 0 晶闸管整流弧焊机，其主要技术指标如表3 1 所示。该焊 机由晶闸管弧焊整流器、弧焊电流控制器、埋弧自动焊机头( 小车) 等组成。本设计 中只改造电源控制系统，焊机主电路的整流器采用晶闸管控制的三相全控桥整流电路， 与其它整流电路相比，三相全控桥整流电路与三相半控桥相比有如下三大特蒯2 1 】： 1 ) 电路结构和触发方式不同。半控桥是用二极管代替全桥的三个晶闸管。触发电 路只需要给共阴组三个晶闸管输送相隔1 2 0 0 的单窄触发脉冲即可，而全控桥要供给六 个晶闸管所需的相隔6 0 0 的单宽脉或双窄脉冲，所以全控桥电路复杂。 2 ) 输出电压的脉动、平波电抗器的电感量不同。在控制角a 较大时，半控桥输出 电压脉动大，脉冲频率低( 1 5 0 h z ) 。全控桥脉动小且脉动频率高( 3 0 0 h z ) 。因此全控 桥要求的平波电抗器的电感量较小。 3 ) 控制滞后时间及用途不同。半控桥触发脉冲间隔1 2 0 。( 6 6 m s ) ，全控桥触发脉 冲间隔6 0 0 ( 为3 3 m s ) 。所以全控桥动态响应快，调整及时。 表3 - 1m z - 1 2 5 0 埋弧焊机主要技术参数 3 1 主电路及其控制系统结构 ux x 一一 _ 弭雄x 义 “ 1 2 蓐o - 一l 图3 - 2 三相交流电相位示意图 如图3 2 所示三相交流电是由三个频率相同、电势振幅相等、相位差互差1 2 0 0 的 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 l l 1 i i 曼曼皇曼 交流电路组成的电力系统。正相序时相位为a 相超前b 相1 2 0 0 ，b 相超前c 相1 2 0 0 。 若电源三相输入端接线方式为a ，b ，c 或者b ，c ，a 或c ，b ，a 都属于正相序，若 接入方式为a ，c ，b 或c ，a ，b 或b ，a ，c 则属于逆相序。 b c 图3 3 三相桥式全控整流电路 焊接电源主电路采用y 接法，同步变压器采用y 腭接法，同步变压器线电压和 主电路三相线电压的相位关系相同，主回路的三相相电压和三相线电压相位关系相同。 触发角仅是以相电压自然换相点而言的，线电压超前于相应相电压3 0 0 ，所以仅角也就 应以线电压6 0 0 处为起点。自然换相点是对触发角控制的参考点，移相控制的前提是获 得主电路三相相电压的自然换向点。 图3 4 正相序时相位图 在实际应用中，必须考虑电源三相进线顺序，电源正、逆相序时，主电路三相相 电压与同步线电压相位对应关系不同。正相序时，如图3 4 所示，u a b ( 1 ) 、u a c ( 2 ) 、u c a ( 3 ) 表示同步线电压，下标中的1 ，2 ，3 表示图3 4 中的端口。u a ( 4 ) 、u s ( 5 ) 、u c ( 6 ) 下标中 的4 ，5 ，6 表示图3 3 中的端口。图3 4 中u a ( 4 ) 、u b ( 5 ) 、u c ( 6 ) 表示相位差均为1 2 0 0 ， 暑；i ；宣；i ；薯；宣；i ；i ；i ；i i i ；i ；i i i ；i i i ；i i i i i 宣宣i i i ；宣i 昌i i i i i i i i i i i i 宣i 宣i 宣宣；i i1 1i i i j i i i i i 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 由复数减法的几何意义：两个复数的差与连接这两个向量终点并指向被减数的向量