（机械电子工程专业论文）电容储能式螺柱焊机的研制.pdf

摘要 摘要 众所周知，电弧螺柱焊作为焊接学科的一个分支是各国工业领域广泛应用的 加工和装配方法，对于板材的螺柱焊接相当方便实用，而电容储能式螺柱焊在薄 板焊接方面更是得到突出应用。 电容放电螺柱焊是螺柱焊接中的一个大类，其特点是焊接过程短( ，j 、于5m s ) ， 热影响区小，生产率高，焊缝质量好，适用于直径小于等于1 0m m 的碳钢、不锈 钢、铝、铜等材料的螺柱焊接。这种焊接方法依靠储能电容器提供能量，通过焊 枪操作，将特殊设计的螺钉在极短的时间内焊接在板材上。 随着数字技术和现代通信技术的迅速发展，为数字化技术在焊接领域的逐步 渗透和提高焊接设备的技术含量提供了广泛的应用前景。而数字化的实现更使得 弧焊电源的控制精度得到显著的提高。采用c 1 6 7 作为核一i i , 控制芯片，该芯片具 有较强的事件管理和数据处理能力，同时片上还集成了丰富的外设资源，能够提 高系统的集成度、抗干扰性能，并且降低成本。 逆变技术的应用使得电容储能焊接电源能更趋向于小型化和便携式。逆变电 源采用d 、m o s 管或i g b t 等开关元件能达到较高的逆变频率，并且功率因数可达 9 5 以上，节能和节材。 经实验结果证明，该焊机输出特性满足技术指标的要求，操作方便，焊接过 程中不出现误动作，焊接成功率较高，焊接性能稳定。 关键词螺柱焊；逆变：电容储能；c 1 6 7 单片机 a b s t r a c t a b s t r a c t a si sk n o w nt oa l l ，t h es t u dw e l d i n gi sf r e e i ti sv e r yg o o du s e dt os t u dw e l d i n go nb o a r d t h e c a p a c i t o rd i s c h a r g es t u dw e l d e ri sg o o du s e d t os h e e tm e t a lw e l d i n g t h ec a p a c i t o rd i s c h a r g es t u dw e l d e ri sab i gk i n do f s t u dw e l d e r t h ep o i n t sa r ew h i c ha s es h o r t t i m e ( 1 e s st h a n5 m s ) ，l e s sh e a te f f e c t , h i 【g hp r o d u c t i v i t ya n dg o o dw e l d i n gq u a l i t y i ti su s e dt o m a n yk i n d so f s t u dw h i c h sd i a m e t e ri sl e s st h a n1 0 m m i td e p e n d so nc a p a c i t o rt oo f f e re n e r g yf o r w e l d i n g u s i n gw e l d e rg u nc a nw e l d i n gs t u do nb o a r di nv e r ys h o r tt i m e w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f t h ed i g i t a la n dm o d e mc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , i t sp r o v i d ea g r e a ts p a c ef o rd i g i t a lt e c h n o l o g yu s e di nt h ef i e l do fw e l d i n ga n di m p r o v i n gt h et e c h n o l o g y c o n t e n to fw e l d i n ge q u i p m e n t t h ee q u i p m e n ta d o p t sc 1 6 7a sm a i nc o n t r o lp r o c e s s o r i th a sa b e t t e rc a p a b i l i v yo fe va n dd a t ap r o c e s s i n g , a n da b u n d a n tp e r i p h e r a la r ei n t e g r a t e di ni t s ot h e s y s t e mw h i c hc o n t r o l l e dw i t hc 1 6 7c a ne r l h a n c et h ei n t e g r a t i o n , t h ea b i l i t yo fa n t i - i n t e r f e r e n c e a n dr e d u c et h ec o s t i tm a k e st h ec a p a c i t o rd i s c h a r g es t u dw e l d e rm o r es m a l lt h a ta p p l i c a t i o no fi n v e r tt e c h n o l o g y i t c a nb eh i g hi n v e r tf r e q u e n c yu s e dm o s f e to ri g b t i tc a na c h i e v eh i g hp o w e rf a c t o r 印t oo 9 5 s a v ee n e r g ya n dm a t e r i a l p r o v e db ye x p e r i e n c e ，t h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i co f t h i sw e l d i n gc a nb es u i t a b l et ot e c h - g u i d e l i n e ， a n de a s yt oo p e r a t i o n t h es u c c e s sr a t i oo f w e l d i n gi sa l s og o o de n o u g h k e y w o r ds t u dw e l d i n g ；i n v e r t ；c a p a c i t o rd i s c h a r g e ；c 1 6 7i n c a i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。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：敌特彳龟 日期：竺 ：三：望 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：鼹煎! 垒导师签名：日期：泗1 f ，q 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 将金属螺柱或类似的其他金属紧固件( 栓、钉等) 焊接到工件( 一般为板件) 上去的方法叫做螺柱焊。通过螺柱焊接的方法，我们可以将柱状金属在l m s 一3 s 的短时间内焊接到金属母材的表面，焊缝为全断面熔合。 对螺柱类紧固件的焊接方法主要有电弧螺柱焊、电阻焊( 凸焊) 、钎焊、爆炸 螺柱焊( e x p l o s i v e s t u dw e l d i n g ) 和摩擦螺柱焊( f r i c t i o ns t u dw e l d i n g ) “。 电弧螺柱焊机由于其工艺简单、控制方便、通用性好、设备要求不高等诸多优点 而在普通螺柱焊接中得到最广泛的应用。 由文献 1 1 3 可知，电弧螺柱焊是一种电弧焊接方法。焊接过程中，螺柱 ( 或类似的紧固件) 和焊件的接触表面被在它们之间引燃的电弧加热和熔化，然后 快速挤压在一起形成焊缝。其中引弧、电弧燃烧时间和挤压过程是自动控制的。 实现电弧螺柱焊接，必须具备的设备有焊接电源、焊接时间控制器以及螺柱焊枪。 螺柱焊技术由于焊接时间短，焊接强度高，焊接能量集中，操作方便，焊接 效率高，对母材热损伤小等特点，被广泛地应用在汽车制造、钢结构建筑、锅炉 制造、造船工业、金属容器制造、电气设备制造、装饰行业、钣金加工中。 螺柱焊接技术发展到今天，已经成为西方发达国家的一种基本的热加工方 法螺柱( 焊钉) 的焊接大约有8 0 以上是通过螺柱焊机完成的。日本圆柱头焊 钉( 栓钉) 的年焊接量为6 0 0 0 万个。异型棒状焊钉年焊接量为3 0 0 万个。可见螺柱 焊接在日本钢结构建筑中的应用规模。而我国1 9 8 6 年才试制成功第一台螺柱焊 机。至于螺柱焊接技术的广泛应用还是从2 0 世纪的9 0 年代才逐步展开的，到现 在也只有2 0 来年的历史据统计，我国钢结构建筑焊钉年需求量为4 0 0 5 0 0 万个。 因此螺柱焊在我国还是一种刚刚兴起的行业，不论焊接设备，还是焊接工艺都与 国外有不少差距。“。 1 2 电弧螺柱焊的分类 根据焊接电源能量来源的不同将电弧螺柱焊分为两种基本方法，即普通 电弧螺柱焊和电容储能电弧螺柱焊。这两种方法都是利用直流焊接电源来产生电 弧。对于普通电弧螺柱焊，焊接电源是利用晶闸管等整流器件直接对电网电压 整流，获得所需的焊接能量。电容储能电弧螺柱焊的电源是低压蓄电装置，而 电弧是由电容储存的电能快速放电产生的“1 。见图卜1 。 北京工业大学工学硕士学位论文 图1 - 1 电弧螺柱焊的分类 f i g u r e1 - 1s o r t so f a r cs t u dw e l d i n g 由文献 1 5 2 1 可知，普通电弧螺柱焊由于具有焊接熔深大、接头强度高， 对待焊工件的表面要求低等特点，主要应用于建筑、桥梁、造船及一般的重型 机器制造业。焊接材料通常为碳钢和不锈钢等黑色金属，螺柱的尺寸通常在直径 1 0m m 以上， 而且螺柱与工件的径厚比不能太大。普通电弧螺柱焊的焊接时间一 般在0 2 2s ，焊接时间相对比较长，熔化金属量较多，一般熔深可以达到母 材金属厚度的1 4 。对于薄板的螺柱焊接，普通电弧螺柱焊显然存在烧损严重和 热变形的问题。 为了解决薄板的螺柱焊接问题，电容储能电弧螺柱焊应运而生。这种方法 类似于储能焊，焊接过程的特点是时间短( 约1 0 1 0m s ) ，因而电流极大。短暂 的加热时间使母材上的焊接熔池较浅，因而适合薄板母材的焊接，可以焊接0 2 5 m m 厚的母材而不致烧穿。相对普通电弧螺柱焊中螺柱与母材的径厚比不超过3 ：l ， 电容储能电弧螺柱焊可以成功焊接径厚比为8 ：1 的螺柱。而且由于可以采用小体 积、高性能的电子元器件，更便于电路的集成化，似的电容出能电弧螺柱焊机可 以做到轻便、小巧，更方便使用。其中尖端放电式的方法更接近于一般的储能式 焊接工艺，时间更短( 小于3 m s ) ，适用范围包括矽3 1 0 r a m 的黑色金属和多种有 色金属，是本文重点讨论的对象。它又分为预接触式和预留间隙式两种方法，具 体区别如图1 - 2 ： 第1 章绪论 a b 图1 - 2a ) 预接触式焊接过程b ) 预留间隙式焊接过程 f i g u r e1 - 2a ) p r o c e s so f c o n t a c ts t u dw e l d i n gb ) p r o c e s so f c l e a r a n c es t u dw e l d m g 1 3 电容储能式螺柱焊机的发展现状及趋势 由文献 2 2 4 5 可知，当前电容储能式螺柱焊机的应用十分广泛，市场竞争 也相当的激烈，形成一个国外与国内、高端与低端并存的局面。国外以o b o 、 t a y l o r 等知名品牌为代表的各系列，国内则在近几年出现大批电容储能式螺柱 焊机的制造厂商，其中以成都斯达特的r s r 系列较早，品种也比较齐全。 从电源电路上看，电容储能式螺柱焊机的发展趋势是从传统的电源电路到当 前最流行的逆变式电源电路。见图1 3 ： 图1 - 3 传统式电容储能螺柱焊机电源原理框图 f i g u r e1 - 3d i a g r a mo f t r a d i t i o n a lc a p a c i t o rd i s c h a r g es t u dw e l d e r sp o w e rs u p p l y 主电路变压器t 1 起隔离和变换电压的作用。随着储能电容器制作水平和材料 质量的提高，其容量体积比增大，隔离变压器t l 在焊接电源中占的体积、质量增 加，所以采用此种设计的焊机般体积较大，成本偏高。 北京工业大学工学硕士学位论文 图1 4 逆变式电容储能螺柱焊机电源原理框图 f i g u r e1 - 4d i a g r a mo f i n v e r tc a p a c i t o rd i s c h a r g es t u dw e l d e r sp o w e rs u p p l y 逆变式电容储能螺柱焊机采用逆变技术，图1 _ 4 便是其中一种应用框图，采 用3 8 4 5 集成电路等控制芯片来控制逆变过程，其控制电路如图1 5 。 图1 - 5 逆变控制电路原理图 f i g u r e1 - 5t h es c h e m a t i co fi n v e r tc o n t r o l 引入逆变技术研制新型逆变电容放电螺柱焊机可有效降低焊接电源重量，缩 小体积，减少制作成本。 从控制方面来看，电容储能式螺柱焊机的控制方向应是从分立元件的控制上 升到微机控制。早期和低端的电容储能式螺柱焊机大量采用模拟技术，对电容的 充放电量和焊接过程很难做到精确控制，且随着元器件的老化，控制的精度更难 以保证。 以一款较老电容储能式焊机r s r - 1 2 5 0 为例，见图卜6 ： 第1 章绪论 图1 - 6r s r - 1 2 5 0 电气原理图 f i g u r e1 - 6t h ee l e c t r i cc i r c u i to f r s r - 1 2 5 0 它采用单结晶管b j 3 3 e 组成弛张振荡器，产生脉冲触发充电晶闸管v t 4 、v t 5 。 另一点同样是用1 只三极管v 7 的饱和导通来关断弛张振荡。它采用“开关型”充 电，利用变压器漏抗来限制充电电流2 “。 目前大部分产品都已采用微机控制技术，采用各系列微控制器可以对电容的 充放电电量和焊接过程做到数字化的精确控制。以一款p i c l 6 f 7 4 为主控芯片的焊 机控制电源为例o ”： 幽 亨 l 龇 l 电压愚流， 船 一勰龋 i 粼 婚 l s l c l 6 t 7 t 4 幢删。 l 手下蜉广1 能量最 阿换ii 示忸换 图l 一7p i c l 6 f 7 4 控制硬件电路框图 f i g u r e1 - 7d i a g r a mo f c o n t r o lh a r d w a r ec i r c u i t 北京工业大学工学硕士学位论文 如图1 7 ，用运算放大器对采样信号进行放大，用模拟信号隔离进行l ：1 的放 大隔离，再送入单片机自带a d 转换口进行a d 转换。用单片机i o 口输出控制信 号和驱动数码显示器。 由以上的分析可见，现今电容储能式螺柱焊机的发展方向是微机控制逆交式 螺柱焊机。 1 4 本文的研究内容 主要研究电容储能式螺柱焊机的电源设计及应对不同材料和尺寸螺柱焊接 的工艺参数的设定。力求在研究现有的各种电容储能式螺柱焊机的基础上，研制 一台单片机控制的逆变式电容储能螺柱焊机以减小焊机体积、降低成本、使之操 作更简单并提高其功率因数。本课题的主要工作有： 1 ) 设计电容储能式螺柱焊机的电源主电路； 2 ) 设计c 1 6 7 的外围电路及控制电路； 3 ) 设计显示面板模式及其电路； 4 ) 为单片机设计、编写控制软件来控制整个充放电和焊接过程； 5 ) 为面板编写显示程序； 国调试焊机，并测试不同参数对螺柱焊接质量的影响以设计合理的焊接参 数。 第2 章硬件设计系统 第2 章硬件系统设计 2 1 电容储能式螺柱焊机硬件系统的总体设计 电容储能式螺柱焊机的总体硬件设计框图如图2 1 ： 1 1 舢2 2 0 v 交流 电容妻磬科4 储艟电容 电路 “o 。 侠电线路 事簪剜依号 反馈，采杼信号 图2 - 1 总体硬件设计框图 f i g u r e2 - 1d i a g r a mo f h a r d w a r ei n t e g e rd e s i g n 如图所示，控制电路控制主电路给储能电容充电、放电，达到面板上用户设 定的电压值，通过焊枪上的枪键开通主工作电路上的大功率可控硅，使储能电容 电量在极短的时间内释放完全，以融化工件和螺钉，完成焊接。 1 ) 主电路板采用两相1 1 0 2 4 0 v 输入，整流、滤波后分成两路，一路经过单 北京工业大学工学硕士学位论文 端反激逆变电路输出主工作电路给电容充电用，另一路经过另一个单端反激电路 输出4 路恒压，分别给各控制电路和信号电路供电。由l 4 9 8 1 b 控制主工作电路的 m o s 管开通关断，以提高功率因数。而供电电路由t d a 4 6 0 5 控制供电电路m o s 管的 开通关断，通过副边反馈信号自动调节达到恒压效果。而给电容减压放电电路则 是用t c 4 4 2 7 控制并行的4 个小i g b t ，通过与i g b t 串联的耗能电阻进行放电。 2 ) 控制电路板单片机c 1 6 7 通过i o ( i n p u t o u t p u t ) 口接收反馈信号，检测 各种状态，并发送控制信号。通过c t 6 7 自带的a d 转换器对电容电压进行采样， 并根据用户设定值与电容电压值的比较控制电容的充、放电。单片机外扩t 2 5 6 k b 的f l a s h 和2 5 6 k b 的r a m ，通过m a x 2 3 2 用串口与计算机相连，加载应用程序。使用 了逻辑器件g a l 2 0 v 8 对单片机的输出控制信号进行逻辑保护。使用高速e 2 p r o m 9 3 c 4 6 保存焊机工作中的实用数据。 主要功能有：1 ) 充电时通过i o 口驱动l 4 9 8 1 b 工作，从而驱动m o s 管的通断， 由单端反激逆变电路给电容充电，并通i ：t a d 转换器实时监控电容电压值。2 ) 放 电时通过i o 口驱动t c 4 4 2 7 工作，从而驱动放电d 、i g b t 导通，并通i 立a d 转换器实 时监控电容电压值。3 ) 工作状态检验枪键信号，通过i o 口发送控制信号从而驱动 可控硅开通，使电容电量通过可控硅瞬时释放，完成焊接。4 ) 接收面板信号，从 而根据用户设定值调整电容电压，并用i o 口通过7 4 h c l 3 8 驱动面板数码管，以显 示相关值。5 ) 通过连接在各散热片上的温度开关给单片机反馈信号，检验m o s 管 和i g b t 的过热情况，同时检测交流端和控制电逆变电路的电压状态，形成保护电 路。6 ) 通过串行通讯和计算机相连实现软件加载，便于调试和升级软件。 3 ) 面板人机交互平台，用户通过面板设定焊接参数，并从面板显示获得焊 机的状态信息。主要由一个编码器、3 个数码管和5 个指示灯组成。编码器提供给 用户方便设定参数的服务，而数码管则显示用户所需参数，指示灯用于指示焊机 所处状态。 4 ) 焊机外围电路部分通过多个接插件连接电容、焊枪、主工作电路板、控 制电路板和面板，设计机箱内的各个电路以实现整个焊机的功能。 2 2 主电路板 2 2 1 主工作电路部分 即给电容充电的供电部分，两相交流电通过整流桥整流和大电容滤波后经过 单端反激逆变电路输出电容充电电流。见图2 - 2 ： 第2 章硬件设计系统 1 1 0 2 4 0 c 图2 - 2 电容充电电路原理图 f i g u r e2 - 2c i r c u i to f l o a d i n gc a p a c i t o r 图中c c b j 为充电电容，v 1 为m o s f e t ，通过l 4 9 8 1 b 驱动其开通、关断。v 1 开通时c c 不充电，待v 1 关闭，c c 开始充电。 l 4 9 8 1 b 是一款高性能功率因数校正器( p f c ) ，它的特点如下： 功率因数能达n 0 9 9 线性电流耗散控制在5 以内 前端反馈电路和负载校正 低启动电流( 0 3 m a ) 欠压保护 过压、过流保护 软启动 如图2 - 3 ： l f f 眦t 4 u t 姻臼艇c 口一o u t 图2 - 3l 4 9 8 1 b 结构框图 f i g u r e2 - 3d i a g r a mo f l 4 9 8 1 b ss t r u c t u r e 北京工业大学工学硕士学位论文 其应用电路如图2 4 ： 图2 - 4l 4 9 $ 1 b 驱动电路原理图 f i g u r e2 - 4t h ec i r c u i to f d r i v e ri , 4 9 8 1 b 本设计采用1 8 v 电源输入，在焊机工作环境下( 摄氏7 0 度以内) l 4 9 8 1 b 的2 0 脚能输l b 2 5 0 m a 、1 2 5 v 的驱动信号，对于电容性小于l o n f 的m o s 管可以在l o o n s 内实现，本设计l 4 9 8 1 b 的开关频率大概为7 0 k h z 。 由于l 4 9 8 1 b 不是开关器件，并没有直接的控制端来开通、关断它，为了实现 用单片机控制l 4 9 8 1 b 的工作状态，用到了它的引脚3 。单片机控制信号通过 c o n t r o l 接入l 4 9 8 1 b 的第3 脚，也就是它的过压保护引脚。3 脚输入电压将与内部 精确基准电压( 1 8 v 输入情况为5 i v ) 做比较，一旦输入电压过高贝f j l 4 9 8 1 b 停止 工作。考虑到单片机i o 口输出电压为5 v ，因此采用下面的运算放大器加光耦电路 实现直接由单片机i o 口控$ l j l 4 9 8 1 b 。 第2 章硬件设计系统 v c c g n d _ n e t z 图2 - 5 单片机控制l 4 9 8 1 b 工作电路 f i g u r e 2 - 5 t h ec i r c u i t o f s c mc o n t r o l l 4 9 8 1 b 如图2 - 5 ，在m c u - i o 无输入情况下，运算放大器i c 2 0 4 正极输入端5 脚无输入， 负极输入脚6 脚有一个大约3 v 的输入，因此输出脚7 无输出，光耦i c 2 0 3 关断，v c c 通过限流电阻和一个二极管接入l 4 9 8 1 b 的3 脚，由于v c c 在此为1 8 v ，远高于l 4 9 8 1 b 的基准电压值5 1 v ，所以l 4 3 8 1 b 处在过压保护状态，不会工作。一旦m c u - i o 输入 一个5 v 电压，贝e j i c 2 0 4 翻转，7 脚输出高电平开通光耦i c 2 0 3 ，此时v c c 通过电阻r 2 1 8 后被光耦直接拉到地，c o n t r o l 无信号输出，l 4 9 8 1 9 贝w j 正常工作。 2 2 2 其它电路供电部分 控制电的供电部分仍然采用单端反激逆变电路，只是由于需要多路电压，所 以变压器副边需接出5 对输出线路。 北京工业大学工学硕士学位论文 它 d ： c 5 =瓤 e o d c m f - 酯牛蕊；蚴孛1 - 的 图2 - 6 其它电路供电电路原理图 f i g u r e2 - 6t h ec i r c u i to f o t h e rp o w e rs u p p l y 如图2 6 ，交流电通过整流、滤波，通过t d a 4 6 0 5 驱动m o s f e tv l 的开通、 关断来实现单端反激逆变电路，变压器副边输出5 路直流电源，其中d c l 给焊机 风扇供电，d c 2 给预留间隙式焊枪的电磁铁供电，d c 3 、d c 4 和d c 5 分别给其它元 器件及一些检测信号提供电源。 t d a 4 6 0 5 是一款用于开关电源的m o s 管驱动i c 。它应用在开关电源中的主要 动作有一下四种： 1 ) 无负载状态：此时i c 工作在2 0 4 0 k h z 的脉冲状态，输出电压略高于或 低于根据变压器设计的普通输出值。 2 ) 标准状态：随着负载的增加和交流电的减弱，开关频率也随之减少。主 要是受交流电影响。输出电压仅根据负载变化。 3 ) 过载点：此点输出功率最大。 4 ) 过载：能量的传输在每一个操作循环都被限制在最离点，因此输出电压 通过次级线圈的过载衰减。 其结构框图如图2 7 所示： 第2 章硬件设计系统 图2 7t d a 4 6 0 5 的结构框图 ； f i g u r e2 - 7t d a 4 6 0 5b l o c kd i a g r a m 由图中可以看出，t d a 4 6 0 5 主要由1 脚的输入值与基准电压一并输入控制和 过载放大器模块( c o n t r o l o v e r l o a da m p l i f i e r ) 进行比较，并判断应处在 何种工作状态。5 脚输出驱动信号。根据本设计要求设计t d a 4 6 0 5 的1 脚输 入电路原理图如图2 - 8 所示： 北京工业大学工学硕士学位论文 图2 8t d a 4 6 0 5 的1 脚输入电路原理图 f i g u r e2 - 8t h ec i r c u i to f t d a 4 6 0 5 s1p i ni n p u t 正常工作情况下，d c 4 通过v 2 2 2 稳压管稳压后再由r 2 6 9 和r 2 7 1 分压后输 入i c 2 0 8 的2 脚，d c 3 也通过r 2 7 0 和r 2 7 1 分压后输入i c 2 0 8 的2 脚，运算放大 器i c 2 0 8 的负极输入2 脚得到约3 3 v 输入，而d c 6 通过稳压管v 2 2 3 将5 v 电压输 入到i c 2 0 8 的正极。因此正常态下i c 2 0 8 的输出端l 脚输出高电平驱动光耦i c 2 0 6 开通，从而使得t d a 4 6 0 5 的1 脚无输入，即使得t d a 4 6 0 5 处在无负载工作态，使 此开关电源电路保持恒定的输出电压，以满足各输出端的恒压要求。一旦d c 6 过 低或消失，t d a 4 6 0 5 的1 脚得到一个大于标准4 0 0 m v 的d c 5 的分压，t d a 4 6 0 5 进 入过载态，次级线圈电压衰减，电路停止工作。此处d c 6 由d c 4 经过一个3 脚可 调电压校正器l m 3 1 7 t 得到，其电路原理图如图2 - 9 所示： 第2 章硬件设计系统 i c 2 图2 - 9l m 3 1 7 t 应用原理图 f i g u r e2 - 9t h ea p p l i c a t i o nc i r c u i to f l m 3 1 7 t 其基本换算公式是：= ( 1 + 争+ 垦 在正常状态下，当3 v ( 一v o 。) 4 0 v 时= 1 2 5 v ，a m = 5 0 u a ，若取 d c 4 = 2 4 v ，置= 2 7 0 ，是= 2 7 k ，由此可得到d c 6 的值约为1 4 v 。通过使用本电路可 方便的从变压器副边得到设计所需电压值的恒压源。 2 2 3 电容放电电路 当电容所储电压高于用户设定值时，需要对电容放电，以达到焊接需要，应 此必须设计电容放电电路。为了在尽可能短的时间内完成放电，采用多路并联的 快速i g b t 与大功率耗能电阻串联的办法来实现，见图2 1 0 。 北京工业大学工学硕士学位论文 i i i 图2 - 1 0 电容放电电路 f i g u r e2 - 1 0t h ec i r c u i to f c a p a c i t o rd i s c h a r g e 本设计采用双通道高速i g b t 驱动器t c 4 4 2 7 ，它的延时小于4 0 n s ，可以极快 的开、关i g b t 。如图所示，驱动器的输入脚i n a 、i n b 连在一起，即它的两个输 出脚o u t a 、o u t b 输出完全相同的驱动信号，每个输出驱动2 个i g b t ，共4 路同 时开通和关断以达到快速有效地控制电容的放电量。 r i s e t i m e ”s u p p l y v o l t a g e f a l l t i m e v s s u p p l y v o l t a g e 2 2 0 0 k 、一 1 掣p x o 哆p f 、 x 4 7 0n f 、 n 1 0 0p f 1 帅 l 锄 j 善柏 o 飞础 ，c 一 1 5 帅d 、 ! 一i 寸 、 一盯。企 一 、 - - 1 0 0p f一 4681 01 2 1 41 61 8 v 0 0 图2 1 1t c 4 4 2 7 上升、下降时间与供电电压的关系 f i g u r e2 - 1 1 t h ec o n n e c t i o no fr i s e ( 翻1 ) t i m e w i t hs u p p l y v o l t a g e 从图2 - 1 l 可以看到，当 d = 1 2 v ，i g 盯容特性为1 0 0 p f 时，t c 4 6 2 7 可以在约1 5 n s 内完成驱动端电压上升和下拉过程，加上不到4 0 n s 的延时，整个开通、关断的 驱动过程不到l o o n s ，可以很好的满足本设计中快速放电和快速停止放电的要求。 而且由单片机的i o 口可以直接方便地控制放电的开始和结束。 第2 章硬件设计系统 图2 1 2 单片机控制电容放电电路 f i g u r e2 - 1 2t h ec i r c u i to f s c m c o n t r o lc a p a c i t o rd i s c h a r g e 如图2 1 2 所示，通过单片机1 01 ：3 给出驱动信号c o n t r 0 2 以驱动小晶体管v 1 4 2 的开通、关断，从而驱动光耦i c 2 1 0 a 的开通关断。通常情况下c o n t r 0 2 保持高 电平，此时v 1 4 2 和i c 2 1 0 a 也保持开通状态，则与t c 4 4 2 7 输入端串联到地的 i c 2 1 0 b 也保持开通，即t c 4 4 2 7 输入端保持低电平，因此电容不放电。当单片机 得到放电指令时，1 0 口翻转，c o n t r 0 2 输出为低电平，v 1 4 2 关断，从而i c 2 1 0 b 也跟着关断，t c 4 4 2 7 输入端得到高电平，电容开始放电，一旦得到所需电容电 压，只需回复c o n t r 0 2 的高电平，即可结束放电。 小晶体管的开关速度是r l s 级，而光耦的开关需要几个u s ，加上单片机a d 采样时间，从单片机确认放电结束到电容的放电结束所需的时间小于l o u s 。若 取耗能电阻功率2 0 0 w ，则l o u s 内消耗的能量q = 0 0 0 2 j ，这个损耗相对于螺柱 焊接所需一次最小几十焦耳的能量来说很小，不会影响到焊接质量。主电路板实 物图请参看附录l 。 2 3 控制电路板 2 3 1 控制芯片的选择 本机的设计是基于m c u 控制电容充、放电以达到焊接所需参数，并由m c u 触 发可控硅完成焊接，因此m c u 的选择显得尤为重要。在本机系统中，为了使电容 电压值尽量与用户设定值达到一致，主控芯片要求快速采集相关信号，快速处理， 因此实现实时控制是关键。而且焊机工作环境一般比较恶劣，干扰因素很多，主 控芯片的稳定性又是保证焊机长时间稳定工作的保证。 北京工业大学工学硕士学位论文 同时，为了降低主控芯片的复杂程度，我们也希望能将更多的系统功能集中 到一个芯片上来，以便降低由于多个芯片通讯时受到干扰而造成系统的不稳定因 素，提高系统抗干扰能力，并且大大降低在软件编程上的工作量。 因此，要求我们寻找一种芯片，它要具有以下特点： 1 ) 通用性强在m c u 被广泛采用的今天，其应用已深入到通信、航空、航 天、雷达、工业控制、网络及家电等各个领域。因此我们要使用的控制芯片应该 具有通用性强，应用灵活的特点，可为以后研究、拓展新的应用技术提供一个良 好的基础。 2 ) 处理速度快该芯片的处理速度应能满足本焊机所需要的快速采集、快 速处理数据的能力。 3 ) 高稳定性该芯片应具有高抗干扰能力，能够在恶劣环境下长时间稳定 工作。 4 ) 处理功能强大在芯片的硬件结构上具有模拟信号的处理功能；具有事 件处理能力；拥有足够的片上资源，以及实时的硬件仿真和调试能力。 5 ) 编程环境易于开发好的编程软件以及良好的仿真和调试环境是我们不 可缺少的工具。因此，我们需要的芯片应该拥有友好的软件编程环境，这样可以 加快开发过程。 c 1 6 7 c r 是西门子公司生产的第二代1 6 位单片机。8 0 c 1 6 6 是西门子的第一代 1 6 位单片机，它建立了c 1 6 6 系统的基本结构。而第二代产品增加了支持高级语 言编程( h l l ) 附加指令集，增加了地址空间、内部r a m 和外部总线各种资源 的高效管理，某些加强型( 包括c 1 6 7 c r ) 还提供了附加内部高速r a m 、c a n 总 线控制器和锁相环p l l 等1 4 6 1 。x b u s 概念则打开了集成应用特别的外设模量的 直接通路。x b u s 的集成使外设功能大大加强，是外部总线端口的内部表示，例 如c a n 模量就是这样集成的。它具有一下的显著特点： 1 ) 高速的处理速度它属于嵌入式微控制器，在2 5 m h z 的系统主频下( 晶 振频率) ，几乎所有的指令执行时间在8 0 n s 范围内；采用寄存器池，即用户定义 的寄存器池之间的切换只需8 0 n s ，1 6 位乘1 6 位乘法只需4 0 0 n s ，3 2 位除法仅需 8 0 0 n s ，中断响应时为2 4 0 4 0 0 n s 。 2 ) 丰富的片内资源它具有1 6 m b 的地址空间，4 k b 的r a m ，c a n 总线控制 器和锁相环p l l ，1 6 路l o 位的a d 采样，3 2 路的捕捉、比较c a p c o m 单元，4 路 p 哪输出，5 个定时器和最多6 3 路通用i o 口等。如图2 - 1 3 所示： 第2 章硬件设计系统 图2 - 1 3c 1 6 7 c r 的功能框图 f i g u r e2 - 1 3c 1 6 7 c rf u n c t i o n mb l o c kd i a g r a m 3 ) 方便、强大的开发、调试环境针对c 1 6 6 系列单片机的开发软件有d a v e 、 t a s k i n gc 1 6 6 s t l 0 和k e i l 等。其中d a v e 是英文d i g i t a la p p l i c a t i o nv i r t u a l e n g i n e e r 的缩写，即为数字应用可视化工程师。用它可以轻松完成对c 1 6 6 系列 单片机的初始化设置，根据这些设置生成的c 语言代码可以直接再t a s k i n ge d e 和k e i l 编译环境下进行编译连接生成可执行代码。 综上所述，本课题采用西门子公司的c 1 6 7 c r 作为主控制系统的核心控制芯 片。把c 1 6 7 c r 用于储能式螺柱焊接电源上具有突出的优势，可以将数字控制的 焊接电源的控制精度和处理速度大大提高，同时提高抗干扰能力，简化开发过程， 节约成本，从而改善数字化电源的性能。 2 3 2c 1 6 7 硬件结构 c 1 6 7 是西门子家族1 6 位单片机中的主打产品，它兼具高的c p u 运行速度( 超 过l 亿次秒) 和很高的外设兼容性。 下图是c p u 的结构框图，它的主核由4 态指令通道、一个1 6 位算术和逻辑 控制单元( a l u ) 和专用的特殊功能寄存器( s f r ) 组成。如图2 - 1 4 所示： 北京工业大学工学硕士学位论文 i i i l i i i l i l l l r o m i l i l i i l l i i l i i l c p u 以 广弋r 1r 专磊一r 。7y 7 i n t e r n 口l ls t k o vl m d l r 1 5 r a m is t k u nl t 广舀互丽 匦匝固匮 a ii n s f r p t r 。l8 计一h o kg 朝 ( ；。n e m f r 1 5 珏 l 塑! ! ：b ! g ：l 凹 ：p u r p o u ：矿 隐 l 卜 圈 ( 1 b - b i t ) 。 1 b a r r e i - s h i t l e r 宦r e g 妇d e r s ： ， 烈! 篮i 。s 凹也丝妊i jv r o i | li l r o 。1 6 lb u s c o n2ia d d r s e lzt lj l b u s c o n5 i a d d r s e l5i 一1 ib u s c o n4la d d r s e l4i d 口l 口p a g ep t r c o d es e g 。f i r i 图2 1 4 c p u 结构框图 f i g u r e2 - 1 4c p ub l o c kd i a g r a m c 1 6 7 c r 还提供丰富的片上资源： 1 外围事件控制器( p e c ) 和中断控制器 p e c 提供8 个p e c 通道，可以将0 段的单字节或字转移。这是一种最快的中 方式，每个通道由计数、控制寄存器、一对源和目的指针寄存器控制数据的转移。 p e c 寄存器控制p e c 通道。 2 存储区域 1 ) 一个2 k b 的1 6 位i 删 2 ) 一个2 k b 的1 6 位片上x r a m 3 ) 两个5 1 2 b 特殊功能寄存器( s f r ) 块。 3 外部总线接口 为了实现片上更多存储器的需要，超过1 6 m b 的外部r a m 和( 或) r o m 可以通 过外部总线接口连接到微控制器。它包括片上】( b u s 。 4 两个通用定时器单元( g p t i 和g p t 2 ) 通用定时器单元是灵活的多功能定时器，可用于定时、事件计数、脉宽测量、 脉冲产生等。每个g p t 模块含有3 个定时器计数器每个定时器可以独立工作于 门槛、定时、计数模式等，也可以与同一模块的其它定时器级连。 5 两个异步同步串口( a s c o s s c ) 异步同步串行口a s c o 提供了与其它系统串行通信端口。高速同步串行接口 s s c 提供了c 1 6 7 与其它单片机或外设的告诉通信接口。 第2 章硬件设计系统 6 一个看门狗定时器 看门狗定时器可以允许系统在软件或硬件故障时恢复过来。 7 两个1 6 位捕捉比较单元 v c ，则 需要充电，充电指示灯亮，同时进行充电。若v s v c ，则需要放电，放电指示灯 亮，同时进行放电。一旦充放电完成，则充放电指示灯自动熄灭。若条件许可， 即电容电量符合设定且焊枪处在工作状态，则允许焊接指示灯亮，用户可以焊接。 一旦出现过热或电源故障，过热和故障灯自动点亮。 2 4 2 数字编码器接口设计 数字编码器提供向显示板输入数据的途径，因此编码器的选用非常重要。本 次设计采用b o u r n s 公司的e p s l d 数字接触下压式编码器实现电压参数的给 定。图2 2 6 为编码器的原理设计图。 北京工业大学工学硕士学位论文 图2 - 2 6 数字接触编码器原理图 f i g t u r e2 - 2 6t h es c h e m a t i co f d i g i t a lc o n t a c t i n ge n c o d e r 将中间接地，另两端通过保护二极管与电阻相连，上拉于+ 5 v 电源。p 2 和 p 3 分别接于单片机的两个i o 口，若左右旋转则将地接于d 1 或是d 2 的阴极， 则p 2 或p 3 从高电位被下拉到低电位。当旋钮左旋时，会出现a 脚和b 脚均断 开、a 脚接通b 脚断开、a 脚和b 脚均接通、a 脚断开b 脚接通、a 脚和b 脚 均断开，并依次循环，因此单片机会接收到“1 1 、0 1 、0 0 、l o 、1 1 ”的脉冲串。而 当旋钮右旋时，会出现a 脚和b 均断开、a 脚断开b 脚接通、a 脚和b 脚均接 通、a 脚接通b 脚断开、a 脚和b 脚均断开，并依次循环。因此单片机上会接 收到“ll 、l o 、o o 、o l 、1 1 ”的脉冲串。通过判断这些数字位，即可设计编程指令， 使单片机作出相应处理。 另外e p s l d 还有一个下压确定功能，此功能相当于一个按键。图中把它直 接看作一个按键接到单片机的一个i o 口p 1 中，下压确定只要在编软件时做一 些处理即可，非常方便，实用。使用此编码器不仅降低了操作难度，也增加了面 板的外观美感。 2 4 3 驱动数码管和指示灯电路 本系