（材料加工工程专业论文）弧焊逆变电源单片机控制系统的稳定性研究.pdf

摘要 t 1 g ( t u n g s t e n i n e r tg a s ) 焊是一种高质量的焊接方法，它以其焊接过程稳 定、易于控制、焊接质量高等优点已被广泛应用，随着t i g 焊的推广，t i g 焊电 源也得到了不断的发展。然而，在这发展过程中，所面临的棘手问题就是高频引 弧和稳弧的电磁干扰问题。 t i g 焊一般采用非接触引弧，实现方式很多，主要有高压脉冲引弧和高频引 弧。但由于高频引弧器引弧成功率高、制造简单和成本低廉，是目前在t i g 焊 电源中较为理想的引弧装置。高频引弧器利用高频( 1 5 0 2 6 0 k h z ) 、高压( 2 5 0 0 5 0 0 0 v ) 击穿气隙，引燃电弧。为防止高频引弧器产生过电压进入主电路和控制 回路，应加高频防护措施，使功率开关器件i g b t 和单片机正常工作。 t i g 焊高频引弧产生的高频干扰对单片机控制系统产生严重的影响，因此研 究解决抗丁扰问题是微机控制弧焊逆变电源中的关键技术。本文通过对高频引弧 器工作原理的深入分析，结合高频引弧器工作时对单片机控制系统的影响，从空 间干扰的角度、过程通道的角度、电源角度等三个方面分析了高频干扰对控制系 统干扰途径。单片机抗干扰设计从软件、硬件两个方面提出了相应的解决措施， 对于硬件措施也从抑制空间干扰、过程通道干扰、电源干扰角度入手，而软件抗 干扰措施是针对8 0 9 6 单片机而提出的解决方案。设计了相应的实验验证所采取 的抗干扰措施的可行性，经过多次试验，结果表明：所研制的软、硬件抗干扰措 施能完全抑制高频引弧对单片机系统的破坏性影响。 本课题得到北京市科技新星项目( h 0 2 0 8 2 1 2 3 0 1 2 0 ) 的资助。 关键词高频干扰；抗干扰；t i g 焊；单片机 a b s t r a c t t i g w e l d i n g i sah i g h - q u a l i t y w e l d i n g m e t h o di ti sa p p l i e d w i d e l yf o ri t ss t a b l e w e l d i n gp r o c e s s ，e a s i l y c o n t r o la n d h i g hq u a l i t y t i gw e l d i n gp o w e rs u p p l yi s d e v e l o p e dq u i c k l yw i t ht h ee x t e n d i n go ft i gw e l d i n gb u td u r i n gt h ed e v e l o p m e n t ， t h e e l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b a n c eo fh i g hf r e q u e n c ya r c - i g n i t i o na n da r c - s t a b i l i z e d b e c o m es e r i o u sp r o b l e m s t i gw e l d i n gu s u a l l ya p p l i e sn o n - t o u c h e da r c i g n i t i o nm e t h o d s a m o n gt h e s e m e t h o d s , h i g hv o l t a g ei g n i t i o na n dh i g hf r e q u e n c yi g n i t i o nf i r ep r i m a r ym e t h o d sf o r h i g h e rs u c c e e d e di g n i t i o n ，e a s ym a n u f a c t u r e ，c h e a pc o s t ，h i g h - f r e q u e n c y i g n i t e ri s w i d e l yu s e d i nt i gw e l d i n gi n v e r t e r b e c a u s eh i g hf r e q u e n c ya n dh i g hv o l t a g e , n e c e s s a r ym e a s u r e s s h o u l db et a k e ni no r d e rt oe n a b l ei g b ta n d s i n g l ec h i p m i c r o c o m p u t e rs y s t e mn o r m a l l y w o r k t h eh i g h f r e q u e n c yi g n i t e ro ft i gw e l d i n ge q u i p m e n ti s as e v e r es o u r c eo f i n t e r f e r e n c et ot h e s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e rs y s t e m a n de l e c t r o n i c c o m p o n e n t s i n t e g r a t e d i n t ot h ee q u i p m e n t , s ot h es t u d yo na n t i - i n t e r f e r e n c eo fm i c r o c o m p u t e r c o n t r o li na r cw e l d i n gi n v e r t e rp o w e rs o u r c ei ss t i c k i n gp o i n t ，t h i sp a p e re x p l o r e st h e p r i n c i p l e o fh i g h - f r e q u e n c y - i g n i t e r ；a n a l y z ec o u p l i n gp a t h sf r o ms p a c e , c h a n n e l ， p o w e r s o u r c ea n ds oo nc o n s i d e r e dt h eh i g hf r e q u e n c yi n t e r f e r e n c et om i c r o c o m p u t e r c o n t r o ls y s t e ms e v e r a lp r a c t i c a b l ea n t i - i n t e r f e r e n c em e a s u r e s a r e d e v e l o p e dw i t h r e s p e c t t ob o t h o fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e e x p e r i m e n t r e s u l t ss h o wt h a tt h e s e m e a s u r e sc a ne f f e c t i v e l yi n h i b i td e s t r u c t i v ei n t e r f e r e n c eo fh i g h f r e q u e n c yi g n i t e ri n s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e ma n d e l e c t r o n i cc o m p o n e n t si n t e g r a t e di n t o t h e e q u i p m e n te n s u r i n g t h e s t a b i l i t y a n d r e l i a b i l i t y o fm i c r o c o m p u t e rr e a l t i m e c o n t r 0 1 t h i sw o r ki sf i n a n c i a l l ys u p p o r t e db yb e i j i n gs c i e n c e a n dt e c h n o l o g yn e ws t a r p r o j e c t ( h 0 2 0 8 2 1 2 3 0 1 2 0 ) ， a b s t r a c t k e yw o r d s h i g h f r e q u e n c yi n t e r f e r e n c e ；p r e v e n t i o no f i n t e r f e r e n c e ；t i g w e l d i n g ；s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r 独创性声明 本人声明所呈交的沦文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的成果。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，也不包含为获得北京工业大学 或其它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。 签名：! 虽盘! ! 三2 日期：! ! ! 生：芏! ! f 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论 文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：墨盘! 垫导师签名： o 牛s 却 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 在现代制造业生产中，焊接是重要的工艺方法之一。随着制造业的现代化进 展，焊接技术在机械制造、核工业、航空航天、能源交通、石油化工、建筑和电 子等行业中的应用越来越广泛。随着科学技术的发展，焊接已从简单的构件连接 方法和毛坯制造手段发展成为制造行业中一项基础工艺和生产尺度精确的制成 品生产手段。因此，保证焊接产品质量和生产过程的稳定性已成为焊接发展亟待 解决的问题。由于诸多因素的推动，如焊接冶金物理化学过程的复杂性、合理工 艺的制定与实现、焊接质量稳定性、应用的灵活性、操作的安全性及经济性等， 使得实现对焊接过程的自动控制、焊接工艺制造的自动化的需求越来越迫切。另 外，计算机技术、控制理论、人工智能、电子技术及机器人技术的发展为焊接过 程自动化提供了十分有利的技术基础，并已渗透到焊接各个领域中，取得了很多 成果，焊接过程自动化已成为焊接技术的生长点之一。从焊接技术发展来看，焊 接自动化、机器人化以及智能化已成为趋势 1 , 8 , 9 , 1 7 , 2 7 , 2 8 , 4 1 j 射。 用计算机控制的焊机，制造方便，有较好的适应性和通用性。然而计算机相 对于焊机来说，价格昂贵，体积大，而单片机是以工业控制为目的设计的，将计 算机的一些功能集成在一块芯片上，体积小且价格便宜，用在焊机上性能价格比 较高，因此单片机控制的弧焊电源应运而生。但单片机控制的弧焊电源存在着抗 干扰问题1 1 , 6 。 焊机工作的环境比较复杂，存在着多种干扰源。大功率逆变器本身就是一个 强的噪声发射源，中频变压器、输出电感等感性器件在电流变化时会产生较高的 电压尖峰1 4 6 】，形成对电源的污染，同时造成空间电磁干扰；焊接电弧也是一个 频带很宽、谐波丰富的电磁干扰源，负载剧烈变动时的浪涌电流会造成电网电流 的畸变，另外，空间电磁波辐射也是一个不可忽视的干扰源。尤其在t i g 焊机 中，高频引弧器与其它引弧器相比具有更高的引弧成功率而得以广泛应用1 4 ，o 圳。 但是高频引弧器的放电频率一般在1 5 0 2 6 0 k h z ，该高频会通过导线和空间馈 入所配备的单片机系统和焊接电源，使其无法正常工作，因而解决抗干扰问题是 第1 章绪论 图1 - 1 单片机控制的t i g 逆变电源的总体框图 f i g u r e1 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f t i gi n v e r t e rp o w e rs o u r c ec o n 订o h e db yt h es i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e r 单片机控制的t i g 逆变电源的总体框图如图1 1 所示，整套装置主要由弧焊 电源主电路、p w m 控制电路、驱动电路和单片机控制电路四部分组成1 ，另夕卜 还有高频引弧电路和高频吸收电路。单片机控制的t i g 逆变电源的基本工作原 理如下： 工频电网电压直接经整流、滤波，得到大约5 4 0 v 的直流电压。该直流电压 施加到由功率开关i g b t 和中频变压器组成逆变器上。i g b t 由逆变控制电路提 供的矩形波电压脉冲激励而交替地通断，将直流电压变换成中频( 般2 0 k h z 左右) 交流矩形波电压脉冲，中频变压器同时将大约5 4 0 v 电压将为7 0 v 左右的 电压，然后经二极管整流、滤波，得到直流电流。单片机通过1 7 0 接口电路检测 到当前焊接状态，通过d a 0 8 3 2 芯片输出焊接电流给定信号，并加到基本控制电 路的给定输入上，与通过莱姆块检测到的电流反馈信号一起输入到脉宽调制器的 输入端，经p i 调节控制i g b t 逆变器的输出脉冲宽度，使得焊接电流可调，并 实现焊接电源的恒流外特性。 1 3 焊接电源电磁兼容性研究现状 随着电工技术和电力电子技术在各行各业、各领域的广泛应用，以及对电磁 环境研究的日益提高，电磁兼容已成为国际上被普遍关注的问题a 降低设备对外 界的电磁骚扰水平是电磁兼容的重要内容之一。 北京工业大学工学硕士学位论文 国际电工委员会( i e c ) 等国际组织出版一系列关于e m c 的技术文件。其 中有些技术文件已成为通用的国际标准，如i e c 6 1 0 0 3 2 对每相的输入电流小于 1 6 a 的低压电气设备谐波电流发射限制的规定。这些标准的实施，极大的震动了 各国制造商，也极大推动了各国电器、电子产品的制造厂对e m c 性能的重视。 我国的国家技术监督局和有关部委也参照国际标准制定了国家标准，如对应i e c 6 1 0 0 3 2 的国家标准g b 1 7 6 2 51 - 1 9 9 8 ，并于1 9 9 9 年1 2 月1 日起强制实施，同 时有关部门也正积极筹划在我国实施电气、电子产品的e m c 认证措施【l i 。 在我国，机电产品e m c 的考核和认证( 定) 工作已提到议事目程。到目前 为止，汽车、摩托车，电动工具、日用电器，工业、科学和医疗设备已分别按 g b l 4 0 2 3 1 9 9 2 、g b 4 3 4 3 1 9 9 5 、g b 4 8 2 4 1 9 9 6 对产品进行考核和认证( 定) 工作， 收到了很好的效果。“g b 4 8 2 4 1 9 9 6 工业、科学和医疗( i s m ) 射频设备电磁骚 扰特性的测量方法和限值( cc i s p r l l ) ”覆盖面非常广，几乎包括所有的工 业、科学和医疗设备，当然也包括焊接设备。其中电磁骚扰比较严重的有：电火 花加工设备、工业微波加热设备、工业感应加热设备、开关电源、管子焊接设备、 塑料焊接设备、阻焊设备、射频激励的弧焊设各、家用微波炉、食品加工设备、 介质加热设备等。i e c t c 2 6 也正在制定弧焊设备的e m c 标准，现己公布了标准 草案- - i e c 9 7 4 1 1 0 弧焊设备第1 0 部分：电磁兼容性( e m c ) 要求。该标准适用 于弧焊和类似工艺设备，并包括焊接电源、送丝机、引弧和稳弧装置。 逆变焊机电磁兼容性的主要研究内容是如何减少逆变焊机对电网的谐波骚 扰和对空间的电磁骚扰问题。但是逆变焊接电源对电网来说，本质上是一个大的 整流电源。逆变电源的输入电流波形是种尖角波，使电网中含有大量高次谐波- 高次电压、电流谐波之间存在严重相移，导致焊机的功率因数很低。低频谐波畸 变问题是当前电力电子设备的一个共性问题，目前在通讯行业、家电行业都已经 引起相当的重视。另外，目前逆变焊机多采用硬开关方式，在功率元件开关过程 中不可避免的对空间产生辐射骚扰。这些高频骚扰不仅对供电系统，通讯和数字 系统制造成千扰，而且对电焊机自身也会产生干扰，尤其是目前逆变焊机普遍采 用单片机控制，这个问题显得尤为重要【5 ，6 ，1 7 1 8 删。 为了我国的逆变焊机重新占领国内市场，并走向国际市场，提高产品的质量， 增强市场竞争力，我国的科研工作应该未雨绸缪，积极开展电磁兼容性的基础研 第1 章绪论 究工作。为了抑制低频的输入电流谐波，降低谐波畸变对公共电网的影响，应该 对有源滤波、有源功率因数较正技术进行深入研究。为了抑制硬开关工作方式引 起的射频骚扰问题，除了在电源和电网之间、电源的主电路控制电路之间安装电 磁干扰滤波器之外，就是采用软开关的逆变方式，通过谐振变换的方法使功率开 关器件在零点压和零电流下开关，这种方式不仅可以从根本上消除高频干扰的产 生。这些课题的不断完成，除了对逆变焊接电源外，对于提高其它低电压电气设 备的电磁兼容性水平，提高我国电气、电子产品在国际市场上的竞争能力，同样 具有重要的意义。但在焊接设备的电磁兼容问题中对t i g 焊高频引弧产生的干 扰研究甚少 1 9 , 2 1 , 2 3 ，3 ”。 t i g 焊一般采用非接触引弧，实现方式很多，主要有高压脉冲引弧和高频引 弧。但由于高频引弧器引弧成功率高、制造简单和成本低廉，是目前在t i g 焊 电源中较为理想的引弧装置。高频引弧器利用高频( 1 5 0 2 6 0 k h z ) 、高压( 2 5 0 0 5 0 0 0 v ) 击穿气隙，引燃电弧。为防止高频引弧器产生过电压进入主电路和控制 回路，应加高频防护措施，使功率开关器件i g b t 和单片机正常工作。 t 1 g 焊这种焊接方法作为一种高质量的焊接方法已在生产实践中获得了广 泛的应用，并正向自动化和机器人化方向发展2 引。然而，在这发展过程中，所 面i 晦的棘手问题就是高频引弧和稳弧的电磁干扰问题【4 j 。为回避这个问题，有人 采用低压进行接触引弧，并在直流t i g 焊中获得成功。但这种方法对铝及其合 金的交流t i g 焊还不能奏效，因为在焊接过程中，不但需要高频进行引弧，而 且需要高频进行稳弧。因为在交流t i g 焊的整个过程中都有高频振荡电压存在， 而且它会通过传导和耦合的方式馈入所配备的微机系统，使其无法正常工作，这 在较大程度上阻碍了性能价格比很高的单片机在自动化弧焊设备中的应用【6 】。对 这个问题，据报道国外已基本解决，并研制成功了用于铝合金t 1 g 焊的机器入p 1 ， 但具体是如何解决的，却无从知晓。此外，日本的p a n a s o n i c 、法国的s a f 公司、 芬兰的k e m p p i 公司都有微机控制的t i g 焊机产品，并己成功得到应用。在我 国，高频干扰在焊接领域还未完全解决。因此，研究高频干扰现象及其防止措施， 具有重大的实际意义。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 4 焊接电源中单片机控制系统的抗于扰 弧焊控制系统是采用单片机作为主控制单元的系统，对于单片机控制系统， 焊接电弧本身就足一个很强的干扰源，而其中t i g 焊焊机的高频引弧，由于采 用几千赫绍至1 0 6h z 、数千伏的高频高压击穿空气介质引燃电弧，更是一个巨人 的干扰源。而且，焊机的控制系统涉及到电流、电压及其他多种信号的测量，这 就要求该控制系统具有很强的抗干扰能力【3 ”。 干扰对微机系统造成的最明显结果是死机，即所谓程序跑飞，由于干扰造成 既定程序脱离原有轨道，跳飞到另外的程序段上，造成系统的不正常工作，甚至 损坏系统。另外，干扰还会造成控制的不准确，影响到系统的可靠性i 。 干扰一般都是以脉冲的形式进入微机，干扰窜入系统的渠道主要有三条，如 图1 2 所示，即空间干扰( 场干扰) ，通过电磁波辐射窜入系统；过程通道干扰， 干扰通过与主机相联的前向通道、后向通道及与其它主机的相互通道进入；供电 系统干扰。一般情况下空间干扰在强度上远小于其他两个渠道窜入的干扰，而且 空间干扰可用良好的屏蔽与正确的接地、高频滤波加以解决，故微机系统中应重 点防止供电系统与过程通道的干扰【l ”。 牢闻千辅 干 批电磊缔千赫。 敏 扰感 源设 讨穰诵谱千翱 备 图卜2 干扰三要素 f i g u r ei - 2 t h r e e i m p o r t a n t f a c t o r s o f i n t e r f e r e n c e 由于单片机在焊接电源中的应用环境往往比较恶劣，干扰严重；但整个系统 的结构又要求简单轻便，这就要求单片机应用系统既有较强的抗干扰能力，且使 用的硬件资源又要求尽量少。一般说来，单片机微机测控系统的可靠性技术主要 包括以下四个方面。 1 精心选择元器件 元器件是构成部件或系统的基础。要选择那些集成化程度高，抗干扰能力强， 第1 章绪论 功耗又小的电予器件。 2 元部件要精密调整 元器件的精度是保证系统完成既定功能的重要保证。因此在使用前或经过一 段运行刚间之后，都应对元器件及部件进行精密较正，如a dj 芷= 片的调零及满 程调整等等。 3 采用硬件抗干扰技术 硬件抗干扰技术是设计系统时首选的抗干扰措施，它能有效抑制干扰源，阻 断干扰传输通道。只要合理地布置与选择有关参数，硬件抗干扰措施就能抑制系 统的绝大部分干扰。 常用的硬件抗干扰技术措施有：滤波技术、去耦技术、屏蔽技术、隔离技术 及接地技术等。 4 采用软件抗干扰技术 尽管我们采取了硬件抗干扰措施，但由于干扰信号产生的原因很复杂，且具 有很大的随机性，难免保证系统完全不受干扰。因此，往往在硬件抗干扰措施的 基础上，采取软件抗干扰技术加以补充，作为硬件措施的辅助手段。软件抗干扰 方法具有简单、灵活方便、耗费硬件资源少的特点，在微机测控系统中获得了广 泛应用。 1 5 本课题的主要任务 ( 1 ) 主要是通过对弧焊逆变电源中干扰最为严重的t i g 焊电源中的高频引弧 电路的分析，对高频引弧器干扰弧焊电源中控制系统的机理进行分析。 ( 2 ) 针对高频引弧产生的辐射、传导干扰，对弧焊电源中的控制电路、单片机 控制系统采取必要的抗干扰措施。 ( 3 ) 通过对干扰途径的分析设计干扰试验，验证采取的抗干扰措施是否得当并 提出进一步解决方案。 7 第2 章高频引弧对焊机中单片机控制系统的干扰机理 2 1 引言 第2 章高频引弧对焊机中单片机控制 系统的干扰机理 随着单片微机功能的不断完善和加强，应用单片微机作为控制单元已相当普 遍。在工业应用的微机系统中，为用户关注最普遍的一个性能指标就是系统的可 靠性。单片机控制系统的可靠性是由多种因素决定的，其中系统的抗干扰能力是 最为普遍和最为重要的因素。 干扰源产生的干扰是通过耦合通道对微机测控系统产生电磁干扰作用的。因 此，需要弄清干扰源与被干扰对象之间的传递方式和耦合机理。 22 焊接电源中的引弧电路 在t i g 焊或空气等离子切割时，绝大多数为非接触引弧，通常需采用高频 引弧器来进行引弧 2 5 , 2 6 , 3 7 】，现在通用的电路原理图如图2 一l 所示。 高频脉冲引弧及吸收电路板的功能主要有两方面，第一是把取自主变压器上 中频脉冲信号变为高频高压脉冲信号，然后输出至主回路中，以达到引燃电弧的 目的；第二是吸收功能，是防止高频信号窜入主回路的原边或控制电路中，损坏 功率管或使控制失效。 高频脉冲引弧的具体运行原理为：取自主变压器的中频信号由i n l 和i n 2 端输入，连入高压线包4 t 1 的原边，通过4 t 1 的升压，其副边输出为3 千伏以 上交流高压脉冲，经过d 整流后( d 为封装在高压线包3 t 1 内的硒堆) ，加在放 电火花塞的两端，当火花塞两端的电压达到一定值后，将击穿火花塞的间隙，产 生放电现象，其放电的振荡频率由4 c 1 、4 c 2 和外接的耦合线圈电感量l 诀定。 产生的振荡高压脉冲由外接的耦合线圈耦合至主回路中，以引燃电弧。i n 3 和i n 4 输入的为控制信号，控制4 j l 接通高频输入信号。 吸收电路接于主回路输出的正端，一端接于高频耦合变压器副边与主变压器 相连的一端。其中4 c 6 和4 c 5 主要用于吸收差模干扰信号，而4 c 3 和4 c 4 则主 北京工业大学工学硕士学位论文 要用于吸收共模干扰信号，4 r 2 和4 r 3 是吸收放电电阻，4 y r l 为压敏电阻，用 于吸收高压尖峰。电路原理图如图2 - 1 所示。 4 丑丑孙 图2 - 1 高频脉冲引弧及吸收电路 f i g u r e2 - 1c i r c u i t f o rh i g h f r e q u e n c yi g n i t e ra n ds n u b b e r 2 3 高频引弧对控制系统的影响 2 3 1 传导干扰原理 对于传导噪声，按其传导模式分为差模噪声和共模噪声。 2 3 1 1 差模噪声( d i f f e r e n t i a im o d en o is e ) 又称线间感应噪声或对称噪声。有些书中也成其为串模噪声或差动噪声、横 向噪声等。如图2 2 所示，噪声往返于两条线路问，n 为噪声源，r 为受扰设备， u n 为噪声电压，噪声电流i n 和信号电流i s 的路径往返两条线上是一致的。这种 噪声难以除掉。 图22 差模噪声 f i g u r e2 - 2d i f f e r e n t i a lm o d e n o i s e 2 3 1 2 共模噪声( c o m m o nm o d en o is e ) 又叫地感应噪声、纵向噪声或不对称噪声。如图2 - 3 所示，噪声侵入线路和 地线间。噪声电流在两条线上各流过一部分，以地为公共回路，而信号电流只在 往返两条线路中流过。从本质上讲，这种噪声是可以除掉的。但是由于线路的不 第2 章高频引弧对焊机中单片机控制系统的干扰机理 平衡状态，共模噪声会转换成常模噪声。 图2 - 3 共模噪声 f i g u r e2 - 3c o m m o n m o d en o i s e 可用图来说明共模噪声转换成常模噪声的原理。 在图示2 4 中，n 为噪声源，l 为负载，z 1 和z 2 是导线1 和导线2 的对地 阻抗。如果z 1 = z 2 ，则噪声电压u n l 年口和噪声电压u n 2 相等，从而噪声电流i n l 和l n 2 相等，即噪声电流不流过负载。然而当z i z 2 时，则u n i = # u n 2 ，从而l n l in 2 ，于是u n l u n 2 = u n ，u n 亿l = l n ( z l 为负载阻抗) ，这是常模噪声。网此，当 发现常模噪声时，首先考虑它是否由于线路不平衡状态而从共模噪声转换来的。 通常，输入输出线与大地或机壳之间发生的噪声都是共模噪声，信号线受到静电 感应时产生的噪声也多为共模噪声。 l 图2 - 4 共模噪声转化成常模噪声 f i g u r e2 - 4c o m m o n m o d en o i s et r a n s f o r md i f f e r e n t i a lm o d e n o i s e 2 3 2 高频干扰对单片机控制系统的影晌 高频干扰对单片机控制系统的影响主要表现在以下几个方面： 厂j一卜叭上 墼刮 一 i 上丁上 ( 1 ) 数据采集误差加大 逆变焊接电源产生的2 0 k h z 左右的电磁干扰在电流采样信号和给定信号 a d 转换输入端感应出周期性的脉冲信号，使单片机采集的信号有较大的偏差， 影响控制精度。 ( 2 ) 控制状态失灵 单片机输出的控制信号常依据某些条件的状态输入信号和这些信号的逻辑 处理结果。若这些输入的状态信号受到干扰，引入虚假状态信号，将导致输出控 制误差加大，甚至控制失常。高频引弧时焊机控制面板上的提前送气时间、电流 缓升时间、脉冲频率、占空比、脉冲峰值、脉冲基值、电流缓降时间、火口电流 时间、滞后送气时间、二拍四拍转换等信号的不正常改变经常是干扰产生的虚 假信号。 ( 3 ) 数据受干扰发生变化 单片机系统中，由于r a m 存储器是可以读写的，因此在于扰的侵害下， r a m 中的数据有可能被窜改。在单片机控制的焊接电源系统中，程序及显示参 数、控制时序表格、常数存于程序存储器e p r o m ( 例如s e e q 公司的2 8 c 6 4 ) 中、避免了这些数据受到干扰破坏。但是，对于内r a m ，外扩r a m 中的数据都 有可能受到外界干扰而变化。有的造成数据误差，有的使控制失灵，有的改变程 序状态，有的改变某些部件( 如单片机中的定时器计数器、串行口等) 的工作 状态等。 ( 4 ) 程序运行失常 单片机中程序计数器p c 的正常工作，是系统维持程序正常运行的关键所在。 但若外界干扰导致p c 值的改变，破坏了程序的正常运行。由于受干扰后的p c 值是随机的，因而导致程序混乱。通常的情况是程序将执行一系列毫无意义的指 令，最后进入“死循环”，这将使输出严重混乱或系统失灵。t i g 焊高频引弧时 经常出现程序跑飞，造成程序“死循环”的现象出现。 2 3 3 高频引弧对控制系统干扰途径 从图t - 2 干扰耦合途径来分析t i g 焊中高频引弧对单片机控制系统的影响。 23 3 1 从空间干扰角度分析 第2 章高频引弧对焊机中单片机控制系统的干扰丰兀殚 逆变交流氩弧焊机是高频开关焊接电源，以1 g b t 为逆变功率器件，采用 p w m 调制，从开关电源的原理可知：在开关变压器的初、次级是一周期方波， 开关频率可达2 0 5 0 k h z ，根据周期信号的傅立叶级数理论，此方波包含了大 量高频谐波，如果不对这些谐波加以抑制，它们就会以传导i 聱u 7 j - 式进入电网或以 辐射的形式发射出去，形成干扰。另外，由于开关管的感性负载，相当于电感与 开关管串联，在开关管快速开关时，电感上产生很高的尖峰电压，这种尖峰电压 不仅对开关管起破坏作用，也可形成大量谐波，同样会形成传导干扰和辐射干扰。 由于开关电源初、次级及匝问存在大量分布电容，系统中器件与机壳之间，以及 导线间也存在寄生电容，此电容在开关状态突然充放电，也是一种干扰源，由此 可见，高频开关电源本身就存在着干扰。逆变焊机中的开关电路、整流电路及高 频变压器在工作过程中，都会产生较为严重的高频干扰1 0 , 1 6 , 3 5 , 4 5 1 。 高频火化放电的辐射干扰是一种无规则干扰。辐射虽然很强，但如果高频发 生器有剧蔽，或引弧器在逆变电源之外，则影响相对较小。 2 33 2 从过程通道角度分析 8 0 c 1 9 6 k c 的高速输出通道h s o 独具特色，其硬件结构与c p u 并行工作， 因而使运行效率显著提高。逆变焊机后级功率开关管导通、关断的控制是通过 h s o 通道输出的波形控制的，其输出脉冲的周期和占空比均可通过键盘调节。 气阀的开关、引弧开关的输出、焊接状态的判断都是通过单片机与外围电路来实 现的。如前文所提传导干扰分为常模干扰、共模干扰这两种干扰很容易通过电源 线、焊把线、引弧开关直接进入控制系统中去。高频引弧过程中，高频干扰耦合 到主变压器上从而影响到电源，相应的控制电源也会受到影响。按动焊枪期间焊 把线上会通过较高频率的干扰电压，如不加任何防范措施干扰源会通过焊枪状态 判断电路等接口电路窜扰至控制部分形成干扰。此外，t i g 焊中高频引弧瞬间， 高频振荡电压通过焊接电缆、焊把线在空间产生很强的电磁场，这种效应类似于 天线效应，焊接电缆的长度、相对位置对控制系统的稳定性有很大的影响。 2 3 3 3 从电源角度分析 电源干扰对单片机系统来说是一个较为严重的干扰源，单片机系统的电源一 般都和各种工业设备、照明线路共用一个供电系统，它们在线路上一般都有共地。 当焊机上电后，就有来自电网方面的干扰，如电压波动、过压尖峰、高频谐波及 大容量用电设备的启动、停止等，有可能通过单片机的控制电源进入单片机，干 北京工业大学工学硕士学位论文 扰微机正常工作甚至烧坏单片机。 高频引弧的高频信号是取自高频变压器的一辅助绕组，这一高频信号经过高 频引弧板高压线包，将其变为高压为2 3 千伏的高频信号，并通过适当的滤波 吸收隔离等措施，再将此信号通过t o 耦合到主电路中，从而达到高频引弧的目 的。这种方式一方面由于能量比较强，焊机很容易起弧，另一方面，起弧时，图 2 1 高频引弧器的输出o u t l 、o u t 2 通过耦合变压器耦合到主变压器的副边， 又会将高压经变压器耦合回送给电网。这样会造成两种后果，其一是加在逆变功 率元件上的电压会急剧上升，可能超过功率元件的耐压而损坏功率元件，使逆变 失败，其二是控制电路的工作电压瞬时上升，破坏单片机控制系统，导致系统工 作不稳定。另外，这种电路起弧时有很多高频成分，可能形成辐射干扰。 2 4 本章小结 本章介绍了焊接电源中的高频引弧器的工作原理和干扰机理。高频引弧时， 高频干扰会使得单片机的控制系统产生严重的干扰后果：数据采集误差加大、控 制状态失灵、数据受干扰发生变化、程序运行失常。从实践的角度分析了t 1 g 焊电源中，功率管、高频变压器、整流电路、高频引弧器的工作对空间的干扰； 高频引弧期间高频干扰信号通过电源线、焊把线、焊枪开关等部分形成过程通道 干扰；高频引弧器输出耦合到电源上的电源干扰等三方面传播途径。 第3 章单片机控制系统抗干扰的设计 3 ，1 引言 第3 章单片机控制系统抗干扰的设计 微机系统的可靠性是由多种因素决定的，其中系统的抗干扰性能是系统可靠 性的重要指标。弧焊设备是一类严重的干扰源，很可能导致微机系统的失控“。 应用硬件、软件抗干扰措施是经常采用的一种有效方法。实践证明，通过合理的 硬件电路设计，可以削弱或抑制绝大部分干扰。本章主要针对弧焊逆变电源中高 频引弧的于扰，在无法排除干扰源的前提下，采用一些硬件、软件等抗干扰措施 确保单片机控制的弧焊逆变电源正常工作。 3 2 硬件抗干扰措施 3 2 1 空间干扰的抑制措施 3 21 1 高频引弧器的屏蔽技术 屏蔽技术可以起到揶制外部电磁感应干扰的作用。屏蔽是指用屏蔽体把通过 空间进行电场、磁场或电磁场耦合的部分隔离开来，割断其空间场的耦合通道。 良好的屏蔽是和接地紧密相连的，因而可以大大降低噪声耦合，取得良好的抗干 扰效果。屏蔽的方法通常是用低电阻材料做成屏蔽体，把需要隔离的部分包围起 来。这个被隔离的部分既可以是干扰源，也可以是易受干扰的部分。这样，既屏 蔽了被隔离部分向外旄加干扰，也屏蔽了被隔离部分接受夕卜来的干扰。 弧焊逆变电源中为了抑制变化的电场的干扰，单片机控制系统和其他电子设 备中广泛采用屏蔽保护。此外，由于高频引弧时高频振荡还可以通过空间产生电 磁场干扰，这对采用数字集成电路或单片机控制的氩弧焊机尤为重要。因此可以 采取如下方式对高频引弧的空间干扰进行抑制。 ( 1 ) 采用屏蔽技术，即对高频振荡器或电子控制部件加以严密的金属壳 屏蔽保护，对靠近高频电流通路的讯号线加以屏蔽接地， ( 2 ) 尽可能把高频火花放电器间隙调的小一些( o 1 o 2 e r a ) ，以限制高 频空间干扰强度。 1 5 ( 3 ) 在焊机内布线时，应该注意到干扰信号的处理。应把控制电路放在焊 机的l 一部，高频引弧电路和功率开关器件放在焊机的下部分并注意台理的接地。 3 2 1 2 变压器的屏蔽层接地 电源变压器的静电屏蔽层应接保护地( 也就是电焊机的机壳) 。具有双重屏 蔽的电源变压器的一次绕组的屏蔽层接保护地，二次绕组的屏蔽层接屏蔽地线。 图示3 1 是采用双层屏蔽加浮地技术，即单片机控制系统的工作地不接地而 呈现悬浮状态，单片杌控制系统外围附加一个保护屏蔽壳，且与电焊机外壳隔离， 具有很高的绝缘电阻和很小的分布电容。 机壳 c 1 ：控制系统对保护屏蔽壳分布电容 c 2 ：保护屏蔽壳对机壳分布电容 图3 - i 多层屏蔽变压器的应用 f i g u r e3 - 1m u l f i l a v e rs c r e e n i n gt r a n s f o r m e r 这些屏蔽体之间的连接问题应注意以下几点： 1 保护地线的配置。变压器一次绕组的屏蔽绕组与机器外壳相连，机壳连 地，成为保护接地。 2浮地技术。单片机控制系统的工作地采用浮空，保护屏蔽罩对机壳也处 于悬浮状态。保护地线与屏蔽地线在机柜内分别设置，完全隔开。 抑制共模干扰的方法可以用切断干扰信号通道或增加通道阻抗的方法，由于 保护屏蔽罩对机壳的高度悬浮状态，直流绝缘电阻很高，共模噪声电流很难进入 电子回路，使电子回路的直流抑制比可达1 6 0 d b 以上。由于变压器一、二侧间 的分布电容较大，增加二次侧屏蔽层，切断了共模噪声信号通过较大的分布电容 直接耦合到机壳的通路，使共模干扰大大降低。变压器一次绕组的屏蔽层起到静 第3 章单片机控制系统抗干扰的设计 电屏蔽作用，抑制来自电网的高频干扰噪声。 3 2 2 过程通道干扰的抑制 信号的隔离目的之是从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，使测 控装置与现场仅保持信号联系，但不直接发生电的联系。隔离的实质是把引进的 干扰通道切断，从而达到隔离现场干扰的目的。 一般工业应用的微机测控系统既包括弱电控制部分，又包括强电控制部分。 为了使两者之间既保持控制信号联系，又要隔绝电气方面的联系，即实行弱电和 强电隔离，是保证系统工作稳定，设备与操作人员安全的重要措施 3 6 , 3 7 。 32 2 1 光电隔离 光电隔离是由光电耦合器件来完成的。光电耦合器是7 0 年代发展起来的新 型电子元件，是以光为媒介传输信号的器件。其输入端配置发光源，输出端配置 受光器，因而输入和输出在电气上是完全隔离的。开关量输入电路接入光电耦和 器之后，由于光电耦合器的隔离作用，使夹杂在输入开关量中的各种干扰脉冲都 被挡在输入回路的一侧。除此之外，还能起到很好的安全保障作用，因为在光电 耦合器的输入回路和输出回路之间有很高的耐压值，达5 0 0 v l k v ，甚至更高。 由于光电耦合器不是将输入侧和输出侧的电信号进行直接耦合，而是以光为媒介 进行间接耦合，具有较高的电气隔离祁抗干扰能力。具体原因分析如下： ( 1 ) 光电耦合器的输入阻抗很低( 一般为1 0 0 q l k q ) ，而干扰源内阻一般 都很大( 1 0 5 1 0 6 n ) 。按分压比原理，传送到光电耦合器输入端的干扰电压就变 得很小了。 ( 2 ) 由于一般干扰噪声源的内阻都很大，虽然也能供给较大的干扰电压，但 可供出的能量却很小，只能形成很微弱的电流。而光电耦合器的发光二极管只有 通过一定的电流才发光，因此，即使电压幅值很高的干扰，由于没有足够的能量， 也不能使二极管发光，显然，干扰就被抑制掉了。 ( 3 ) 光电耦合器的输a 输出间的电容很小( 一般为0 5 2 p f ) ，绝缘电阻又 非常大( 一般为1 0 1 1 1 0 ”q ) ，因而被控设备的各种干扰很难反馈到输入系统中 去。 ( 4 ) 光电耦合器的光电耦合部分是在一个密封的管壳内进行的，因而不会受 到外界光的干扰。 北京工业大学工学硕士学位论文 单片机控制的t i g 焊电源中，从外围电路向单片机最小系统输入的高频引 弧是否成功的判断信号、从单片机最小系统输出的两个后级开关控制信号、和控 制s g 3 5 2 5 芯片l o 角的控制信号，这些信号与单片机控制系统的联系是通过接 口电路来实现的。图3 - 2 所示为接口驱动电路的设计，它主要起到隔离和驱动的 作用，图中光电耦合器两侧电路的电源和相应的参考地应该是不同的。 图3 - 2 接口电路 f i g u r e3 - 2i n t e r f a c ec i r c u i t 32 22 继电器隔离 焊枪开关的控制信号、气阀的控制信号、引弧开关的控制信号等通道，要求 外围电路与单片机控制系统的通道间继电器隔离。继电器的线圈和触点之间没有 电气上的联系，因此，可利用继电器的线圈接受电气信号，利用触点发送和输出 信号，从而避免强电和弱电信号之间的直接接触，实现了抗干扰的物理隔离。 甚 图3 - 3 焊抢开关电路 f i g u r e3 - 3t o r c h s w i t c hc i r c u i t 由于焊抢开关发出的控制信号为脉冲上升或下降沿，而h s i 部件可捕捉发 生在h i s o h i s3 引脚上出现的跳变事件并存储该事件，又因为引弧时高频干扰 电压脉冲会通过焊抢开关线耦合到单片机控制中，因此采用继电器和光耦双重隔 离 1 1 , 1 2 】，在此电路中光电耦合器两端电路的电源和继电器的电源各不相同，即由 第3 章单片机控制系统抗干扰的设计 供电系统单独提供电源，相应的各自的参考地也各不相同。 3 2 2 3 滤波电路板 图3 - 4 高频滤波电路 f i g u r e3 - 4h i g hf b q u e n c ef i l t e r 滤波电路是接在焊把线与控制电路之间，其功能是滤除高频干扰，以防高频 引弧时高频信号窜入控制电路中，而使控制电路误触发使得控制失效。电路原理 如图3 - 4 ，5 c 1 、5 c 2 和5 l 1 用于抑制共模干扰，5 c 3 则用于抑制差模干扰。 3 2 24 光电编码器的整形电路 在逆变焊机中的控制电路，光电编码器用于控制面板的给定，但由于控制电 路一般处于非常恶劣的工作状态，会受到强烈的电磁干扰，所以，光电编码器的 输出会出现很多毛刺，所以在编码器的输出端增加里抗干扰电路，我用的是 m c l 4 4 9 0 。m c l 4 4 9 0 是m o t o r o l a 公司生产的用于消除信号抖动的电路，共有六 1 组输入输出，每组都有一个4 位寄存器( 积分器) 和将输入与移位寄存器的内 z 容相比较的逻辑单元。移位寄存器通过一串定时脉