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(材料加工工程专业论文)全数字化焊接电源控制系统研究.pdf.pdf 免费下载
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文档简介
兰州瑶工天学疆士论文 摘要 i i i ii i 摘要 论文首先介绍了模攫控制方式及单片槐控制方式存在群释原鬣限涮了瓠浑变电 源的进一步发袋。论文结合数字信号蹙理技术的特点,介绍了数字仡焊机优点及研 究现状和未来的发展前景。针对当前国内矫的发展形势,阐明了迸彳亍本课题的必要 髋。 数字化焊机包括数字化的电源主电路、数字化的控制系统和数字化的人帆交互 系统。其中控制电路和主电路是实现数字化焊接电源的核心,人枫交互系统是数字 化焊接嗽源的夕卜在表现。人枫交互系统是人极最盏接麴操 挈爨褥,是操棒者淘计算 搬辕入壤息、发感指令及戏察理场参数巍信患麓窑目,它巍具有友好性、灵活经、 功黪性、明确後、一致挂、哥靠性等特点。 论文主要介绍了所研制的数字纯焊视的入机交互系统酌组成结构和控制原理。 分剐就液晶湿示部分、按键部分和p c 机通信部分电路做了详细的介绍,并从软硬 件两方面给予系统的阐述。 数字化焊机的人机交匿系统要完成焊接参数的设霪、焊接工艺的选择、焊接过 程中参数的修改、焊接过程提示、焊接参数动态最零等一系列功能。其中( 1 ) 滚鼎 显示郝分:设计中采用c m l 6 0 1 2 8 渡晶显示模块,浚模块采耀的是t 6 9 6 3 c 控制器, 本论文详缨介缨t 6 9 6 3 c 控制嚣麴镬鼹方法及编程方法。位) 按键部分:键盘包括 “铲9 ”、“磷试”、“上韶”、“下懿”、“取消”、“设霉”“暂停”荚1 6 个键位,系统 中选翔专用驻示驱动器h d 7 2 7 9 a 。( 3 ) 与p c 机通信部分:本设计采用r s ,4 8 5 接口 来完成与上位机的通信。系统中r s 4 8 5 为半双工结构,在现场使用中比全双工更 实用,此处采用其只有2 条信号线的最简型连接。 论文还介绍了可编程逻辑器件c p l d 的发展、应用、分类。详细分缨了可编程 逻辑器件c p l d 的硬件编译环境瓤硬件接逃语言( v h d l ) 。为m c u + c p l d 焊接电 源控制系缝蛉设计摁供了理论依摄。 最羼,鉴予筚片枫及c p l d 备自的忧缺点,搔出了m c u + c p l d 的设计方案, 对于数字纯弹税的实现建一稀很好的选择。在设计方案中,液晶显示及按键部分利 镉的蔻a t 8 9 c 5 2 控制。输出电压、电流采样后经a d 转抉送入8 0 c 1 9 6 k c 单片机, 8 0 c 1 9 6 k c 单片机经控制算法计算由反馈与给定所决定的p w m 的脉冲宽度并将其 送至c p l d 。c p l d 根搌8 0 c 1 9 6 k c 单片机送入的值生成相位羞1 8 0 度、带死区时 间和最小脉宽5 良制的薅路i g b t 驱动脉冲。其中a t 8 9 c 5 2 积8 0 c 1 9 6 k c 是采用2 0 m a 双f 黩浚巧遇信的。该设计方案,为数字化焊枧今蜃鲮进一步褥究提供了参考。 关键词:数字讫焊穰入蕊交互系统通信c p l d 兰些矍三奎兰堡圭篁兰 :! :。:,。,! 全! 尘兰 a b s t r a c t t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h es h o r t c o m i n g so ft r a d i t i o n a la n a l o g u ec o n t r o lc i r c u i t a n dm i c r o p r o c e s s o rw h i c hh a v eb e c o m et h eb o t t l e n e c kf o rf u r t h e rp r o m o t i o no ft h e w e l d i n gi n v e r t e rp o w e r a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ,t h e d i g i t a l i z a t i o no fw e l d i n gi n v e r t e ra n di t sf u t u r ed e v e l o p m e n to nt h eb a s i so fi l l u m i n a t i o n o ft h ed s p sb a s i cc h a r a c t e r i s t i c sa r ei n t r o d u c e d a tt h es a m et i m ea i m i n ga tc u r r e n t r e s e a r c hs t a t u s ,t h ep a p e rd i s c u s s e st h en e c e s s a r yo ft h i si n v e s t i g a t i o n d i g i t a lw e l d i n g i n c l u d e sd i g i t a l i z a t i o no fm a i nc i r c u i t ,c o n t r o lc i r c u i ta n d m a n m a c h i n ei n t e r a c t i o ns y s t e m m a i nc i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i ta r et h ec o r eo fd i g i t a l w e l d i n gp o w e rs o u r c e m a n m a c h i n ei n t e r a c t i o ns y s t e mi st h eo u t e rb e h a v i o ro fd i g i t a l w e l d i n gp o w e rs o u r c e t h es y s t e mi so p e r a t o r _ o r i e n t e d t h eo p e r a t o ri n p u t sm e s s a g e s i n t oc o m p u t e r ,a n do b s e r v e sr e a l _ t i m ep r o c e s sp a r a m e t e r i th a sa d v a n t a g ei nt e r m so f s t a b i l i t y , r e l i a b i l i t ya n dc o n s i s t e n c ya n ds oo n t h ep a p e rf o c u s e so nc o m p o n e n tp a r ta n dc o n t r o lp r i n c i p l eo fm a n _ m a c h i n e i n t e r a c t i o ns y s t e mo fd i g i t a lw e l d i n gp o w e rs o u r c e l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ( l e d ) , k e y b o a r da n dc o m m u n i c a t i o nw i t hp e r s o n a lc o m p u t e r ( p c ) a r ed e s i g n e da n da n a l y z e d r e s p e c t i v e l y f u r t h e r m o r e ,t h es o f t w a r ea n d h a r d w a r ea s p e c t sa r ea l s oa d d r e s s e d m a n _ m a c h i n ei n t e r a c t i o ns y s t e mf i n i s h st a s k st os e t u pa n dm o d i f yw e l d i n gp r o c e s s p a r a m e t e r sa n dt od i s p l a yi n f o r m a t i o no nw e l d i n gs i t e ( 1 ) l c dp a r t :t h ed e s i g ni s a p p l i e dc m l 6 0 1 2 8l c dm o d u l ew h i c hi n c l u d e st 6 9 6 3 cc o n t r o l l e r t h ep a p e r i l l u m i n a t e su s e dm e t h o da n dp r o g r a m m e dm e t h o d ( 2 ) k e y b o a r dp a r t :k e y b o a r di n c l u d e s s i x t e e nk e y sw h i c ha r e “0 - 9 ”,e n t e r ”,”u p ”,”d o w n ”,c a n c e l ”,s e t u p ”,p a u s e t h e s y s t e mc h o o s e ss p e c i a ld i s p l a yd r i v em o d u l eh d 7 2 7 9 a ( 3 ) c o m m u n i c a t i o nw i t hp c : t h e d e s i g ni sa p p l i e dr s _ 4 8 5i n t e r f a c e t h ep a p e ri l l u m i n a t e sd e v e l o p m e n t , a p p l i c a t i o na n d c l a s s i f i c a t i o no fc o m p l e x p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( c p l d ) s o f t w a r ed e v e l o p m e n tc i r c u m s t a n c ea n ds o f t w a r e d e s c r i p tl a n g u a g e ( v h d l ) o f c p l da r ei n t r o d u c e di nd e t a i l si nt h ep a p e r a tl a s t , i nv i r t u eo fa d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so fm c u a n dc p l d ,t h ed e s i g n o fm c u + c p l da n di m p r o v e da d v i c e sa r ep u tf o r w a r di na l l u s i o n ,a n di tw i l lm a k ea f o u n dg r o u n df o rt o m o r r o w sr e s e a r c ho fd i g i t a lw e l d i n gp o w e r k e yw o r d s :d i g i t a lw e l d i n g ,m a n _ m a c h i n ei n t e r a c t i o ns y s t e m ,c o m m u n i c a t i o n , c p l d i i 原创性声明 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。尽我所知,除了沦文中特别加以标注和致谢的地方外,沦文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得兰州理工大学或其他单位 的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在 论文中作了明确的说叫。 作者签名 日期:兰! ! 互一年生月堑一日 关于学位论文使用授权说明 本人了解兰州理工大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留 学位论文,允许学位论文被查阅和借阅:学校可以公布学位论文的全部或部分内 容,可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文;学校可根掘围家或甘肃省有 关部门规定送交学位沦文。 作一:豆容铆签彪嗍:埘年歹月 作者虢 豆皤 剔币签沪毖嗍:埘年歹月 兰州理工大学硕士论文第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 弧焊技术是现代焊接技术的重要组成部分,其应用范围几乎涵盖了所有的焊 接生产领域。近年来随着市场竞争的曰趋激烈,提高焊接生产的生产率、保证产 品质量、实现焊接生产的自动化、智能化越来越得到焊接生产企业的重视。而人 工智能技术、计算机视觉技术、数字化信息处理技术、机器人技术等现代高新技 术的融入,也促使弧焊技术正向着焊接工艺高效化、焊接电源控制数字化、焊接 质量控制智能化、焊接生产过程机器人化的方向发展。 自1 9 4 6 年世晁上第一台计算机问世以来,计算机技术的发展日新月异,在 人们的日常生活中起着越来越重要的作用。人们通过运用计算机技术使自己改造 自然的能力有了极大的提高。随着计算机技术的不断发展、普及,在焊接领域, 数字信号处理技术与弧焊工艺相结合产生了数字化焊机。 所谓的数字化焊机就是一种采用现代计算机技术,以0 和1 的方式完成对弧 焊工艺过程的闭环控制。有学者认为,数字化焊机应包括主电路的数字化和控制 电路的数字化。焊接电源从模拟式焊机发展到开关式焊机,实际上是完成了主电 路从模拟到数字化的跨越。焊接电源主电路的数字化使得焊接电源至少在两方面 的性能得到了提高:焊接电源的功率损耗大大减少,使得焊接电源的效率达到 9 0 以上。随着工作频率的提高,回路输出电流纹波更小,响应速度更快, 因此焊机可以获得更好的动态响应特性。控制电路的数字化主要依赖于数字控制 设备,目前在焊机中较为常用的数字控制器件有d s p 、m c u 等【1 - 7 】。 1 2 单片机控制的逆变焊机的发展现状 在弧焊逆变电源中,其控制部分对整机性能的优劣关系重大。现在绝大多数 弧焊逆变电源都以集成运放为核心组成控制系统,这种控制系统对于被控对象特 别难以控制而控制要求又特别高的情况就难以达到控制目的。随着电力电子技术 和材料科学的迅速发展使大规模集成电路( l s i ) 与超大规模集成电路( v t s 1 技术达到高水平,促使微控制器( 简称单片机) 技术飞跃发展,单片机的应用己 普及到各个角落。近1 0 年来利用单片机控制进行设计与制造焊接电源己经有很大 发展。特别是先进的逆变式电源配上单片机控制已成为当今焊接电源的发展方 向。单片机控制的弧焊逆变电源按单片机在其中的作用可分为开环控制和闭环控 制两大类。 单片机在系统中为开环控制的单片机控制的逆变弧焊电源。单片机开环控制 的弧焊逆变电源的原理框图如图1 - 1 所示。在这种系统中单片机主要完成了控制 1 兰州理工大学硕士论文 第一章绪论 信号的给定功能以及焊接系统的总体管理。单片机虽然在控制系统中仅仅完成了 信号的给定,但是这已经使得弧焊逆变电源在实现焊接工艺控制时,如c 0 。波形 控制、脉冲m i g 焊等,使得焊接工艺控制获得极大的灵活性。早期的单片机控 制的逆变弧焊电源均采用这种控制方式即1 1 。 图1 1 单片机开环控制弧焊逆变电源的系统框图 单片机在系统中为闭环控制的逆变弧焊电源。单片机闭环控制的弧焊逆变电 源的原理框图如图1 2 所示。北京工业大学研制的单片机波形控制逆变c o 。焊机 1 4 1 ,是这种单片机进行闭环控制的代表。其利用单片机控制灵活的特点,例如 可以通过单片机给出多种斜率、不同幅值的c 0 2 焊短路电流波形。由于系统采用 了双环控制,可以较为精确的对短路和燃弧电流波形分别控制。 图1 - 2 单片机闭环控制弧焊逆变电源的系统框图 图1 2 中,电压调节器为数字调节器;电流调节器为模拟调节器。所以这种 控制方案可以称为半数字化或部分数字化。这种部分数字化控制方案中虽能有效 通过波形控制降低飞溅及改善成形,但由于采用短路、燃弧阶段的分状态控制, 造成短路阶段只能内环起决定作用,即调节焊接电流,焊接电流按照给定波形变 换而变换;而燃弧阶段只能外环起决定作用,即调节电弧电压,焊接电流只能随 熔滴的形成过程而变化,从提高燃弧能量角度来讲不能行之有效地控制焊接电流 大小。因此这种半数字化控制方案有一定的局限性。另外外环采用数字化智能控 制能够采用一些智能控制方法,比如可以根据焊丝直径来自动改变外环调节时问 常数以获得不同焊丝直径下最佳的焊接工艺规范参数,也可以在同一焊丝直径 下,随着焊接电流的变化自动改变外环调节时间常数以获得不同焊接电流下最佳 的焊接工艺规范参数。而对于内环来讲,却缺乏如此的灵活性控制。 综上所述,利用单片机进行弧焊逆变电源的控制虽然在信号的给定部分实现 了数字化,但是受到单片机自身处理能力的限制,电源的p i 控制器和p w m 仍 兰州理工大学硕士论文 第一章绪论 然采用了模拟电路。因此,数字化的特点在单片机控制的焊接逆变电源中并没有 得到充分体现。简言之,逆变焊机的单片机控制若采用全部闭环控制实现全数字 化可以实现如下功能【15 j : 1 外特性控制。通过不同的算法可获得恒流特性、恒压特性、斜率不同的 其他外特性和恒定输出功率特性的任意控制,以满足各种弧焊方法和场 合的需要。 2 动特性控制。借助于运放p i 调节器组成的电子电抗器对焊接过程的短路 电流上升率( d i d t ) 进行控制,从而得到d i d t 的一个优化范围,使熔滴有 节奏的过渡,减小飞溅。 3 预置主要参数。根据不同的焊丝直径、保护气体成分进行预置主要参数, 再现记忆,监控各组焊接参数,根据不同需要变换参数。 4 实现“单旋钮”调节功能。即根据工件厚度不同,同时按所需要的电弧 电压、电弧电流( 送丝速度) ,甚至电感量一元化调节,不必逐个调节这 些焊接参数。 5 对焊接电流波形的控制。通过软件设计,可以获得各种各样适合焊接的 脉冲电流波形、脉冲频率、脉冲电流、基值电流、脉冲宽度,占空比以 及脉冲前后沿斜率的任意控制,以便对电弧功率实现精确控制。 6 对焊接工艺程序和焊接故障的控制。如先通气后通电、电流的递增和衰 减,以及在焊接过程中可能产生的粘丝、灭弧、过电流、过电压等的故 障进行诊断和报警。 因此,单片机控制的弧焊逆变电源越来越引起人们的关注。研究的重点一方 面集中在设计简单易造、通用性强、抗干扰能力强、可靠性高的弧焊逆变电源单 片机硬件系统;另一方面努力寻求适合于满足弧焊逆变电源性能要求的控制算 法,实现各种静、动特性的控制,并同时使系统具有良好的动态品质。 1 3 数字化焊机的研究现状 1 3 1 数字化焊接电源的控制的优点 1 数字化焊接电源有更大的灵活性,易于实现柔性化控制 数字化焊接电源的外特性控制是由软件编程来实现,因此可以设计多种外特 性适应不同焊接方法的要求,实现焊机的一机多用。在采用波形控制的熔化极气 体保护焊接中,对于不同的板厚、焊丝直径,不同的熔滴过渡形式,波形控制中 的最佳的电流波形会有所区别,采用模拟控制时,往往是按照兼顾整个:f 艺区间 的原则来选取电流波形,这样就必然造成部分区间的工艺效果的不理想。而数字 化焊机则可以根据不同的板厚、焊丝直径,不同的熔滴过渡形式来精确的选择工 艺参数,这样就可以大大改善焊接的效果。数字化焊机的灵活性同时也体现在数 3 兰州理工大学硕士论文第一章绪论 字化焊机控制软件的在线升级功能上。由于采用f l a s h 作为存储器,同时在电 路设计上增加了在线的f l a s h 编程功能,因此,数字化焊接电源的控制程序升 级或在线调试修改,只需要简单地通过r s 2 3 2 串行通讯接 _ | 进行。 2 数字化焊接电源有更好的稳定性 在模拟控制系统中,信号的处理往往是通过有源或无源的电路网络进行的, 信号处理参数的设定通过电阻、电容参数的选择来确定。这样在模拟控制系统中 阻容参数的容差、漂移必然导致控制器参数的变化,因此模拟控制系统的温度稳 定性较差,同时模拟控制的产品一致性难以保证,这样,模拟控制焊机的稳定性 就不能得到保证。而在数字化控制中,信号的处理或控制算法的实施是通过软件 的加、减、乘、除等运算来完成的,因此其稳定性好,产品的一致性也能得到很 好的保证。 3 数字化焊接电源具有更高的控制精度 数字化焊接电源具有更高的控制精度。模拟控制的误差一般由元件参数值引 起的误差和运算放大器非理想特性参数( 如a d 、a c m 、a o s 、i o s 、噪声等) 引 起的误差所决定。而数字化控制的精度仅仅与模数转化的量化误差及系统有限 字长有关,因此数字化控制可以获得很高的精度。 4 数字化焊接电源具有良好的接口兼容性 数字化焊接电源具有良好接口兼容性。由于数字化焊机大量采用了单片机、 d s p ( 数字信号处理器1 等数字芯片,因此数字化焊机与其它设备间就可以非常方 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 为焊接电源的智能控制提供了可行性 利用微控制器强大的控制能力和事件管理能力使焊机控制引入自适应控制、 模糊控制、神经网络控制等智能控制方法成为可能。 由于数字化焊机有以上的优势,所以,焊机数字化的概念一经提出就受到了 学术界高度的关注,并成为现在研究的热点,数字化焊机代表着未来焊机的发展 方向。 1 3 2 数字化焊机的结构特点 幽1 - 3模拟控制弧焊逆变电源的控制系统框刚 兰蹦壤互点学碗士论文第常培论 数字化焊机之所以能表现出前面所讲的种种优点,与其结构特点魑分不丌 的。另外通过介绍数字化焊机,我们也可以发现为什么单片机控制焊机还不能算 是囊爰瓣数字讫烽穗,它在往熊一 二与数字诧簿鞔是存在羞题蕊。图1 - 3 楚觳模 拟控制的逆变电源钓系统框图。童三电路部分由熬流、逆变、二次整流输出几部分 组成。其余为控制部分,由电压、电流采样环节、给定环节、p i 控制器、p w m 信号产生等维成。 黔,因口“圈,圜固囵f 。瀚 圈1 4 单片极燕巷l 弧爆递变鬯踩翁控螽l 系统援瓣 阉1 4 为革片枫控到逆交烨枫翡蘸理稚溺,采用这种结构懿典型例子有 k a m p p im a s t e r5 0 0 。通过图1 - 4 可以发现:单片机系统并没脊完全实现逆变电源 的闭环控制。如果以班控制器作为系统的控制核心的话,单片枫系统仅究成了 参数绘定酶凌戆秘鞣澎警建磅缝。擎背捉系统擞熬露馥在一露讫整麓、渡澎控餐 等方两发挥很好的作用,但是由于受到处理能力的限制,还不能完成系统的p i 控 制和p w m 信号的产生。这样系统的灵活性就受到很大的限制。同时这时的数据 信号邋运缝力也不熊缀好敬发挥。 翻1 5 熬祭纯爆祝的控制系统提鹜 瀚l 一5 是数字耽瀚缛辊戆控巷l 系统框葱。巷数字讫焊枫中,由荦泞税鞠d s p 组成双机系统构成系统的控制部分。单片机除负责系统的总体管理外,在控制匕 还负责给定参数的输如,而p i 控制和p w m 偿号产生则由d s p 完成。这样的 系统 l l 予充分发挥td s p 较强懿数据处瑾怒力秘单冀规较强豹事俘憝瑾熊力, 性能上有了很大的撬商。同时控制器完全以软件方式加以实现,在控制的灵活性 兰州理工大学硕士论文 第一苹绪论 上就有了进一步的提高,数字化焊机的结构更为智能化控制提供了良好的硬件基 础。另外一个值得关注的特点就是数字化焊机的i t 功能,也只有在这样的一个 双机系统中单片机的通讯功能才有可能发挥出来,实现数字化焊机的网络功能。 1 4 国内外数字化焊接电源控制系统的发展现状。 1 4 1 国外数字化焊接电源 目前,在国外已有数字化焊接电源产品问世,最具有代表性的如奥地利 f r o n i u s 公司生产的t r a n s p l u ss y n e r g i c 系列t p s 2 7 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 全数字 化焊接电源,它的心脏部分是一个数字信号处理器( d s p ) ,由它集中处理所有 焊接数据,检测和控制整个焊接过程,焊机具有引弧、精确控制电弧、专家系统、 一机多功能、焊接数据接口和评价系统等功能。又如,德国e w m 公司生产的 i n t e g r a l 系列数字化焊接电源,数字处理系统处理所有焊接数据,控制整个 焊接过程,同样具有专家系统、一机多用、计算机或网络通讯、模块化设计、焊 接数据的存储和分析系统等功能口1 。澳大利亚的w o l l o n g 大学利用美国t i 公 司生产的t m s 3 2 0 c 3 2 数字信号处理器高速采样率控制g m a w 焊接过程【6 】。 1 4 2 国内数字化焊接电源的研究现状 在国内,数字化焊接电源尚处于探索性研究阶段,某些高校和科研机构已在 这方面开展了工作。上海交通大学焊接研究所1 9 9 9 年提出了“数字化焊接电源” 的研究课题,他们使用单机控制系统采用d s p 芯片作为控制系统的核心, 主要应用于熔化极气体保护焊接电源系统的研究,以开发1 2 相可控硅焊接电源 为主;北京工业大学材料学院分析了数字化焊接电源的特征,提出了“全数字化 控制焊接电源的方案”,他们重点开发“m c u + d s p ”双处理器控制系统。由单 片机( m c u ) 根据不同的送丝速度按照一定的规则计算出相应的焊接电弧电压 u a 及电流参数( i p i b t p t b ) 等,同时负责系统的总体管理:驱动p w m 以可编 程逻辑器件c p l d 为载体实现;控制算法如p i 控制以及非线性接口算法等均由 d s p 实现;华南理工大学提出了基于d s p 的弧焊逆变电源数字化控制系统,并 讨论了应用前景。 1 s 本课题设计思想、方案与目标 对弧焊电源的控制,传统的方法是采用集成电路进行模拟控制。模拟控制技 术存在电路复杂,抗干扰能力弱,控制精度不高等缺点。从而限制了弧焊逆变电 源的进步发展。近年来,随着汁算机技术的迅猛发展,微机控制技术在焊接设 备中被广泛应用,实现了对弧焊逆变器的数控化。目前,各种焊接电源都已发展 出了数控化的产品,这些微机控制的焊接电源可精确控制焊接电流、电压、脉冲 兰州理工丈学硕士论文 第一章绪论 波形等各种参数,可以编程记忆多组规范参数,可以在不改变硬件的情况下通过 软件实现多功能与系统化。随潜性能的完善稳定,微机控制焊接电源已成为自动 化专髑焊机豹主体。特剐是焊接电源中采用了掰型的大功率可控整流元件惹,微 税控秘豹烽谈功麓墙强,已或为餐筢佬霹魏设备静墓礁。穆楚,虽然攀片瓿控蕞l 的焊机,在信号处理部分实现了数字化,但是受到单片机自身处理能力的限制, 参数设置和p w m 仍采用模拟电路,而目在p i 控制过程中嶷时性不高。 毅来浚,在控髑系绫中,擎片瓿囊予冀零骞戆缝稳特点兹嚣困箕羧爨功麓 要强些,而且总线位数要少一些,运行遮廉相对而言也露幔一下;丽d s p 采 用不同于单片机的结构,故其逡算能力要强些,总线宽鹰也要宽一些,控制功 能誊挝对要弱一些。就弧焊控制系缝结构丽言,人规接口对速度要求较低,对控制能 力豹溪求较高,对慈线宽度夔器求较低,一救8 僚藏已经避够了。秘聚塞接在 d s p 上扩展人机接口,这样会浪费d s p 芯片宝贵的外部控制能力。由于d s p 经 常需臻响应慢速的人机接口中断,这样对d s p 的运算能力也是一个比较大的浪 费。霹凌戴生产对溽接竣鍪鹣蜜对往要求越皋越毫,d s p 强大夔数撂焚理戆力可 以缀静的满足这一螫求l ”“。 基于以上的考虑,本设计中采用将单片机和d s p 结合起来构成双机控制系 统的方法。从而充分发挥单片机控制能力强的特点和d s p 强大数据处理能力和 离运行速度的毒| 乏势。鼠嚣撬囊秣簿遂变电添撩利系统麓精泼帮实辩毪,滚足嚣簿 逆变电源更高的性能要求。其控制系统如图1 - 6 所示。 在此数字化焊接电源系统研究中,本人承担的任务主要是人机交互系统设 计。必了完盛土遮任务,设量 中耀美i ni n t e l 公司生产驰m c s 一9 6 系列1 6 位 单片梳中的8 0 c 1 9 6 k c 作为人税接口控制单元【“。系统中,单片杌主骚完成人 机接口的控制功能,其包括液融显示、键盘麟板以及与p c 机的串行通信。 幽1 - 6 数字化挥接电源系统框幽 第二章数字化焊机控制面板的设计 自2 0 世纪9 0 年代第一台f r o n i u s 数字化焊机问世以来,有关烬机的数 字纯骈究越来熬多,并逐步成交浮凌龟源躬主要发曩方囊之一。鼗字纯焊辊包 括数字化的电源生电路、数字化的控制系统和数字化的人机交互系统。 人机交互系统是数字化焊接电源的外在袭现。人机交互系统是人机最直接的 操撂冀嚣,是搡俘者囊c p u 输入信惑、发掇掺令及褒察瑷场参数和穆爨翡窗口, 因她,入祝交互系统必须其裔友好往、灵涵往、功能往、明确性、一致髓、可靠 性等特点【o “。圈外已有焊机将液晶显示和键盘操作相结合,进行焊接方法、焊 接工艺参数设鼹和信息显示等的人机交互过程,如奥地剥f r o n i u s 公司的 y r a n s s y n e r g i e4 0 0 0 ,5 0 0 0 及t r a n s p u l ss y n e r g i c2 7 0 0 4 0 0 0 ,5 0 0 0 全数字佬浮掇, 具有脉冲m i g 、巅流m i g 、手弧焊、t i g 焊等多种工艺方法的不同材质、不同 焊嫂直径的多功能焊接人机界灏,如图2 - 1 所示;美国m k ( m i k ek e n s m e ) 产品集 团公司兹m kc o b r a t i g1 5 0 焊撬,具毒弱户发好的l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 编稷赛面:美臀m i l l e r 公鼋纂予微处理器筏镪鼹a u t o m a t i c m 型浑瓤,可在一 个人机界面上进行m i g 、脉冲m i g 和自适应的脉冲m i g 焊。上述焊机均是基 于微处理器,出键盘设置功能狲参数、通过l c d 显示的人机界面,并以功能键 豹人瓿交互方式为主。交交毒关浮接毫源斡m c u 或m p u 控铡,多弱羧予控翻 系统,尚未有详尽的有关人机交互系统数字纯的研究和报邋。 圈2 一lf m n u s 公霹t r a i n ss y n e r g i c4 0 0 0 c 型簿概的控割露扳 2 。1 数字化焊机人机交互方式的选择 入撬交互懿鬻鬻方法有趣签式对话、菜单交互、功辘键、謦簿、鑫令海言赛 8 兰援瑾王文学矮圭论文 第二零散字健簿誉控枣l 瓣敷设专 面、焱询语言界面、自然语言界丽等,其中前三! 三种适合于过稷控制现场的人机交 互,恁四种则适合予后台操作的人枧交互。焊机的人枫交互可分为焊前准备的人 撬交要移浮接过稳中嚣久税交互,为逮翟控秘溪场夔天爹l 交互猜嚣,函诧,本系 统中聚用的是功能键这种人机交互方法。 使用功能键可代酱输入命令替完成系统功能。其好处不畜而喻,如:减少用 户的+ 激忆负担;搬恢操终;减少输入量;较少出错搴。但缺点连艰疆显,如:功 能键定义带任意径,缺少标准纯i 不标准或不一致的功能键定义会弓 起记忆藉操 作的廓烦;如果系统功能过多,则需要过多的功能,需要增加功能键数,也就容 易引趣混淆。 零疆究在采鬻8 0 c 9 6 k c 擎冀辍囊t m s 3 2 0 f 2 4 0 鼗字信号楚蓬藜篷学络接瑷 场的实时信息采鬃、控制策略的实时计算及焊接过程的实时控制的基础上,用 8 0 c 9 6 k c 单片机进行现场信息的寅时显示,并通过t m s 3 2 0 f 2 4 0 与8 0 c 9 6 k c 之间驰逶信完成了发好斡功戆键筑数字亿爆专f 1 人梗交互系统。爆工在对焊襁避行 操箨辩,不必记忆入枫交互过程黥其体步骤,只需了籍系统静功能,并在系统的 指导下进行操作,就可较好地完成人机交互过程。 2 。2 数字纯群枫液晶显恭部分硬件设计 程数字化焊机的设计中,显示部分是数字化焊机酌一个熏要部分。我们采用 美国i n t e l 公司生产的m c s 9 6 系列1 6 位单片机中的8 0 c 1 9 6 k c 作为该控制电 路的核心,它采用c h m o s 工艺蒜l 逡,其骞运算速度挟,憩联笺力强,接器车塞 的特点。集成有1 6 k 字节豹e p r o m ,4 8 8 字节静存器阵列,有2 0 个中濒源,3 个脉宽调制( p w m ) 输出,4 个简速输入口h s i ,6 个高速阴h s o ,4 个1 6 位 软件定时器,8 通邋带采样、保持的l o 位a d 转换器,全双工串行口,辫门狗 鞋及巍遮嚣镑霹r g o 系统等。与8 0 c 1 9 6 k b 摇魄,8 0 c 1 9 礤不蔹蠹辞存戆器翡 容量扩大了一倍,扩展了输入输出口( 如增加了2 个p w m 口) ,还新增了一个 外设拳务服务器p t s ( p e r i p h e r a lt r a n s a c t i o ns e r v e r ) ,大大降低了中断服务的开 销。冀外,它可以蘩翔1 6 m h z 的瑟振,运行邀发比1 2 m h z 瓣8 0 c 1 9 6 k b 。淡3 3 。这绘系统设诗懿及今后控谁l 系统豹升级和扩震提供了极大的方便。8 0 c 1 9 6 k c 以其卓越的性能,成为该控制系统理想的控制芯片。 在一般的情况下,为方便人们观察和监视荦片帆的运行情况,通常把数码显 示器僚必擎冀瓿弱浚爨设冬,弱皋鬣示擎冀凌鑫冬徐入篷、中鬻弦惑及运算续聚等。 在单片机系统中,常用的显示器件主要有l e d ( 发光二极管撼示) 和l c d ( 液晶显 示) 。l e d 只显示0 - 9 ,a - f ,等字符,这些显示过于简单,不能满足复杂信息的 显示嚣蟹。因此系绫中采鼹液晶泉作为显示器髂。 2 2 。1 液晶显示器件的特点 兰州理工大学硕士论文 第二章数字化焊机控制面板设计 1 低压微功耗。工作电压3 - 5 v ,每平方厘米液晶显示屏工作电流只有几个 ua 。因此液晶显示器件成为电池供电的电子设备的首选显示器件。 2 平板型结构。液晶显示器的基本结构是由两片玻璃组成的很薄的盒孑。 这种结构的优点,是使用上方便,二是工艺上适于大批量生产。目前 的液晶生产线大都采用集成化生产工艺。 3 寿命长。器件本身几乎没有什么劣化问题。 4 被动显示。环境光线越强,显示内容越清晰。人眼所感受的外部信息, 9 0 以上是外部物体对光的反射,而不是物体本身发光,所以被动显示 更适合人的视觉习惯,不会引起疲劳。这在大信息量、高密度显示、长 时间观看时尤为重要。 5 显示信息量大。易于彩色化。液晶彩色化非常容易,方法也很多。 6 无电磁辐射。 l c d 分为段位式和点阵式两种。段位式液晶显示己广泛应用于电子表、计算 机上面,这种显示器显示的字符有限,应用受到了限制。点阵式液晶显示能显示 更丰富的信息( 包括汉字、英文、图像等) ,能进行人机对话,具有很强的功能。 数字化焊机显示模块选用了点阵式液晶显示模式【2 3 】。 2 2 2 液晶显示模块的控制器 为了让液晶按我们的要求显示一定的图案,必须对液晶加一定的驱动。目前, 液晶显示的控制和驱动大规模集成电路( l s i ) 大致可以分为5 类【2 4 : 1 自带4 位c p u 的段式液晶显示驱动l s i 这类l s i 以n e c 的p d 7 5 3 0 和s a m s u n g 的k s 5 6 c 1 6 2 0 等为典型产品,其 特点是把段式液晶显示驱动电路与4 位c p u 做成一片a s i c ,给用户在开发智能 化的液晶显示仪器仪表带来很大方便。 2 控制与驱动点阵位图式液晶显示l s i 这类l s i 以e p s o n 的s e n d l 5 2 0 ,h i t a c h i 的h d 6 1 1 2 0 和t o s h i b a 的 t 7 9 3 2 等为典型的控制l s i 。其特点是按点阵位图式方式来控制液晶屏的某一像 素亮或不亮。位控式控制器,一般适用于小型液晶显示屏。由于它们不带字符点 阵字库,所以文本显示时c p u 负荷较大。 3 控制和驱动点阵字符式液晶显示l s i 这类l s i 以e p s o n 的s e d 2 7 8 ,h i t a c h i 的h d 4 4 7 8 0 ,和t o s h i b z a 的 t 7 9 3 4 等为典型的控制l s i 。其特点是l s i 中自带c g r o m 。可产生标准的1 2 8 个a s c i i 字符供用户调用。还有较丰富的显示控制指令,常用于驱动点阵字符 型液晶显示模块。 4 控制和驱动点阵图形式液晶显示 这类l s i 以e p s o n 的s e d l 3 3 0 ,h i t a c h i 的h d 6 1 8 3 0 和t o s h i b a 的 1 0 兰州理工大学硕士论文第二章数字化焊机控制面板设计 t 6 9 6 3 c 为典型的控制i n i ,其特点足l s i 自带有c g r o m ,也可产生标准的1 2 8 个a s c i i 字符供用户调用。还有外接扩展r a m 存储若干屏的显示数据,即是几 幅图形的显示数据。还可以在图形模式下显示汉字,具有丰富的显示控制指令, 常用于驱动点阵液晶显示模块。 5 视频与l c d 接口控制和驱动l s i 这类l s i 以e p s o n l 3 4 5 ,h i t a c h i 的h d 6 4 6 4 6 和h d 6 6 8 4 1 等为典型的控 制l s i 。其特点是能实现视频信号和l c d 驱动信号的转换;能提供兼容。这类 l s i 为设计与p c 机兼容的微机系统提供了很大方便。 系统中使用的液晶模块c m l 6 0 x 1 2 8 采用的控制器为第四类中的t 6 9 6 3 c 。 c m l 6 0 1 2 8 是一种图形点阵液晶显示器,它主要由行驱动器列驱动器1 6 0 1 2 8 全 点阵液晶显示器组成。可完成图形显示,也可以显示1 0 x 8 个( 1 6 1 6 点阵1 汉字。 其模块硬件图如图2 - 2 所示。各管脚含义如表2 - 1 所示。 其主要技术参数和性能为: 1 电源v d d :+ 5 v ; 2 显示内容:1 6 0 ( 列) x 1 2 8 ( 行) 点 3 全屏幕点阵 4 十三种指令 5 与c p u 接口采用8 位数据总线 6 占空比1 1 2 8 7 工作温度:一l o 一+ 5 5 ,存储温度:一2 0 一+ 7 0 8 显示模式:黄绿膜、灰膜、蓝膜、黑自膜 9 背光特性;l e d 背光( 黄绿色、蓝色、白色、红色) 1 0 模块封装方式:s b l t 1 1 视角方向:6 :0 0 1 2 功耗:模块自带负压1 0 m a 2 - 2 模块硬仆幽 表2 1c m l 6 0 x1 2 8 各管脚含义 符蟹 弓f 脚说明 编号符号引脚说明 lf g构造穗( v 0 )1 2d od a t ai o 2 v s s 泡源遣 1 3d 重d a t a i o 3v d 蚤奄滋正校( + s v )1 4蚤2d a l a i o 渡晶显示鹾动受鬯援 4 v o 1 5 d 3 d a t ai 0 ( - i o v 一一1 5 v ) 5v e el c d 驱动电源1 6d 4d a t ai o 6w r 写信号 1 7d s d a t ai o 7r d读信号1 8d 6d a t a i o 8c e 使用信号1 9d 7d a t ai o 鼗据,命令逡释滚 9 c d2 0n c 董髟l ) 1 0 h a l t体目鼹控划( l 蠢效) 2 1b l k 背光源负极 1 1瓜s t 复位端( l 有效)2 2 b l a 背光源正极( + 4 5 v ) 2 。2 ,3 波晶显示控制器t 6 9 6 3 c z 5 1 t 6 9 6 3 c 芯片是其主要控制器件,它具有以下特点: 点阵式液晶图形显示嚣,能直接与8 0 系列8 位微处理黯接口; 字簿字俸由硬伟设置,毒霹耱譬钵; 占空魄可从l 1 6 到1 1 2 8 可用图形方式、文本方式及图形和文本合成方式进行显示,同时支持文本 方式下的特征显示;并支持屏拷觅等功能; a t 6 9 6 3 带孝内部字符发生器c g r o m ,雾;骞1 2 8 令字宰拳,可以管瑾6 4 k 显示缓;孛医譬簿发生爨,磬霹进行使操 乍。 t 6 9 6 3 的初始化一般由管脚设置来完成,通过调整f s 的高低电平可设臀 字体的大小,而对显示功能的设置则由软件初始化宋完成。t 6 9 6 3 c 盼指令可 带一个菠两个参数,畿可秃参数。每条指令静弑行都是先送入参数,再送入撂 令代码。每次操终之i # 最好先进磐状态字捻测。 2 。2 。4 t 6 9 6 3 c 指令集 t 6 9 6 3 c 的初始化设置般郝由管脚设赞完成,因此其指令系统将集r p 予盟 示功能的设臀上。t 6 9 6 3 c 的指令可带个或两个参数,戏无参数。每条指令的 执行都怒先送入参数( 如果有的话) ,再送入指令代码。每次搽作之前最好先谶 1 2 兰州琏工犬学骥士论支 蒡二二章鼗字毪海税控割凝鬣设诗 嚣攮态字捡懑。t 6 9 6 3 c 躲状态字翔下爱示: s t a 0 : 旨令渎写拭态 s t a l :数据读写状态 s t a 2 :数据爨动读状态 s t a 3 :数据自动写状态 s t a 4 :未用 1 :准备好 1 :准备好 1 :接签好 1 :准备好 虻 忙 虻 忙 s t a 5 :控制器运行梭测可能性1 :可能0 :不熊 s t a 6 :屏读拷贝出铹状态
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