（材料加工工程专业论文）基于dsp的mig焊弧长模糊控制的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 随着科学技术的发展，m i g 焊在全位置自动焊接方面的应用越来越普遍。但 是，由于焊接结构的限制，在焊接过程中焊枪喷嘴和工件表面的距离必然会发生 变化，从而引起弧长及焊接过程的不稳定。在m i g 焊接过程中，当焊枪喷嘴与工 件表面的距离发生变化时，如何保证焊接弧长的稳定是焊接自动化领域研究的重 要课题之一。 本文分析了m i g 焊接工艺参数对焊接过程及焊接质量的影响，并基于此提出 了采用变速送丝配合缓降特性焊接电源的焊接弧长控制策略。鉴于焊接弧长控制 系统通常为复杂的非线性系统，本文将模糊控制理论引入弧长控制过程中。 本文以电弧电压为控制量，送丝速度为被控制量，采用m a t l a b 软件实现了 双输入、单输出弧长模糊控制器的设计，并通过仿真对模糊控制中的比例因子和 量化因子进行了优化。仿真结果表明，优化后的模糊控制器具有良好的响应特性 和稳态精度。本文以m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机和t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 型d s p 为主控芯片，完 成了数字化m i g 焊弧长模糊控制系统的硬件电路和软件的设计。 焊接试验表明，本文所研制的数字化软、硬件系统工作可靠：弧长模糊控制 系统的数学模型正确。该系统能够在焊枪喷嘴和工件表面的距离发生变化时，保 持电弧弧长一定，从而保证焊接过程的稳定。 关键词：m i g 焊；弧长；模糊控制；数字化；数字信号处理器( d s p ) a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fw e l d i n gt e c h n o l o g y , m i gw e l d i n gh a sb e e n i n c r e a s i n g l yu s e di na u t o m a t i cw e l d i n go fa l lp o s i t i o n h o w e v e r , d u r i n gt h ew e l d i n g , t h ed i s t a n c eb e t w e e nt h ew e l d i n gt o r c hm u z z l ea n dt h es u r f a c eo ft h ew o r kp i e c eh 扣 t oc h a n g eb e c a m eo f t h ec o n f i n eo f w e l d e ds t r u c t u r e ，w h i c hw i l lc a u s ei n s t a b i l i t i e so f t h ew e l d i n ga r ca n dt h ew e l d i n gp r o c e s s t ok e e pt h es t a b i l i t yo fw e l d i n ga r ci sa n i m p o r t a n tt a s ki nw e l d i n ga u t o m a t i o nf i e l d ，w h e nt h ed i s t a n c eb e t w e e nt h ew e l d i n g t o r c hm u z z l ea n dt h es u r f a c eo f t h ew o r kp i e c ec h a n g e s t h i sp a p e ra n a l y z e sh o ww e l d i n gc o n d i t i o n st a m p e rw i t hw e l d i n gp r o c e s sa n d w e l d i n gq u a l i t y , a n dt h eu n i t e dc o n t r o ls t r a t e g yo fa r cl e n g t hc o n t r o l ，b yu s i n g c h a n g e a b l ew i r es p e e da n dd r o p c h a r a c t e r i s t i cw e l d i n gp o w e rs o u r c e ，i sp r e s e n t e d b a s e do nt h i sa n a l y s i s t h ef u z z yc o n t r o lt h e o r yi si n d u c t e dt 0t h ec o n t r o la st h e c o n t r o ls y s t e mi sac o m p l i c a t e dn o n l i n e a ro n e t h ef u z z ya r cl e n g t hc o n t r o l l e ri se s t a b l i s h e dw i t ha r cv o l t a g e t h ei n p u ta n d w i r es p e e da s t h eo u t p u t ，b a s e do nt h em a t l a bs o f t w a r e o p t i m i z i n go ft h e c o n t r o l l e r sp a r a m e t e r si sp r o c e e d e db a s e do ns i m u l a t i o n s ，a n dt h er e s u l t si n d i c a t ea g o o dr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i ca n dh i g hp r e c i s i o n t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no f t h ec o n t r o ls y s t e mi sc o m p l e t e d ，t a k i n gt h em s p 4 3 0 f 1 4 9m c ua n dt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s pa sc h i e f c o n t r o l l e r s t h ew e l d i n ge x p e r i m e n t si n d i c a t et h ea c c u r a c yo ft h em a t h e m a t i c sm o d e lo ft h e d e s i g n e df u z z yc o n t r o ls y s t e ma n dt h es t a b l ew o r kc o n d i t i o no ft h ed i g i t a lc o n t r o l s y s t e m e v e nw h e nt h ed i s t a n c eb e t w e e nt h ew e l d i n gt o r c hm u z z l ea n dt h es u r f a c eo f t h ew o r kp i e c ec h a n g e s ，t h i sc o n t r o ls y s t e mw i l lk e e pt h es t a b i l i t yo fa r cl e n g t h ，s oa s t oa c h i e v eas t a b l ew e l d i n gp r o c e s s k e y w o r d s ：m i gw e l d i n g ，f u z z yc o n t r o l ，d i g i t a l ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s n n 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，也不包含为获得鑫垄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己在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 烛风签字日期：卵年，月j 岁，只 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鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘洼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 躺、铱 导师签名 觐绝与 签字同期：硼传f 月f 如签字日炒年， 月厂而 第一章绪论 第一章绪论 1 1 熔化极氩弧焊( m i g ) 概述 m i g 焊指使用熔化电极的惰性气体保护电弧焊，它利用氩气或富氮气体作为 保护介质，采用连续送进可以熔化的焊丝，以燃烧于焊丝与工件之间的电弧作为 焊接热源“1 。这种方法焊接质量稳定可靠，非常适合于不锈钢、耐热钢和低合会 钢的焊接，也适用于铝、铜、钛及其合金等有色金属中厚板的焊接。 1 1 1 熔化极氩弧焊的特点 2 1 同其它熔焊相比，熔化极氩弧焊具有以下优点。 ( 1 ) 几乎可以焊接所有金属，焊接中母材氧化极少，只有少量的蒸发损失， 焊接冶金过程也比较单纯。 ( 2 ) 生产效率高，焊接变形小。由于是连续送丝，允许使用的电流密度较 高，所以母材的熔深大，填充金属熔敷速度快；用于焊接厚度较大的铝、铜、钛 及其合金等有色金属时生产率比钨极氩弧焊高，焊接变形比钨极氩弧焊小。 ( 3 ) 焊接过程易于实现自动化。熔化极氩弧焊的电弧是明弧，焊接过程参 数稳定，易于检测与控制，因此易于实现自动化。目前，该方法已经在弧焊机械 手和机器人等领域得到广泛应用。 ( 4 ) 具有阴极破碎作用，对氧化膜不敏感。熔化极氩弧焊一般采用直流反 接，焊接铝、镁及其合金时可以依靠很强的阴极破碎作用去除氧化膜，提高焊接 质量。 ( 5 ) 可以获得含氢量较低的焊缝金属，焊接过程烟雾少，可以减轻对通风 的要求。 ( 6 ) 可以通过采用短路过渡和脉冲进行全位置焊接，并且可以实现窄间隙 焊接。 1 1 _ 2 熔化极氩弧焊的工艺参数 1 焊接电流 焊接电流是最重要的工艺参数之一。实际焊接中根据工件厚度、焊丝直径、 焊接位置来选择电流。当其它参数保持恒定时，焊接电流与送丝速度或熔化速度 以非线性的关系变化。当送丝速度增加时，焊接电流也随之增大。对每一种直径 第章绪论 的焊丝，在低电流时送丝速度与电流的对应关系近似于线性：在高电流时，特另0 对于细焊丝，该对应关系变为非线性。而且随着焊接电流的增加，熔化速度以更 高的速度增加。在稳定焊接过程中，增大焊接电流会使得焊缝的熔深和余高明显 增加，而熔宽略有增加。 2 电弧电压 在稳定焊接过程中，电弧电压主要影响熔宽，对熔深的影响较小。电弧电压 应根据焊接电流的大小，保护气的成分，被焊材料的种类，熔滴过渡形式进行选 择。如果电弧电压过高( 电弧过长) ，可能产生气孔和飞溅；电弧电压过低( 即 短弧) ，可能使电弧短接。 3 焊接速度 焊接速度是重要的焊接工艺参数之一。焊接速度与焊接电流适当配合才能获 得良好的焊缝残形。在焊接热输入不变的条件下，焊接速度过大，熔宽、熔深减 小，甚至产生咬边、未熔合、未焊透等缺陷。如果焊接速度过慢，单位长度焊缝 上的熔敷金属增加，熔池体积增大，熔宽增加，可能导致烧穿、焊缝变形过大等 缺陷。 4 焊丝伸出长度 焊丝伸出长度指焊枪导电嘴端部到焊丝端头的距离。焊丝伸出长度越长，焊 丝的电阻越大。焊丝的伸出长度影响焊丝的预热，对焊接过程及焊缝质量有显著 影响。其它条件不变而焊丝伸出长度过长时，导致电弧电压下降，焊接电流减小， 电弧不稳定和焊缝成形不良：焊丝伸出长度过短时，电弧易烧损导电嘴，而且金 属飞溅易堵塞喷嘴。 1 2 熔化极氩弧焊弧长控制的研究现状 1t 2 1 常见熔化极氮弧焊弧长控制方法 国内外学者都曾对熔化极氩弧焊( 脉冲m i g 焊) 焊接过程的控制进行过大 量的研究，提出了许多行之有效的控制方法。近年来发展的m i g 焊弧长的控制 方法主要有以下几种： 1 弧长反馈闭环控制法【6 】 国内外做了大量的研究工作，其基本原理是利用弧长信号闭环反馈控制焊接 参数，如r 本三菱电气公司采用了开环控制和闭环控制并用的方法来控制脉冲 m i g 电弧，该控制方法已取得欧洲专利。其原理如下：首先根据送丝速度按照 第一章绪论 一定的数学模型来控制脉冲频率，使焊丝熔化速度与送丝速度基本相等，然后再 引入电弧平均电压的负反馈来调整脉冲参数以适应条件的变化和随机干扰。该系 统的缺点是，闭环反馈信号取自电弧平均电压，动态品质差；再者，当遇到干扰， 如磁偏吹时，平均弧压信号并不能反映弧长的变化。 为了改善电弧闭环控制系统的动态性能，日本京都大学等单位1 9 8 2 年研制 出一种离散闭环控制系统。它以每周期的对应点的弧长来代表该周期的弧长，通 过计算机闭环控制使该点的弧长不变。但是由于它是通过调节维弧电流来控制弧 长，维弧电流过小会引起断弧现象：维弧电流过大又会引起大滴过渡。所以这种 控制方法的弧长控制性能和抗干扰能力是有限的，而且这种方法的弧长采样周期 是固定不变的，当焊接规范改变时，不仅需要重新调整焊接电源的脉冲参数，而 且还要调整相应的采样周期。 2 自适应闭环控制法【7 】 该方法的控制原理与弧长反馈闭环控制法相似，其区别在于该方法中送丝速 度和脉冲频率按一定的函数关系由单旋钮给定，且脉冲频率还受控于电弧电压 ( 弧长) 达到弧长控制的目的。为确保一个脉冲过渡一个熔滴，采用预置单元能量 ( 峰值电流和峰值时间) 和设定基值电流不变。其优点是抗弧长干扰能力强，而送 丝速度的扰动会引起焊接过程不稳定，需加强送丝机的力矩补偿能力，使送丝速 度稳定。 3 门限控制法 脉冲m i g 焊门限控制法1 9 】是通过设立电弧电压的门限值来实现其控制。原 理如下：当焊丝的熔化或焊丝的送进使电弧工作点移动时，电弧电压也随之变化， 当电弧电压达到设置的上、下门限值时，控制系统迫使电流发生突变，使电弧电 压不超过设置的上、下门限值，在门限值内则按闭环控制处理，从而使弧长得到 控制。其电源外特性为“口”字形，在脉冲与维弧期间均工作在恒流状态，而脉 冲频率由弧长的给定电压和实际反馈电压的偏差来决定。该方法是以调节脉冲频 率而克服弧长的扰动来调节焊丝的熔化速度。 1 2 2 熔化极氩弧焊控制方法的实现方式 1 模拟控制系统“” 模拟控制是目前弧焊电源控制电路中应用最为普遍的控制方式。在模拟控制 方式中焊接电流、电弧电压等参数的采样、比较、p i 运算以及p w m 信号生成一 般由模拟电路完成。模拟控制系统最大的缺点是进行复杂处理的能力有限，元器 件数量多，并且控制系统的参数由电阻、电容等分立元件的参数决定，控制系统 第一章绪论 的调试复杂、灵活性差，而且如温度漂移等影响元件参数的因素都会直接影响控 制系统的稳定性和准确性。模拟控制弧焊逆变电源的控制系统框图如图1 1 所示。 功率 图l - i 模拟控制弧焊逆变电源的控制系统框酗 2 单片机控制系统【“】 由图1 2 可以看出，单片机控制系统中单片机主要完成控制信号的给定功能， 逆变电源的程序控制，以及实现参数设置部分数字化。但是受到单片机自身处理 能力的限制，弧焊逆变电源p i d 控制器仍然用运算放大器实现，反馈信号处理 和p w m 也仍采用模拟电路。因此，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。 功率 图1 2 单片机控制弧焊逆变电源控制系统框图 3 基于d s p 的数字化控制系统【” 数字信号处理器( d s p ) 的出现，为实现的焊机数字化提供了条件。它将焊 机控制所需要的部分功能部件如 d 、p w m 等集成在一块芯片内，采用了多组总 线技术实现了并行运行机制，极大的提高了运算速度，使得弧焊电源控制系统的 数字化成为可能。资源的增强使得过去由单片机无法实现的功能和性能变得很容 4 第一章绪论 易，且控制电路进一步简化。自1 9 9 8 年以来，奥地利f r o n i u s 公司、只本松下 公司等多家公司先后推出了基于d s p 的数字化焊机“”。图i - 3 是d s p 控制弧焊逆 变电源控制系统框图。 功率 图1 3d s p 控制弧焊逆变电源控制系统框图 4 基于单片机和d s p 的双控制器系统“町 图1 4 基于单片机和d s p 弧焊逆变电源系统框图 众所周知，单片机控制系统的特点是：事件管理功能较强、总线位数较少， 运行速度相对慢一些；而d s p 控制系统的特点是：运算能力较强、运行速度相对 较快、总线宽度较宽、管理功能相对较弱。对于弧焊电源系统来讲，人机交互接 口对速度要求较低，对总线宽度的要求较低，而对管理能力的要求较高。另外， 焊接参数的数据库也需要较强的管理能力。在单d s p 控制系统中，d s p 要管理焊 接过程的顺序控制，还要经常响应人机交互接口的中断，实现参数的调整与显示， 严重影响d s p 快速数字运算能力的发挥。现代弧焊电源焊接参数控制对实时性要 求及智能性要求越来越高，采用单片机和d s p 双控制器系统，可以充分发挥单片 5 第一章绪论 机管理能力强的特点和d s p 数据处理能力强和运行速度快的优势，提高了弧焊电 源数字控制的精度和实时性。因此，采用单片机和d s p 双控制器系统是目前数字 化弧焊电源控制系统的必然发展趋势。图卜4 是单片机和d s p 双控制器孤焊逆变 电源控制系统框图。 1 3 本文的研究目的和主要研究内容 t t l g 焊接过程中电弧的稳定性和焊接质量的稳定性是制约其在自动焊中应 用的主要因素，也已成为国内外专家关注的热点。目前，国内外的专家学者在 m i g 焊过程控制研究方面取得了很大进展，但有一定的局限性，如控制策略过于 简单，控制精度低、抗干扰能力差、可靠性低等。因此，本课题拟开发一套基于 单片机和d s p 双核心的控制系统，借助数字化控制系统高精度、可靠性好，柔 性度高的特点和d s p 强大的运算和数字信号处理能力，采用合理的智能化控制 策略，进一步提高m i g 焊接过程电弧稳定性，实现稳定的焊接过程。 本课题拟开展以下几方面的研究工作。 ( 1 ) 制定合理的m i g 焊接弧长控制策略。 ( 2 ) 以m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机和t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的d s p 芯片为控制核心， 设计电压、电流采样电路、送丝速度p w m 控制信号隔离驱动电路、送丝机控制 电路、数字开关控制外围电路等硬件电路。 ( 3 ) 利用m a t l a b 软件完成弧长模糊控制器的离线设计，并对控制器的控 制效果进行仿真，优化控制因子与模糊控制规则。 ( 4 ) 进行控制系统软件设计，将仿真结果用于指导实际，并通过实验对模糊 控制系统进行在线调整，最终实现对m i g 焊的弧长控制。 6 第二章m i g 挥弧长模糊控制原理 第二章m i g 焊弧长模糊控制原理 2 1m i g 焊弧长控制原理 2 1 1 等速送丝控制原理 在细丝m i g 焊时，通常采用等速送丝方式，配合使用平特性或缓降特性电 源，通过电弧的自调节作用来保持弧长的稳定。即焊接过程中送丝速度保持不变， 当弧长变化时，将导致焊接电流的变化，从而引起焊丝熔化速度的变化，使季导送 丝速度和熔化速度重新达到平衡状态，以保持弧长不变。该控制策略的最大缺点 在于焊接工艺稳定性的改善和弧长自调节作用的提高是矛盾的。因为电弧的自调 节作用是靠焊接电流的变化而获得的，电流变化越大。自调节作用越强，但熔滴 过渡的稳定性和电弧燃烧的连续性就越差。这个矛盾在m i g 焊中尤为突出。 ，m s 图2 - 1 等速送丝系统对弧长干扰的响席 图2 一l “”为细丝m i g 焊时，电弧自调节过程的弧长( l 4 ) 、电流变化( i ) 曲线。 焊接采用由1 o 焊丝，初始弧长l o - - - - - 6 5 m m ，初始电流i = 1 5 3 a ；当干扰发生时， 干扰后弧长减小到l l = 4 2 m 。由图2 - 1 可以看出，此时焊接瞬时电流较大，将。 由于电流增大，焊丝熔化速度增大，弧长的恢复速度较快。随着弧长的恢复，电 流增量减小，弧长恢复速度也逐渐减小。当弧长恢复到k 的9 5 时需要4 8 5 m s ， 可见其动态响应较差。当干扰发生时，焊接电流达到近2 0 0 a ，电流增幅高达3 0 ，熔滴过渡稳定性变差，焊缝成形较差。 2 1 2 变速送丝控制原理 7 第二章m i g 焊弧长模糊控制原理 变速送丝调节系统多与陡降特性电源配合使用，其控制原理框图如图2 2 所 示。当弧长变化时，必然引起电弧弧压的变化，此时利用电弧电压作为反馈量， 控制送丝速度发生变化，使电弧弧长保持不变。在这种控制方法中，要根据焊接 方法、焊丝直径等因素选择合适的反馈系数，才能得到稳定的焊接过程。反馈系 数过弱，调节性能变差，焊接过程调整时间过长；反馈系数过强，可能产生振荡， 使送丝速度抖动，焊接过程不稳定。因此，该方法多用于电弧自调节作用较差的 粗丝m i g 焊过程。 l 图2 - 2 变速送丝控制原理框图 2 1 3 变速送丝与电弧自调节联合控制原理 焊 伊 工伺： 在细丝m i g 焊接过程中，大多采用弧长自调节作用维持弧长稳定，但由于弧 长自调节作用有限，当弧长变化较大时，很容易造成熄弧，或者粘丝，且弧长自 调节过程中电流波动较大，所以限制了m i g 焊在自动焊接领域的应用。为扩大 m i g 焊的应用领域，必须解决焊接过程中干伸长发生变化引起焊接弧长的稳定性 问题，以保证焊接过程的稳定性。为此，本系统采用变速送丝与电弧自调节联合 控制方案。在焊接过程中，采用缓降特性电源，以送丝调节为主要调节手段，以 电弧自调节为辅助调节手段。即当焊接弧长发生波动时，根据弧压的变化调整送 丝速度，以消弱弧长的变化；同时，由于焊接电流发生变化，自调节作用也可以 起到促进弧长恢复的作用。但是，为避免焊接电流的波动过大，造成焊接过程不 稳定，采用缓降外特性弧焊电源，以减小焊接电流的波动。 2 2 弧长模糊控制系统整体控制思想 2 2 1 弧长与电弧电压之间的关系 在m i g 焊过程中，电弧电压( u 。) 和电弧长度( l ) 的关系可以用式( 2 - 1 ) 来 表示”1 ： 8 第二章m i g 焊弧长模糊控制原理 u - = = u 。+ e l 其中l j , - 电弧电压( v ) ： l 一电弧长度( 哪) ； u 。阴极压降和阳极压降之和( v ) ； e 代表弧柱电位梯度( v m ) 。 妻 墨 蕃 i 可见嚣长 一舞篓直径 2 l n 删 一i n a t l暑护 一 一，一坤 ，一一 r ，一一 ，一 一，6 一，名 ， r q m 三 碡西0 每灌t 一 圈2 - 3m i g 焊电弧负载特性曲线 才 蚜 呼 墨 罾 ( 2 - i ) 电强长度乙r a m 图2 4 电弧长度对电弧电压影响 当电弧长度l 发生变化时，m i g 焊电弧的负载特性曲线如图2 - 3 所示，由图 可见，当电弧长度增加或减小时，电弧负载特性曲线随之上移或者下移，但在各 电流值上表现出的斜率变化各有所不同，这主要是由于散热量的非线性变化造成 的。图2 - 4 为采用缓降特性电源焊接，电流一定、电弧稳定燃烧时，m i g 焊不锈 钢时的电弧电压和电弧长度的关系，因为两者之间表现出较好的线性关系，所以 在焊接过程中，当焊枪喷嘴与工件之间距离发生变化时，电弧长度随之发生变化， 并造成电弧电压的相应变化。本系统采用电弧电压作为反馈信号，根掘电弧电压 的变化来判断电弧长度的变化。 2 2 2 送丝速度控制规则 本系统拟采用闭环模糊控制策略实现对m i g 焊弧长进行控制。在焊接过程 中，采集电弧电压作为控制系统的反馈量。当弧长发生变化时，采集的电弧电压 信号发生相应的变化，把电弧电压检测值与稳定值相邻两次偏差，偏差的变化( 等 效于偏差变化率) 输入离线设计的弧长模糊控制器，通过模糊控制器的计算、处 理，得到调整后的控制送丝速度的p w m 信号，用以调节送丝速度，实现变速送丝 控制。本系统采用缓降特性焊接电源，一方面使系统具有一定的电弧自调节作用， 同时又可以避免自调节时，电流波动过大：另一方面，缓降外特性电源输出电压 可以补偿干伸长上压降的变化。因为当焊枪喷嘴与工件之间距离变大时，由于焊 丝的干伸长度变大，干伸长度上的压降变大。若采用平特性电源必然造成电弧部 9 第二章m i g 焊弧欧模糊控制原理 分电压下降，不能保证弧长稳定，而采用缓降特性电源，由于焊枪喷嘴与工件之 间距离变大时，焊接电流变小，而输出电压升高，升高的电压可以补偿一部分干 伸长上的电压升高，有利于保证电弧电压恒定，从而改善弧长控制的效果。焊枪 喷嘴与工件之间距离变小时，电压的补偿原理相同。 图2 - 5i 件不平时，弧长调节示慈图 图2 5 是当工件不平时，弧长调节示意图。当焊炬到工件表面的距离h 变大 时，由于原始干伸长k 来不及变化，必然导致电弧长度l 的增加( 增加值lr ) ， u 随之增大，电流和焊丝熔化速度相应减小。此时，弧长模糊控制器根据反馈弧 压的偏差和偏差的变化率对控制送丝速度的p w m 进行调整，得到一个较大的送丝 速度v 。以尽快恢复原来的弧长。弧长的调整存在时间响应问题，需要一个过 程，在整个过程中，弧长不断的向初始弧长接近，电弧电压也随之降低，即弧压 的偏差和偏差变化率不断交小，模糊控制器输出p w m 控制量也逐渐减小。在整个 调整过程中，弧长自调节作用也同时发挥作用，当弧长偏差增加较大时，焊接电 流减小较大，焊丝熔化速度变小，以消除弧长的偏差。在调整过程中，电流不断 恢复，熔化速度也逐渐增加，直到弧长达到初始值时，送丝速度与熔化速度恢复 到平衡状态。此时的送丝速度不等于原始送丝速度，而是比较接近于原始送丝速 度。假设经过n 次调整之后，弧长恢复。则此期间送丝速度( v ，) 与熔化速度( v ) 之日j 存在如下关系： v ， v n v f 3 v v f n ：k v 。 v - 2 v 1 同理，当h 减小时，调节过程与上述过程相反。 2 3 本章小结 本章首先分析了m i g 焊过程中当焊接工件与焊枪喷嘴间距离h 发生变化 时，为保证弧长不变，常用的弧长控制思想。当h 在大范围变化时，为保证焊 接弧长的稳定，并获得较稳定的熔滴过渡和焊接过程，提出了在细丝m i g 焊时 采用缓降特性电源加变速送丝的控制思想。然后，介绍了本文采用的基于电弧电 1 0 第1 二章m i g 焊弧长模期控制原理 压反馈的弧长模糊控制系统的整体控制思想及具体弧长调节过程。 第三章控制系统的硬件结构设计 第三章控制系统的硬件结构设计 为实现第二章所述弧长模糊控制策略，本文设计了基于单片机和d s p 的双 c p u 数字化控制系统。本章主要介绍该控制系统的硬件组成。 3 1m i g 焊系统 3 1 1 控制系统的整体框图 图3 一l 为该数字化弧长控制系统的整体框图。 图3 - 1 数字化弧长控制系统整体框图 如图3 1 所示，该硬件系统分为焊机主电路、弧长模糊控制器两部分。其 中点画线部分为本文设计的弧长模糊控制器，包括送丝机调速电路、单片机最小 系统、d s p 最小系统、信号采样电路、隔离驱动电路等。本研究采用山大奥泰公 司n b c - - 5 0 0 z 逆变焊接电源的主电路和该公司的s b 1 5 型送丝机，通过设计 弧长模糊控制器来实现第二章制定的弧长模糊控制策略。由于模糊控制器中单片 机和d s p 最小系统为通用设计，因此本章不作具体介绍，只介绍主控芯片的选 择。而送丝机p w l v l 调速电路、信号采样电路、隔离驱动电路等外围电路的设计 作为本章的重点。 。 在本系统中，单片机负责事务管理工作，即完成焊接参数的设定、存储和显 示，焊接过程的时序控制等，并对d s p 的1 工作状态进行管理。d s p 作为主控部件 和运算核心，主要负责有关焊接参数的采集、数字信号处理、控制规则的数值运 算、p w m 波形产生、电源特性控制等工作。在焊接前，通过单片机的键盘、显示 模块进行焊接模式选择、焊接参数调整，并由单片机通过串口通讯将参数传递给 1 2 第三章控制系统的硬件结构设计 d s p 实现在焊接过程中，采用分流器和分压电阻对焊接电流、电压，送丝电机电 枢反馈电压进行检测，并经过信号采样电路滤波、放大、限幅处理得到可供a d 直接采样的反馈模拟信号。由d s p 内部集成a d 将模拟信号变换为数字信号。d s p 将采样信号传递给单片机，进行焊接参数显示。同时，根据反馈信号求取偏差和 偏差变化率，按照设定模糊控制规则进行运算，得到相应的p v m 脉冲宽度，用于 控制送丝电机直流斩波器中的功率半导体开关器件( m o s f e l ) 的通断，实现送丝 速度的模糊控制。同时，d s p 将运算得出的电源参数控制信号经d a 转变成模拟 信号。输出至n b c 一5 0 0 z 弧焊电源控制系统，实现对焊接电源参数的实时调整。 3 1 2 送丝机调速电路 送丝系统是m i g 焊接系统的重要组成部分，送丝速度的可控性直接影响m i g 焊焊接过程的稳定性。本系统采用的弧长模糊控制方案是基于对送丝速度的调节 来实现弧长控制的( 见第二章) 。因此，送丝速度调节的控制精度、响应速度对 控制具有直接影响。 图3 - 2p 删调速系统框图 1 送丝机调速原理 本系统的送丝机调速采用脉宽调制技术( p m a ) 。它与传统的直流调速技术相 比，p 州直流调速系统具有非常明显的优势：主电路简单，需要的功率元件少， 开关频率高，电机损耗和发热都比较小：低速性能好，稳速精度高，调速范围宽； 系统频带宽，快速响应性能好，动态抗干扰能力强。图3 2 为p v o i 调速系统的框 图。 2 功率m o s f e t 的开关特性 本系统采用i r f 5 4 0 型m o s f e t 场效应晶体管作为电压调速电路中的功率开关 器件。场效应晶体管是用栅极电压来控制漏极电流的，具有驱动电路简单、驱动 第三章控制系统的硬件结构设计 功率小的特点，并且其开关速度快、工作频率高。 m o s f e t 的开关速度和其输入电容c 。的充放电时间有很大关系。使用者无法 改变其c 。的值，但可以通过选择适当的栅极驱动电路内阻的值来减小栅极回路 的充放电时间，加快开关速度。 3 送丝机调速电路 图3 3 送丝机调速电路原理圈 送丝机调速电路的原理图如图3 3 所示。该电路的输入端是变压器的副边i l ， 2 4 v 的交流电经过四个整流二极管桥式整流，再经c 3 ( 1 0 0 0 u f ) 进行滤波，输出 直流。端口j 1 1 输出电压到电机电枢，此分压后( 端口f e e d b a c k ) 作为送丝电 枢电压的采样信号。采样信号经采样通道滤波、跟随、限幅等处理后，送入d s p 。 当弧长正常时，以该信号作为反馈控制信号，对送丝机进行恒速送丝控制。当弧 长发生变化时，以电弧电压信号作为反馈控制信号，对送丝机进行变速送丝控制， 以保证弧长稳定。q l 为i r f 5 4 0 场效应晶体管，其触发脉冲信号是将d s p 的 p w m 3 引脚输出的信号经过t l p 2 5 0 专用芯片( 后文介绍) 隔离放大后得到的。 系统的负载为电动机电枢，可以认为它是电阻电感负载，q 2 为稳压二极管， 二极管d 1 1 为续流二极管。d 5 、r 2 、c 6 组成吸收保护电路( 其原理与设计参见 下面内容) ，对m o s f e t 进行保护。 4 吸收保护电路的设计 送丝电机电枢绕组有相当大的电感，当功率管由导通变截止时，将会出现相 当大的过电压e = - l x d i d t ，因此m o s f e t 将受到过电压的冲击。鉴于m o s f e t 抗电压冲击能力较弱，为了限制漏源过电压，防止m o s f e t 被击穿，必须采取有 1 4 第三章拧制系统的硬件结构设计 效的保护措施。本系统采用r c d ( 电阻一电容一续流二极管) 吸收保护电路，如 图3 - 3 中所示。吸收回路的设计必须能够完全吸收电枢电感释放出来的能量。 吸收电路电容c 。能够完全吸收绕组电感所有存储的能量。c 的大小可由公式 ( 3 - 1 ) 求得： c ，= 备 ( 3 一1 ) 其中c 。一吸收电路电容值( 悼) ； l 一主电路总电感( m l ) ； i 。一m o s f e t 关断时的漏极电流( a ) ； v 。一吸收电路电容的稳态电压( v ) ； e 。一直流电源电压( v ) 。 阻容吸收回路放电时间要小于m o s f e t 管的导通时间，以便使电容中的能量 能在导通时间内完全放掉，由于阻容电路的放电时间取决于时间常数t = r c ，工 程上一般认为5 7 t 的时间可以认为放电完毕，在此选取6 t 作为放电完毕时间。 吸收回路电阻r ，可以通过公式( 3 2 ) 得到： 1 r 赢 ( 3 2 ) 其中f m o s f e t 开关频率( h z ) 。 如果吸收回路的电阻过小， 会使电流波动m o s f e t 开通时的 漏极电流初始值过大，因此，希望 在公式( 3 - 2 ) 的基础上，选取尽 可能大的电阻。经计算、匹配， 本系统c ，选取0 0 2 7 师的无感电 容，r 。为1 5 q 8 w 氧化膜电阻和d ， 为快速恢复二极管组成吸收电 路。图3 - 4 为采用上述r c d 吸收图3 - 4 续流二极管电压波形 回路后，检测到的续流二极管d l l 两端的电压波形。由该波形可以看出，吸收电路工作正常，能够有效的吸收电枢 电感产生的能量，避免了电路冲击。 第三章控制系统的硬件结构设计 3 2 控制器主控芯片的选择 本文根据所采用的弧长模糊控制策略对控制系统控制精度和响应速度的要 求，综合考虑合系统开发工具的完善程度、设计成本等多方因素，最终选择t i 公司的m s p 4 3 0 f 1 4 9 型号单片机和t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 型号d s p 作为主控芯片。 1 m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机的特点 m s p 4 3 0 系列单片机是美国德州仪器( t i ) 公司推向市场的一款1 6 位超低功 耗的混合信号处理器，它针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处 理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。该系列单片机具有以下特点。 ( 1 ) 超低功耗m s p 系列单片机的电源电压采用1 8 - 3 6 v 低电压，r a m 数 据保持方式下耗电仅为0 1 u a ，活动模式耗电2 5 0 u a m i p s ，i o 输入端口的漏电流 最大为5 0 n a 。另外，m s p 系列单片机有独特的时钟系统设计，包括两个不同的时 钟系统；并且有些时钟可以在指令的控制下打开或者关闭，从而实现对总体功耗 的控制。 ( 2 ) 快速响应m s p 系列单片机采用矢量中断，支持十多个中断源，并可 以任意嵌套，用中断请求将c p u 唤醒只需6 u s ，通过合理编程，可以对外部事件 请求做出快速响应。 ( 3 ) 强大的处理能力m s p 系列单片机是1 6 位单片机，采用了精简指令集 ( r i s c ) 结构，一个时钟周期可以执行一条指令，另外m s p 7 3 0 f 1 4 9 内部集成硬 件乘法器、d m a 等先进体系结构，大大提高了数据处理和运算能力。 ( 4 ) 高性能模拟技术及丰富的片上资源m s p 系列单片机结合t i 的高性能 模拟技术，集成了较丰富的片上外设。m s p 7 3 0 f 1 4 9 单片机看门狗，模拟比较器 a ，定时器a 。定时器b ，串口( o ，1 ) ，硬件乘法器等，为系统的单片解决方案 提供了极大的方便。 ( 5 ) 系统工作稳定m s p 系列单片机均为工业级器件，运行温度为一4 0 一8 5 摄氏度，运行稳定，可靠性高，所设计的产品适用于各种民用和工业环境。 ( 6 ) 方便高效的开发环境。 2 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 的特点“” 1 1 公司推出的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列d s p 是专门针对电机、逆变器、机器人、 数控机床等控制应用而设计的。通过把一个高性能的d s p 内核和微处理器的片 内外设集成为一个芯片的方案，l f 2 4 0 xd s p 成为传统的微控制单元( m c u ) 和 昂贵的多片设计的一种廉价的替代产品。每秒3 0 0 0 万条指令( 3 0 m i p s ) 的处理 速度，使l f 2 4 0 xd s p 控制器可以远远超过传统的1 6 位微控制器和微处理器的 1 6 第三章摔制系统的硬件结构设计 性能。本研究选择了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为控制芯片，它具有以下主要特点。 ( 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 i p s 的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。 ( 2 ) 片内有高达3 2 k 字x 1 6 位的f l a s h 程序存储器( e e p r o m ，4 扇区) ； 商达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 r a m ) ：2 k 字 的单端口r a m ( s a 洲) 。 ( 3 ) 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 位的脉宽调制( p w m ) 通道：防止击穿故障的可编程的p w m 死区控制：对外部事件进行定时捕获的3 个捕获单元；片内光电编码器接口电路： 1 6 通道的同步a ，d 转换器。 ( 4 ) 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1 个1 6 通道输入的d 转换器。 ( 5 ) c a n2 0b 模块，即控制器区域网模块。 ( 6 ) 基于锁相环( p l l ) 的时钟发生器。 ( 7 ) 高达4 1 个可单独编程或复用的通用输入输出( g p i o ) 引脚。 ( 8 ) 电源管理，具有3 种低功耗模式，能独立的将外围器件转入低功耗模 式。 3 3 控制系统的外围设计 本小节主要介绍对该弧长控制系统的控制效果影响较大的部分专用外围电 路，如：a d 转换电路、电弧电流和电弧电压以及送丝速度采样电路、p w m 隔离 和驱动电路，开关量输入& 输出隔离等。该控制系统的最小系统电路、键盘显示 电路等通用扩展电路参见附件1 一控制系统硬件原理图。 3 3 1 电压采样电路 电压采样电路的采样精度、响应速度对控制系统的整体控制效果具有直接的 影响。本控制系统的电压采样电路如图3 - 5 所示。电弧电压通过j p l 2 进入采样 电路，由于m i g 焊电弧电压一般在1 8 v 一3 5 v 之间，空载时电压更高，所以必 须先对输入电压进行降压处理，本系统采用电阻分压的方法( 由r 7 2 、r 5 9 进行 分压) ，通过调节可变电阻r 5 9 的阻值，实现对输入电压的调节。降压后的电压 信号通过低通滤波，滤掉高频干扰之后进入由u 1 0 组成的电压跟随器。u 1 0 采 用具有低噪声、低输入电流偏移、低直流电压输出偏移特性的离精度运放大器 1 7 第三章控制系统的硬件结构设计 o p 0 7 。其作用为：匹配电路的输入、输出阻抗；提高带载能力；商阻输入，低 阻输出还可以很好的对前后两部分电路进行隔离，保护主控芯片。d 1 4 稳压管为 限幅作用，保证即使出现异常信号，电压也被钳制在3 3 v 。最后，信号经再次 阻容滤波，去除采样过程干扰后，进入a d 芯片进行采样。 幽3 - 5 电压采样电路圈 图3 - 6 为电压采样电路的输入、输出波形。其中波形1 为模拟带有高频干扰 的输入信号波形，波形2 为经采样电路后输出信号波形。由图可见，该采样电路 具有很好的信号跟踪效果和滤波效果，能准确的反映输入电压的变化情况。 图3 6 电压采样电路的输入、输出波形 本系统对送丝速度的反馈采用电枢电压反馈方式，其反馈电路的形式同电弧 电压反馈电路形式相同。 1 s 第三章控制系统的硬件结构设计 3 3 2 焊接电流采样电路 因为焊接电流信号从微观上讲是一个脉动的电流( 频率4 0 k h z ) ，所以在反 馈到控制器之前必须对其进行滤波，以保证采样信号能j 下确反映输出电流的平均 值。此外，本系统采用分流器进行电流传感，分流器输出电压很小( 毫伏级) ， 所以需要对反馈信号进行放大，以达到a 仍转换的匹配量级。 图3 - 7 焊接电流采样电路 图3 7 为焊接电流采样电路。电流采样信号通过j p l 6 进入采样电路以后首 先通过二阶无源低通滤波器进行滤波。放大作用是由l m l 2 4 j 通用运算放大器实 现的该放大电路的放大倍数可调，最大可达1 0 0 倍，能够满足该系统的放大倍 数要求。图中的两个电容c 2 6 、c 3 l 的作用是滤掉外界的干扰，以保证得到的信号 准确。d 1 8 稳压二极管为限幅作用，钳制最高电压至3 3 v 。最后，信号经再次 阻容滤波，去除采样过程干扰后，进入a ，d 进行采样。 图3 - 8 采样电路的输入，输出波形 第三章控制系统的硬件结构设计 图3 8 为该采样电路的输入、输出波形。其中波形l 为模拟带高频干扰的 输入信号波形，波形2 为经采样电路后输出信号波形。由图可见，该采样电路具 有很好的抗干扰效果，能准确反映焊接电流的变化