（材料加工工程专业论文）基于dspic的弧焊参数预置控制系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 量| 一一一 一一i 一皇i 曼! 摘要 本文讨论了国内外弧焊电源以及焊接参数预置控制系统的研究现状。针对现有焊 机存在的参数调节不便、控制精度低、无焊接参数预置功能或者参数预置功能实时调 节效果不理想、通用性不高等不足。在原焊机的基础上，对弧焊电源的控制电路进行 数字化技术改造，研究设计了一个独立于原焊机的能够适用多种外特性的弧焊电源参 数预置控制系统。 本设计是在前期参数预置控制系统研究工作的基础上进行改进，以1 6 位高性能带 e e p r o m 功能的d s p i c 3 0 f 4 0 1 3 通用数字信号控制器为控制核心，配以合理的外围硬件 电路，再结合软件编程实现焊接参数的预置。通过焊接电压、焊接电流双闭环反馈， 以及采用带死区的增量式数字p i d 控制算法，实现焊接参数快速、自动的稳定在参数 预置值，从而提高了整个焊机的操作性能与控制精度。同时，整个系统软硬件的各个 环节设置了多种抗干扰措施，保证了焊接过程的抗干扰能力和稳定性。 通过系统软硬件在埋弧焊机上整机调试表明，系统基本达到了预期设定的目标。 能够实现多组焊接参数的预置并掉电保持，实时采集、监控焊接参数等功能，形成了 一套独立的一机多用功能的弧焊电源参数预置控制系统，在一定程度的有效提升了原 焊机数字化程度。 关键词：弧焊电源；数字化；参数预置；d s p i c ；p i d 控制 a bs t r a c t t h er e s e a r c hs t a t u so fa r cw e l d i n gp o w e ra n dp a r a m e t e r sp r e s e t t i n gs y s t e m s w e r e d i s c u s s e d 1 1 1 ea r cw e l d i n gm a c h i n ei ns o m ef a c t o r i e sh a dm a n ys h o r t a g e s ，w h i c hw a s a d iu s t e di n c o n v e n i e n c e ，l o wc o n t r o l l i n gp r e c i s i o n ，a n d n os t r o n gf u n c t i o no fp r e s e t t i n g p a 舢e t e r s ，o rt h i s 矗m c t i o n su n s a t i s f a c t o r ye f f e c ta n dl o wu n i v e r s a l i t y o n t h eb a s i so ft h e o r i g i n a lw e l d i n gm a c h i n e ，t h e c o n t r o l l i n gc i r c u i t o ft h ew e l d i n gp o w e rw a sd l g i t a l l y t r a n s f o m e d a n da i li n d e p e n d e n tp a r a m e t e r sp r e s e t t i n gs y s t e m t h a tc o u l db ea p p l i e dma v a r i e t yo f e x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i c sw a sd e s i g n e d t h ed e s i g nw a si m p r o v e d o nt h eb a s i so fp r i o rp a r a m e t e r sp r e s e t t i n g s y s t e m ， s i m u l 协e o u s l y ，t h e d i g i t a l s i g n a l c o n t r o l l e rd s p i c 3 0 f 4 0 13w h i c hw a s 16 - b i t 1 1 i g h - p e r f o r m a n c ea n dw i t ht h e f u n c t i o no fe e p r o mw a sr e g a r d e da st h e c o n t r o lc o r e ， t 0 2 e m e rw i t hr e a s o n a b l ep e r i p h e r yh a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r e t oa c h i e v et h ep r e s e to f w e l d i n gp a u r 锄e t e r s i na d d i t i o n ，t h ev a l u eo fw e l d i n gp a r a m e t e r sc o u l d r e m a ms t a b l em f o r l t l e r l yp r e d e t e n n i n e dv a l u er a p i d l y a n da u t o m a t i c a l l y , b ya d o p t i n gd o u b l ec l o s e d 。l o o p f e e d b a c ko f 、e l d i n gv o l t a g ea n dc u r r e n t ，a sw e l la st h ei n c r e m e n t a l l yd i g i t a lp i d c o n t r o l l i n g a l g o r i t l l i t l 丽t 1 1d e a dz o n e ，s oa st oi m p r o v eo p e r a t i o n a lp e r f o r m a n c ea n dc o n t r o l p r e c l s l o no 士 t h ee m i r ce q u i p m e n t a tt h es a m et i m e ，a l la s p e c t so f t h es y s t e m sh a r d w a r ea n ds o 黼a r e h a db e e ns e tas e r i e so fa n t i - j a m m i n gm e a s u r e st oe n s u r et h ea b i l i t y o fa n t i - i n t e r f e r e n c ea n d t h es t a b i l i t yo ft h ew e l d i n gp r o c e s s - t h ed e b u g g i n go fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei ns u b m e r g e da r cw e l d i n gm a c h i n e1 n d l c a t e d t h a t t h es y s t e mb a s i c a l l ya c c o m p l i s h e dt h e a n t i c i p a n tg o a l s a n d t h a tw a st os a y , t h e p a r a m e t e r sp r e s e t t i n g a n dc o n t r o l l i n gs y s t e mo fa r cw e l d i n gp o w e rs o u r c e t o m e da 1 1 i n d e d e n d e n ta n dm u l t i p u r p o s em a c h i n e ，w h i c hc o u l da c h i e v em u l t i p l eg r o u p so fw e l d i n g p a r 锄e t e r s ，p r e s e ta 1 1 dm a i n t a i nt h ev a l u e a sp o w e r - f a i l m e a n w h i l e ，t h i ss y s t e mc a nc o l l e c t a n ds u p e r v i s ew e l d i n gp a r a m e t e r si nr e a lt i m e ，a n di np a r tt oe n h a n c e t h ed 埘gt a l l z a t l o no f t h eo r i g i n a lw e l d i n gm a c h i n e k 州o r d s ：a r cw e l d i n gp o w e r ；d i g i t i z e d ；p r e s e t t i n gp a r a m e t e r ；d s p i c ；p i d c 。n t r o l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 曼曼曼皇曼詈曼曼窒曼曼皇曼曼曼曼蔓曼曼曼曼寡曼! 曼曼毫曼曼皇曼曼曼! 曼曼曼量! 曼曼曼舅曼寰! 曼皇曼i i i 曼曼舅曼曼曼曼曼曼曼 第1 章绪论 1 1 弧焊电源概述 电弧焊技术作为现代焊接方法的一种最基本形式，到目前为止，其在焊接领域的 应用量无疑仍居最主要的地位，已广泛应用于电力电子、石油化工、机械建筑、国防 科工、航天航空航海等国民经济的各个领域。而作为电弧焊机的关键核心部分、为焊 接电弧提供能量的弧焊电源，可以直接影响到焊接性能、成本及其效率。近年来随着 焊接技术、电子技术、自动控制技术的迅速发展，对弧焊电源的进步起到了巨大的积 极推动作用。 1 1 1 弧焊技术及其电源发展历程 弧焊技术及其电源诞生至今已有1 0 0 多年的发展历程【1 1 。其起源于1 8 0 1 年俄国科 学家发现了电弧放电现象，然而鉴于1 9 世纪初的工业技术水平，利用电弧进行焊接还 仅仅是个设想。到1 8 8 5 年1 8 8 7 年，俄国的b e n a r d o so l s z e w s k i 发明碳极电弧焊钳， 开创了电弧焊，才标志电弧焊接技术的真正开始，与传统的铆接等机械连接方法相比 具有划时代的意义，从此电弧焊接技术的发展进入了新纪元。 随着电力工业技术的高速发展，可为电弧提供大量足够的电能，且生产成本较低， 因而电弧焊接金属材料成为现实，金属极电弧焊得到了发展。二十世纪二十年代，除 最初用于电弧焊的直流弧焊发电机外，己开始使用结构简单、成本低廉的交流弧焊变 压器，弧焊电源及其控制技术得到了较大的发展。二十世纪三十年代出现薄厚皮焊条 以后，电弧焊才真正大量的应用于车辆、大型远程航行的船舶、锅炉及桥梁等工业生 产。而为满足焊接量的高速增长，从二十世纪四十年代开始，电弧焊技术步入了一个 新时期：使用焊丝和焊剂的埋弧焊，以及为适应铝镁合金和合金钢等新型材料焊接需 要的钨极、熔化极惰性气体保护焊问世，弧焊电源也出现了用硒片制成的弧焊整流器。 到了二十世纪五六十年代，又相继出现了二氧化碳焊等各种气体保护焊、等离子弧焊 等等，此时弧焊电源也相应的有了大幅改进，随着大容量硅整流元件、晶闸管的出现， 发明了硅弧焊整流器、晶闸管式弧焊整流器以及晶闸管逆变弧焊电源等，其控制技术 也从机械式控制发展到电磁式、电子式控制【2 4 1 。 上世纪七八十年代至今，尤其进入二十一世纪，弧焊电源及其控制技术可以说是 经历了跨越式的发展，产生了新的飞跃。各种类型的弧焊整流器相继出现并完善，甚 至逐渐替代了传统的直流弧焊发电机。同时，各种脉冲弧焊电源，晶闸管、晶体管式 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 和场效应管式弧焊逆变器，矩形波交流弧焊电源和变极性弧焊电源先后出现，并逐渐 演变成为主导产品，进一步提高了焊接质量和自动化程度【5 矧。随着电子技术、控制技 术、计算机技术的高速发展，今后弧焊电源及其控制技术还会朝着高效节能、大容量 化、数字化、智能化、集成化、网络化、绿色化等方向发展1 7 j 。 1 1 2 弧焊电源的分类及特点 在国内外，对弧焊电源的分类有各种不同的见解和做法，分类方法的不同会产生 完全不一样的结果、功能。目前应用较多的是按弧焊电源的控制技术来分类，弧焊电 源控制装置经历了由低级到高级、由粗放型到高性能精细控制的转变，主要分为机械 式控制、电磁式控制、电子式控制和数字式控制四大类，如图1 1 所示。各类型特点 及其应用如下o 】： 弧焊电源 厂抽头式丁弧焊变压器 机械式控制型_ l 弧焊整流器 l 动铁式、动线圈式一 芸篓萎薹霎 厂磁放大器式弧焊整流器 电磁式控制型- i l 弧焊发电机 厂晶闸管式弧焊电源 电子式控制型晶体管式弧焊电源 l 方波交流弧焊电源 l 弧焊逆变器 厂单片微机m c u l a r m c p l d ，f p g a ( 1 ) 机械式控制型通过采用机械装置来控制弧焊电源的外、动特性，包括抽头 式、动线圈式、动铁心式弧焊变压器、弧焊整流器。该类弧焊电源最大的特点是其外 特性、动特性和调节性能主要取决于结构本身及其电气参数，有着构造简单可靠、便 于制造维修、低成本、高效率等优点。然而靠着生硬机械的移动来调节参数，其控制 性能差、调节不灵活、响应速度慢、电弧稳定性差，笨重且费料，功率因数低耗能多。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 故一般多用在对焊接质量要求较低的场合，如建筑工地等一般金属结构的焊条电弧焊、 埋弧焊和钨极氩弧焊等。 ( 2 ) 电磁式控制型该类弧焊电源是通过改变励磁电流来调节发电机铁心或者电 抗器的磁饱和程度来控制电源外特性，其外特性和调节性能也主要取决于电源本身结 构和其电气参数。包含串联饱和电抗器式弧焊变压器、磁放大器式弧焊整流器脉冲弧 焊电源、弧焊发电机等。该类电源特点是与机械式类似，坚固耐用、工作牢靠、过载 能力强，但磁惯性大、参数调节不灵敏，体积和重量都很大、不方便，噪声大、动态 特性差，效率低，造价高、维修难等诸多缺点。所以基本属于淘汰产品，大多已被国 家明令禁止生产，仅有少量的柴( 汽) 油式弧焊发电机可供用于野外无供电电网的施 工环境。 ( 3 ) 电子式控制型电子控制的弧焊电源与机械调节、电磁控制式弧焊电源有着 本质区别，是在电力电子技术、半导体器件和工业技术大力发展的形势下面世和成长 的，主要靠着电子线路( 模拟电子器件居多) 去调节其外特性、调节特性和动特性， 而与本身结构特征无太大的关系。由于全部采用晶体管、晶闸管、场效应管、绝缘栅 极双晶体管和集成芯片等电力电子功率器件来进行控制，充分体现电子技术和电子功 率器件的优势，使其控制性能得到大幅改善。有着以下一些优点：功率因素高，高效 节电；良好的动特性，响应速度快；控制精密，可输出交直流和脉冲电流；焊接性能 好，可以适应多种焊接设备和工艺的要求，便于自动控制。 ( 4 ) 数字式控制型随着高新技术的出现，数字化弧焊电源在传统的单个分立器 件、简单集成电路等电子控制型弧焊电源基础上发展的，是以单片机( m c u ) 、数字信 号处理器( d s p ) 和嵌入式芯片等数字化控制器件为控制核心。数字化控制焊机拥有 模拟电子式焊机不可比拟的优势：元器件数量少，电路简单，节省材料；寿命长，控 制精度高，可靠性好，抗干扰能力强；集成度高，兼容性好，软件编程利于功能升级； 可实现多机通信，便于自动化、智能化控制。 1 2 弧焊电源控制技术研究 1 2 1 弧焊电源的数字化 所谓“数字化”是通过一定规则把连续变化的模拟信号离散化为l 、0 的一系列数 字信号，再采用数字电路、数值计算对数字信号进行分析处理。而数字化弧焊电源则 是指电源电路的全部或部分采用数字控制技术去取代传统的模拟控制技术，从而完成 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 皇- -= ：= = = = = ：=i 皇曼! 曼曼皇曼皇量曼曼曼曼曼曼皇皇曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼量曼蔓曼曼曼曼曼曼舅舅曼皇 对弧焊焊接过程的闭环控制。由于采用了计算机技术，弧焊电源在控制系统上实现了 由硬件控制过渡到软件控制，相较于传统模拟电子弧焊电源的一旦确定系统配置、硬 件参数等就很难改变的局面，对于数字控制系统一切仪仅是改变软件而己，数字化弧 焊电源使用较多的控制核心芯片有单片机、d s p 、c p l d f p g a 、a r m 等。其中单片机 以其较强事件处理能力和性价比而开创了弧焊电源数字化的先河，单片机控制的弧焊 电源主要以m c s 8 0 3 1 8 0 5 1 系列、a t m e l 、a v r 或p i c 等为中央处理器，配合少量的 外围电路和软件程序，可完成各种复杂焊接工艺过程的控制，实现焊接电压、电流波 形调制和焊接工艺参数的给定，如文献【1 1 1 2 】就分别详细列举了采用单片机实现对脉 冲m i g 焊、埋弧自动焊的数字化控制，得到良好应用。d s p 是一种比单片机集成度更 高、数据处理能力更强的新型数字信号处理器，d s p 技术的出现极大的促进了数字化 焊机的发展，在当前全数字化弧焊电源的设计中一般都是采用d s p 来实现系统闭环控 制；继芬兰肯比公司1 9 9 3 年第一次发布了数字化弧焊系统- - k e m p p i p r o 外，越来越 多的焊机厂商加入到数字化弧焊电源的研发行列当中，例如美国林肯公司n e x t w e l d 弧 焊电源，是数字通信、波形控制和电源电子技术的高度集成。近年来，c p l d f p g a 以 其集成度大、抗干扰性强，使用硬件描述语言、设计灵活，开发周期短、成本低、速 度快效率高等优点在弧焊电源数字化进程中越来越受欢迎【l3 1 ，文献 1 4 】使用v h d l 设 计基于c p l d f p g a 逆变电源的p w m 波形，展示了c p l d f p g a 在弧焊电源中的成功 应用。而a r m 嵌入式技术在联网方面有着较大优势，可实现弧焊过程的网络化管理和 远程监控。随着当前芯片业的发展，m c u 与d s p 等的界限正在模糊化，实际应用中 有时采用m c u + d s p 、m c u + f p g a 、m c u + d s p + c p l d f p g a 结构来设计数字化弧焊 电源【1 5 1 ，利用各自的优势互补从而对弧焊电源进行数字化、智能化控制。 1 2 2 弧焊电源的控制算法 在数字化弧焊电源控制系统中，控制算法是核心，直接影响着整个弧焊电源的控制 性能和电弧特性，是保证焊接质量、焊接过程自动化和智能化的关键。目前，在焊接 生产过程中普遍使用的控制算法有：p i d 控制、模糊控制、专家系统控制和人工神经 网络控制、遗传算法等。 当今弧焊电源的控制算法应用最多、最广泛的无疑还是p i d 控制，它也是迄今在 弧焊电源控制领域发展最为成熟的一种控制方法，尤其在单片机控制的弧焊电源系统 中应用。p i d 控制可根据不同的焊接方法、控制对象又细分为p 控制、p i 控制、p d 控 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 制和p i d 控制。p i d 控制由于其算法简单、鲁棒性好、控制系统稳态精度高、参数调 节方便等优点而广受焊接工作者得青睐。但是p i d 控制需要建立精确的数学模型并进 行整定，而现代焊接过程是一个复杂的过程，干扰因素多，具有时变、非线性等特点， 故较难建立精确的数学模型。因此为了解决p i d 控制的这一局限性，逐渐发展了积分 可分离p i d 、自适应p i d 和智能p i d 等现代控制方法，使得p i d 控制更加灵活，能够 成功应用于现代焊接控制i l b l 7 j 。 模糊控制是在弧焊电源和焊接控制中应用较早、较为成熟的智能控制方法。由于 焊接过程是一个复杂的非线性过程，而模糊控制技术在非线性控制领域具有很明显的 优势，故国内外焊接工作者很早就认识到模糊控制在焊接中的应用前景，积极将其应 用到弧焊电源、焊接质量、设备的控制当中，如日本松下公司的a a i i 3 5 0 5 0 0 机器人 用智能型i g b t 弧焊逆变器成功的应用了模糊控制技术，而国内清华大学、华南理工 大学、天津大学等学校也有相关研究。采用模糊控制无需建立精确的数学模型，有设 计简单、鲁棒性好、控制效果强、可保证控制系统动态模式的精确等优点，然而模糊 控制电路成本较高、需要以专家经验长期积累为依据并不断调整模糊规则【1 8 1 9 】，故而 今天常将模糊控制与p i d 、神经网络等控制技术起组合应用。 模糊控制虽然解决了弧焊过程中大量的参数和不确定的模糊知识，然而往往需要 积累较多经验来实现良好调节，专家系统( e s ) 的出现较优解决了这一问题并在焊接 领域中得到广泛应用。专家系统是一个基于大量专业知识、专家经验采用程序设计建 立起来的计算机软件系统，它利用人工智能的理论与技术，根据专家提供大量的专业知 识和经验进行逻辑推理，模拟人类专家大脑思维方式去解决那些需要由专家来解决的 问题1 2 0 1 。鉴于焊接领域明显的经验性和复杂性，被认为是最适合于开发专家系统的领 域之一【2 l 】。目前国内外焊接专家系统研究水平差距较大，国内技术相对较低，且研究 方向主要集中在焊接工艺设计、焊材选择、故障诊断、焊接缺陷分析等方面，在焊接 过程实时控制、人工智能技术等方面还有待研究与开发提耐2 引。 人工神经网络控制( a n n ) 是通过模拟人类大脑神经元的行为，对人类大脑从微观 结构及功能上进行抽象与简化，模拟人脑并行处理、学习、模式识别、记忆等人类智 慧，有着很强的自学习组织能力、分析处理能力、抗干扰能力、适应性、高容错率及 逼近非线性函数的能力，在过程建模及控制、模式分类等方面有广泛的发展前景【2 3 1 。 故焊接学科的专家学者很早就意识到其潜在适用价值，积极将其应用于焊接过程控制、 工艺参数设计、质量监测及焊缝跟踪等焊接各领域。但人工神经网络也有一些如软硬 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 件技术不成熟、无网络模型及算法的成熟确定方法、运算过程也欠稳定等不足，因此 人工神经网络技术也有待改进与完善 2 4 - 2 5 】。 由此看来，每一种控制算法都有着其自身优点和不足，且因焊接过程的高度复杂 多变性，所以使用单一的控制算法时常得不到理想的控制效果。因此将p i d 、模糊控 制、专家系统和人工神经网络等各种智能控制技术联合应用，将会产生更大的威力， 极大的促进焊接自动化水平及其智能控制效果，增进机器人弧焊电源的普及应用，这 也是未来焊接控制算法研究的主要方向之一1 2 6 。2 7 】。 1 3 参数预置在焊接中的应用 参数预置，顾名思义就是给系统预先设置初始参数值。焊接的参数预置是指在焊 接前依据不同的焊接方法、焊接规范将焊接电压、焊接电流、焊接速度等焊接参数预 存在系统的存储器里f 2 8 】。 焊接参数预置系统的研究大多是在数字化弧焊电源的基础上进行，通过将焊丝 ( 条) 材料、工件材质、气保成分及工艺参数等预置在系统芯片的存储器中，在焊接 时，焊接人员可通过人机交互界面选择具体焊接参数，芯片系统根据记忆再现并在焊 接过程实时监控焊接参数。国外在弧焊电源参数预置这一方向研究较早且研究水平有 着明显优势，如开创了数字化焊机先河的奥地利f r o n i u s 公司很有代表性的t p s 系列 ( t p s 2 7 0 0 t p s 4 0 0 0 t p s 5 0 0 0 ) 和c m t 系列产品，一台弧焊电源预先存储了近8 0 个 焊接程序( 如双脉冲和特殊材料的焊接程序等) ，可适用于t i g 、m i g m a g 和手弧焊 等多种焊接方法，通过单选钮给定焊接参数和电流波形等，从而实现焊接质量的精确 控制，且该类弧焊电源还可以进行网络化管理控制和软件升级2 9 1 。美国l i n c o l n 公司推 出的p o w e r w a v e 4 5 5 m s t t 、日本o t c 公司的d 系列焊机( d p 4 0 0 ) 等各自具有代表 性的数字化焊机也有着丰富的焊接条件存储与记忆功能，具有多组模块式组合参数和 灵活适用的波形控制，且人机界面友好，当预置的参数不合适、不理想时，可以很好 的调节出需要的焊接参数，能够满足多种材料的良好焊接需要【3 0 1 。瑞典e s a b 公司 a 2 a 6 过程控制器也能够实现如焊接类型、大小、焊接起始点、电流或送丝速度等弧 焊电源参数的预置，且在焊接过程中自动检测电源外特性而无需人为变换，可应用于 m a g m i g 、埋弧焊等，具有良好的通用性。 近年来，国内对带参数预置的数字化弧焊电源也有很多研究。如唐山松下公司研 究推出的y d 3 5 0 d r 3 0 d r 3 数字化焊机，是一款带有多参数存储和记忆焊接条件、专 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 用于焊接钢材的c 0 2 m a g 焊机，具有电流波形调节、可输出不同种类的电弧等功能， 用数字编码器给定送丝速度，使得焊接过程稳定、飞溅小、焊缝成型美观。此外，文 献 3 0 】中也详细列举介绍了很多国内基于模拟电子、单片机、d s p 、单片机+ d s p 、p c 等控制方法的参数预置系统，结合数字化焊机芯片中集成的r a m 、r o m 、e e p r o m 、 f l a s h 等大容量存储器，就可以预存不同焊接方法对应的工艺应用程序及控制参数， 实现一机多用。 总的来说，国外数字化弧焊电源研究起步较早，应用技术也较为成熟，许多国家 与地区都能生产带参数预置功能的弧焊电源或控制器。而国内焊接专家虽然针对不同 焊接方法进行了参数预置系统的研究，也取得了一定的成果，但是大多还只是在技术 研究层面或者研究应用于焊接专机上面，离弧焊电源参数预置系统商品化、市场化还 有一定的距离。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章系统总体方案与设计平台研究 2 1 系统总体方案设计 2 1 1 系统分析 随着国民经济的持续发展，我国电弧焊机行业通过走引进国外先进技术并吸收、自 主设计、开发创新的道路，使得我国电弧焊机的研究与生产技术水平得到很大提高， 各种新型电弧焊接设备也相继出现，极大推动了我国自动、半自动等机电一体化焊接 设备的发展。然而，国产电弧焊机和弧焊电源的种类、数量、使用性能以及自动化程 度还不能完全满足国内大多数用户的要求，与世界工业发达国家和地区相比，还存在 一定的差距。 目前国内数字化弧焊电源的现状大多还处于技术研究层面或者研制出来的设备往 往专一性很强，多用于焊接专机上面，且研究主要集中在国内部分高等院校、焊接研 究所和焊机生产商，新型的数字化电弧焊机离产品商品化、市场化还有一段距离。此 外，我们在研究弧焊电源参数预置控制系统时尚存在以下不足：参数预置控制系统 与弧焊电源本身固化在一起，只能应用于该台电弧焊机而对于其他焊机则不能使用， 未能达到一台参数预置控制系统适用于不同电焊机的通用性，从而实现一机多能； 有的焊机虽然预置了多组参数，然而其预置的参数是提前通过软件固化在芯片内存中， 不容修改或者修改后不能实时保存【3 l 】；实时调节效果不理想，焊接参数自动调节到 预置值的时间比较长，甚至有时需要人工调节。 而当前在很多工厂里电焊机使用状况更差，许多老旧的焊机仍然在使用，依然采用 数字式或者指针式面板表显示焊接电流、电压以及速度等焊接参数，通过旋钮预置焊 接参数，当实时焊接显示值与预置值有偏差时，只能通过人工调节旋钮使显示值达到 焊接工艺要求。故这类焊机就存在以下问题【3 2 】：调节精度低、实时性不强，当焊接 有偏差时通过人工调节旋钮的方式达到预置值，实现的只是一些机械式调节，调节速 度很慢，一般满足不了焊接工艺要求：调节不方便，操作者需要边观察面板表边调 节旋钮；没有参数预置功能，焊接前不能实现预置焊接规范要求的工艺参数。在这 些工厂里面要想提高焊接控制精度、改善焊接质量和自动化程度，要么直接购买国内 外成品先进数字化焊机，但价格较昂贵、成本大幅增加；或者是在现有焊机上进行技 术改造。 针对上面存在的问题，本课题丰要目的是在原有焊机基础上，对弧焊电源控制电路 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 进行数字化技术改造。采用1 6 位高性能数字信号控制器为控制核心，去探索弧焊电源 的焊接参数预置控制系统，研究出一个独立于原焊机的能够适用多种焊接方法的参数 预置控制系统。从而达到以下目的： 1 ) 提升原焊机的数字化程度，实现焊接参数预置，并能实时显示焊接电流、电压 等参数； 2 ) 加入算法控制，简化人为操作，实现自动调节，提高控制精度； 3 ) 形成独立的预置控制系统，能对不同弧焊电源进行控制，实现一机多用。 2 1 2 参数预置控制系统设计要求 要实现上述目的，所设计的弧焊电源参数预置控制系统总体上应该实现达到以下 功能： ( 1 ) 参数预置值查询输出功能启动系统后，能够自动调用最近一次焊接时的参 数值。当系统参数初始值给定后，系统经过查询就可以输出初始控制值，有利于减少 系统调整到稳定的时间。 ( 2 ) 焊接参数预置、修改、存储系统根据焊接工艺预先固化1 0 组焊接参数在 d s p i c 芯片e e p r o m 内，焊前只需依据其焊接工艺要求和实践经验调节相应的组号， 系统就可以查询并输出对应控制量，实现快速对焊接电流电压的预置；焊接过程中， 也可根据实际焊接工艺情况实时改变焊接参数，并保存在对应的预置参数组号里，以 便下次调用。 ( 3 ) 焊接参数实时显示与控制空载和参数调节时显示预置或调节的焊接参数， 焊接开始后实时显示实际焊接电流、电压等参数，控制算法开始计算，使采样值在弧 焊过程中能自动调节并逐渐稳定在预置值。 ( 4 ) 能够应用于平、陡两种电源外特性的焊机，满足多种焊接方法。 2 1 3 总体方案及主要任务 通过借鉴与吸收国内外同类产品的长处与优点，并进行系统的分析，针对系统提 出的“提升原焊机数字化程度、形成一机多用的弧焊电源参数预置控制系统”这一目 标，本文在前期研究工作的基础上，采用d s p i c 3 0 f 4 0 1 3 通用数字信号控制器为核心， 重新设计出一个相对独立的拥有一机多控功能的多特性弧焊电源参数预置控制系统。 提出了如下总体设计方案： ( 1 ) 通过对前期的参数预置控制系统进行改进，在原有焊机控制器上加入本改进 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 后的焊接参数预置控制系统后，实现多组焊接参数的预置并掉电存储，同时保留原焊 机控制器上拥有的所有功能； ( 2 ) 采用旋转编码器预置和修改焊接参数，成本低，参数调节速度快、精度高， 操作方便； ( 3 ) 优化控制算法，采用带死区的增量式数字p i d 算法进行控制，使得输出的控 制量逐步快速接近实际焊接工艺相对应的控制值，降低系统的调节时间，提升控制精 度和焊接质量； ( 4 ) 双回路闭环控制方式( 串级控制方式) ：在原有焊机单回路闭环控制的基础 上增加一级电流、电压反馈控制，实现双回路闭环反馈调节，d s p i c 芯片通过不断刷新 控制值，使焊接参数快速、稳定达到给定值； ( 5 ) 软件编程以c 语言为主，汇编语言为辅：编程的效率高、逻辑结构清晰、可 读性较好，移植方便。当需要功能升级、改变控制方法时，只需修改部分程序，无需 变动硬件电路。 在本课题设计过程中，主要完成了以下几项任务： 1 ) 控制系统硬件电路的设计：在前期参数预置控制系统研究的基础上，由于要求 改进的参数预置系统能够实现多组参数的预置、实时修改并掉电保持、可应用于多种 外特性的弧焊电源等功能。本次设计选择了1 6 位高性能带e e p r o m 功能的 d s p i c 3 0 f 4 0 1 3 芯片为控制核心，重新设计控制系统电路原理图，制作硬件电路板，其 主要由电流、电压采样模块，参数预置、显示模块，p w m 输出控制模块，电源模块， 多特性电源选择模块以及各种保护电路等组成； 2 ) 控制系统软件模块化编程：针对不同外特性的弧焊电源焊接电压、焊接电流参 数单独调节时，相互间存在着较大的影响，从而使得系统的调整时间变长的问题，本 文通过软件算法编程实现将此影响尽量的提前消除，使系统能够快速的达到新的稳定 工作点。系统软件主要采用c 语言模块化编程，结合芯片e e p r o m 功能模块，实现焊 接参数的预置并掉电存储、随时修改并预调输出，实时数据采样与显示，平、陡特性 控制算法自动调用等功能。控制算法是核心，它直接影响电弧特性，关系到整个弧焊 电源系统的性能。 3 ) 控制系统与焊机整体联机调试、验证，完善p i d 参数至达到预期目标。同 时，为控制系统的进一步研究提出了完善建议。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 2 软硬件设计平台 2 2 1d s p i c 3 0 f 4 0 1 3 芯片介绍 本控制系统采用m i c r o c h i p 公司推出的d s p i c 3 0 f 4 0 1 3 芯片，属于1 6 位高性能数字 信号控制器，将d s p 应用所需的高性能和嵌入式应用所需的标准单片机功能有效融合 在一起。通过使用r i s c 、h a r v a r db u s 结构、流水线取指模式，具有指令集少、耗能低、 速度快、抗干扰性强等特点。内部包括了1 2 位高精度模数转换器( 2 0 0 k s s ) 、e 2 p r o m 存储器、输入捕捉( i c ) 、输出比较( o c ) 、1 2 c 和s p i 模块、c a n 总线和u s a r t 端 口、f l a s hr o m 的刚w 等强大内核控制功能，具有较强的数字量处理能力。其主要性 能如下【3 3 。3 4 】： ( 1 ) 改进的高性能r i s cc p u 优化的c 编译器指令集架构；改进的哈佛结构； 灵活的寻址模式：8 3 条基本指令：m c u 和d s p 两类指令无缝集成到结构并从同一单 元执行；2 4 位宽指令总线和1 6 位宽数据总线；最高4 8 k b 的片上闪存程序空间；2 k b 的片上数据r a m ；1 k b 的非易失性数据e 2 p r o m ；1 6 x 1 6 位的工作寄存器阵列；运行 速度最高为3 0 m i p s ：时钟输入的频率为0 至4 0 m h z ，带有p l l ( 4 x 、8 x 和1 6 x ) 的 4 m h z 至1 0 m h z 振荡器输入；最多3 3 个中断源：8 个可由用户选择的优先级，3 个外 部中断源，4 个处理器陷阱。 ( 2 ) d s p 特性双数据取操作；模及位反转两种寻址模式；一个4 0 位的算术逻 辑单元( a l u ) ；两个带可选饱和逻辑的4 0 位宽累加器；高速1 7 x 1 7 位单周期硬件整 数川、数乘法器；所有d s p 指令均为单周期指令：乘法累加( m a c ) 运算；一个4 0 位 的双向桶形移位寄存器：单周期左移和右移1 6 位。 ( 3 ) 单片机的特殊性能增强型闪存程序存储器：工业的温度范畴里至少可以 1 0 0 0 0 次擦写，容量的典型值为1 0 0 k b ；数据e 2 p r o m 存储器：在工业温度范畴内最 低可达十万次擦写，容量的典型值为1 k b ；可在软件控制下自动重新编程；灵活多用 的w d t 定时器，及带有片上l p r c 振荡器能保证系统可靠运行；故障时钟监控 ( f s c m ) ，在检测到存在故障时可将时钟自动切换到l p r c 振荡器；有代码保护功能， 及可以在线编程( i c s p ) 及在线调试；自由选择功耗管理模式：休眠模式、空闲模式 及备用时钟模式，有节约系统能耗的可编程时钟后分频。 ( 4 ) 外设特性高灌拉电流i o 引脚：2 5 m a 2 5 m a ；最多五个1 6 位定时器计数 器，可选择将两个1 6 位定时器组对以形成一个3 2 位的定时器模块；最多四个1 6 位i c 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 功能：可达四个1 6 位o c p w m 功能；数据转换器接口( d c i ) ：支持通用音频编解码 器协议，包括1 2 s 和a c 9 7 ；3 线s p i 模块( 支持4 帧模式) ；1 2 c 功能模块支持多个主、 从动模式和7 位、1 0 位寻址；2 个带f i f o 的能够寻址u a r t 接口；兼容c a n2 0 b 标 准的c a n 总线模块。 ( 5 ) 模拟特性1 2 位a d 转换器：2 0 0 k s p s 的转换速率，有1 3 个模拟输入通道， 可以在休眠及空闲模式下进行转换；低压检测( p l v d ) 及欠压复位功能。 ( 6 ) c m o s 技术低功耗、高速闪存技术；宽工作电压范围( 2 5 v 至5 5 v ) ；工 业级和扩展级温度范围。 2 2 2m p l a bi c d 在线调试器 本课题在编程与调试过程中使用了i c d 在线调试器，它是在线仿真器( i c e ) 的 一个便宜替代品，完全兼容m i c r o c h i p 的在线调试器，可以支持大部分的f l a s h 工艺的 芯片，它不仪是一个在线调试器，还可作为一个作为开发型生产型的烧写器使用，把 编写完的程序烧写下载到目标编程芯片中。它可以完成许多以前需要在昂贵的硬件上 才能实现的功能，但这些优点是以牺牲i c e 的一些便利为代价的。与i c e 相比，在线 调试器需要满足以下条件1 3 5 舶】：( 1 ) i c d 要占用目标芯片的一些软硬件资源；( 2 ) 调 试的p i c 单片机板需要有一个正常运行的时钟：( 3 ) i c d 只能在系统中的所有连接都 完全正常时才能调试；( 4 ) i c d 只能在系统运行时才可以进行调试，而i c e 则可以最 大限度的发挥系统的所有功能。尽管i c d 与i c e 相比有一些缺点，但是它也有一些突 出的优点：1 ) 系统量产后，仍可在目标板上放置一个在线调试端口，直接与目标板相 连，而不需要先取下单片机再插上仿真头，实现对系统进行方便的测试，调试和再编 程。：2 ) i c d 可以对目标应用进行再编程，而不需要其它连接或设备；3 ) 价格经济便 宜，同时还具有烧写器的功能，可不需更改硬件而无限制的免费升级软件，不断支持 新器件，零成本升级。 本次设计过程中使用的是i c d 2 5u s b 在线仿真器，是专为m i c r o c h i p 公司p i c l 2 、 p i c l 6 、p i c l 8 、p i c 2 4 、d s p i c 3 0 f 、d s p i c 3 3 f 等系列芯片设计的一款在线调试开发工 具，是i c d 2u s b 调试器的升级版，具有热插热拔功能，传输速度达到1 2 m b s 。与i c d 2 u s b 相比有如下改进：1 ) 添加u s b 稳压电路，防止i c d 因电脑u s b 端口电压波动出 现不稳现象；2 ) 采用了包括“软开关技术”在内的多项技术，解决了仿真器向目标板 供电时可能产生的电流冲击问题；3 ) 软件程序控制仿真器向目标板供电，不需要外接 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 电源，可提供4 0 0 m a 超大电流；4 ) 设计了a b 两型输出接口，以及采用寿命更长的 新型b 型电缆和贴片工艺，可靠性和抗干扰性都大为提高，可1 0 万次重复烧写。其主 要功能是使用m i e r o c h i p 的“在线串行编程技术”对目标应用控制器进行在线编程、仿 真调试、寄存器观察等，可实时、单步或断点运行程序，然而在仿真运行时不能使能 单片机的看门狗( w d t ) 、代码保护和表读保护等功能，要检查这部分功能需下载到芯 片内运行调试。 2 2 3m p l a b 软件开发环境 m p l a bi d e 软件集成开发环境是一个基于p c 机w i n d o w s 操作系统的综合编辑器、 项目管理器和设计平台，是m i c r o c h i p 公司专为其p i c m i c r om c u 和d s p i c 数字信号控 制器系列配置的进行嵌入式设计的应用开发平台。m p l a bi d e 通过内部集成或者安装 第三方组件模块来提供完全的功能强大的开发环境，如【3 7 】：m p l a b 项目管理器， m p l a b 编辑器，m p a s m 汇编器、m p l l n k 链接器、m p l i n 库管理器，m p l a bs i m 软件模拟器、m p l a bi c d 在线调试器，m p l a bi c e 仿真器、p i c m a s t e ri i 和 p i c m a s t e r c e 仿真器、p r o m a t e 和p i c s t a r tp l u s 芯片烧写器，m p l a bc 系列 编译器以及其他如h i t e c h 、c c s 等第三方开发工具。 本设计所有程序代码的编写、编辑和调试都是基于m p l a bi d e 开发环境进行的， 其集成了如下功能f 3 8 】：1 ) 内置带颜色区分代码功能的文本编辑器，可采用汇编语言或 者c 语言建立和编辑源程序；2 ) 带可视化显示的项目管理器可将多个文件( 源文件、 库文件等) 组合到项目里，由编译器、汇编器和链接器生成可执行代码输出；3 ) 采用 软件模拟器或者硬件调试器( 在线仿真器或者在线调试器) 对可执行目标源代码进行 调试，期间可进行时序定时、断点、单步、跟踪等测量，察看w a t c h 监视窗口中所有 r a m r o m 存储器内的变量值；4 ) 把编译、调试好的目标源代码烧写到芯片内；5 ) 上下文关联的互动在线帮助。 由于本课题软件编程以c 语言编程为主、汇编为辅，故而选择了支持用c 语言编 程d s p i c 3 0 f 系列器件的m p l a bc 3 0 编译器。该c 编译器是一款完全符合a n s i 标准 并带有标准库的产品，它针对d s p i c 3 0 f 系列芯片进行了高度优化，充分地利用了 d s p i c 3 0 f 架构的