（机械工程专业论文）数字化电源人机交互及故障检测系统研究.pdf

k ：。一。 独创性声明 i i i ii iii i iji ii i i ipll iii y 17 8 7 7 0 7 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： 宣萤重日期：兰! 坐：! ：2 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，允许论文被杏阅和借阅；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：! 望盏重 导师签名： 摘要 摘要 随着焊接技术和控制技术的发展，数字化、智能化、高效化的焊接设备已成 为主要发展方向。对数字化焊机的研究已经成为热点，本课题就是对数字化电源 人机交互系统及故障检测系统进行的研究。 本文设计了数字化焊机控制系统整体硬件电路，其中包括控制电路、故障检 测电路、送丝电路、脉宽调制输出电路及人机交互电路等。数字化人机交互系统 采用美国m i c r o c h i p 公司的d s p i c 3 0 f 6 0 1i a 与蓝海微芯公司的l j d z n 系列的智 能液晶显示模块，两者之间通过r s 4 8 5 进行通讯，实现了对焊接电流、焊接电 压等的实时显示。故障检测系统是在常规闭环控制系统电路的基础上加一芯片来 实现对整个控制系统电路板的故障检测。故障检测系统主要是对供给电源，模拟 量包括反馈电流和反馈电压，数字量包括焊枪开关和送气信号，送丝速度反馈及 p w m 输出信号等的检测。 数字化人机交互系统与主控系统及故障检测系统之间采用c a n 总线通讯的 方式，能够将焊接设备运行状态的诸多参数实时传输回来，并且可以在人机界面 上显示故障检测结果，从而实现数字化焊机的数字化控制管理。 最后对数字化焊机控制系统电路板进行了故障检测实验，实验表明，该故障 检测平台可以实现对控制系统硬件电路板的检测，能够方便快捷地帮助维修人员 查找故障原因，缩小故障范围，大大节省了人力资源和时间，达到了本设计的要 求。 关键词数字化电源；故障检测；c a n 总线 北京工业大学工学硕卜学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw e l d i n gt e c h n o l o g y ，i n t e l l i g e n c e ，d i g i t a l ，h i g he f f i c i e n c yo f w e l d i n ge q u i p m e n th a sb e c o m eam a j o rd e v e l o p m e n td i r e c t i o n r e s e a r c ho nd i g i t a lw e l d i n g m a c h i n eh a sb e c o m eah o tt o p i c t h i sa r t i c l em a i n l ya i m sf o rh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o ns y s t e m s a n dt h ef a u l td e t e c t i o ns y s t e mo fd i g i t a lp o w e r t h ew h o l eh a r d w a r ed e s i g no fd i g i t a lw e l d i n gm a c h i n ec o n t r o ls y s t e mi n c l u d e st h em a i n c i r c u i t ，p w mo u t p u tc i r c u i t ，w i r ec i r c u i t ，f a u l td e t e c t i o nc i r c u i ta n dt h eh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o n c i r c u i t t h ed i g i t a lh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o nu s e dt h ed s p i c 3 0 f 6 0 11 ao ft h eu n i t e ds t a t e s m i c r o c h i pi n e a n dl j d - z ns e r i e si n t e l l i g e n tl c dm o d u l e so ft h eb l u eo c e a n ，t h r o u g ht h e r s 4 8 5t oc o m m u n i c a t eb e t w e e nt h et w o ，r e a l i z e dw e l i n gc u r r e n ta n dv o l t a g ei nr e a l - t i m ed i s p l a y t h ef a u l td e t e c t i o ns y s t e mi sb a s e do nt h ea d d i t i o n a lc o n t r o lc i r c u i t r yo fac h i pi nt h ec o n v e n t i o n a l c l o s e d - l o o pc o n t r o ls y s t e mt od e t e c te a c hl o o pi nt h ee n t i r eh a r d w a r ec i r c u i t s m a i n l yo nt h e s u p p l yo fp o w e r , a n a l o gf e e d b a c k , i n c l u d i n gf e d d b a c ko nc u r r e n ta n dv o l t a g e ，d i g i t a ls i g n a l s i n c l u d i n gt o r c hs w i t c ha n da s p i r a t i o ns i g n a l s ，w i r es p e e df e e d b a c ka n dp w mo u t p u ts i g n a l s d e t e c t i o na n ds oo n d i g i t a lh u m a n - m a c h i n ei n t e r a c t i o ns y s t e mu s e sc a n b u sc o m m u n i c a t i o nm e a n sw i t ht h e m a i nc o n t r o ls y s t e ma n dt h ef a u l td e t e c t i o ns y s t e m i th a st h ea b i l i t yt or u nt h es t a t eo fw e l d i n g e q u i p m e n t ，t r a n s m i t sm a n yp a r a m e t e r so f r e a l - t i m eb a c kt ot h em a n - m a c h i n ei n t e r f a c es y s t e m , a n d d i s p l a y st h ef a u l td e t e c t i o nr e s u l t s ，i no r d e rt oa c h i e v ed i g i t a lw e l d i n gm a c h i n eo ft h en e t w o r k c o n t r o la n dm a n a g e m e n t f i n a l l y , t h eh a r d w a r ec i r c u i tb o a r do ft h ed i 西t a lw e l d i n gm a c h i n e c o n t r o ls y s t e mc a r r i e do n f a u l td e t e c t i o ne x p e r i m e n t s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef a u l td e t e c t i o np l a t f o r me n a b l e st h ed e t e c t i o n c i r c u i to nt h ec o n t r o ls y s t e me a s i l ya n dq u i c k l yt oh e l pt h em a i n t e n a n c es t a f ff i n dt h ec a u s eo ft h e m a l f u n c t i o na n dr e d u c ef a u l tc o v e r a g e i tg r e a t l ys a v e sh u m a nr e s o u r c e sa n dt i m e ，m e e t st h e r e q u i r e m e n t so ft h i sd e s i g n k e y w o r d sd i g i t a lp o w e r ；f a u l td e t e c t i o n ；c a nb u s i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第1 章绪论1 1 1 课题背景1 1 2 国内外研究现状1 1 2 1 数字控制技术的研究进展l 1 2 2 人机交互系统现状3 1 2 3 通讯系统的现状4 1 3 本课题研究内容7 第2 章数字化控制系统的设计9 2 1 硬件电路总体设计9 2 1 1 控制电路的设计1 0 2 1 2 故障检测电路的设计1 1 2 1 3 送丝电路的设计1 2 2 。1 4 脉宽调制电路的设计1 3 2 2 控制系统软件设计1 4 2 2 1a d 模块( 数据采集) 15 2 2 2d a 模块( 数据给定) 1 6 2 2 3 输出p w m 模块一1 7 2 2 4 输入捕捉模块18 2 3 本章小结1 9 第3 章数字化人机交互系统设计2 l 3 1 数字化人机交互系统硬件电路设计2 1 3 1 1 人机交互系统中的d s p i c 3 0 f 6 0 11 a 最小系统2 l 3 1 2 智能液晶模块简介2 2 3 1 3r s 4 8 5 通讯电路设计2 4 3 。2c a n 通讯电路设计2 4 3 3 数字化人机交互系统软件设计2 6 3 3 1 智能液晶模块显示程序设计2 6 3 。3 2c a n 总线通讯程序设计3 3 3 4 本章小结3 8 i i i 北京t 业大学t 学硕七学位论文 第4 章故障检测系统设计3 9 4 1 故障检测系统硬件电路设计3 9 4 1 1 供给电源检测设计3 9 4 1 2 模拟量检测设计4 0 4 1 3 数字量检测设计4 1 4 1 4 送丝速度反馈检测设计4 2 4 2 故障检测系统软件设计4 3 4 2 1 软件开发环境及硬件调试工具简介4 3 4 2 2 故障检测软件功能模块“ 4 3 本章小结4 7 第5 章实验方案设计与实验结果分析4 9 5 1 实验设备及方法4 9 5 2 故障检测实验5 0 5 2 1 供给电源检测实验5 0 5 2 2 模拟量检测实验5 0 5 2 3 数字量检测实验5 2 5 2 4 送丝速度反馈检测实验5 2 5 3 系统评价5 3 5 4 本章小结5 3 结j 沧5 5 参考文献。5 7 攻读硕士学位期间取得的研究成果6 1 致 射6 3 i v 第l 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 焊接技术作为一种基本的生产手段，在制造业中已经有6 0 - - 7 0 年的历史了， 早在2 0 世纪3 0 年代中期，焊接技术在工业中的地位还是微不足道的。而现在焊 接在现代制造工业中占有举足轻重的地位。已被广泛应用于航天航空、原子能、 造船、交通车辆、机械制造等部门。焊接技术直接影响到产品的质量、可靠性、 寿命以及生产成本、效率等方面。焊接作为一种伴随社会发展不可或缺的工艺手 段，其技术水平标志着一个国家的工业发达程度n 吲。 随着全球制造工业越来越激烈的竞争，传统的焊接技术越来越不能满足现代 企业的需要。如何降低生产成本，提高焊接效率成了亟待解决的问题，高效化焊 接技术成为必然趋势。而自动控制技术、人工智能化思想等的发展使焊接技术更 加数字化、智能化，为此很多国内外的公司都将重点转向数字化焊机及工艺的开 发与研究。 目前国内外的所有焊机类型中，数字化焊机是最先进的。数字化焊机在工艺 效果方面，具有柔性化控制、稳定性好、控制精度高等特点。能够提供更好的工 艺稳定性和好的工艺效果。同时，数字化焊机具有方便的通讯接口，可以为网络 化平台提供良好的基础。在弧焊工艺的研究方面，数字化焊机提供的在线控制程 序的升级功能，为新控制策略的实施提供方便、快捷的途径。因此，研究和发展 电焊机的数字化控制技术意义重大。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 数字控制技术的研究进展 数字化焊机是数字化控制技术和焊接工艺相结合的产物。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机交互系统。其中主电路和 控制系统是实现数字化焊接电源的关键，人机交互系统是数字化焊接电源的外在 表现7 l 。 数字控制弧焊电源是近年来开发的一类新型弧焊电源1 8 1 。随着单片机、数字 信号处理器d s p 等的发展，新型的弧焊电源逐步开始走向数字化。它是将控制电 路中原先传统的模拟集成电路替换成数字化的控制电路。控制信号也由传统的模 北京_ 【：业大学t 学硕十学位论文 拟信号替换为i o 编码的数字信号。数字电路控制的电源具有设计灵活、便于修 改的特点。国内外弧焊电源的最新技术趋势是逆变技术和数字化控制技术相结 合，即弧焊逆变电源的数字化控制技术，使其更加可靠，性能更好，功能更全浯2 引。 相比较传统的模拟式弧焊电源，数字化控制弧焊电源具有以下优点n 钔： ( 1 ) 柔性化控制传统模拟控制系统的控制功能主要是由硬件结构和参数决 定的，一旦硬件电路确定往往很难改变。如果想进一步提高控制能力，就需要选 择更优的器件，或对原有电路进行大范围的改动，这样一来，会给使用者带来很 大的麻烦。数字化控制系统的控制功能是在基本的硬件电路的基础上，运用软件 编程来实现的。即使是同一套硬件电路，通过改变相应的软件控制程序，就可以 实现不同的控制功能。亦可根据不同焊接方法、焊丝材料编写不同的软件程序。 由此可见，数字化控制弧焊电源的柔性化特点的优势。 ( 2 ) 稳定性高模拟控制系统中，信号的处理都是通过硬件上的电子电路进行 处理的。由于电子电路中电阻、电容等元器件参数的偏差漂移等，使得模拟控制 稳定性很差。而在数字化控制系统中，信号的处理及控制算法都是通过软件编程 来实现的，避免了模拟信号的传递过程的畸变和失真现象，减少了电磁干扰，使 其性能稳定、可靠、无零漂、抗干扰能力强，同时还能完成很多复杂的算法，这 些都是传统的控制方法无法实现的。 ( 3 ) 控制精度高模拟控制系统的精度一般是由电子元器件的参数值引起的 误差和运算放大器非理想特性参数( 如噪声) 引起的误差所决定的。数字化控制 系统的精度与模数转换的量化误差及系统的有限字长有关。因此数字化控制系统 常常获得较高的控制精度。 ( 4 ) 接口兼容性好数字化控制系统一般采用单片机或d s p 等，这样数字化 焊机、与机器人以及数字化焊机内部的电源与送丝机、电源与水冷装置、电源与 焊枪之间的通讯接口就可以非常方便的交换信息。随着焊接生产中的网络化监控 越来越广泛的应用，数字化控制系统将会发挥重要的作用。 除上述特点外，数字化焊接电源上皆有人机交互系统。该系统是人机最直接 传递信息的界面。利用单片机或d s p 可以实现对焊接参数的一元化调节，实现 数字化的人机交互，更加方便了用户的操作。数字化的弧焊电源控制系统包括了 硬件电路和软件编程。硬件电路系统可以实现模块化、标准化；软件程序亦可以 实现平台化、模块化。这样一来，针对不同的功能要求，只需改变软件程序即可 实现，大大提高了焊机的通用性。 数字控制技术相对模拟控制技术具有较大的优越性，主要表现为：数字信号 处理技术控制精度高、灵活性大、可靠性好以及易于实现大规模集成电路。因此， 数字信号处理技术早已在自动控制、通信、语音处理、图形处理、仪器仪表、军 事与尖端科技等诸多领域内得到了广泛应用随 。 第1 章绪论 目前应用的主要有三种数字控制方式，分别为单片机控制方式、d s p 控制方 式及f p g a 控制方式。这三种控制方式各有其各自的特点。单片机的价格低廉， 但由于工作频率的限制，控制精度和响应速度不佳，应用范围非常有限。f p g a 具有容量大、逻辑功能强、高速、高可靠性的特点。其控制效果较好，不但能够 产生高分辨率的数字p w m 波形，还能够实现强大的附加功能，但价格比较昂贵。 d s p 构架的设计是专门针对数字信号处理的，其计算功能非常强大，弥补单片机 动态响应性能不足的缺点。d s p 的控制效果也相当不错，所以现在有很多电源产 品都用了d s p 芯片做控制电路心卜2 刳。 综上所述，由于数字控制的众多优点及数字技术的高速发展，数字控制的弧 焊电源有着极为广阔的应用前景。 1 2 2 人机交互系统现状 人机交互系统是人机最直接的操作界面，是操作者向计算机输入信息、发出 指令及观察现场参数和信息的窗口，具有友好性、灵活性、功能性、明确性、一 致性、可靠性等特点。采用键盘输入和液晶显示作为人机交互的接口体现了数字 化的优势，不仅使参数的设置方便、直观，而且使焊接方法选择和参数设置也具 有了一定的人性化心。 国外在数字化人机交互系统领域起步较早，很多的研究成果已经产品化并且 投入市场中。很多国外的公司已将液晶显示技术与键盘操作技术相结合，能够更 加精确直观的设置焊接方法及焊接参数，操作简单方便。尤其是针对一些多功能 的焊机，功能菜单更加丰富。如奥地利f r o n i u s 公司的t r a n s s y n e r g i c4 0 0 0 5 0 0 0 及t r a n s p u l s s y n e r g i c 2 7 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 全数字化焊机，美国m k 产品集团公司的 m kc o b r at i g l5 0 焊机，美国m i l l e r 公司基于微处理机控制的a u t o m a t i c m 型焊 机等都应用到数字化人机交互系统瞰1 。 如下图1 3 所示，图为奥地利f r o n i u s 公司的t r a n s p u l s s y n e r g i c 3 2 0 0 全数字 化焊机，该焊机的人机界面上可以设置脉冲m i g 、直流m i g 、手弧焊及t i g 焊 等多种工艺方法，也可设置不同材质、不同焊丝直径等。 北京t 业大学t 学硕十学位论文 图l 一3f r o n i u s 公司的t r a n s p u l s s y n e r g i e 3 2 0 0 全数字化焊机人机界面 f i g 1 - 3m a n m a c h i n ei n t e r f a c eo ff r o n i u st r a n s p u l s s y n e r g i c 3 2 0 0f u l ld i g i t a lw e l d i n gm a c h i n e 图1 _ 4c l o o s 的全数字化焊机人机交互界面 f i g 1 _ 4m a n - m a c h i n ei n t e r f a c eo fc l o o s f u l ld i g i t a lw e l d i n gm a c h i n e 如图1 4 所示，为德国c l o o s 的全数字化焊机人机交互界面。与f r o n i u s 公 司不同是c l o o s 的人机界面采用的是智能液晶模块显示，相比较一般的数码管显 示能够更加直观清晰，显示内容更加丰富。 设计数字化人机交互系统主要是为了操作者与焊接电源控制系统之间能够 更方便进行信息的交流。操作者通过人机交互系统能够对焊接过程进行实时监 控。目f j 的人机交互系统大都采用的是菜单式的构架，并能够使用键盘或是触摸 屏对焊接的参数进行设置和及时的调整。 1 。2 3 通讯系统的现状 目前国内外采用的串口通讯方式多为r s 2 3 2 协议、r s 4 8 5 协议及c a n 协议。 r s 2 3 2 协议是目前最常用的一种串行通讯接口。由于r s 2 3 2 接口标准出现较早， 难免有不足之处。它采取不平衡传输方式，即单端通讯。因其使用不平衡的发送 器和接收器，发送端和接收端要共地，因此对干扰信号，特别是对共模干扰信号 第1 章绪论 无法进行有效地抑制。 针对r s 2 3 2 的不足，于是就不断出现了一些新的接口标准，r s 4 8 5 就是其 中之一，它最大的优点是低阻传输线对电气噪声不敏感，而且易于实现光电隔离， 这样既可以消除干扰的影响，又可以获得更长的传输距离及允许更大的信号衰 减，可大大提高通讯可靠性和传输距离。 控制器局域网( c a n ) 是一种串行通讯的网络，可与其他外设或单片机之间进 行通信，此接口协议是针对允许在噪声环境下进行通讯而设计的似鼾矧。c a n 总线 是在2 0 世纪8 0 年代末由德国b o s c h 公司最先提出，应用在汽车工业中州引，为 汽车应用开发的一种多路网路系统。对于c a n 总线，两线传输最高速率为1 m p b s ， 而且双绞线在传输距离为1 - 2 k i n 能达到几百k p b s 它的总线上可以挂11 0 个接 点，c a n 具有抗瞬间干扰能力且具有较强单位检错能力，c a n 的节点还具有自 动识别永久性故障和短暂扰动的能力。除此之外c a n 总线还具有远距离传输能 力、数据传输速度快、报文错误自动重发以及严重错误节点自动关闭、抗干扰能 力强等功能h 叫。 表1 - 2c a n 总线与r s 4 8 5 的性能比较 t a b l e l - 2t h ep e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nb c t w w c nc a nb u sa n dr s - 4 8 5 特性 r s 4 8 5c a n 总线 单点成本低廉稍高 系统成本高较低 总线利用率低高 网络特性单主网络多主网络 容错机制无可靠的错误处理和检错机制 通讯失败率高极低 一 数据传输率 低高 通讯距离 1 5 k m可达1 0 k i n 节点错误的影响导致整个网络瘫痪 无任何影响 网络调试 困难 非常容易 后期维护成本向低 表1 2 是c a n 总线与r s 4 8 5 的性能比较，由此表可以看出，c a n 总线在成 本、总线利用率、容错机制、通讯距离、通讯失败率及数据传输率等方面的优越 性。 目前c a n 总线是国际上应用最为广泛的开放式现场总线之一。作为一种可 靠性高、功能完善、技术先进、成本又合理的远程网络通信控制模式，c a n 总 线已被广泛应用到各个自动化控制系统中。例如汽车电子、安防监控、智能大厦、 北京t 业人学_ t 学硕上学位论文 自动控制等各个领域，c a n 总线都具有不可比拟的优越性似5 1 。 图1 - 5 传统与现代工控系统的比较 f i g 1 - 5t h ec o m p a r i s o nb e t w w e nt r a d i t i o n a la n dm o d e r ni n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m 管理机 p c c a n 接口卡 斓 官黝彀密撬怕守帆姒 图1 - 6c a n 总线网络在长春一汽焊接生产线中的应用 f i g 1 6c a n b u sn e t w o r ki nc h a n g c h u nf a w p r o d u c t i o nl i n ew e l d i n g 图1 5 和1 - 6 是c a n 总线的应用实例。利用c a n 总线为通讯媒介，可以同 时管理多台焊机，建立弧焊多机在线的网络化管理。网络化管理可以实现对焊机 的群控管理，系统运用c a n 总线的通讯方式，可以准确快速的将焊接设备运行 状态的诸多参数实时传输回来，从而实现对焊机的集中控制管理。 第1 章绪论 1 3 本课题研究内容 本课题的主要任务包括了数字化人机交互系统的设计及对数字化电源控制 系统电路板故障检测的设计。 数字化人机交互系统采用d s p i c 3 0 f 6 0 1 1 a 单片机与智能液晶模块通过 r s 4 8 5 进行通讯，并与整个控制系统及检测系统之间采用c a n 总线通讯进行数 据传输，从而能实现焊机数据状态的实时显示和故障检测结果的显示。 数字化电源控制系统硬件电路板故障检测设计采用d s p i c 3 0 f 6 0 1 1 a 单片机 作为检测芯片，对控制系统硬件电路板进行故障检测。 在所设计的整个控制系统电路板的基础上，通过实验来验证故障检测系统平 台是否可以对控制系统硬件电路板中各个回路进行故障检测。并且验证数字化人 机交互系统与控制系统及故障检测系统之间的c a n 总线通讯。 8 第2 章数化控：削系统的设计 第2 章数字化控制系统的设计 2 1 硬件电路总体设计 - - - - - - - i- -ii-i 整流电路滤波电路逆变电路中频变压毒= 次整漉 人机交互电路 ： -i-i-i - 图2 1 系统整体框图 f i g 2 - 1b l o c kd i a g r a mo f w h o l ep r o j e c t 数字化焊接电源系统设计的整体框图如图2 1 所示，主要分为三大部分，即 主电路、常规闭环控制电路、检测电路和人机交互电路。系统硬件主电路的工作 原理是：三相3 8 0 v 电网电压直接经过整流电路和滤波电路后，得到大约5 4 0 v 的直流电压，然后输入全桥逆变电路，该全桥逆变电路经由常规闭环控制电路中 的驱动电路提供矩形波电压脉冲激励i g b t ，使其交替通断，将此直流电压经中 频变压器变换成中频交流矩形波电压输出，然后经二级整流管、电感滤波后，变 为7 0 v 左右的低电压大电流输出。 在常规闭环控制电路中，数字化电源控制电路对电流和电压实现双闭环反馈 控制。整个电源以电流闭环控制的恒流源电路为内核，从而保证电流波形实时可 控。也就是说，电流闭环控制恒流源系统作为执行机构，保证电流按照控制系统 发出的指令变化，而单片机控制系统作为指挥机构，保证电流以合理的规律变化。 具体为以主控- 心h - - 片d s p i c 3 0 f 6 0 11 a 为控制核心，将电流和电压给定信号通过其 北京t 业大学t 学硕卜学位论文 内部的a d 转换器，传给d s p i c 3 0 f 2 0 2 0 芯片，d s p i c 3 0 f 2 0 2 0 芯片接收到指令后 输出的一定占空比的p w m 脉冲信号，经过驱动电路，控制逆变电路功率开关的 通断，得到相应的反馈电流和电压。反馈电流、电压进入主控芯片 d s p i c 3 0 f 6 0 1 1 a ，通过电流电压的给定值与反馈值比较，基于一定的数字控制规 制和算法进行运算，然后将运算结果通过a d 再传给d s p i c 3 0 f 2 0 2 0 芯片进行微 调，得到相应的输出电流和电压。主控芯片也可以通过输出的p w m 脉冲信号来 实现对送丝电路中送丝速度及刹车的控制。 故障检测电路是在常规闭环控制系统电源平台的基础上，增加了一个检测芯 片d s p i c 3 0 f 6 0 11 a 来构成检测系统。该检测芯片能够对整体的硬件电路板进行 检测。即可对供给电源进行检测，对反馈的电流、电压等模拟量进行检测，也可 对焊枪开关、送气信号等数字量进行检测，又可对送丝速度反馈及p w m 信号进 行检测。 人机交互电路是选用另外一显示芯片d s p i c 3 0 f 6 0 1 l a 与智能液晶模块之间 通过r s 4 8 5 通讯，来实现数字化人机交互过程。 在整个系统设计中，控制芯片、检测芯片和显示芯片三者之间采用了c a n 总线通讯的方式。c a n 总线的通讯不但可以应用在对控制系统硬件电路板进行 检测中，也可以与数字化人机交互系统、远程控制端、焊接机器人接口等进行通 讯。 2 1 1 控制电路的设计 本系统控制电路采用d s p i c 3 0 f 6 0 11 a 单片机作为控制电路芯片，配合相应 的外围电路。控制电路起到很大的控制作用。由图2 2 中为可以看出控制电路中 控制芯片最小系统的主要作用为： 1 ) 系统根据不同的焊接规范给出不同的电流、电压信号。 2 ) 采集电流、电压的反馈信号，并能根据反馈的信号及时调整p w m 输出 进而调整输出的工作电流和工作电压，从而保证焊接过程的稳定性。 3 ) 可以输出相应的p w m 脉冲信号来调整送丝速度。 4 ) 与人机交互系统之间进行c a n 总线通讯，将焊接参数实时采集，并使其 能够实时显示工作电流、工作电压等。 5 ) 与故障检测系统之间进行c a n 总线通讯，实现对整个控制系统硬件电路 板的故障检测。 第2 章数字化控制系统的设计 1 j 1 图2 - 2 控制芯片最小系统电路图 f i g 2 2t h ec i r c u i td i a g r a mo fc o n t r o lc h i pm i n i m u ms y s t e m 2 1 2 故障检测电路的设计 故障检测电路由信号模拟电路和检测芯片d s p i c 3 0 f 6 0 1 1 a 单片机组成。主 要是对控制电路硬件电路板进行检测，以判断其是否能正常工作。故障检测电路 的设计思想主要分为两部分，即对控制芯片最小系统中输入信号和输出信号的检 测。对于输入信号，检测芯片经过信号模拟电路模拟出来一个信号给到主控芯片 中，主控芯片对此信号做出响应，并自己将响应信号c a n 通讯传给检测芯片， 检测芯片将该信号与其模拟出的信号比较，看是否在合理范围内。对于输出信号， 检测芯片给主控芯片一个命令信号，主控芯片执行命令并作出响应，检测芯片到 响应处将响应后的信号采回来与其给出的命令信号比较，看是否在合理的范围 内。 根据对电源控制系统硬件电路板检测部分进行分类，可分为五类分别是：供 给电源、模拟量、数字量、速度反馈及p w m 输出信号。输入信号包括模拟量、 数字量和送丝速度反馈，输出信号包括数字量、送丝速度反馈及p w m 信号。 北京t 业大学工学硕士学位论文 2 1 3 送丝电路的设计 如图2 3 所示，在控制送丝调速系统中，调速电路的工作原理如下：主控制 芯片d s p i c 3 0 f 6 0 1 1 a 单片机在引脚2 - r d 0 输出一p w m 脉冲信号，进入送丝电 路，驱动开关管m o s f e t 进行直流斩波，即将直流供电电源变为脉冲电源加到 送丝电机上，通过改变此脉冲电源的脉宽，就可改变送丝电机的电枢电压，进而 改变送丝电机的转速，使得送丝电机转动。送丝电机通过其自带的光电编码器输 出一路速度脉冲( 6 0 p r ) ，直接反馈给控制芯片d s p i c 3 0 f 6 0 11 a 单片机的输入捕捉 模块，在引脚2 - r d l l 处捕捉到反馈信号。在d s p i c 3 0 f 6 0 1 1 a 单片机内部与给定 的速度进行比较后进行数字p i 调节，然后由d s p i c 3 0 f 6 0 11 a 再次输出p w m 脉 冲，进而调节送丝驱动电路的输出，实现送丝电机转速的稳定控制。 图2 3 送丝控制系统电路图 f i g 2 - 3d i a g r a mo fw i r ef e e ds p e e dc o n t r o ls y s t e m 注：后面图中出现的“2 ”均表示是主控芯片的引脚，其余的是检测芯片的引脚。 光电编码器是一种应用在电机等转动装置上来实现对转速测量的器件，主要 是由一个中心带轴的光电码盘、光发射和接收的装置组成的。它的原理是：光电 码盘上有环形通和暗的刻线，当圆盘旋转一个节距时，在发光元件照射下，光敏 元件得到a 、b 两信号，该a 、b 信号是相位差9 0 度的正弦波，信号经过放大 器放大与整形，输出相应的方波，a 相比b 相导前9 0 度。若设a 相导前b 相时 为正方向旋转，则b 相导前a 相时即为负方向旋转。利用a 相与b 相的相位关 系可以判别编码器的的正转与反转，c 相产生的脉冲为基准脉冲，它是轴旋转一 周在固定位置上产生一个脉冲，可获得编码器的零位参考位。a 、b 相脉冲信号 经频率一电压变换后，得到与转轴转速成比例的电压信号，由此可测得速度值及 第2 章数化控制系统的设汁 位移量。 本设计采用南京顶瑞公司生产的c s 5 0 1 型送丝机，其本身自带编码器及相 应的光电发射和接收器件，获得一路速度脉冲，简化了设计，满足实际焊接过程 送丝控制精度的要求。具体编码器的技术数据如下： 输入电压：+ 5 v 士1 0 编码器输入电流：5 0 m a 输出电压：0 2 5 v 1 0 输出电流：i m a x = 5 m a 1 0 分辨率：6 0 脉冲转 最大输出频率：4 2 0 0 h z 1 0 2 1 4 脉宽调制电路的设计 整个控制系统电路以脉宽调制电路为核心。脉宽调制电路的工作原理是根据 给定的电流信号、电压信号和反馈电流、反馈电压信号之间进行比较，得到的误 差值经由放大器放大，并与特定的三角波比较，然后输出方波的脉冲信号。该信 号的占空比随着误差值的变化而变化，从而实现脉宽调制。 图2 _ 4 脉宽调制电路图 f i g 2 _ 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fp w m c i r c u i t 本系统采用了p w m 集成芯片d s p i c 3 0 f 2 0 2 0 外加简单外围电路完成脉宽调 制信号输出的功能。图2 4 是以d s p i c 3 0 f 2 0 2 0 为核心的闭环反馈控制系统原理 图。d s p i c 3 0 f 2 0 2 0 在整个系统中起到“执行 功能，它接收来自主控芯片 d s p i c 3 0 f 6 0 1 1 a 的脉冲输出指令，然后根据指令输出相应占空比的p w m 脉冲信 号。 本系统设计的脉宽电路调制是经由主控芯片d s p i c 3 0 f 6 0 1 1 a 的， 北京工业大学i ：学坝i ：掌位论文 d s p i c 3 0 f 6 0 11 a 给出一定值经过a d 传给d s p i c 3 0 f 2 0 2 0 ，然后经过驱动电路进 入主电路，反馈值采集回来后进入d s p i c 3 0 f 6 0 1 1 a ，在d s p i c 3 0 f 6 0 1 1 a 芯片内部 与给定值做比较，并经过一定的数字控制规制和算法进行运算后，给 d s p i c 3 0 f 2 0 2 0 发出脉冲输出指令，d s p i c 3 0 f 2 0 2 0 根据指令输出相应占空比的 p w m 脉冲信号，从而实现脉宽调制。 2 2 控制系统软件设计 本控制系统中软件部分采用的是模块化编程设计。就是将各模块的程序分别 进行编写、编译及调试。最后将各部分模块整合一起，来实现最后所要求的功能。 模块化编程作为一种软件设计方法，具有方便调试及移植修改等优点。模块化的 编程能使分程序使使用者更加容易理解，调试方便快捷。功能模块能够单独调试 来测试是否能够达到要求。当有同类需求时能够方便拿来移植修改，更能实现另 外的功能扩展。当出现问题时，能够单个模块逐一检测，很容易找到问题模块， 大大缩减调试时间，提高调试效率。 综合以上模块化编程设计的优点，本系统在自身硬件及软件实现功能的基础 上，设计出控制系统部分功能模块框图。在本设计中，以主程序的模块为主线， 协调和控制各分部分功能模块，来实现最终的控制。 主程序模块 一i +0+00 输入捕捉模 a d 模块d a 模块i o 模块p 珊i 模块c a n 通讯模块r s 4 8 5 模块 块 图2 5 软件结构框图 f i g 2 - 5s t r u c t u r ed i a g r a mo fs o f t w a r e 从图2 5 可以看出，电源控制系统软件的主要功能如下： ( 1 ) 主程序模块主程序模块起到各模块的协调功能，主程序支配各子程序模 块的运作，将各个子程序模块按照一定的逻辑贯穿起来，完成整个软件的协调运 作。 ( 2 ) a d 模块采集当前焊接电源的工作电压、工作电流，并送到单片机进行 数据处理，并将需要显示的数据送到面板进行实时显示。 ( 3 ) d a 模块根据设定的焊接参数及焊接方法，输出相应的焊接波形。 ( 4 ) i o 模块采集输入量状态及控制输出信号，如单片机还需要对送丝速度、 送气、电源开关、焊枪开关等信号进行的控制，这些信号可以通过数字量控制。 第2 章数字化控制系统的设计 ( 5 ) p w m 模块产生可调节的脉冲信号用于送丝速度给定值。 ( 6 ) 输入捕捉模块对送丝速度反馈的频率( 周期) 脉冲的采集并进行测量。 ( 7 ) 通信模块单片机d s p i c 3 0 f 6 0 1 1 a 与智能液晶模块之间的通信为r s 4 8 5 模块，单片机d s p i c 3 0 f 6 0 1 1 a 与单片机d s p i c 3 0 f 6 0 1 1 a 机之间的通信为c a n 模 块。 下面对各个功能模块进行详细地论述。 2 2 1a d 模块( 数据采集) d s p i c 3 0 f 6 0 11 a 内部有一个a d c l 2 模块，它能够实现1 2 位精度的模数转 换。d s p i c 3 0 f 6 0 1 1 a 中的1 2 位a d 转换器具有以下主要特点咖3 ： 逐次逼近寄存器( s a r ) 转换 最高2 0 0 k s p s 的转换速度 最大1 6 个模拟输入引脚 自动通道扫描模式 单极