（机械电子工程专业论文）pmig焊机控制系统的改进与usb接口设计.pdf

摘要 摘要 脉冲m i g 焊是一种焊接质量较高的熔化焊方法，它的突出优点表现为：熔滴处 于受控状态下进行，因而均匀可靠，飞溅很少，焊缝成型美观；特别是这种焊接方 法可以采用很宽的电流调节范围，包括短路过渡到喷射过渡的所有电流区域，既能 焊接厚板，也能焊接薄板，焊接薄板时与短路过渡比较有熔透性好、变形小、焊接 效率高等特点；采用脉冲电流后，可采用较小的平均电流进行焊接，平均电流比g m a w 焊时的连续电流喷射过渡的临界电流低，因此母材的热输入量低，焊接变形小，适 用于全位置焊接；熔滴过渡过程可控性比较强。因此它在生产上得到了重视，特别 是自动焊焊接时对焊接质量和精度要求比较高的场合更是如此。 本文针对硬开关方式随着逆变频率的增加引起的开关损耗大、电磁干扰严重等 问题，采用了f b - z v z c s 全桥逆变软开关技术，在电源输出的全范围内实现超前臂的 零电压开通和滞后臂的零电流关断。 相比于传统的采用电压模式的恒流控制系统，本文以u c 3 8 4 6 为控制器件，采用 了峰值电流模式双闭环控制，使得输出电流波形纹波较小，动态性能良好。 对于脉冲m i g 焊，除了需要稳定的电流输出以外，送丝速度的稳定性是衡量焊接 质量的重要因素，本文采用基于速度负反馈的送丝调速系统，在送丝阻力变化、电 网电压波动或电机性能存在一定差异的情况下，该系统均可以稳定输出，为进一步 提高脉冲m i g 焊接工艺质量打下了基础。 另外，显示功能完善与否也是一台焊机好坏的重要标志，而随着数字化焊机的发 展，其必须要适应计算机以及网络化管理的要求，这就要求焊接电源要具备与上位 机可靠通信的功能。本文针对脉冲m i g 焊的特点设计了人性化的显示面板，方便用 户设置与读取基、峰值参数。还在显示面板上设计了方便与主机通信的u s b 接口， 为与p c 机通信提供了基础，也为更好的对焊机进行实时控制提供了有力的保障。 实验证明，本文以英飞凌公司的x c l 6 4 c s 单片机为控制核心，设计开发的一套脉 冲m i g 焊过程控制系统，以及以t i 公司的m s p 4 3 0 单片机为核心设计的显示面板， 实现了焊接参数调节显示、与主机通信，等速送丝以及具有恒流特性的电源控制。 关键词脉冲m i g 焊；软开关；单片机；双闭环恒流控制；u s b 接口 a b s t r a c t a b s t r a c t p m i gw e l d i n gi sah i g h e f f i c i e n c ya n dh i g h - q u a l i t yw e l d i n gm e t h o d t h ew e l d i n g t e c h n i q u eh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sg o o da r ca x i a lp r o p e r t y , l o ws p a r e ra n dg o o dw e l d b e a ms h a p e e s p e c i a l l y t h ep u l s em i gw e l d i n gh a sw i d er a n g eo fc u r r e n t ，c o n t r o l l a b l e h e a ti n p u ta n df u l lp o s i t i o na v a i l a b i l i t y 1 1 1 ea b i l i t yt oe x t e n ds p r a ya r cw e l d i n gd o w nt o l o w e rw e l d i n gd a t ai sp a r t i c u l a r l ys u i t a b l ew h e nw e l d i n gm a t e r i a l ss u c ha ss t a i n l e s ss t e e l o ra l u m i n u m i tb e c o m e s p o s s i b l et ow e l dt h i nm a t e r i a l s ，o rt op e r f o r mp o s i t i o n a lw e l d i n g , w i t hb e u e rr e s u l t st h a nw o u l db eo b t a i n e dw i t hs h o r ta r cw e l d i n g t ot h eq u e s t i o no fh i g hs w i t c h i n gl o s s e sa n ds e r i o u se l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c eo f h a r d - s w i t c h i n gc a u s e db yt h ei n c r e a s i n g o fc o n v e r s ef r e q u e n c y , t h i sa r t i c l eu s et h e t e c h n o l o g y o ff b - z v z c s ，a c h i e v ez e r o v o l t a g e o p e n i n g o fs u p e r - f o r e a r ma n d z e r o c u r r e n tc u t t i n go f fo fl a ga r mi nt h ef u l lr a n g eo fp o w e ro u t p u t a n dd e v i c e st oc o n t r o la n da c h i e v ed o u b l ec l o s e d - l o o pc o n t r o l l i n go ft h ep e a k c u r r e n t m o d eb yt h eu s i n go fu c 38 4 6a sc o n t r o l l i n gd e v i c e s ，m a k i n gt h ew a v e f o r mo f o u t p u tc u r r e n tm o r es m o o t ht h a nt h et r a d i t i o n a lm e t h o db yu s i n gv o l t a g ec o n t r o lm o d e f o rp m i gw e l d i n g , b e s i d e st h es t a b i l i t yo fo u t p u tc u r r e n t t h es t a b i l i t yo fw i r ef e e d s p e e di sa n o t h e ri m p o r t a n tm e a s u r ef a c t o ro fw e l d i n gq u a l i t y ，t h ep a p e rs h o w st h ew i r e f e e ds p e e dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h es p e e df e e d b a c k , e x p e r i m e n t sp r o v e dt h a tt h e p e r f o r m a n c eo f t h es y s t e mi n c r e a s e dr e m a r k a b l yt h a nt h ec o m m o ns y s t e m ，i nt h es i t u a t i o n s u c ha st h ec h a n g i n gw i r ef e e dr e s i s t a n c e 、f l u c t u a t i o n so fe l e c t r i cp o w e rs y s t e mo rc e r t a i n d i f f e r e n tp e r f o r m a n c e so fe l e c t r o m o t o r , t h es y s t e mc a na l w a y so u t p u ts t e a d i l y , a n dt h i s s y s t e mi st h eb a s ef o rt h ef u r t h e ri m p r o v i n go f t h eq u a l i t yo ft h ep m i gw e l d i n g i na d d i t i o n ，t h eq u a l i t yo ft h ew e l d i n gm a c h i n ei sc l o s e l yr e l a t e dt oi t sd i s p l a ys y s t e m w i mt h ed e v e l o p m e n to ft h ed i g i t a lw e l d i n gm a c h i n e ，r e q u i r e si tt oa d a p tt ot h ec o m p u t e r a n dn e t w o r km a n a g e m e n t ，s ot h ew e l d i n gm a c h i n es h o u l dh a v er e l i a b l ec o m m u n i c a t i o n a b i l i t yw i t ht h eh o s tc o m p u t e rf u n c t i o n s c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp m i gw e l d i n g ， t h i sp a p e rd e s i g n e dau s e r - f r i e n d l yd i s p l a yp a n e l ，w h i c hm a d em o r ec o n v e n i e n c ef o ru s e r s t os e ta n dr e a dt h ep e a ka n db a s e dp a r a m e t e r s m e a n w h i l e ，au s bi n t e r f a c ei sa l s o d e s i g n e di nt h ed i s p l a yp a n e lt of a c i l i t a t et h ec o m m u n i c a t i o n 咖lt h eh o s tp c ，i tp r o v i d e s as t r o n gp r o t e c t i o nf o rr e a l t i m ec o n t r o lo ft h ew e l d i n gm a c h i n e e x p e r i m e n t ss h o wt h a t t h ep m i gw e l d i n gp r o c e s sc o n t r o ls y s t e mb a s e do n i n f i n e o n sx c l6 4 c sa sw e l l 嬲t h ed i s p l a yp a n e lo ft i sm s p 4 3 0 f 2 4 9a c h i e v e st h e r e g u l a t i o na n dd i s p l a y o ft h ew e l d i n gp a r a m e t e r s ，a n dt h ec o m m t k t i c a t i o nw i t ht h eh o s t , a c h i e v e st h ec o n s t a n tw i r ef e e ds p e e d ，a sw e l la st h ep o w e rg o n t r o lf e a t u r e sw i t h i n v a r i a b l ec u r r e n to u t p u t k e yw o r d sp m i g ；m c u ；s o f t - s w i t c h i n g ；d o u b l ec l o s e d - l o o pc o n s t a n tc u r r e n tc o n t r o l l i n g ； i i i 北京t 业大学t 学硕 ：学位论文 i v 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：同期： 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： 翩签名茹蛀 剔噬夕烨 第1 章绪论 曼鼍m i m _ 一l i m 一, , 皇曼曼曼! 曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼鼍鼍曼皇曼曼量曼皇皇曼量曼曼鼍曼曼量曼鼍置 第1 章绪论 1 1脉冲g 焊接技术的研究现状 目前，薄板特别是铝合金薄板被大量应用，其制造过程中有很多薄板需要电 弧焊。焊接薄板时最容易出现的质量问题是熔池下塌，为此需要研究焊接熔池浅、 焊接速度快的焊接工艺，在稳定焊接质量的同时，提高焊接效率。钨极氢弧焊( t i g w e l d i n g ) 虽然可以焊接薄板，但是焊接速度低，变形大。 脉冲氩弧焊的方法首先由英国焊接研究所于1 9 6 3 年提出。脉冲焊是人为使 焊接电源输出的能量按一定的规律变化。这种变化可以明显地改善电弧的稳定 性，控制焊丝的熔化及熔滴过渡，可以控制对熔池及母材的热输入量和控制焊缝 成形。同时，可以改善焊缝组织及外观成形而得到高质量的焊缝，较适合于薄件、 全位置焊接等场合1 。特别在铝台金m i g 焊中，由于铝合金具有导热性好、热 膨胀系数大、热敏感性太、熔点低等特点，使得在直流m i g 焊铝过程中，易出 现焊缝余高大、焊缝成形差，易出现气孔，薄板焊接时易出现烧穿等现象。为此， 国内外均出现了大量的铝合金脉冲m i g 焊专用焊机。脉冲m i g 焊电源一般分为 一体式和分体式。配合等速送丝用脉冲电流控制熔滴过渡及母材的热输入量。 目前，常用的实现脉冲m i g 焊的电源有单相一体式脉冲电源、三相不平衡 一体式脉冲电源、并联式脉冲电源、串联直流断续器的脉冲电源、开关式晶体管 脉冲电源、逆变式脉冲电源等n h 引。脉冲m i g 焊接生产率高、易实现自动化， 是铝合金焊接生产的主要工艺方法之一。为了进一步提高传统的脉冲m i g 焊工 艺方法的焊接质量，美化焊缝外观，研制开发了低频调制型脉冲m i g 焊接方法 n 引。该焊接方法用低频脉冲来调制频率较高的熔滴过渡脉冲的峰值电流和峰值持 续时间，使电弧力和热输入随低频调制频率而变化。在得到美观的鱼鳞状焊缝表 面的同时，能扩大可焊接头间隙的范围，减少焊接气孔发生率，细化焊缝晶粒， 降低裂纹敏感性。为进一步提高电弧的稳定性、改善焊缝成形和增加熔深以及实 现厚板铝合金的高效焊接，近几年国外发展了单丝复合脉冲m i g 焊和双丝 t a n d e mm i g 焊方法嵋卜2 5 1 。 图1 - 1t a n d e m 烈丝焊原理图 f i gl 一1 t h es k e t c ho f t w i n w i r ew e l d i n go ft a n d e m 图l o 复台脉冲焊接的电压波形 f i g1 2 f i n e v o l t a g e w a v e f o r m o f c o m p o s i t e p u l s e w e l d h l g t a n d e m 取丝焊足将两根焊丝按一定角度放在一个特别设计的焊枪罩，两根 焊丝分别由各自独立的电源供电，原理图如图1 - l 所示。除送丝速度可以不同外， 其它参数，如焊丝的材质、直径、是否加脉冲等都可彼此独立设定，从而保证了 电弧工作在最佳状态。单丝复合脉冲焊接工艺是采用一个低频的协调脉冲对另一 个高频单位脉冲的峰值和时间进行凋制，使单位脉冲的强度在强、弱之问低频周 期性切换，得到周期性变化的强弱脉冲群，其f 色压波形如图1 2 所示。 随着现代焊接技术的不断发展和应用，越来越多的焊接方法譬如激光焊 ( l a s e r w e l d i n g ) 、搅拌摩擦焊( f s w ) 、电阻焊( r e s i s t a n c e w e l d i n g ) 以及脉冲熔化 极气体保护焊( m i g ) 将逐渐应用到铝合会焊接中柬。但受发展现状、工艺特性以 发生产成本等因素的制约，d 口两种焊接方法在新型铝合金车体的制造中尚处于起 步阶段，电阻焊因其焊接特性不适用于铝合金车体的焊接而很少在锅台金车体上 得到大规模的应用。脉冲m i g 焊以其成熟稳定的技术、良好的焊缝质量、广 泛的工艺适应性和容易实现自动化等特性在世界各国的铝合金车体制造中被广 泛采用。掘资料表明，国内外现有铝台余车体制造中9 1 p o 以上的焊缝采用脉冲 m i g 焊。因此总结和开发铝合金车体的脉冲m i g 焊工艺也更符合目前公司铝合 金车体制造工艺的发展需要，具有更高的实用价值。然而，脉冲m i g 焊焊接过 程中电弧的稳定性和焊接质量的稳定性是国内外关心的热点。尽管国内外的专 家、学者在脉冲m i g 焊过程控制方面取得了一些进展。但都有一定的局限性， 如设备复杂、昂贵、抗干扰能力差、可靠性低等。因此，在脉冲m 1 g 焊过程和 质量控制方面开发简单、实用、可靠而且成本低的检测装置和控制技术是有待解 决的问题。 12 脉冲m i g 焊机控制系统的研究现状与意义 脉冲熔化极惰性气体保护捍简称p m l 6 是一种焊接质量较高的熔化焊方法， 它的突出优点表现为：其电弧轴向性好，飞溅小，焊缝成形美观；焊接电流调节 范围较宽，包括短路过渡到喷射过渡的所有电流区域，既能焊接厚板，也能焊接 第1 荦绪论 薄板，焊接薄板时与短路过渡比较有熔透性好、变形小、焊接效率高等特点；采 用脉冲电流后，可采用较小的平均电流进行焊接，平均电流比g m a w 焊时的连续 电流喷射过渡的临界电流低，因此母材的热输入量低，焊接变形小，适用于全位 置焊接；熔滴过渡过程可控性比较强，既可得到较大的熔深( 因脉冲电流幅值大) ， 又可控制总的平均焊接电流在较低的水平，可有效控制热输入量h 9 1 。因此它在生 产上得到了重视，特别是机器人焊接时对焊接质量和精度要求比较高的场合更是 如此。加上现代人工智能技术、数字化信息处理技术、计算机视觉技术等高新技 术的融入，也促使脉冲m i g 焊技术正朝着焊接高速高效化、焊接控制数字化、 控制系统智能化方向发展臼1 3 2 1 。 目前脉冲m i g 焊数字控制系统主要包括：单片机控制系统、可编程逻辑器件 ( p l d ) 控制系统、a r i d 芯片控制系统、基于d s p 的控制系统等n h 。 单片机以其较高的灵活性和性价比，广泛应用于弧焊电源的数字化控制中。 单片机控制的弧焊电源主要以m c s - 5 1 系列或m c s 一9 6 系列单片机为中央处理器， 配合少量的接口电路和外围电路。单片机控制系统中只是部分实现数字化，其反 馈信号和p i l l 仍然采用的是模拟控制电路。用计算机控制的焊机，制造方便，有 较好的试用性和通用性。然而计算机对于焊机来说，价格昂贵，体积大，而单片 机是为工业控制设计的，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，其性价比较高。因此单片机控制的弧焊电源应运而生，并得 到了很快的发展。 1 3 焊机u s b 通信接口的研究意义 焊接电源的发展已经进入数字化控制的时代，而数字化焊接电源必须要适应 计算机以及网络化管理的要求。这就要求焊接电源要具备与上位机可靠通信的功 能，即所采集的数据以及规范参数能在两者之间互相传输，并且在计算机上实现 存储。通过与上位机的可靠通信，可以实现焊机外围设备的智能化管理、网络化 通信，适应现代化工业生产车间的统一调度和生产管理以及生产档案记录的及时 储存和整理。 计算机中的接口有两类：串行接口和并行接口。计算机内部的总线接口，如 c p u 与存储器之间以及p c i 设备之间，因为其受到的干扰较少，均采用并行接口， 这样数据传输的速度快，吞吐量大；但对于计算机外部设备接口，因为其受到的 干扰较多，却以串行接口比较占优势。传统的打印机接口为并行接口，它实际上 叫c e t r o n i x 标准，这种接口现在已经应用的不多了。串行接口出现最早是在1 9 8 0 年前后，使用最广的r s 2 3 2 接口，业已形成工业标准。但是，因为其速度较慢， 现在在高速的数据传输领域的已经捉襟见肘。多年来个人计算机连接外部设备的 串口与并口的功能和结构并没有什么变化。串口的数据传输率是1 1 5 k b p s - - 北京t 业大学丁学硕_ l ：学位论文 2 3 0 k b p s ，串口一般用来连接鼠标和外置m o d e m ；并口的数据传输率比串口快8 倍，标准并口的数据传输率为i m b p s ，一般用来连接打印机、扫描仪等。原则上 每一个外设必须插在一个接口上，如果所有的接口均被用上了就只能通过添加插 卡来增加接口了。由此可见串口和并口不仅速度有限，而且在使用上很不方便。 市场急需一种高速易用的接口总线，来满足日益迫切的用户需求。在此情况下 1 9 9 4 年，i n t e l 、c o m p a q 、d i g i t a l 、i b m 、m i c r o s o f t 、n e c 、n o r t h e r nt e l e c o m 等七家世界著名的计算机和通讯公司成立了u s b 论坛，花了近两年的时间形成了 统一的意见，于1 9 9 5 年1 1 月正式制定了u s b0 9 通用串行总线( u n i v e r s a l s e r i a lb u s ) 规范，1 9 9 7 年开始有真正符合u s b 技术标准的外设出现。u s b1 1 是目前推出的在支持u s b 的计算机与外设上普遍采用的标准。1 9 9 9 年初在i n t e l 的开发者论坛大会上，与会者介绍了u s b2 o 规范，该规范的支持者除了原有的 c o m p a q 、i n t e l 、m i c r o s o f t 和n e c 四个成员外，还有惠普、朗讯和飞利浦三个 新成员。u s b2 0 向下兼容u s b1 1 ，数据的传输率将达到1 2 0 m b p s 一- - 2 4 0 m b p s ， 还支持宽带宽数字摄像设备及下一代扫描仪、打印机及存储设备。目前普遍采 用的u s b1 1 主要应用在中低速外部设备上，它提供的传输速度有低速1 5 m b p s 和全速1 2 m b p s 两种，低速的u s b 带宽( 1 5 m b p s ) 支持低速设备，例如显示器、 调制解调器、键盘、鼠标、扫描仪、打印机、光驱、磁带机、软驱等。全速的 u s b 带宽( 1 2 m b p s ) 将支持大范围的多媒体设备n 一1 。 现在，支持u s b 的p c 机外设越来越多，在软件上u s b 也已成为w i n d o w s 2 0 0 0 的一个关键部件，并很快在w i n d o w s c e 和w i n d o w s x p 中得到支持。a p p l e 的操作 平台早已提供对u s b 的支持，预计今后s u n 和d i g i t a l 的平台也将会提供对这一 技术的支持。 u s b 之所以能得到广泛支持和快速普及，是因为它具备下列的很多特点： 1 ) 使用方便 使用u s b 接口可以连接多个不同的设备，支持热插拔，在软件方面，为u s b 设计的驱动程序和应用软件可以自动启动，无需用户干预。u s b 设备也不涉及i r q 冲突等问题，它单独使用自己的保留中断，不会同其它设备争用p c 机有限的资 源，为用户省去了硬件配置的烦恼。u s b 设备能真正做到“即插即用。 2 ) 速度加快 快速性能是u s b 技术的突出特点之一。u s b 接口的最高传输率目前可达 1 2 m b p s ，比串口快了整整1 0 0 倍，比并口也快了十多倍。今后u s b 的速度还将会 提高到l o o m b p s 以上。 3 ) 连接灵活 u s b 接口支持多个不同设备的串列连接，一个u s b 口理论上可以连接1 2 7 个 u s b 设备。连接的方式也十分灵活，既可以使用串行连接，也可以使用中枢转接 头( h u b ) ，把多个设备连接在一起，再同p c 机的u s b 口相接。在u s b 方式下，所 第1 币绪论 有的外设都在机箱外连接，不必打开机箱；允许外设热插拔，而不必关闭主机电 源。u s b 采用“级联方式，即每个u s b 设备用一个u s b 插头连接到一个外设的 u s b 插座上，而其本身又提供一个u s b 插座供下一个u s b 外设连接用。通过这种 类似菊花链式的连接，一个u s b 控制器可以连接多达1 2 7 个外设，而每个外设间 距离( 线缆长度) 可达5 米。 u s b 还能智能识别u s b 链上外围设备的接入或拆卸。 4 ) 独立供电 普通使用串口、并口的设备都需要单独的供电系统，而u s b 设备则不需要， 因为u s b 接口提供了内置电源。u s b 电源能向低压设备提供5 v 的电源，因此新 的设备就不需要专门的交流电源了，从而降低了这些设备的成本并提高了性价比 【4 】 o 目前在以p c 机作为控制主机的设备控制领域，一般采用计算机的并行接口 或者串行接口( r s 2 3 2 ) 作为控制命令和数据的传输接口。受到该接口数据传输 速度的制约，仪器的命令响应和数据接收难以有很高的水平。更为严重的是，对 一般的p c 机而言，主板上的接口较少：并行接口一个，串行接口两个。因此很 难满足不断增加的控制设备应用需要乜】。 如果在对各种设备的控制接口中选择使用u s b 总线接口，以上诸多困难便可 迎刃而解。u s b 的最大理论传输速率可达1 2 m b p s ，远高于一般的并行串行总线接 口。通过外接集线器，可以对外接设备的数目近乎无限的扩充，有效的解决了 p c 机接口有限的问题。另外，工业控制设备比如焊机可能会需要便携式设备对 其进行控制，如笔记本，使用u s b 通信的方式就为此提供了方便。另外，还可以 通过在p c 上设计软件检测界面来实时监测焊接波形，可以方便的记录焊接数据 作为焊机日常保养的依据，亦可通过记录焊接时间、送丝速度等参数，对焊机工 作状况和材料型号进行管理和统计。 基于此，本文提出一种在焊机面板上设计u s b 接口的设计方案，实现焊机与 上位机的快速数据传输。 1 4 研究内容 为了进一步提高焊接质量，对于恒流特性( i - i ) 脉冲焊电源，希望在较大 电流范围内精确、灵活的控制脉冲电流波形，同时在全范围内能够获得快速、稳 定的弧长调节特性，另外对短路等异常情况能够进行实时处理。一改当前由于脉 冲电流波形、短路电流波形或弧长控制大多依赖硬件模拟电路，难以在较大电流 范围内获得较佳的脉冲电流波形和弧长调节特性的情况。 本文脉冲焊数字控制研究的目的就是，对单脉冲焊可以保证在较大电流范围 内实现稳定的和控制较为精确的一脉一滴过渡，在基值电流期间电流稳定不易熄 北京工业入学：f 学硕1 ：学位论文 弧( 尤其薄板铝焊，基值电流设计一般很小) ，同时与传统方法相比，实现全电 流范围内弧长好的动态调节性能。实现从整体上提高脉冲焊的焊接性。此外设计 了u s b 接口，以更好的实现焊机实时控制与参数采集。 本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 单脉冲焊控制系统的研究 1 以x c l 6 4 c s 单片机为控制核心的脉冲m i g 焊接电源系统，采用双闭环 恒流控制系统实现电流稳定输出，并得到动、静态性能好的脉冲电 流波形。 2 速度负反馈方式结合频率电压( f v ) 转换电路的方式设计送丝机 调速控制系统。完成调速系统和单片机系统的接口电路设计。 3 提出基于x c l 6 4 单片机的单脉冲焊控制系统设计方案，并进行实验验 证。目的是从整体上提高单脉冲焊的焊接性能，以适应自动化焊接 的需要。 ( 2 ) 带u s b 接口的显示面板的研究 以m s p 4 3 0 f 2 4 9 为m c u 设计显示面板，与主控板进行4 8 5 通信，实现焊接参数的 设置、存储、调用和显示，并设计u s b 接口，以实现焊机实时控制与参数采集。 ( 3 ) 实验分析 通过大量实验，证明本系统采用的恒流系统以及送丝系统具有良好的性能。 第2 章m i g 焊机硬件系统设计 量量曼曼量量曼量曼曼皇_ ii ii 一一 - - 皇曼曼曼皇曼曼! 曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼鼍 第2 章g 焊机硬件电路设计 2 1系统总体方案 本m i g 焊接电源三个模块组成：主电路模块、控制电路模块以及显示模块。 如图2 - 1 所示。 图2 1硬件系统总体框图 f i g 2 - 1t h eo v e r a l lb l o c kd i a g r a mo f h a r d w a 陀s y s t e m 主电路采用逆变频率为2 0 k h z 的i g b t 全桥式软开关电源。如上图所示，主 电路部分由三相工频交流电经三相整流模块的全波整流，把交流电变成直流电， 再经过滤波变为平稳的直流电，输入逆变电路。高压直流电通过电力电子器件的 开关作用和高频变压器的隔离与降压，变为2 0 k h z 左右频率的低电压大电流交流 电，之后再采用超快恢复二极管模块对电源进行二次a c d c 整流，二次整流后经 电感滤波变成低电压、大电流输出。 由分流器将输的信号采回，经主控制电路的核心控制器x c l 6 4 c s - 1 6 f 处理后 送入u c 3 8 4 6 ，其中，u c 3 8 4 6 将接收到的若干信号处理后输出两路p 1 j | m 波，经触 北京t 业人学_ t 学硕l j 学位论文 发器等调制成带移相的四路p w m 波形，输出给脉冲变压器驱动后送给i g b t ，双 闭环恒流控制即是由u c 3 8 4 6 作为核心控制芯片实现的。送丝控制系统是通过编 码器采样速度信号后，经过频压转换电路后由p w m 芯片t l 4 9 4 进行调制，进而实 现的闭环稳速送丝控制。其他控制部分完成一些其它信号的采集与处理。 控制电路模块选用英飞凌的x c l 6 4 c s 一1 6 f 单片机作为核心控制器，由双闭环 恒流控制部分、送丝控制部分和其他控制电路组成。 显示部分选用t i 公司的m s p 4 3 0 f 2 4 9 作为核心控制器，显示面板实现了参数 的设定与调节，并且拥有人性化的界面，方便用户进行参数的设置。其中，显示 面板与控制系统通过4 8 5 进行通信。 2 1 1主电路部分 针对硬开关方式随着逆变频率的增加引起的开关损耗大、电磁干扰严重等问 题，本文采用了f b z v z c s 全桥逆变软开关技术，在电源输出的全范围内实现超 前臂的零电压开通和滞后臂的零电流关断。 它的主要优点是： 1 、超前臂开关z v 开通，滞后桥臂开关z c 关断； 2 、开通和关断损耗几乎为零； 3 、效率高； 4 、无二次寄生震荡； 5 、成本低，功率密度高； 6 、满足软开关条件的负载和输入电压变化范围很宽。 如图2 - 2 所示，在变压器原边串联一饱和电感l s ，当电流到达零以后，在 一小段时间内将电流钳在零值，使滞后桥臂开关实现q 2 、q 4 零电流关断。其特 点是：滞后桥臂开关q 2 、q 4 不并联电容，以避免开通时电容释放的能量加大开 通损耗；超前臂开关q 1 、q 3 利用变压器漏感和功率管输出电容产生谐振，漏感 储能向输出电容释放的过程中，使输出电容电压逐步下降到零，体二极管开通， 实现零电压开通。因此，这里所谓的z v z c s - p w m 变换器，并不是桥式电路的四个 开关都能满足零电流关断和零电压开通的条件，而是超前臂开关满足零电压开通 条件，滞后臂满足零电流关断条件，因此它是一种混合式z v s 和z c s - p w m 变换器。 8 第2 章m i g 焊机硬件系统设计 图2 - 2主电路框图 f i g 2 - 2m a i nc i r c u i td i a g r a m 图2 2 中，滞后桥臂丌关q 2 、q 4 实现z c s 的方法，主要是在主电路中与变 压器原边绕组串连一个阻断电容c b ，其作用是：当q 1 关断、d 3 导通时，原边漏 电感电流通过d 3 、q 4 流通。阻断电容c b 上的电压迫使电感电流( 即变压器原边 电流) 下降到零，创造了滞后桥臂开关管q 2 、q 4 零电流关断的条件。此外，还 避免期间特性不对称等原因使变压器产生磁芯直流偏磁和饱和现象。 在f b z v s p w m 变换器中，由于i g b t 的拖尾电流造成大量的开关损耗，另一 方面箝位续流的环流造成的附加导通损耗，使其难以在大功率变换中应用。移相 控制f b z v z c s p w m 逆变器克服了这两个缺点，成功的解决了关断损耗和附加环 流的问题。 移相控制f b - z v z c s - p w m 逆变电路综合了零电压开关和零电流开关的优点， 代表着弧焊逆变电源的发展方向。因此本设计中软开关逆变电源主电路采用全桥 型移相控制f b z v z c s p w m 逆变电路。 图2 3 为电源输出1 3 0 a 时，实测的q l 驱动与管压降波形，从图中可以看出， 在驱动给出开通信号之前，管压降已经为零，实现了零电压开通。 图2 4 、2 5 、2 - 6 分别为实际测量的滞后臂q 4 零电压、零电流关断的管压 降、驱动与原边电流波形，通过以上实际测量波形可以看出本文采用的软开关技 术实现了超前臂开关零电压开通，滞后桥臂开关零电流关断。由图2 4 可以看出， 开关管关断时刻电压、电流均为零，大大降低了开关损耗。 = 酗2 - 3输出1 3 0 a 时，0 1 驱动 l 管爪降波形 f i g2 - 3 t u b ev o l t a g ea n d d r i v e r o f o lw i t h1 3 0 ao u t p u t 瑚 f o ” i 一”：，。 豳2 4滞后臂0 4 零电压、零电流芙断的管压降与原边电流波形 f i g2 4 t u b ev o l t a g e a d t h e o f i g t p a lc u m n tzvoltage,cu目llturn-offwaveformo f q 4 一l a g 幽2 - 5滞_ | 亓臂删零电压荧断的驱动与管压降波形 f i g2 - 5 t u b e v o l t a g ea n d d f i v 日z e mv o l t a g e t u r n o f f w a v e f o mo f q 4 盯m l a g 攀、h、 一 第2 章m i g 焊机硬件系统设计 图2 _ 6 滞后臂q 4 零电流关断的驱动与原边电流波形 f i g 2 - 6d r i v e ra n dt h eo r i g i n a lc u r r e n tz e r oc u r r e n tt u r n - o f fw a v e f o r mo fq 4 卸衄l a g 2 1 2 单片机控制系统总体方案 如图2 - 1 所示，本文中选用了两款单片机，一款英飞凌公司的x c l 6 4 c s 一1 6 f ， 一款t i 公司的m s p 4 3 0 f 2 4 9 。 其中脉冲m i g 焊控制系统是由单片机x c l 6 4 c s - 1 6 f 及其外围电路组成的。单 片机控制系统主要负责系统的总体管理。依靠软件和硬件的共同作用实现波形给 定和焊机的管理。软件程序通过j t a g 接口由p c 机下载到目标板。单片机系统经过 输出p w m 信号到驱动电路以驱动i g b t 。由电压l e m 和电流l e m 采样电流电压信号反 馈至单片机控制系统，完成闭环控制。包括电流闭环控制部分、送丝闭环控制部 分、弧长闭环控制部分等。 本设计由单片机( x c l 6 4 c s - 1 6 f ) 根据不同的送丝速度v f ，设定相应的焊接 电弧电压v g 、电流参数t b 、t p 、i b 、i p 等。在焊接过程中，当焊接条件发生变 化时，由单片机根据采样计算得到反馈电压和给定的电弧电压相比较来调整基值 时间t b 的值，使电弧在峰值和基值之间切换，以保证在实现一脉一滴的前提下， 维持弧长恒定和焊接过程稳定。 显示电路由m s p 4 3 0 f 2 4 9 单片机作为控制核心，完成焊接参数的设定及焊接电 流、电压的显示，主要的参数包括：电压设定、基、峰值电流设定、基、峰值时 间设定，焊丝选择等。显示电路与主控电路通过4 8 5 进行通信，把焊接参数设定 传递给主控系统，主控系统产生相应的送丝速度传递给送丝电路，从而完成焊接 参数的匹配。 可以说，在整个控制系统中，由x c l 6 4 c s - 1 6 f 单片机作为核心控制器的主控 系统是整个控制系统的核心。 北京t 业大学t 学硕一l j 学位论文 2 2 脉冲m i g 焊机控制系统总体硬件设计 2 2 1 数字处理芯片的选择 在数字控制系统中，所采集的数据能得到快速处理，是实时控制的关键。主 要控制芯片的选择对于满足系统控制实时行要求十分重要。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。 因此，要求我们寻找一种芯片，它要具有以下特点： 1 ) 通用性强如今单片机的应用已深入到通信、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相对于现有的各种芯片要有较大的提高。 这样，它才能适应数字化焊接电源的飞速发展要求，对随机性极强的焊接过程做 出及时的响应。 3 ) 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；输出p w m 波形的能力；具有事件处理能力；拥有强大的数值计算能力；与外界的计算机和 其他单片机的通讯能力；以及实时的硬件仿真和调试能力。 4 ) 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。 英飞凌开发的1 6 位微控制器系列用来满足实时嵌入式控制应用的高性能需 求，其体系架构经过优化，具有更高的指令处理能力，对外部激励( 中断) 的响 应时间更短。系统集成了智能的外设子系统，最大程度降低了c p u 对外设的干预； 同时最大程度降低了通过外部总线接口进行通信的需求。该架构具有高度的灵活 性，可满足诸如汽车、工业控制或数据通讯等不同应用领域的需求删 。 x c l 6 x 系列是英飞凌公司推出的1 6 位微控制器的第四代产品，本课题的控 制电路选用的就是其系列的x c l 6 4 c s 作为控制核心，其内核体系结构完美地结合 了r i s c 和c i s c 处理器的优点，并将功能强大的c p u 与一系列高性能的外围单元 集成，有效地连接成一个单片机系统。片上存储器模块拥有专用总线和控制单元， 可以存储代码和数据。这些优点促成了该控制器的高性能，使得它不仅适用于当 前的应用，而且适用于将来的工业应用。x c l 6 4 c s 的系统框图如图2 7 所示。其 主要功能如下： 1 ) 运算速度快：m a c 单元加入d s p 功能处理数字滤波器算法，从而大大缩 第2 章m i g 焊机硬件系统设计 短了乘除运算的时间，单时钟周期指令执行速度，其允许的最大时钟频率为 4 0 删z 。 2 ) 存储器容量大：2 k b 双口r a i d 用于存储变量、寄存器组和堆栈；附加的 2 k b 片上高速数据s r a m 用于存储变量和堆栈；2 k b 片上高速程序数据s r a m 用 于存储代码和数据；1 2 8 k b 的f l a s h 支持在线编程。 3 ) 内部资源丰富：具有1 6 8 种优先级、高达8 0 个中断源的中断系统：2 组共5 个1 6 位定时器计数器单元；1 4 个1 0 位精度的a d 转换通道；2 组共3 2 个捕捉比较通道；2 个异步同步串行接口( a s c ) ；2 个高速同步串行接口( s s c ) ； 2 个c a n 接口以及高达7 9 个普通i o 口线。 4 ) 程序下载和调试方便：具有片内自举引导程序，可通过串口下载程序； 带有片上调试接口o c d s ( o n - c h i pd e b u g g i n gs y s t e m ) 。 x c l 6 4 c s 为双电源供电，内核电压为2 5 v ，i o 和a d c 电压为5 v 。2 5 v 电 源通过l m l1 1 7 - 2 5 v 得到。 x c l 6 4 c s 片上资源丰富，共有1 0 0 只引脚，x c l 6 4 c