（材料加工工程专业论文）基于msp430单片机的埋弧焊机数字控制系统的研究.pdf

天津大学硕士学位论文中文摘要 摘要 埋弧自动焊具有生产效率高、焊接质量好、劳动条件好等优点，在很多工业 部门都有着广泛的应用。随着科技的发展，对焊接质量可控性的要求越来越高， 模拟控制技术的埋弧自动焊机已经不能满足其要求，因此将数字控制技术引入到 埋弧自动焊机的控制系统，具有重要的理论意义和实际应用价值。 本文在m z 1 0 0 0 a 晶闸管式埋弧自动焊机的基础上，设计了以单片机 m s p 4 3 0 f 1 4 9 为控制核心的埋弧焊数字控制系统。 根据埋弧自动焊数字控制系统的要求，设计了一套菜单式人机交互系统。该 系统主要有下列功能：根据用户操作能够灵活地实现界面跳转；能够简单方便地 对焊接参数进行设置和修改；可以手动送丝退丝，完成焊丝调整功能；实现焊接 参数的动态显示以及焊接电源系统的状态显示。该系统具有界面友好、显示直观， 操作方便等优点。 设计了埋弧自动焊机数字控制系统的硬件电路和软件程序。硬件电路主要包 括焊接电压、焊接电流采样电路；送丝机控制驱动电路；焊接电流给定电路；小 车速度给定电路以及小车方向控制电路。在焊接电流给定和小车车速给定环节中 采用了数字电位器，在此基础上通过单片机输出数字量给定控制信号经d a 转 换成所需的给定信号电平，完成原先模拟旋转式电位器的给定功能。系统采用焊 接电压反馈变速送丝控制，完成相应的p w m 送丝机驱动控制电路设计，并编写 相应的p w m 驱动程序模块。 焊接电压反馈变速送丝采用p i 控制，利用m a t l a b 软件中的s i m u l i n k 模 块对系统进行了建模仿真，根据仿真结果和实验确定了p i 控制参数；焊接收弧 控制采用新的回走式收弧控制策略方法，即通过设定收弧控制阶段的焊枪与工件 相对静止燃弧时间以及焊枪与工件相对于焊接方向回走时间来控制收弧效果。 焊接实验表明，当把单片机输出送丝机控制驱动p w m 信号占空比限制在 0 0 0 - - - 6 0 时，在较宽的焊接参数变化范围内，焊接过程较为稳定，焊缝质量相对 较好；采用回走式收弧控制策略能够得到较好的焊缝收尾处成型效果。 关键词：埋弧焊接电源：变速送丝系统；人机交互；收弧控制；单片机控制 天津大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t t h ea u t o m a t i cs u b m e r g e d a r cw e l d i n gh a sm u c hm e r i t ，s u c ha sh i 曲e f f i c i e n c yo f p r o d u c t i o n ，e x c e l l e n tq u a l i t yo fw e l d i n gp r o d u c t , g o o dc i r c u m s t a n c eo fw o r k i n g f i e l d ， e t c i ti su s i n gw i d e l y , a l o n gw i t ht h ed e v e l o p i n gs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h eu s e r s d e m a n d i n gw e l d i n gq u a l i t yi sg e t t i n gh i g h e r , t h ea n a l o gc o n t r o ls y s t e mo fs c r s u b m e r g e d a r cw e l d i n gm a c h i n ec o u l d n ts a t i s f yt h ed e m a n d ，s oa p p l y i n gt h ed i g i t a l c o n t r o lt e c h n i q u ei n t ot h ec o n t r o ls y s t e mo fs u b m e r g e d - a r cw e l d i n gm a c h i n eh a s i m p o r t a n ta c a d e m i cm e a n i n g a n dp r a c t i c a lp u r p o s eo fa p p l i a n c e o nt h eb a s eo fm z 10 0 0 as c ra u t o m a t i cs u b m e r g e d a r cw e l d i n gm a c h i n e , w e h a v ed e s i g n e dt h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e mf o rs u b m e r g e d a r cw e l d i n g ，w h i c hc o n t r o l c o r ei sm s p 4 3 0 f14 9m c u i na c c o r dw i t hr e q u e s to fa u t o m a t i cs u b m e r g e d a r cw e l d i n g ，h e r eu s i n gm e n ut o d e s i g nam a n m a c h i n ei n t e r a c t i v es y s t e m ，t h es y s t e mh a sf u n c t i o n s ：i n t e r f a c ec a n e a s i l yb ec h a n g e di fu s e rh a so p e r a t e d ；t h ew e l d i n gp a r a m e t e r sc a nb ec h a n g e da n d m o d i f i e dc o n v e n i e n t l y ；i tc a nc o m p l e t et h ef u n c t i o no ff o r w a r da n db a c k w a r df e e d w i r eb ym a n u a l l yo p e r a t i o n ；t h ep a r a m e t e r sa n ds t a t u so fp o w e rc a nb ed i s p l a ya n d s h o wd y n a m i c a l l y t h ew h o l em a n m a c h i n ei n t e r a c t i v es y s t e mh a sf r i e n d l yi n t e r f a c e ， v i s u a l i z e dd i s p l a y ，c o n v e n i e n tm a n i p u l a t i o n ，a n ds oo n t h ep a p e rh a sd e s i g n e dt h es y s t e mc i r c u i ta n ds o f t w a r ep r o g r a mf o rt h ed i g i t a l c o n t r o ls y s t e mf o rs u b m e r g e d a r cw e l d i n gm a c h i n e t h es y s t e mc i r c u i tc o n t a i n s w e l d i n gv o l t a g ea n dw e l d i n g c u r r e n ts a m p l i n gc i r c u i t ，w i r ef e e d i n gd e v i c ec o n t r o l l i n g a n dd r i v i n gc i r c u i t , w e l d i n gc u r r e n tp r e s e t t i n ga n dd r i v i n gc i r c u i t , w e l d i n gt r a c t o r s v e l o c i t yp r e s e t t i n ga n dd r i v i n gc i r c u i t , w e l d i n gt r a c t o r sd i r e c t i o nc o n t r o l l i n gc i r c u i t , e t c i nt h ec u r r e n ta n dw e l d i n gt r a c t o r sv e l o c i t y sp r e s e t t i n gs e c t i o na p p l y i n gt h e d i g i t a lp o t e n t i o m e t e r s ，t h i sm a k e st h ed i g i t a lg i v i n gp a r a m e t e r sw h i c hi so u t p u t t e db y t h em c ut r a n s f e rt o a n a l o ge l e c t r i cv o l t a g ew h i c hw en e e d ，t h u sf i n i s h i n gt h e f u n c t i o no fo r i g i n a la n a l o gp o t e n t i o m e t e r s t h ep o w e rs y s t e me m p l o y e dt h es t r a t e g y o fw e l d i n gv o l t a g ef e e d b a c kc o n t r o la l t e r n a t ew i r e f e e ds y s t e m ，f i n i s h i n gt h ed e s i g n o fp w md r i v i n ga n dc o n t r o l l i n gc i r c u i tf o rw i r ef e e d i n gd e v i c e ，a n dc o m p o s i n g c o r r e s p o n d i n gp r o g r a m w e l d i n gv o l t a g ef e e d b a c kc o n t r o la l t e r n a t ew i r e f e e ds y s t e me m p l o y st h ep i a l g o r i t h m ，u s e ss i m u l i n ki nm a t l a bt o e m u l a t et h es y s t e m ，t h er e s u l to ft h e e m u l a t i o nc a r lh e l pt oa d j u s tt h ep ic o n t r o l a n de x p e r i m e n t ，t h ep ic o n t r o lp a r a m e t e r s p a r a m e t e r s a c c o r d i n gt ot h ee m u l a t i o n w a sf i x e da t 为= 1 5 ，始= 1 0 0 0 ；t h ea r c e x t i n g u i s h i n gc o n t r o lm e t h o di sb a c k g oa r ce x t i n g u i s h i n gc o n t r o lm e t h o d ，i ti s t h r o u g hc o n t r o l l i n gs t a n d s t i l la r c i n gt i m ea n db a c k g oa r c i n gt i m ei na r ce x t i n g u i s h i n g s t a g et oc o n t r o lt h ee f f e c to fa r ce x t i n g u i s h i n g t h ew e l d i n ge x p e r i m e n ti n d i c a t e st h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n w h e nl i m i t i n gt h e d u t yr a t i or a n g eo fp w mi n0 0 , r - 6 0 , w ec a l lu s ew i d e r a n g i n go f w e l d i n gv o l m g ei n r a n g eo fr a t e dw e l d i n gv o l t a g e ，t h ew e l d i n gp r o c e s si ss t a b l e , t h ew h o l ew e l d i n g s e a m sh a v eg o o dq u a l i t y ；e m p l o y i n gb a c k g oa r ce x t i n g u i s h i n gs t r a t e g yc a na c h i e v e g o o dc r a t e rm o l d i n ge f f e c t k e yw o r d s ：s u b m e r g e d - a l ew e l d i n gp o w e r , a l t e r n a t ew i r e f e e d s y s t e m ， m a n - m a c h i n ei n t e r a c t i v e ，a r ee x t i n g u i s h i n gc o n t r o l ，m c uc o n t r o l 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，也不包含为获得墨鲞本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：签字日期： z 伊0 7 年 6 月z 9 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞基鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞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： 条妈毒 导师签名： 蚜铂稳 签字目期：知d 7 年 舌月钐日 签字日期：加一7 年f 月矽日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 埋弧焊概述 第一章绪论 埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧的一种电弧焊方法。在焊剂层下，电弧在焊丝 末端与焊件之间燃烧，使焊剂熔化、蒸发，形成气体，在电弧周围形成一个封闭 空腔，电弧在这个空腔中稳定燃烧，焊丝不断送入，以熔滴状进入熔池，与熔化 的母材金属混合，并受到熔化焊剂的还原、净化及合金化作用。随着焊接过程的 进行，电弧向前移动，熔池冷却凝固后形成焊缝，密度较轻的熔渣在熔池的表面， 有效地保护熔池金属，冷却后形成渣壳。 1 1 1 埋弧焊机的分类n 咱1 1 ) 按电源分交流( 弧焊变压器) 、直流( 弧焊发电机和弧焊整流器) 以及交流与 直流两用焊接电源，一般电源的选择要根据使用条件来选择。通常情况下大多采 用直流焊接【4 】。 2 ) 按送丝方式分为等速送丝式和电弧电压调节变速送丝式焊机。前者适用 于细焊丝或高电流密度的情况；后者适用于粗焊丝或低电流密度的情况。 3 ) 按用途分为通用和专用焊机，通用焊机广泛用于各种结构的对接、角接、 环缝和纵缝等焊接，专用焊机用来焊接某些特定的金属结构或焊缝。 4 ) 按行走机构形式分为小车式、门架式、悬臂式三种，通用埋弧焊机大多 采用小车式行走机构，适于焊接各种平板对接、角接及内外环缝。 5 ) 按焊丝数目和形状可分为单丝、多丝和带状电极焊机。 1 1 2 埋弧焊的特点 1 埋弧焊的优点 ( 1 ) 熔深大，生产效率高如以厚度8 - 1 0 m m 钢板对接为例，单丝埋弧焊速 度可达3 0 n 5 0 m h ，而手工电弧焊则不超过6 - - - 8 m h ，如若采用多丝以及带状电极 埋弧焊，则更加提高了埋弧焊的生产效率。 ( 2 ) 焊接质量好，表面美观焊剂的存在不仅能隔开熔化金属与空气的接 触，而且使熔池金属较慢凝固。液体金属与熔化焊剂有较多时间反应，减少熔渣、 气孔等缺陷的出现。另一方面焊剂还可以向焊缝金属补充一些合金元素，提高焊 天津大学硕士学位论文第一章绪论 缝的力学性能；另外，焊接参数可以通过自动调节保持稳定，对焊工技术水平要 求不高，焊缝的质量不受焊工的情绪及其疲劳程度的影响，焊缝成分稳定，机械 性能比较好。 ( 3 ) 劳动条件好除了减轻手工焊接操作的劳动强度外，焊接电弧在焊剂层 下燃烧，没有弧光辐射，消除了弧光及烟尘对焊工的有害影响，这是埋弧焊的独 特优点。 2 埋弧焊的缺点 1 ) 由于埋弧焊是依靠颗粒状焊剂堆积形成保护条件，因此，主要适用于水 平面焊缝焊接。国外也有采用特殊机械装置，保证焊剂堆敷在焊接区而不落下来， 从而实现埋弧横焊、立焊和仰焊，但应用均不普遍。 2 ) 由于埋弧焊焊剂的成分主要是m n o 、s i 0 2 等金属及非金属氧化物，跟焊 条手弧焊一样，难以用来焊接铝、钛等氧化性强的金属及其合金。 3 ) 只适于长焊缝的焊接。由于机动灵活性差，焊接设备也比手弧焊复杂些， 短焊缝显不出生产效率高的特点。 4 ) 由于埋弧焊电弧的电场强度较大，电流小于i o o a 时，电弧的稳定性不好， 因此不适合焊接厚度小于l m m 的薄板。 正是由于埋弧焊的上述特点，在现代各种先进焊接方法高速发展的今天，埋 弧焊以其独特的优势在机械、锅炉、汽车、铁路车辆、武器装备等工业部门有着 广泛的应用。 1 1 3 埋弧焊接电源的发展5 1 埋弧焊接电源的发展主要经历了四个阶段：机械调节型电源、磁饱和放大器 电源、晶闸管整流电源及逆变电源。 传统的埋弧焊接电源为机械调节型电源、磁饱和放大器电源。它们的电气特 性( 外特性和动特性) 主要都取决于电源变压器或磁饱和放大器的结构，其特点是 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，尤其是体积大，笨重，耗费材料严重，电能损耗也大，已经逐步被淘汰。 新型的焊接电源都采用逆变技术，很多气体保护焊接设备以及手弧焊接设备 都采用i g b t 逆变技术，大大提高了焊接电源的可控性，也大大减轻了焊接设备 的重量，目前正在逐步推广应用。 由于埋弧焊电源输出电流大，而大功率逆变埋弧焊机应用还不普遍，因此目 前晶闸管焊接电源凭借着线路简单、工作可靠、维修方便等优点，在埋弧焊设备 中的应用还十分广泛，为目前埋弧焊接设备的主流焊接电源。为了提高其控制效 果，改善焊接质量，将数字化控制技术应用于晶闸管埋弧焊机中具有重要的实用 天津大学硕士学位论文第一章绪论 价值和一定的理论意义。 1 2 数字化埋弧焊电源应用研究现状 焊接电源是焊接中电弧的能源，它是焊接设备中的核心部分，焊接过程的稳 定性以及焊接质量的优劣很大程度上决定于焊接电源的电气特性，包括焊接电源 的外特性、调节特性和动特性。国内大部分埋弧焊机控制系统仍然采用模拟电路， 控制电路复杂，整机性能、功能、易用性都有待提高似1 。随着现代电子控制技术 的不断成熟，埋弧焊电源采用数字控制技术成为其发展趋势。 1 2 1 数字化焊接电源 数字化焊接电源主要是指采用数字控制技术代替模拟控制技术的焊接电源。 数字系统与模拟系统相比有着明显的优势，数字系统具有灵活性好、控制精度高、 稳定性与产品一致性好、接口兼容性好以及系统功能升级方便等特点口1 。 采用了数字化控制技术，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、过程稳定质量原评定、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，焊接电源的概念实际上已拓宽为焊接电源系统，如图1 1 。 图1 1 溯数字化焊接电源系统的结构图 一般来讲，焊接电源的数字化可包含三个方面：主电路的数字化：控制电路 的数字化；焊接参数输入与显示系统的数字化，即入机交互系统的数字化。 目前，数字化焊接电源已成为焊接电源的发展趋势，前景非常广阔，它相对 于模拟控制的焊接电源来说，具有巨大的优越性睁“1 ： 1 数字化焊接电源具有较强的控制灵活性 数字化焊接电源更容易实现柔性化控制，它的外特性和输出波形由软件生 天津大学硕士学位论文第一章绪论 成，可以设计多种外特性以满足不同的焊接方法的要求，实现一机多用。数字化 焊机控制灵活性还体现在数字化焊机的控制软件的在线升级功能。 2 数字化焊接电源的稳定性高 模拟系统中，信号的处理是通过有源或无源的电网络进行的，处理参数的设 定通过电阻、电容参数的选择来完成，这样的电子器件在工作中难以保证参数和 焊机工作稳定。而数字化控制中信号的处理或控制算法的实施是通过软件的加 减、乘除运算完成的，因此其稳定性好、产品的一致性也得到了很好的保证。 3 数字化焊接电源具有更加便捷的人机交互功能 人机交互系统是人机最直接的操作界面，基于单片机或强大计算能力的d s p 芯片，新型数字化焊接电源能为用户提供直观明了的显示界面和操作灵活方便的 键盘输入界面，具有友好性、灵活性、功能性、明确性、一致性、可靠性等特点。 4 。数字化焊机具有良好的接口兼容性 数字化焊机采用了单片机、d s p 等数字芯片，使得数字化焊机与其它设备间 可以非常方便地实现大量的信息交换。随着现代焊接生产网络化管理的发展和普 及，数字化焊机良好的接口兼容性必然会发挥越来越重要的作用。 5 数字化电源更易实现网络化控制 数字化焊接电源采用标准网络接口的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，实现网络化控制。 1 2 2 数字化埋弧焊电源研究现状 埋弧焊产生于2 0 世纪3 0 年代，是第一种全部采用机械化的焊接工艺h 1 ，由 于其焊接熔深大、生产效率高、机械化自动化程度高，具有良好的焊接质量和焊 接劳动条件，在焊接自动化、焊接效率等方面一直都是各种焊接方法中的佼佼者， 因此，埋弧焊自产生以来就广泛应用于造船、锅炉、压力容器、化工机械、工程 机械、冶金机械等部门。 由于埋弧焊在工业部门的广泛应用，伴随数字时代的到来，传统的埋弧焊已 不再符合现实需要，埋弧焊机的数字化也已成为趋势，因此对埋弧焊的数字化进 行研究是非常必要的。和大多数焊机一样，埋弧焊机的数字化一般也包括主电路 的数字化、控制电路的数字化、人机交互系统的数字化。 埋弧焊机主电路方面，和大多数焊接设备电源一样，埋弧焊电源主电路的数 字化也是采用大功率开关器件来实现开关电源和逆变电源的控制，靠脉宽调制、 频率调制来控制焊接电源。在这方面，我国已经有很大一部分教授学者进行了研 究，如李鹤岐在单片机控制i g b t 逆变埋弧焊机设计中，系统采用i g b t 全桥逆变拓 扑结构，a c d c - a c - d c 的逆变形式，输入三相交流电首先经整流桥整流、电容滤 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 波后变成平整的直流电，再经开关管的交替轮流导通逆变成高频方波交流电，经 高频变压器降压后，最后由桥式整流和电抗器滤波输出。实现功率的转换，供给 电弧。通过脉宽调制电路调节占空比来控制焊接能量的输出璩1 。整个逆变电路与 其他焊接设备的原理和结构相似。 关于埋弧焊机控制电路数字化方面，得益于数字电子技术的发展，在近十年 来得到了广泛的重视与研究，这也是埋弧焊机数字化的关键部分，传统的埋弧焊 机控制电路采用分立元件为主，控制电路复杂，精度差，难调试，目前埋弧焊机 控制电路数字化主流是采用单片机控制为主，通过采样电路采集焊接电流、焊接 电压信号，经比例放大处理由单片机接口电路送入单片机内部，再与给定值进行 比较、控制算法运算等数据处理，从而得到所需控制信号来控制焊接电源外特性 或送丝机送丝速度，从而达到稳定焊接电流焊接电压的目的。典型的控制系统框 图如图卜2 所示。这里采集到的数据与给定的数据之间数据处理产生控制信号的 控制算法有多种，常见的有经典的p i ( d ) 控制、模糊控制等。 图1 - 2 控制系统框图 对于埋弧焊机人机交互系统的数字化，与其他焊机的数字化人机交互系统的 设计并无二异，它应具有友好性、灵活性、功能性、明确性、一致性、可靠性等 特点；通常都是采用单片机为主控芯片，设计包括有液晶显示器，键盘、存储器、 专家系统、l e d 显示灯、报警蜂鸣器等的控制面板或遥控盒系统，通过该系统能 够由键盘实现焊接工艺参数设置、修改、保存、调用，由液晶显示器能够实时显 示焊接参数，再加上l e d 、蜂鸣器能够反馈报警等其他焊接信息，并以功能键的 人机交互方式为主，人机交互的常用方法有问答式对话、菜单交互等，它们在焊 天津大学硕士学位论文第一章绪论 机中的应用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阻净1 引。 1 2 3 脉冲埋弧焊研究状况 关于脉冲埋弧焊接国内相关的研究目前还较少，还处于初步阶段。我校李桓 教授等研制开发了以单片机为核心的脉冲电流控制器，该控制器利用单片机的脉 冲控制信号来控制高速电子开关c d 4 0 6 6 芯片，并据此分别选通高、低焊接电流 的给定控制信号，以此来控制焊接电源输出脉冲焊接电流，试验表明能够达到很 好的焊接效果，提高焊接接头质量n 。综合国内外脉冲埋弧焊的研究现状以及 我校的相关研究成果，可以预见埋弧焊接有着很大研究发展空间。 1 3 本文研究目的和研究内容 纵观近年来的埋弧焊控制系统的研究，取得了较好的成就，主要有两个方面： 一是直流埋弧焊采用模糊算法对送丝速度进行控制以达到焊接参数的稳定焊接； 二是对焊接电源进行设计改进，包括采用脉冲电源进行埋弧焊接。这两方面都有 很高科研价值和应用价值，但各自分别从送丝速度控制和电源进行研究，不能充 分发挥现代控制算法的优势，另外这些研究都是部分数字化埋弧焊机的研制，特 别是在焊接参数数字输入与显示方面研究不够，没能够将埋弧焊机的主电路、控 制电路、焊接参数输入与显示电路的数字化综合起来研究，所研制埋弧焊机已经 不能满足现代高级焊接用户的需求。 因此针对目前埋弧焊的研究现状，本文将从埋弧焊的焊接电压反馈变速送丝 控制着手，将数字化人机交互、焊接时序控制综合起来进行研究，以此来对目前 广泛应用的模拟晶闸管直流埋弧焊接电源进行数字化改造。 本课题的主要研究内容如下： 1 ) 在以m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机为控制核心的单片机硬件平台基础上，设计数字 化埋弧焊人机交互界面； 2 ) 设计焊接电压采样电路、焊接电流采样电路、送丝电机p w m 控制驱动电 路、焊接电流给定电路、焊接小车车速给定电路、小车方向控制电路、送丝机转 动方向控制电路等硬件电路： 3 ) 研究埋弧焊接的引弧和收弧控制原理，并据此来设计确定本文所设计焊 接电源系统的引弧和收弧控制策略； 4 ) 利用数字电位器来实现焊接电流和小车速度的单片机数字给定的d a 转 换，完成原焊接旋转电位器的功能，方便于脉冲焊接和电流波形的控制； 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 5 ) 选定埋弧焊焊接电压反馈变速送丝控制系统的控制策略为p i 控制，通 过s i m u l i n k 仿真和实验来确定p i 控制参数，完成整个焊接电源控制系统的程序 设计，实现稳定的焊接电压反馈变速送丝埋弧焊接。 天津大学硕士学位论文 第二章数字化埋弧焊控制系统硬件电路设计 第二章埋弧焊数字控制系统硬件电路设计 硬件电路设计是一个系统基础，在此基础上可以利用软件来实现各种控制功 能。本章将对天津合力电器设备厂所提供的埋弧焊机m z 1 0 0 0 a 进行硬件电路的 改进，以此来实现数字化埋弧焊设备的研制。 2 1 数字化埋弧焊电源系统框架 本课题依托m z i0 0 0 a 型埋弧焊机研究的数字化埋弧焊电源系统分为四个 部分，分别为单片机系统模块、焊机系统模块、给定驱动电路模块、信号采集模 块，系统结构框架图如图2 1 所示。 给定驱动电路模块i 。 焊机系统模块 i 图2 1 数字化埋弧焊电源系统结构框架 根据系统主要完成的功能对系统框架进行分析。整个系统中，信号采集模块 负责将焊接电压信号、焊接电流信号通过分压、滤波、比例放大等转换成单片机 采样端口能够接受的电平范围。单片机采样i o 口将焊接电压和焊接电流反馈信 天津大学硕士学位论文第二章数字化埋弧焊控制系统硬件电路设计 号电平通过a d 转换成单片机能够运算的数字量，再将此数字量还原成相应的 焊接电压值和焊接电流值送显示器实时显示，所还原成的焊接电压值除用来实时 显示外，还用来与给定焊接电压值进行比较运算，产生的送丝机控制电路所需 p w m 驱动信号的占空比值，并以p w m 波形输出控制送丝机驱动电路中的 m o s f e t 管的通断，以此来决定送丝机的电枢两端的平均电压，从而改变送丝 速度来影响电弧弧长，最终来影响焊接电压值的变化。单片机系统还将数字量的 车速给定值、电流给定值输出给小车速度给定电路和焊接电流给定电路，转化为 车速给定控制模拟电压信号和电流给定控制模拟电压信号，达n d , 车速度和焊接 电流给定的目的，同时单片机系统输出小车和送丝机方向控制信号来控制小车方 向和送丝机转动方向。 焊接前，通过单片机的键盘、显示器进行焊接参数的设定与调整；焊接开始 后，系统通过将设定的焊接电流值、小车速度值的数字量送至焊接电流与小车速 度给定电路进行d a 转换，得到给定焊接电流和小车速度给定控制模拟电压信 号，完成原焊机旋转电位器的焊接电流和小车速度的给定功能，另外单片机系统 通过将采样焊接电压、焊接电流反馈电压信号转换还原成焊接电压和焊接电流数 字量送显示器实时显示，从而实现焊接参数的数字化给定与数字化实时显示。 单片机采样处理并还原成的焊接电压值数字量另一重要用途就是用来作为 本文主要研究内容焊接电压反馈变速送丝控制系统的反馈量，将其与给定的 焊接电压值数字量比较后进行p i 控制运算，得出相应送丝机控制p w m 信号的 占空比万，并以p w m 电压波形输出来控制送丝机的转速，以此来控制电弧弧长， 从而影响焊接电压的变化，最终实现焊接电压反馈控制，达到稳定焊接的目的。 2 2m z 一1o o o a 埋弧焊机简介 表2 - 1m z - 1 0 0 0 a 弧焊机在埋弧自动焊下的参数和性能 额定输出额定负载焊接电流焊接电压额定空载 弧焊电源电流电压范围范围电压 1 0 0 0 a4 4 v2 0 0 1 0 0 0 a2 8 4 4 v6 0 v 焊接小车及 小车行走 送丝速度范围 送丝机额定送丝机额定 速度范围工作电压工作电流 送丝机构 2 5 0 1 0 0 0 m m m i n4 0 m 4 5 0 0 m m m i n1 1 0 v1 2 a 本课题所采用的是天津市东丽区合力电气设备厂生产的m z 1 0 0 0 a 晶闸管 天津大学硕士学位论文第二章数字化埋弧焊控制系统硬件电路设计 整流弧焊机，该焊机由m z 一1 0 0 0 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，该焊机的弧焊电源为下降外特性电源，可用于手工电弧 焊和埋弧自动焊，在埋弧自动焊采用下降的电源外特性与电弧电压反馈变速送丝 控制，本文内容是在埋弧自动焊条件下的基于单片机控制的焊机数字化的研究。 焊机基本参数及主要性能指标如表2 1 。 2 3 单片机系统模块设计 单片机系统是整个数字化埋弧焊机控制系统的控制核心，它包含有单片机、 键盘电路、外部存储器、显示电路、反馈信号输入通道、控制信号输出通道等部 分，如图2 2 所示。 图2 - 2 单片机系统整体结构 2 3 1 系统主控芯片的选择 本课题设计选用美国德州仪器( t d 公司生产的m s p 4 3 0 f 1 4 9 型单片机作为整 个系统的主控芯片。m s p 4 3 0 f l x x 系列单片机是m s p 4 3 0 系列单片机的一个子系 列，这一系列具有f l a s h 存储器，在系统设计、开发调试及实际应用上都表现 出较明显的优点【1 9 。2 1 】： 1 低电压、超低功耗 m s p 4 3 0 f l x x 系列单片机的电源电压采用1 8 - 3 6 v 低电压，1 m h z 的时钟 频率下运行，耗电电流在0 1 i _ t a - 4 0 0 1 x a 之间，耗电电流大小与单片机工作模式 有关，如r a m 数据保持方式下耗电仅0 1 p a ，活动模式耗电2 5 0 l a m i p s ( m i p s ： 每秒百万条指令数) ，i o 输入端口的漏电流最大仅5 0 h a 。在m s p 4 3 0 f 1 4 x 系列 中有两种不同的时钟系统：基本时钟系统和锁频环( f l l 和f l l + ) 时钟系统或 d c o 数字振荡器时钟系统。由时钟系统产生c p u 和各功能模块所需要的时钟， 天津大学硕士学位论文第二章数字化埋弧焊控制系统硬件电路设计 并且这些时钟可以在指令的控制下打开和关闭，从而实现对整体功耗的控制。由 于系统运行时打开的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显 著的不同。在系统中共有一种活动模式( a m ) 和五种低功耗模式( l p m 0 l p m 4 ) 。另外使用中断请求将c p u 从低功耗模式下唤醒只需要6 p s ，这样就能 根据具体的处理情况可以将c p u 处于低功耗模式，在需要的时候通过中断来唤 醒c p u ，从而实现系统的低功耗要求。 2 强大的处理能力 m s p 4 3 0 f l x x 为1 6 位的精简指令集( 砒s c ) 结构，具有丰富的寻址方式、 简洁的指令、大量的寄存器以及片内的数据存储器都可以参加多种运算，还有高 效的查表处理方法，有较高的处理速度，在8 m h z 晶体下运算能力达到1 m i p s 。 这些特点使该系列单片机采用c 语言开发仍能有很高的效率，从而可以提高开 发的周期，也可以实现程序的可移植性。 3 丰富的片上外设模块 m s p 4 3 0 f l x x 系列的各成员都集成了较丰富的片内外设。m s p 4 3 0 f 1 4 9 的功 能模块部分包括片内看门狗定时器、2 个具有捕获比较寄存器的1 6 位定时器、2 个可用于异步或同步模式( u a r t s p i ) 的串行通信接口、1 个1 2 位2 0 0 k s p s 的 a d 转换器、1 个精确的模拟比较器、1 个硬件乘法器、6 个8 位并行端口，且2 个8 位端口具有中断能力。这些端口具有各自的输入、输出、功能选择、中断( p 1 口和p 2 口) 等多个寄存器，使得功能口和通用i o 口可以复用，大大增强了端 口功能和灵活性，提高了对外围设备的开发能力。同时，m s p 4 3 0 f 1 4 9 具有两个 1 2 8 字节的f l a s h 信息存储器，可用于用户一些简单数据的存储。 4 方便高效的开发方式 m s p 4 3 0 f l x x 含有f l a s h 存储器，这一特点使得它的开发工具相当简便。 利用单片机本身具有的j t a g 接口下载程序到f l a s h 内，再由j t a g 接口控制 程序运行、读取c p u 状态，以及存储器内容等信息供设计者调试，整个开发都 可以在同一个软件集成环境中进行。这样就只需要一台p c 机和一个j t a g 调试 器来完成以往昂贵的仿真器才能完成的功能。 5 适应工业级的运行环境 m s p 4 3 0 f l x x 系列单片机均为工业级器件，运行环境温度为- 4 0 - + 8 5 ，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。 2 3 2 单片机端口分配与设计 本文所设计的m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机系统模块为单片机开发最小系统，包括有 键盘电路、显示电路以及一些接口电路等，他们均为通用设计，这里将对其与单 天津大学硕士学位论文第二章数字化埋弧焊控制系统硬件电路设计 片机各个端口分配及其功能相结合起来进行简要介绍。图2 - 3 为单片机的端1 3 分 配简图。 起停按键l p 1 o 帕j 黧 一r ii l c d i 旋钮输入i - p ，1 之 ( 复用) p 5 2 - l l e d 1 p 1 2 p 5 4 r l p i 3 j 外部 行 一 7 i存储器 4 * 4 键盘l 一 l 焊接电流 输入i 一 f 2 0 p 2 s 蓊；鬈三 一i给定 。 列 一l 小车电轨电 7 l 枢电压给定 焊接电流反馈l - 小车方向控 制信号 送丝方向控 焊接电压反馈 制信号 l 送丝p w m 7 i 驱动信号 图2 3 单片机端口分配简图 单片机最小开发系统外围电路总体上可分为输入电路和输出电路。输入电路 包括键盘电路、起停按键与旋钮输入电路。键盘电路采用4 4 的1 6 键键盘作为 整个系统的主输入设备，单片机使用了p 1 4 p 1 7 和p 2 2 3 这8 个i o 端口 作为和键盘的连接端口，软件只定义了向上键( t ) 、向下键( 1 ) 、确认键、退出 键这四个功能键，其余按键可扩展定义为其他按键，如数字键以及其他功能键。 起停按键与单片机的p 1 0 相连，用来控制焊接的启动与停止，旋钮输入采用一 个旋转编码器来实现，此编码器与单片机的p 1 1 、p 1 2 、p 1 3 管脚相连，不光具 有旋转输入功能还具有按键输入功能，当编码器顺时针旋转时，p 1 2 、p 1 1 按照 两位二进制数增量顺序循环输出，逆时针旋转时顺序正好相反，旋转编码器的按 键功能引脚与单片机的p 1 3 相连，本文中定义为确认键功能。 单片机最小系统的输出电路主要为l c d 、l e d 。l c d 采用北京青云科技发展 有限公司的l c m l 2 8 6 4 z k 型图形点阵液晶显示模块，该液晶显示模块显示内容为 1 2 8 6 4 点阵，内带8 0 0 0 多g b l 、2 中文汉字字库液晶显示模块，以及串行并 行两用接口，并且具有s t n 黄绿模式、s t n 蓝模式、f s t n 黑白模式三种显示模 式。为了减少液晶显示模块占用m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机的i o 接口数，显示模块与 天津大学硕士学位论文第二章数字化埋弧焊控制系统硬件电路设计 单片机通讯时采用串行方式( 将显示模块背面s p 的短路电阻接在“s 侧) ，与单 片机的p 4 6 、p 5 1 p 5 3 相连接，通过l c d 显示程序实现串行通信p g 。l e d 显示 电路使用了7 4 l s l 6 4 串入并出的移位寄存器，只占用了单片机的p 5 2 、p 5 4 两个 i o 口，实现较多的l e d 状态灯显示，本文中用这些l e d 实现焊接、送丝、故障 等状态的显示。 本文选用a t m e l 公司生产的a t 2 4 c 2 5 6 存储器作为外部存储器，用来存储焊 接参数等信息，a t 2 4 c 2 5 6 是a t m e l 公司生产的2 5 6 k b 串行电可擦除的可编程只 读存储器，具有结构紧凑、存储容量大等特点，可在2 线总线上并接4 片该i c ， 特别适用于具有高容量数据存储要求的数据采集系统【2 引。外部存储电路与单片 机的p 4 7 、p 6 4 相连接，从而实现焊接参数的存储。 单片机另外有很大一部分i o 接口用来连接信号采集模块和给定驱动电路模 块，其中p 6 1 、p 6 2 分别连接焊接电压反馈、焊接电流反馈，p 4 1 、p 2 5 、p 4 3 分别连接送丝p w m 驱动信号、送丝方向控制信号、小车方向控信号，p 5 5 - p 5 7 连接小车电机电枢电压给定，p 2 4 、p 5 1 、p 5 2 连接焊接电流给定，这两部分模 块电路是本文研究的重点，在下面的小节中将有详细介绍。 2 。4 信号采集模块电路设计乜毛嘲 2 。4 1 电流信号采集电路 本文所研究的埋弧焊电源控制晶闸管导通电路采用原先合力电器设备厂 m z 1 0 0 0 a 焊接电源的控制电路，这里只将其看作为一个“黑匣子 ，如图2 4 所示，其控制实现过程在“黑匣子”里实现，因此本文实现焊接电流给定是使用 数字电位器来替换原先的焊接电流给定的旋转电位器，通过单片机输出数字量的 电流给定值经数字电位器d a 转换成电流给定电压信号，完成原先旋转电位器 焊接电流给定的功能。 本文所设计的数字化埋弧焊系统，不涉及到电流反馈控制，电流信号采样只 为液晶显示器显示用。焊接电流信号的采集是采用1 0 0 0 a 7 5 m v 的分流器作为传 感器，由于检测信号为几十毫伏量级，因此必须对其进行比例放大，具体采样电 路如图2 5 所示，从分流器采集到的电压信号先经过运放组成的同相比例放大电 路，将微弱的分流器采样信号放大到单片机能够接受处理的容限，再经过电压跟 随器送入单片机处理，这是因为电压比例放大器的输出阻抗一般比较高，如果后 级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输入电阻中，因 此这里采用电压跟随器从中进行缓冲，利用电压跟随器输入阻抗高、输出阻抗低 天津大学硕士学位论文第二章数字化埋弧焊控制系统硬件电路设计 的特点，起到缓冲、隔离、提高带载能力的作用。图2 - 5 中3 3 v 稳压二极