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逆变弧焊电源嵌入式控制系统的建模与仿真 摘要 逆变弧焊电源在弧焊设备及弧焊机器人中的应用为焊接设备的发展带来 了革命性的变化。目前逆变弧焊电源电路中存在系统的可靠性、电磁兼容性及 结构模块化等严重不足，从而制约了弧焊电源的进一步发展。基于d s p 嵌入 式控制技术不仅是解决目前逆变弧焊电源应用中存在的上述问题的有效途径， 也是实现逆变弧焊电源数字化的有效手段。而系统的建模与仿真是实现逆变弧 焊电源嵌入式控制系统的核心技术，其对逆变弧焊电源数字化的进一步研究和 开发具有重要的意义。本课题针对目前逆变弧焊电源系统中存在的问题，将 d s p 嵌入式控制技术应用到逆变弧焊电源的控制中，围绕系统的建模与仿真， 着重研究了以下内容。 首先阐述了逆变弧焊电源的研究意义以及目前的发展现状，并指出其发展 中的不足，以此为据介绍了课题研究的目的，提出解决问题的最佳方案一一基 于d s p 的嵌入式控制技术。 引入了逆变弧焊电源的“数字化”概念，并着重阐述了解决逆变弧焊电源 “数字化”的最佳方案。分析了其核心部件( d s p 控制芯片) 从分类发展、工作 原理及特点等几个方面做了详细的介绍，并以选择的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为例，介 绍了d s p 芯片的结构及程序控制方式等；并分析了嵌入式控制系统工作原理 及结构；系统的分析了逆变弧焊电源的硬件并建立了系统的硬件结构；并对系 统的工作原理进行了进一步的研究。 在建立的硬件结构基础上，通过仿真软件m a t l a b 对整个电源系统进行建 模。分析逆变弧焊电源的主电路，该电路是由输入整流滤波电路、i g b t 全桥 式逆变开关电路、中频变压器以及输出整流滤波电路等模块组成：通过对主电 路各模块分别建模并进行特性仿真测试，再组合成整体再进行测试验证，并根 据资料对各部分元器件进行选型和参数设置；对逆变弧焊电源的控制电路部分 采用基于d s p 嵌入式控制系统，建模中，将嵌入式控制系统拆分为p i d 控制 和p w m 两部分分别进行，验证之后封装在一起，与采样滤波部分一起组成控 制电路：最后将主电路与控制电路组合成完整的电源系统电路，针对s m a w 方式，通过反复的运行测试确定各部分元器件参数。 最后以s m a w 焊接方式为例，使用改变负载的方法对建立的模型进行外 特性测试，并将测试结果与松下焊机外特性进行比较，验证系统的正确性和性 能的实用性。 关键词：逆变弧焊电源、d s p 、建模与仿真、m a t l a b 、嵌入式控制系统 m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no fe m b e d d e dc o n t r o ls y s t e mo f i n v e r t e ra r cw e l d i n gp o w e rs u p p l y a b s t r a c t a r cw e l d i n gi n v e r t e rb r o u g h tt h ed e v e l o p m e n to far e v o l u t i o n a r yc h a n g ef o r w e l d i n ge q u i p m e n t ，i nt h ea p p l i c a t i o no fw e l d i n ge q u i p m e n ta n dw e l d i n gr o b o t s c i r c u i t r i e so fa r cw e l d i n gi n v e r t e rc u r r e n t l ye x i s ti ng r o s s l yi n a d e q u a t e ，s u c ha s r e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m ：e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t ya n dm o d u l a rs t r u c t u r e ，e t c t h e r e b yc o n s t r a i n i n gt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fw e l d i n gp o w e rs o u r c e d s p b a s e d e m b e d d e dc o n t r o li n v e r t e r w e l d i n gt e c h n o l o g y i sn o to n l yt os o l v et h e a f o r e m e n t i o n e dp r o b l e m sa n dt h ea p p l i c a t i o no fe f f e c t i v es o l u t i o n sc h a n n e l s ，b u t i sa l s oa ne f f e c t i v em e a n so fd i g i t a la r cw e l d i n gi n v e r t e r a n dt h em o d e l i n ga n d s i m u l a t i o no fs y s t e mi st h ec o r et e c h n o l o g yf o rd i g i t a la r cw e l d i n gi n v e r t e r ，t h e r e i sag r e a ts i g n i f i c a n c ef o rd i g i t a lw e l d i n gi n v e r t e ro nt h e f u r t h e rr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t i nv i e wo ft h e c u r r e n ta r c w e l d i n gi n v e r t e rs y s t e mp r o b l e m s ， e m b e d d e dd s pt e c h n o l o g yw i l lb ea p p l i e dt ot h ec o n t r o lo fa r cw e l d i n gi n v e r t e r p o w e rs o u r c e ，a n df o c u s i n go nt h em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n ，t h i sp a p e rs t u d i e st h e f o l l o w i n g t h ef i r s td e s c r i b e st h es i g n i f i c a n c eo fa r cw e l d i n gi n v e r t e ra n dt h ec u r r e n t d e v e l o p m e n ts t a t u s ，a n dp o i n t e do u tt h ei n a d e q u a c i e si ni t sd e v e l o p m e n t i tw a s l e a r n e di nt h er e s e a r c hf o rt h i sp u r p o s e t h eb e s to p t i o nt os o l v ep r o b l e m s d s p - b a s e de m b e d d e dc o n t r o lt e c h n o l o g y i na r cw e l d i n gi n v e r t e r ，i n t r o d u c e dt h e ”d i g i t i z a t i o n ”c o n c e p t ，a n de l a b o r a t e d o ni t ss o l u t i o na r cw e l d i n gi n v e r t e r ”d i g i t i z a t i o n ”t h eb e s to p t i o n a n a l y s i so fi t s c o r e c o m p o n e n t s ( d s pc h i p s ) ，c l a s s i f i c a t i o n ，p r i n c i p l e a n dd o n eaf e wo t h e r c h a r a c t e r i s t i c sd e s c r i b e di nd e t a i l ，a n dt oc h o o s et h et m s 3 2 0 f 2 8 1 2e x a m p l e ，o n t h es t r u c t u r ea n dp r o c e s sc o n t r o lm e t h o d sd s p ；i ta l s oa n a l y z e st h es t r u c t u r ea n d w o r k i n gp r i n c i p l eo fe m b e d d e dc o n t r o ls y s t e m s ；a n a l y s i so ft h ea r cw e l d i n g i n v e r t e r s y s t e mh a r d w a r ea n dt h eh a r d w a r ea r c h i t e c t u r e o ft h e s y s t e m ；t h e s y s t e m sw o r k i n gp r i n c i p l eo ff u r t h e rs t u d y t h eh a r d w a r es t r u c t u r eo ft h eb u i l d i n g ，b a s e do nt h es i m u l a t i o ns o f t w a r em a t l a b m o d e l i n go ft h ee n t i r ep o w e rs y s t e m a n a l y s i so fa r cw e l d i n gi n v e r t e rm a i nc i r c u i t ， t h ei n p u tr e c t i f i e rf i l t e rc i r c u i tb yc i r c u i t ，i g b ts w i t c h i n gh - b r i d g ei n v e r t e rc i r c u i t a n do u t p u tf r e q u e n c yt r a n s f o r m e rr e c t i f i e rf i l t e rc i r c u i tm o d u l e s ；w e r et h em a i n c i r c u i tm o d u l e sf o rm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nt e s t i n ga n dc e r t i f i c a t i o nt e s t sf o ra w h o l e c o m b i n a t i o n ，a c c o r d i n g t ot h ev a r i o u s p a r t s a n d c o m p o n e n t s f o r i n f o r m a t i o no nt h es e l e c t i o na n dp a r a m e t e r s ；o fa r cw e l d i n gi n v e r t e rc o n t r o lc i r c u i t u s i n gd s p b a s e de m b e d d e dc o n t r o ls y s t e m s ，m o d e l i n g ，r e s o l u t i o no fp 1 dc o n t r o l s y s t e mf o re m b e d d e dc o n t r o la n dp w mt w op a r t s ，a f t e rt h ec e r t i f i c a t i o np a c k a g e t o g e t h e r ，a n dt h es a m p l i n gf i l t e rc o m p o s e do fs o m ec o n t r o lc i r c u i t ；f i n a l l y ，t h e m a i nc i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i tt of o r mac o m p l e t ec i r c u i to ft h e p o w e rs u p p l y s y s t e ma g a i n s ts n a w , t h r o u g hr e p e a t e dt e s t i n gt od e t e r m i n et h ep a r a m e t e r so f s o m ec o m p o n e n t s f i n a l l ys m a ww e l d i n gf o re x a m p l e ，t h em e t h o d su s e dt oc h a n g et h el o a d c h a r a c t e r i s t i c so ft h em o d e lt e s t sc a r r i e do u t m a t s u s h i t a w e l d i n ge x t e r n a l c h a r a c t e r i s t i c sa n dt e s tr e s u l t sw i l lb e c o m p a r e dt ov e r i f yt h ea c c u r a c ya n d p e r f o r m a n c eo ft h eu t i l i t ys y s t e m k e yw o r d s ：a r cw e l d i n gi n v e r t e r ，d s p , m o l d i n ga n ds i m u l a t i o n ，m a t l a b t h ee m b e d d e dc o n t r o ls y s t e m 插图清单 图1 1 弧焊电源的分类2 图2 1t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的功能结构图1 4 图2 2 逆变弧焊电源电路示意图1 6 图2 3 全桥式逆变电路1 7 图2 - 4t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的p g e 封装图1 8 图2 5t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的原理图1 9 图2 6 典型的嵌入式系统硬件组成2 0 图2 72 8 1 2 e v m i 开发板的原理图2 l 图2 8 弧焊电源闭环控制系统示意图2 4 图3 1s i m u l i n k 模块集组成2 8 图3 2 电源系统仿真模块集组成一2 9 图3 3 数字化逆变弧焊电源主电路s i m u l i n k 仿真模型3 0 图3 - 4 全桥式逆变电路子系统s i m u l i n k 仿真模型3 1 图3 5i g b t 管容阻保护电路仿真模型3 2 图3 - 6 负载仿真电路3 2 图3 7p u l s eg e n e r a t o r l 和p u l s eg e n e r a t o r 4 参数设定3 3 图3 - 8p u l s eg e n e r a t o r 2 和p u l s eg e n e r a t o r 3 参数设定3 3 图3 - 9i g b t 的电流波形3 3 图3 1 0i g b t 的电压波形3 4 图3 1 1 负载电压波形图3 4 图3 1 2 负载电流波形图3 4 图3 1 3 采样及滤波系统3 5 图3 1 4p i d 控制框图3 6 图3 15p i d 控制仿真模型一3 8 图3 1 6p i d 控制器的内部结构图3 8 图3 1 7p w m 系统仿真图3 9 图3 1 8p w ms y s t e m 的内部模型，3 9 图3 1 9n = 0 2 时p w m 的波形图3 9 图3 2 0n = 0 5 时p w m 的波形图3 9 图3 2 1n = 0 8 时p w m 的波形图4 0 图3 2 2 控制系统仿真图4 0 图3 2 3 固定反馈量，改变给定值时控制系统仿真电路运行信号图4 1 图3 2 4 固定给定值，改变反馈量时控制系统仿真电路运行信号图4 2 图3 2 5 电源整体电路m a t l a b s i m u l i n k 仿真模型图4 4 图3 2 6k l _ o 0 1 、k d = o 时反应曲线随着k p 的变化4 6 图3 2 7k p = o 5 、k d = o 时反应曲线随着k l 的变化4 6 图3 2 8k p = o 5 、k i - 0 0 1 时反应曲线随着k d 的变化4 7 图3 2 9p i d 参数设置4 7 图3 3 0p w m 发生器参数设定4 7 图3 3 1 变压器的参数设置4 8 图3 3 2i g b t 参数设置，4 8 图3 3 3 取r o 、n o 时负载信号波形图4 9 图3 3 4 取r l 、n l 时负载信号图样4 9 图3 3 5 取r 2 、n 2 时负载信号图样4 9 图3 3 6 取r 3 、n 3 时负载信号图样4 9 图4 1弧焊电源外特性测量的试验装置图5 2 图4 2 松下y d 4 0 0 a t 2 h g f 型逆变直流弧焊机强电控制板5 3 图4 3松下y d 4 0 0 a t 2 h g f 型逆变直流弧焊机弱电控制板5 4 图4 4 嵌入式控制系统板：5 4 图4 5设定值为1 2 0 a 是，松下焊机测得的外特性曲线5 5 图4 - 6 设定值为1 2 0 a 是，设计电源仿真模型测试所得外特性曲线5 5 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及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金a b 王些盍堂 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谢意。 学位论文作者签字 签字日期：0 彦谣严月，s 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒日b 王些盍堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金蟹王些盍 ! l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 籼名参峦节 签字日期a j 再f 月6 - 日 签字日期d 一声7 l 月 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 名：印扩要 签字日期：一年中月l r 日 f 电话 邮编 致谢 值此论文完成之际，衷心感谢培育我的导师胡小建副教授，向他表 示崇高的敬意和深深地谢意。作为计算机工学博士和焊接领域副教授， 他具有博大精深的知识、严谨的学风、敏锐的洞察力值得我终身学习， 并受益匪浅；他积极开拓、勇于进取的科研精神，学生在学习中一直 引以为楷模；他对学生至真至诚的关怀，亦师亦友的关心，学生将永 远铭记在心。 感谢合肥工业大学材料科学与工程学院为本人提供了良好的研究 条件，感谢徐道荣、秦琳等焊接教研组老师对我的关心、鼓励和帮助， 同时感谢实验室的同学们对我的热心帮助，一并感谢所有关心过我的 老师和同学们。 感谢摩捷克纳米科技有限公司李蕴娟在电子制表以及论文版式方 面提供的帮助；同时感谢合肥工业大学人文经济学院李蕴辉同学在电 子电路设计以及电子仪器使用方面提供的大力帮助，他们的帮助使我 尽快的完成了课题的任务。 感谢各位评审专家，感谢你们在百忙之中抽出时间对论文进行了仔 细的评阅。 在此，向所有帮助和关心过我的人们表示衷心的感谢。 最后，我从内心深处深深的感激着我的父母和家人多年来对我从未 间断的鼓励、支持和关爱，正是在他们的理解和支持下，我才能安心 的进行学业，完成课题和论文，他们也是我今后工作和生活中不可或 缺的动力源泉，再次感谢我辛勤劳作无怨付出的慈祥的父母和家人。 作者：李蕴泽 2 0 0 7 年3 月 第一章绪论 1 1引言 在机械制造工业中，使两个或两个以上零件连接在一起的方法，有螺钉连 接、铆接和焊接等。其中前两种连接都是机械连接，是可拆卸的 而焊接则是 利用两个物体原子间产生的结合力用来实现连接的，连接后不能被拆卸。 焊接作为一种基本加工方法应用很广，它是制造业中最重要的工业技术之 一。目前。工业发达国家的钢产量有5 0 左右是以焊接结构形式应用于生产。 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寸精确的制成品的生产手段；传统的焊接方 法已越来越不能满足现代高技术产品制造的质量、数量要求。因此，保证焊接 产品质量的稳定性、提高生产率和改善劳动条件已成为现代焊接制造工艺发展 亟待解决的问题j 。 作为一种气体导电的物理现象，电弧是在1 9 世纪初被发现的，直到1 8 8 5 年俄 国人别那尔道斯发明碳极电弧可以看作是电弧作为热源应用的创始，而电弧真 正运用于工业是在1 8 9 2 年发现金属极电弧之后。随着电弧焊接被产业界广泛采 用，各种焊接设备也逐渐发展起来。最初的焊接设备是由弧焊变压器发展而来 的，从2 0 世纪4 0 年代初开始，焊接科学技术的发展迈入了一个新时期，首先， 研究成功了埋弧焊；航空、原子能等技术的发展，出现了亚弧焊，这一时期相 应发展的焊接设备是弧焊整流器；随后随着c 0 2 焊等各静气保焊新工艺的发展， 出现了硅弧焊整流器、晶闸管式弧焊整流器等。到了2 0 世纪7 0 8 0 年代，弧 焊设备的发展有了新的飞跃，多种形式的弧焊整流器相继出现和完善，同时研 制成功多种形式的脉冲弧焊电源，这些焊接设备的出现为进一步提高焊接质量 和适应全位置焊接自动化的发展提供了便利口l 。 近些年来，随着国民经济各工业部门的发展，新型弧焊设备相继出现，尤 以逆变弧焊电源的研制成功，并逐步发展完善对焊接设备的进步起到了重要的 作用。目前，逆变弧焊电源被称做“明天的电源”而备受研究者和产业界的关 注。 当前，最前端的研究是关于逆变弧焊电源数字化的，而要将模拟式电源转 变为数字化电源最主要和最困难的部分就在于电源控制系统的数字化，在本课 题中，采用嵌入式控制系统很好的解决了这一难题。 现在，各种弧焊电源因其不同的适用范围共存，图1 1 为据黄石生和郑宜 庭合编的弧焊电源( 第3 版) 所做的分类。 誊茔墨鍪黼茬 厂l 广上 厂t 4 _ 可 黔瘊秘纛式j ；| 耋 f 零。犍袭 图l - l 弧焊电源的分类 1 2 弧焊电源的研究意义 1 2 1 逆变弧焊电源的发展意义 作为现代工业重要的工艺装备，目前，焊接设备已经不是传统意义上的纯 电工产品了，它集冶金、机械、电工、电子及计算机技术于体。焊接设备及 焊接技术在国民经济建设中发挥着越来越重要的作用。目前国际上在生产中已 经采用的成熟焊接方法与装备，在我国也都有所应用。许多企业已经在采用诸如 电子束焊接、激光焊接、激光钎焊和激光切割等先进工艺，尤其是目前在国际 上比较流行的复合焊接和搅拌摩擦焊接技术，也都逐步应用到生产中去，并有所 创新。有资料表明，“九五”以来，我国在自行研制和对外引进先进焊接设备的 技术和材料上都取得了较为重大的业绩和成果。今后一段时间的主要发展目标 可概括为发展高效、自动化、智能型、环保型的焊接，并适应2 l 世纪新型工程 材料发展趋势的焊接工艺、设备和耗材。 但是，为了达到这一目标，仍有许多问题需要解决。其中最主要的就是我 国在创新性研究方面与发达国家相比相差很远，而较多的是跟踪性研究。而焊 接产业如果要实现可持续发展，势必需要大力加强有关工艺理论和技术的研究， 尤其是创新性研究，发展具有自主知识产权的产品，提高企业的核心竞争力。 弧焊电源是电弧焊机中的主要部分，是对焊接电弧提供电能的一种装置， 具备电弧焊接所要求的主要电气性能，其性能好坏直接决定着焊接的工艺效果， 所以要发展焊接设备的先进技术，势必需要对弧焊电源得基本理论、结构特点 2 缘双品管 绝栅极体式t场效应管武 源晶体管武厂晶闸管式 和电气性能等进行深入的研究，才能真正了解和正确使用弧焊电源，进而创造 出新型的弧焊电源，从而改进整个焊接技术。据“电焊机行业“十一五”规划” 对焊接设备行业现状及发展趋势的分析，逆变式弧焊电源由于具有焊接性能好、 动态反应速度快、动特性好、体积小、重量轻、效率高、焊接速度高、多功能、 有利于实现焊接机城化和自动化等优点，已成为弧焊电源的发展方向。2 0 0 0 年， 国家将i g b t 逆变电源列入高科技产品目录，这是焊接设备行业唯一被列入的 产品。今后5 年，逆变焊机产量每年仍将以近3 0 的速度增长。 1 2 2 嵌入式系统的发展 嵌入式系统是随着计算机技术、微处理器技术、电子技术、通信技术、集 成电路技术的发展而发展起来的。 嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪， 适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机 系统；简单的说，嵌入式系统就是嵌入到目标体系中的专用计算机系统t 3 。它 的核心是嵌入式处理器，通常的嵌入式处理器有三种：微处理器( c p u ) 、微控 制器( m c u ) 和信号处理器( d s p ) 。因为本设计引用的是以d s p 为核心的嵌 入式控制系统，所以这里只对d s p 进行介绍。 自然界中的模拟信号可以通过采样成为一组用数字表示的序列，即数字信 号。数字信号处理就是对这样的数字信号进行分析、处理，它侧重于理论分析、 算法确定及软件实现h l 。要实现这些算法，特别是要实时地完成某种算法，就 需要有特殊的硬件支持，而这种硬件支持的最佳方案之一就是数字信号处理器 ( d s p ) 。d s p 芯片实际上就是一种单片机，是集成高速乘法器具，具有多组内 部总线，能够进行快速乘法和加法运算，适用于高速数字信号处理的高速、高 位单片计算机，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、性价比高等优点p j 。 对于弧焊电源，因为焊接是一个牵涉到电弧物理、传热、冶金和力学的复 杂过程，焊接过程中电弧负载的变化非常频繁且复杂，而要得到一个高质量的 焊接结构则必须要控制这些因素，因此对控制系统的多任务实时处理的要求也 就非常的高，基于d s p 的嵌入式控制系统的发展则为提高弧焊电源的工艺性能 提供了最好的解决方案之一。 1 2 3 系统仿真技术的优势 系统仿真是根据被研究的真实系统的数学模型研究系统性能的一门学科。 现在尤指利用计算机去研究数学模型行为的方法。计算机仿真的基本内容包括 系统、模型、算法、计算机程序设计与仿真结果显示、分析与验证等环节p j 。 随着现代科学技术的发展，系统仿真技术的地位显得越来越重要。在工程 学的一些领域几已被视为与实验同等重要，主要原因有以下几个方面1 7 j ： 1 ) 由于系统越来越高性能化或复杂化，单纯的实验要么无法重现状况要么 耗费巨大，而通过仿真则既可满足重现实验场景要求，又可节省时间、费用； 2 ) 仿真技术可以通过极多的次数实验重复进行来确定系统的参数，这在实 验过程中几乎是很难实现的； 3 ) 因为可以通过建立元器件的模型来代替元器件进行仿真实验，不存在元 器件损坏的情况，因此可以试验各种设计思路，两使系统的结构更为优化： 4 ) 计算机和各种仿真软件的性能已经大大的提高和普及，也给系统的仿真 带来了方便。 总而言之，系统仿真是提供了一个在不接触实际元器件及其工作环境的情 况下，遥过仿真技术和元器件进行交互作用的虚拟环境。 本设计中使用的m a t l a b 仿真软件具有强大的数值计算和图形功能，特别 适用于数字信号处理算法的分析和模拟，而与之配套的s i m u l i n k 仿真环境又为 系统仿真技术提供了新的解决方案。 因此，在2 1 世纪头十年，将是我国焊接设备行业飞速发展的有利时机，对 逆变弧焊电源的研究是站在先进技术发展的最前端，与国民经济的各个部门都 有着直接的联系，对我国整个工业发展和国民建设都有着举足轻重的意义。 1 3 逆变弧焊电源的发展现状与分析 逆变电源被称为“明天的电源”，其在焊接设备中的应用为焊接设备的发展 带来了革命性的变化。首先，逆变式弧焊电源与工频弧焊电源比节能2 0 3 0 ，效率可达8 0 9 0 ；其次，逆变式弧焊电源体积小、重量轻，整机重 量仅为传统工频整流弧焊电源的l 5 1 1 0 ，减少材料消耗8 0 9 0 。特别是 逆变式弧焊电源有着动态反应速度快的优势，其动态反应速度比传统工频整流 弧焊电源提高了2 3 个数量级，有利于实现焊接过程的自动化和智能控制瞵j 。 这些都预示着逆变弧焊电源有着广泛的应用前景和市场潜力。其中数字化焊接 技术是指用计算机技术来控制焊接设备的运行校态，主要是利用数字信号处理 和微机控制所具有的三个基本功能，即数值计算、数值分析和实时监控，来处 理焊接过程中的熔滴过渡、弧计算数值分析和实时控制的问题，把软硬件融合 在焊接工艺中，提高焊接过程的稳定性、精确度、生产效率并减少飞溅，以获得 质量合格的优异焊缝。 数字化焊接技术的核心就是弧焊电源的数字化。指弧焊电源的主电路由模 拟式转换为开关式，同时主要控制电路由传统的模拟技术直接被数字技术所替 代，在控制电路中的控制信号也随之由模拟信号过渡到由0 l 编码组成的数字 信号【9 1 。 数字化焊机因原理的先进性，拥有模拟式焊机无可企及的优势。一是控制 系统拥有更加优异的灵活性，包括两个方面：一是在数字化控制系统中，系统 的配置和增益是由各种程序来控制的，这就意味着在同一套的硬件电路中。只 要改变相关的软件，就能对不同的焊接工艺方法和不同的焊丝材料、直径选用 4 相应的控制策略、控制参数，进行不同的焊接工艺控制，实现多功能的集成， 从而达到一机多用。其次，在焊接过程中，输出电流的外特性对最终焊接效果 的影响很大。例如在c 0 2 气保焊中，短路时电流的波形对焊缝的质量具有决定 性意义，而不同的焊丝直径和焊接工艺区间，对最佳电流波形的要求往往是不 同的。使用数字化控制，电源输出能量的控制由电流、电压、时间通过协同方 式来完成，其具体表现为输出波形的数字化，这就使得可以根据各区间不同的 焊接条件相应来设置控制参数，进行实时控制，从而获得理想的焊缝，使整个 区间的焊接工艺效果较使用模糊控制得到大幅提高i l 。 数字化焊机的另一优势是拥有更高的稳定性和更加优良的接口兼容性。 在数字化控制中，所有的信号都是由0 1 编码组成的数字信号，同时信号的 处理或控制算法的实施是通过软件的加减、乘除运算来完成的，这就使得焊机 的稳定性得到了保证，故而其产品的一致性也就得到了加强。 另外由于数字化焊机采用了单片机、d s p ( 数字信号处理器) 等数字芯片，因 此数字化焊机与其它设备问就可以非常方便地实现大量的信息交换；甚至可以 利用数字化弧焊电源的数字化接口，实现弧焊电源系统与互联网的通信，这样 一方面可以在网上控制和监控焊接过程，保证焊接质量；另一方面焊机可以通 过计算机从网上下载软件到弧焊电源系统中，便于焊机升级和功能的改进。 弧焊电源向数字化方向发展，其是指以d s p 为控制核心的弧焊开关电源， 主要包含两个方面的关键技术。一是主电路的数字化，另一个就是电路的多特 性控制技术，亦即是控制电路的数字化。 逆变弧焊电源的主电路是一种功率转换电路，主要有推挽、全桥、半桥和 单端反激正激几种形式，其功能是从电网吸取电能，经主电路整流滤波、逆变、 降压隔离等处理后，转换成可供焊机使用的焊接电源。 主电路的数字化，即是使主电路中功率开关器件( t g b t ) 工作在0 1 开关 状态，其关键在于变压器的设计，它必须满足电流、电压的匹配要求，同时还 要对送电回路和焊接回路起到电气隔离的作用。 因此数字焊机主要采用开关式焊机，其电源的功率开关器件以中频或高频 工作在开关态，通过调节开通时间与工作周期的比值，即占空比来达到控制输 出功率的目的。与模拟式焊机相比，弧焊电源主电路的数字化使得弧焊电源在 两个方面的性能上获得极大的提高，一是弧焊电源的功率损耗大大地减少，使得 弧焊电源的效率达到9 0 以上；二是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，因此焊机获得了更好的动态响应特性，在焊接工艺过程中 可以更快的调节电弧电流或电压，满足焊接工艺的要求。 在弧焊电源中，控制部分对整机性能的优劣和可靠性的影响极大，而传统 的普通集成电路和以分立元件为主的模拟硬件控制越来越难以适应复杂焊接工 艺控制的要求；另一方面，采用软硬件相结合的控制方法，可以通过改变软件 编程获得不同的电弧外特性，使同一弧焊电源具有多种功能，实现一机多用， 同时也可以解决许多焊接工艺方面的难题，因此使用微机数字控制的数字化控 制电路便应运而生。 控制电路的数字化主要采用数字信号处理技术，由模拟信号的滤波、模， 数转化、数字化处理、数模转化、平滑滤波等环节组成，最终输出模拟控制量 从而完成对模拟信号的数字化处理【“j 。 在数字化的控制电路中，以d s p 作为控制核心，首先由d s p 对反馈信号( 电 压、电流) 进行a d 转换，然后根据所制定的控制算法对给定值和转换结果进 行计算，得到p w m 信号的占空比，然后通过适当的设置片内外设的寄存器产 生相应的p w m 波形，控制逆变器，最后可获得所需的弧焊电源的外特性、动 特性以及调节特性等。又因电源的外特性的控制是由软件编程实现的，故可实 现焊机的柔性化控制，在一套硬件电路中集成多种控制软件。达到一机多用。 同时，因为其采用数字信号传递控制信息的，具有很强的抗干扰性能，另外其 控制的精度仅仅与模一数转化的量化误差及系统有限字长有关，因此其无论抗 干扰性还是控制精度，均高于模拟电路。 在弧焊电源的控制中，智能化控制的研究是另一大热点。 智能控制就是将人工智能技术引入弧焊电源控制系统，对难于具体表达和 准确处理的某些复杂焊接对象的不确定信息，利用积累的经验知识、技巧和直 觉，采用仿人的功能对焊接过程进行有效地控制。智能控制的基本特点是不依 赖或不完全依赖被控对象的数学模型，而主要利用人的操作经验、知识、和推 理技术以及控制系统的某些信息( 如控制输出、误差及其延迟等) 和性能得出 相应的控制动作【1 2 】。由于这一特点，智能控制在不确定性、非线性过程控制中 比现代控制理论中系统辨识方法的自适应控制具有更好的鲁棒性。 目前有关智能控制焊接设备及工艺的文献报道很多，从中可以发现，以对 模糊控制和神经元网络控制的研究最多，亦最具有实用价值。显然，他们是焊 接技术发展的重要方向。 1 ) 模糊控制的实质是把技术人员头脑中的丰富经验加以总结，即把经验 所采取的相应措施总结成一系列语言控制规则，并进而把这些规则编写成计算 机的控制程序，构成计算机控制系统，从而达到用计算机构成模糊控制器，去 对那些复杂的、无法建立数学模型的系统进行控制i l ”。 2 ) 神经网络( a n n ) 控制是模仿人类的感受器官和脑细胞的工作原理而 运行的，它可以接受大量信息，并且对它们平行进行处理，结果也是平行输出 的一批信息。在焊接质量控制中采用a n n 建立焊接过程模型可以解决线性控 制方法所不能克服的问题。建立的模型不同于以往的固定结构的数学模型，其 可在未知对象特性的情况下，建立过程的黑箱模型和控制器模型，在建模过程 中不作任何假设，因此所建模型能较真实的反应系统特性i l 。 6 因为对于这些先进技术的研究，都是建立在对于其各自的仿真模拟上的， 而最基础的模拟就是针对电源系统的，所以本课题选择了对于逆变弧焊电源嵌 入式控制系统的建模与仿真进行研究，期望可以为后续更先进的研究打好基础。 目前数字化弧焊电源的领导力量在欧洲以及日本等国家，国内虽然也有多 家高校、研究院和生产厂家开始研究相关数字化弧焊电源的项目，但总体来说， 国内研究仅只是刚刚起步，整体水平与国际同类项目仍有很大的差距，但尽管 如此，发展速度却不可小觑，在一些方面已基本与国际同步，如数字电路的硬 件设计等；甚至在某些方面达到或超过了国际水平。 对数字化弧焊电源的研究和开发是具有重大意义的。从技术工艺效果来看， 数字化焊机可灵活调整控制策略，具有很高的控制精度并拥有稳定的控制参数， 因此其具有更好的工艺稳定性和工艺效果。另从市场角度看，无论是焊机本身 的优势还是制造焊机的数字器件的易取性来说，其均具有很强的市场竞争力， 因此可以预见，其未来的市场潜力无疑是巨大的。 因此。我们应该立足现有优势，同时借助国际成功研究经验，将研究与工 业化应用紧密联系起来，这样才能真正发挥数字化电源的优势，我国的焊接控 制工艺水平才能得到快速的提高，早日使我国由焊接制造大国进入焊接制造强 国行列。 1 4 本课题的研究目标和主要研究工作 1 4 1 研究的目标 本课题的研究目标主要包括以下两个方面： 1 ) 通过对电路豹研究以及对主电路和控制电路的集成设计和仿真的研究， 使产品达到集成化，模块化； 2 ) 通过对控制系统的研究设定，进行嵌入式控制系统的设计，使其具有一 定的通用性。 1 4 2 研究的内容 本课题的研究内容主要包括以下四个方面的的内容： 1 ) 通过对逆变弧焊电源组成的分析，掌握各部分组成的工作原理，分析各 部分在电源中的功能应用； 2 ) 建立逆变弧焊电源的主电路和控制电路仿真模型，并进行特性仿真测试， 完成电源所有电路部分的仿真模型建设： 3 ) 建立仿真整体电路，确定各部分元器件的参数设置，并进行特性仿真测 试，完成整体电路的建设； 4 ) 对仿真电路进行硬件电路的实验验证比较。 1 4 3 研究的思路 1 ) 分析逆变弧焊电源的工作原理，掌握各部分组成结构，同时查阅资料， 确定电源的组成； 7 2 ) 使用m a t l a b 软件建立电源的仿真模型； 3 ) 根据外特性控制原理，确定元器件的参数，并验证： 4 ) 通过硬件电路的实验，验证课题设计的结果。 1 。4 。4 研究的重点、难点和解决办法 1 ) 嵌入式控制系统采用t i 公司2 8 1 2 d s p 控制逆变弧焊电源外特性控制系 统； 2 ) 逆变弧焊电源的主电路及嵌入式控制系统的仿真模型：采用 m a t l a b s i m u l i n k 工具和建立该系统的仿真模型，并对其进行特性仿真。 1 5 论文的结构 论文共包括五个章节，每个章节的研究内容概述如下； 第一章：介绍了逆变弧焊电源的研究意义，同时分析了国内外有关逆变弧 焊电源的发展现状及前景，最后提出了本课题的研究内容、目的、解决的关键 问题等。 第二章：系统的研究逆变弧焊电源的电路结构以及工作原理。对主电路和 控制电路的工作原理以及内部结构进行具体分析，在此基础上，结合课题所需 达到的目标，确定相应的主电路以及控制电路。 第三章：以第二章所得电路图为基础，使用m a t l a b s i m u l i n k 和 m a t l a b s i m p o w e r s y s t e m s 模块对电路进行仿真，验证电路设计的正确性；同 时，验证设计的控制参数。寻求合适的控制方法。 第四章：在前面工作的的基础上，通过实验验证仿真模拟的正确性；并根 据实验中所出现的各种状况对开始的设计进行相应的修改，最终获得课题开始 时所需达到的效果。 第五章：结论。 第二章基于d s p 的逆变