（机械电子工程专业论文）无线遥控逆变焊接电源的研制.pdf

摘要 摘要 在遥控焊接电源中，现有的遥控焊机普遍存在以下的问题：有线遥控焊 机中由于是通过焊接电缆进行载波传送，依靠容性或感性来耦合焊接电缆，造 成信号失真，使传送的数据不太精确；无线遥控焊机中焊工在焊接时焊接控 制器太大，使焊工不便于携带；现在用于无线电传输的基础之上的焊接电流 执行机构，都是采用步进电机旋转一定的角度来调节电位器或变压器的中间抽 头调节精度这样调焊接电流的误差就很大；现有焊接无线遥控技术普遍为单 通道数据的传输，不能反馈焊接信息。我国当前正处于现代化建设之中，大型桥 梁、船舶、高层建筑和野外移动作业等行业对遥控焊接技术有很大的需求，因此 我们提出了无线遥控逆变焊接电源技术。 本文首先分析了国内外遥控焊接技术的研究现状及趋势，阐明了本课题研究 的目的和意义。本文分析了现代逆变焊接电源的结构，确定了无线遥控逆变焊接 电源装置的整体框架。基于此本课题研制了一台无线遥控逆变t i g 焊接电源装置 样机。其中此装置可分为无线遥控装置部分和单片机控制逆变t i g 焊接电源部分， 通过软硬件的灵活合理配合。一方面实现单片机控制中心控制电路可按要求给定 焊接电流，从而控制合理的焊接功率输出。另一方面，实现无线遥控装置和逆变 焊接电源装置的无线电通信，建立起点对点的可靠快速的无线遥控逆变焊接电源 装置通信实现无线遥控装置实时监控逆变焊接电源的工作状态 说明了无线遥控逆变焊接电源装置的硬件设计，其中无线遥控装置包括d s p t 粥3 2 0 v c 5 4 0 2 最小系统电路、c 5 4 0 2 的外围电路、c 5 4 0 2 同主蓝牙模块的接口 电路、c 5 4 0 2 外扩的液晶显示等接口电路。逆变焊接电源装置中主要设计了以 单片机a d u c 8 1 2 为核心的中心控制电路、单片机外围接口电路、单片机与蓝牙 模块的接口电路和人机交互界面等电路。无线遥控逆变焊接电源装置的软件采 用模块化的编程，查询方式中断响应。完成合理的单片机控制t i g 逆变直流焊 接方式和实现单片机中心控制系统与d s p 无线遥控系统的无线遥控通信协议。 试验表明，在1 0 0 米的范围内无线遥控装置能准确稳定控制逆变焊接电源 的工作状态。 关键词无线遥控；蓝牙；逆交焊接电源；单片机a d u c 8 1 2 ；d s p a b s tr a c t i nr e m o t ec o n t r o lw e l d i n gp o w e rs u p p l y ，f o l l o w i n gp r o b i e m sa r e g e n e r a l l y e x i s t e di nc u r r e n tr e m o t ec o n t r o ls o l d e r i n gm a c h i n e i nw i r e dr e m o t ec o n t r o l s o l d e r i n gm a c h i n e ，c a r r i e rw a v eisc a r r yb yw e l d i n gc a b l ew h i c hi sc o u p l e d c a p a c i t i v eo ri n d u c t i v e i tc a ng e n e r a t es i g n a ld i s t o r t i o na n dm a k et h ec a r r i e d d a t ai n a c c u r a t e ：w e l d i n gc o n t r o l l e ri st o ob i gt oc a r r yc o n v e n i e n t l yb yw e l d e r s w h ow e l di nw i r e l e s sr e m o t ec o n t r o ls o l d e r i n gm a c h i n e ：( ) w e l d i n gc u r r e n to p e r a t o r b a s e dw i r e l e s st r a n s m i s s i o na d o p to n ew a y ，w h i c hm a k es t e p p i n gm o t o rr o t a t e d d e f i n i t ea n g l et oa d j u s tc e n t e rt a pi np o t e n t i a ld e v i c eo rp o t e n t i a lt r a n s f o r m e r , t oa d j u s ta c c u r a c y t h i sw a yo fa d j u s t i n gc u r r e n tc a nm a k el a g e re r r o r ；e x i s t i n g w e l d i n gw i r e l e s sr e m o t ec o n t r o lt e c h n o l o g yc o m m o n l yi ss i n g l e - c h a n n e l d a t a t r a n s m i s s i o n ，a n dc a nn o tf e e d b a c kw e l d i n gi n f o r m a t i o n o u rc o u n t r yi s i nt h e m o d e r n i z e dc o n s t r u c t i o ms ot h e r ei sg r e a tn e e do fw e l d i n gr e m o t ec o n t r o l t e c h n o l o g yi nt h ef i e l d so fh u g eb r i d g e ，s h i pc r a f t ，h i g h r i s eb u i l d i n g ，f i e l d w o r k i n ga n ds oo n s ot h et e c h n o l o g yo fw i r e l e s sr e m o t ec o n t r o li n v e r t i n gw e l d i n g p o w e rs u p p l yi sp u tf o r w a r d t h ep r e s e n tc o n d i t i o na n dt r e n do ft h er e m o t ec o n t r o lw e l d i n gt e c h n o l o g yi s a n a l y z e df i r s t l yi nt h i sa r t i c l e t h ec o n s t r u c t i o no fm o d e r ni n v e r t i n gw e l d i n g p o w e ri sa n a l y z e da n dt h ew h o l ef r a m eo fr e m o t ec o n t r o l l e di n v e r t i n gw e l d i n gp o w e r e q u i p m e n ti sd e f i n e d am o d a lm a c h i n eo fw i r e l e s sr e m o t ec o n t r o l l e di n v e r t i n gt i g w e l d i n gp o w e ri sd e v e l o p e d t h ee q u i p m e n tc a nb ed i v i d e di n t ot h ew i r e l e s sr e m o t e c o n t r o ls e c t i o na n dt h es i n g l ec h i pc o n t r o l l e dt i gi n v e r t i n gw e l d i n gp o w e r t h e t w op a r t sa d a p ts m a r t l ya n da p p r o p r i a t e l yb yt h es o f t w a r ea n dt h eh a r d w a r e o no n e h a n d ，c e n t r ec i r c u i tc o n t r o l l e db yt h es i n g l ec h i pc a ng i v ew e l d i n gc u r r e n t a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t c o n s e q u e n t l y ，t h eo u t p u to fw e l d i n gp o w e rc a nb e c o n t r o l l e dl o g i c a l l y o nt h eo t h e rh a n d ，w i r e l e s sc o n m m n i c a t i o nb e t w e e nw i r e l e s s r e m o t ec o n t r o le q u i p m e n ta n di n v e r t i n gw e l d i n gp o w e rs u p p l ym a c h i n ei si m p l e m e n t e d ， s e t t i n gu pt h er e l i a b l ea n df a s tp o i n t t o - p o i n tc o m m u n i c a t i o no fw i r e l e s sr e m o t e c o n t r o li n v e r t i n gw e l d i n gp o w e rs u p p l ye q u i p m e n t t h u s ，t h ew o r k i n gs t a t e m e n to f r e a l t i m em o n i t o r i n gi n v e r t i n gw e l d i n gp o w e rs u p p l yc o n t r o l l e db yw i r e l e s sr e m o t e c o n t r o le q u i p m e n tc o m e st r u e 1 _ i l eh a r d w a r ed e s i g no ft h ew i r e l e s sr e m o t ei n v e r t i n gw e l d i n gp o w e rs u p p l y i i i 苎塞三些銮兰三兰罂圭兰竺兰兰 m a c h i n ei si l l u s t r a t e di nt h i sa r t i c l e t h ew i r e l e s sr e m o t ec o n t r o le q u i p m e n t i n c l u d e sm i n i m u ms y s t e mc i r c u i to fd s pt m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 e x t e r n a lc i r c u i to fc 5 4 0 2 ， t h ei n t e r f a c ec i r c u i tb e t w e e nc 5 4 0 2a n dt h em a s t e rb l u e t o o t hc i r c u i t ，c 5 4 0 2a n d i t st h ee x t e r n a ll c dd i s p l a ys c r e e na n ds oo n i nt h ei n v e r t i n gw e l d i n gp o w e rs u p p l y p a r t ，t h ec e n t e rc o n t r o lc i r c u i tw i t ht h ea d u c 8 1 2s i n g l ec h i pa st h ec o r e 、e x t e r i o r i n t e r f a c ec i r c u i to ft h es i n g l ec h i p 、t h ei n t e r f a c ec i r c u i tb e t w e e nt h es i n g l ec h i p a n dt h eb l u e t o o t h 、t h em a n m a c h i n ei n t e r f a c ec i r c u i ti sd e s i g n e d w eu s e m o d u l a r i z e dp r o g r a m m e rs o f t w a r ei nt h ew i r e l e s sr e m o t ec o n t r o lo fi n v e r t i n gw e l d i n g p o w e rm a c h i n e ，m o d u l a r i z e dp r o g r a m m e rs o f t w a r ei nt h ew i r e l e s sr e m o t ec o n t r o l i n v e r t i n gw e l d i n gp o w e rs u p p l ym a c h i n e ，a n dt h ei n q u i r e dm o d em o d u l a r i z e d p r o g r a m m e rs o f t w a r ei nt h ew i r e l e s sr e m o t ec o n t r o lo fi n v e r t i n gw e l d i n gp o w e r m a c h i n ea r eu s e d w e l d i n gm o d eo fs i n g l ec h i pc o n t r o l l e dt i gi n v e r t i n gd ci s f i n i s h e d ，t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e nt h ec e n t r a lc o n t r o l l e d s y s t e mo fs i n g l ec h i pa n dt h ed s pw i r e l e s sr e m o t ec o n t r o l l e ds y s t e mi si m p l e m e n t e d t h et e s td e m o n s t r a t e st h a tt h ew i r e l e s sr e m o t e c o n t r o l l e ds y s t e mc a mc o n t r o l w o r k i n gs t a t eo ft h ei n v e r t i n gp o w e rs u p p l yp r e c i s e l ya n ds t a b l yi nt h er a n g eo f 1 0 0m e t e r s k e y w o r d sw i r e l e s s r e m o t ec o n t r o l ：b l u e t o o t h ：i n v e r t i n g w e l d i n gp o w e rs u p p l y ：t h e a d u c 8 1 2s i n g l ec h i p ；d s p 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：；翌查刚日期：2 1 盟! ：f 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：2 墅查团导师签名：奎送吼地6 ：乒 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 在当今焊接过程中，各种参数的调节通常是直接通过面板上的开关或旋钮 来进行的，当焊工离焊机的距离较近时比较方便，但当距离较远或高空作业时， 为了调节合适的电流值焊工就必须往返几十米，或上下往返几层楼的路程，有 时，焊接参数还要经过几次的调节才能调到合适的焊接参数，这样就给焊工的 操作带来了极大的不便。我国当前正处于现代化建设之中，大型桥梁、船舶和高 层建筑等行业对焊接遥控技术有很大的需求。随着机械工程设计、机械电子工 程、无线电技术、自动控制技术、人工智能技术、数值信息处理技术等学科的 发展，现代远程控制功能已经超出了其传统意义上的概念。为了适应时代发展的 需求，我们提出了无线遥控焊接技术【”。 本课题采用了无线遥控装置控制逆变t i g 焊接电源的控制方式，由于t i g 焊是以氩气作为保护气体的t i g ( t u n g s t e ni n e r tg a s ) 焊，借助产生在钨电 极与焊件之间的电孤，加热和熔化母材( 添加填充金属同时被熔化) ，而后产生 焊缝金属。它的焊接过程稳定、易于控制、焊接参数多而被广泛使用。因此本 课题选用t i g 焊接电源作为被控对象。 1 2 遥控焊接技术国内外研究现状概况 随着工业自动化水平和经济发展需求的不断提高，世界各个发达国家都非 常重视用于各种目的的不同场合的焊接遥控系统的研究开发工作。特别是最近 几年随着相关专业领域技术的发展，遥控焊接技术科研成果也大量涌现。 1 2 1 国外焊接遥控技术的主要内容 1 运用焊接电缆进行载波传送，把传送过去的信号转化为供c p u 识别处理 的数字信号进行p 删等焊接参数的调节，以改变焊接状态。 2 通过无线电技术进行射频传送，在焊接电源和无线遥控装置之间搭建通 信通道，进行抗干扰信号发送。 3 在焊接机器入的基础上激光定位等技术使机器人遥控更加容易。 在试验的基础上国外也开发了大量的遥控技术装备。这些产品应用于焊接 领域，取得了可观的经济效益。 北泉工业大学工学硕士学位论文 肯比股份公司在1 9 9 3 年发明了借助射频信号控制焊机的电源装置的设备。 如图卜1 所示。该设备包括焊炬，与焊炬相连的焊接电缆，安装在焊炬上的射 频发射机和安装在焊炬上的射频接收机。射频发射机和接收机都是通过电容或 电感的感性耦合到焊接电缆上，以便在焊接电缆上传送射频控制信号。射频信 号耦合到焊接电缆上时，射频信号可以保持在低的不致超过国际规定的射频干 扰发射极限值的电平。尽管如此在焊接过程中还是可以遥控电焊机。发射装置 协调在一定的频率下工作且协调到该同一频率，接收装置则连接使其可以控制 电焊机焊炬附近安置有设定值信号发射机因而可以直接从焊接现场遥控焊接电 源装置。设定值信号发射机与射频信号耦合到电缆上的高频变流器连接与此相 应，与接收装置电连接的高频变流器用来接收信号并将信号通过接收机发送到 电源装置。由于射频信号是沿焊接电缆传送的因而可以采用功率非常低的发射 机。信号是借助于绕在铁磁材料铁心上的线圈接收下来的，该线圈用来将信号 耦合到调频接收机部分。接收机电路采用市面上出售的集成电路。接收部分还 和微处理器相连由微处理器将所收到的信号转换成适合用以控制电源装置的形 式。发射器装置有一个微处理器控制射频部分的脉冲宽度，脉冲周期和其他变 量，信号从射频部分沿两个导线传送到绕在铁磁材料铁心上的线圈，线圈用来 将信号耦合到焊接电缆上。发射机部分又分为频移键控( f s k ) ，f s k 控制的晶 体振荡器和由所述晶体振荡器驱动的放大级。信号从放大级沿传输线传送，线 圈由传输线到导线上绕在磁心形铁心上制成。c 形铁心铁氧体将信号感应耦合 到焊接电缆上。微处理器控制f s k 部分的晶体管，使其调制晶体4 2 的频率。晶 体振荡器4 7 是围绕晶体管t r l ，使该晶体管调制晶体的频率。晶体振荡器是围 绕晶体管t r 2 设计的普通振荡电路。放大级由晶体管t r 3 和其他些组件组成。 围绕t r 3 的放大电路装有一个变流器，借助于电容器c l 协调到设备的工作频率。 焊接现场的干扰强度是很大的，因而发射机的最低工作频率至少应为几兆赫。 第1 章绪论 图i - i 肯比公司的焊接遥控装置 f i g 1 1 t h ew e l d i n ge q u i p m e n to fr e m o t ec o n t r o lb yk e m p p i 接收机部分借助电容器与线圈的电感产生的共振被调节到工作频率。从功 能上讲，接收器工作时焊接电流的信号经过焊接电缆耦合到接收机部分的集成 电路，由该电路将信号放大和检测。与发射机输入信号流的调相对应，频率接 收部分的i c 传送为元流，该位元流经接收机装置的微处理器译解如下： 1 使其与某一启动字符同步。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 检测地址并译码。 3 地址有效时，接收数据。 4 检测停止字符，并将所有收到的数据处理成适宜于控制电源装置的形式。 此外肯比公司的发明中还可以外加送丝调节系统。这个送丝调节器耦合在 焊接电缆上由焊接电缆进行载波传送，在m a g ，t i g 焊接技术上都有应用【1 捌。 1 2 2 国内遥控焊接电源的研究 经查阅文献 4 可知，水电四局利用无线遥控技术作为传输媒介，实现远距 离遥控电焊机各种焊接参数的设计方案，如图1 - 2 所示，该系统由无线遥控发射 装置和无线接收装置两大部分组成。无线发射装置如图2 所示：无线发射装置( 手 持遥控器) 由4 键编码集成电路、无线发射电路及外围元器件等组成。4 键编码 集成电路采用了5 个地址线进行编码，总编码数为2 5 个，a ，b ，c ，d 为4 个按 钮，分别对应着开关机、遥控手工、电流增加、电流减小4 个功能，当按下某 一键时，集成电路的d 0 脚便输出该键的编码脉冲串，由无线发射电路以3 1 5 m h z 频率发射出去。整个电路用叠层电池或a 2 3 型电池供电，当供电电压为1 2 v 时，发 射距离可达1 0 0 m 以上。 开，羌搏巍 手工遥控 电藏增加 趣溅臻小 蓬控嚣芥曩罄 图l - 2 水利四局的焊机遥控装置 f i g 1 2 t h ew e l d i n ge q u i p m e n to fr e m o t ec o n t r o lf o rt h ef o r t hw a t e ro f f i c e 无线接收装置由天线、无线接收模块t w h 9 2 3 8 d 、步迸电机及其驱动集成电路、 双d 触发器和其他相关元器件组成。如图1 3 所示： 第1 章绪论 图卜3 水利四局焊机遥控装置 f i g 1 - 3 t h ew e l d i n ge q u i p m e n to fr e m o t ec o n t r o lf o rt h ef o r t hw a t e ro f f i c e t w h 9 2 3 8 d 的a 脚脉冲输入给双d 触发器m c l 4 0 1 3 的c p l 脚与控制继电器j 1 ，每当 c p l 脚接收到一个脉冲，q 1 脚就翻转次，继电器j 1 就吸合或断开一次，将继 电器与焊机电源开关相连后就可以实现焊机的开关操作；同理，b 脚脉冲输入到 c p 2 脚，每当c p 2 脚接收到一个脉冲，q 2 脚就翻转一次，继电器j 2 就吸合或断开 一次，将电流调节电位器或遥控电路板上的电位器接入焊机控制线路板中，达到 手工调节或是遥控调节的目的；c ，d 脚脉冲则直接输入到步进电机驱动集成电路 中，这样每接收到一个脉冲，步进电机就准确地转动一个步进角1 5 度( 步进角大 小依所选电机型号而定) ，从而带动电位器也旋转1 5 度，使焊接电流发生一定的 变化，电流的变化值和所选的电位器有关，另外，通过集成电路的正反转控制， 使步进电机正转或反转，达到调节电流增大与减小的目的。综上所述，遥控器a 键控制目标是焊机的电源开关，b 键控制焊机是手工调节还是遥控调节工作方式， c ，d 键控制电流的增大与减小。 1 3 本课题主要的研究任务 1 3 1 系统尚存在的问题 目前，国内外常用的遥控方式分为两种：有线遥控和无线遥控。有线遥控 主要是将焊接控制信号从焊接现场传出，传递信号的载体是专用电缆或焊接电 缆，这样的控制方式就不能造成一个遥控器同时控制多台焊机，而且遥控动作 完成后没有信息反馈。 北京工业大学工学硕士学位论文 无线遥控是基于载波遥控焊接电流控制系统完成了焊接电流的遥控，在研究 控制算法等工作中有很大的贡献。在实际应用中，虽然系统构建在抗干扰能力较 强的环境下工作，但是焊接电流的传输只能是单向的，这就不能实现焊接参数采 集的传递。 国内的遥控技术起步较晚，而且焊接参数( 如电压，电流) 的改变不能进行 数字化的平滑调节，而是采用步进电机带动电位器来改变焊接参数。这只是一种 开关式控制，无法进行焊接参数的采集和焊接参数的控制。 基于以上国内外的遥控焊接电源现状，表现出以下几点不足： 1 焊工在焊接时焊接控制器的控制端过大使焊工不便于携带。 2 遥控器端控制参数很少，人机界面简单或没有不便于准确的调节参数。 3 由于是载波传送，依靠电容或电感来耦合焊接电缆不可避免的使电磁波微 弱的无线电信号在两种介质中传播和处理会造成信号失真。 4 焊接参数的遥控即使几乎是在无线电传输的基础上，在焊接电流执行机构 都是无一例外的采用步进电机旋转一定的角度来调节电位器或变压器的中间抽 头。对于前者调节电位器容易造成调节精度的问题；而对于后者带有中间抽头的 变压器的焊接电源在逆变电源中应用很少，并且调节精度也有很大的误差。 另外考虑到遥控焊接的可操作性和控制精确以及遥控焊接的直观性和方便 性，因此提高遥控的性能指标进行遥控焊接装置的设计成为本课题的一项重要任 务。 1 3 2 本课题研究的目的 本课题是上届同学的基础上进行研究工作的，在此之前已经完成以下工作： 已经搭建以t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2d s p 为核心的无线遥控装置的硬件平台；已经初 步实现无线遥控装置无线遥控单片机a d u c 8 1 2 最小系统中d a 输出给电流表按 键加一操作。已经分别搭建了d s p 和c p l d 的软件技术平台，并且将纠错控制 技术应用到无线遥控装置中。 由于上届同学的研究还处于研究起步阶段很多问题还未解决，本课题接着 在此基础上主要完成或优化以下工作：搭建以单片机a d u c 8 1 2 为核心的中心 控制电路和逆变t i g 焊机上的人机交互界面电路硬件平台；通过编写模块化 单片机程序，实现焊机人机交互界面控制和逆变t i g 直流焊接方式；实现无 线遥控装置监控逆变焊接电源的工作状态和参数；控制焊接电流的加减，焊接 方式的选择，焊接时序的左右移和焊接电流反馈给遥控器等操作；完善无线 遥控装置中软件的模块化编写和升级优化；主要优化c p l d 程序的改写和l c d 显 示的完善和优化，使液晶显示更加明了和直观，方便操作。 第1 章绪论 从以上的论述可知无线遥控逆变焊接电源装置是由无线遥控装置和逆变 t i g 焊接电源部分组成：上届同学主要完成了无线遥控装置部分的软硬件平台 的搭建，本课题在此基础上学习研究与本课题相关的国内外研究概况和最新研 究进展动态；深入分析国内外相关遥控系统的设计方案，确定关键问题的解决策 略和构建系统的整体框架。本课题选用了以d s pt m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 为核心的无线遥 控装置。逆变焊接电源装置选用了以a d u c 8 1 2 单片机为核心的中心控制电路， 主要是实现焊机的焊接参数和焊接时序的控制，同时主要实现无线遥控装置与 逆变焊接电源装置的无线电数据接收和发送。解决d s pc 5 4 0 2 与单片机a d u c 8 1 2 之间的通信的准确可靠性问题以及实现单片机控制逆变t i g 焊接电源装置。 现代信息技术的三大基础是传感器技术、通信技术、计算机技术，它们分 别完成对信息的采集、传输和处理。传感器网络将三种技术结合在一起，从而 实现信息的采集、传输和处理的真正统一。无线传感器网络被认为是2 1 世纪最 重要的技术之一。它将会对人类未来的生活方式产生深远的影响。本课题的研 究目的是通过研制半双工无线遥控焊机装置为以后进一步研究无线传感器网络 搭建技术平台阿。 1 3 3 本课题研究的内容 本课题主要是实现无线遥控逆变t i g 焊接电源装置的研制工作。要求焊接 过程中弧焊电源具有很高的可靠性与稳定性，同时实现单片机控制的逆变t i g 焊接电源装置与d s p 为核心的无线遥控装置之间的通信，实现以无线遥控装置 控制逆变t i g 焊接电源工作状态为基础，建立以a d u c s l 2 单片机和d s p t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 为控制核心的无线遥控逆变t i g 焊接电源装置，主要设计单片机 a d u c 8 1 2 中心控制电路，人机交互界面与和以d s pc 5 4 0 2 为核心的无线遥控硬件 电路。并用汇编语言和c 语言编写相关控制程序与串口通信协议程序，在满足控 制系统要求的条件下，力求软硬件的最佳组合，解决无线遥控逆变t i g 焊接电源 的抗干扰问题，确保焊机在无线电发送和接收控制指令过程中以及引弧时和施 焊过程中不出现误码以及误动作，保障在焊接过程中无线电通信可靠准确无误 实时的传送。具体研究内容详细情况如下： ( 1 ) 建立点对点主从端透明的无线通信协议可靠实时的通信协议是无线遥 控焊机的重要保证，在以往的遥控中分为有线遥控、无线电载波、无线电、红外 线等，有线遥控有遥控笔遥控盒等调节。本次研究根据通信数据网的观点出发， 来构建适合于无线遥控焊机可靠通信的通信协议。 ( 2 ) 建立高速的无线遥控通信系统可靠实时的通信是无线遥控焊接电源的 重要保证，本课题研究根据通信数据网的观点出发，来构建适合于无线遥控焊 北京工业大学工学硕士学位论文 接电源装置可靠通信的通信协议，采用全球通用的不受无线电管制限定的 2 4 g h z 频率作为无线通信频率。以t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2d s p 为核心的无线遥控装置 与以单片机a d u c 8 1 2 为中心控制的逆变焊接电源装置之间采用u a r t 半双工蓝牙 技术的通信方式。 ( 3 ) 无线遥控逆变t i g 焊接电源装置的实现逆变焊接电源做为无线遥控数 据接收、处理、焊接执行以及反馈电流给无线遥控装置，因此在整个系统中起到 关键作用，逆变焊接电源是焊接过程中执行处理装置。主要功能是实现单片机控 制逆变t i g 焊接电源的直流焊接方式，并能满足无线遥控装置随时监控逆变焊 接电源的焊接状态和当前焊接电流的反馈。 ( 4 ) 完美简单的人机交互接口在以往的遥控系统中，焊接电流调节很不直 观，要依靠成熟焊工的感觉才能达到最佳的效果，反馈性能很差，不便于操作 者随时改变焊接电流。而且控制参数很少，仅能控制焊接电流的变化。本设计 在遥控器上以及焊接电源上各加一显示界面供焊工操作，实时观察焊接规范参 数( 如电流、焊接方式、焊接状态、焊接参数) ，简单直接。 ( 5 ) 留出便于系统升级的接口随着科学技术不断的更新发展，留出烧写程 序接口便于系统的升级，以适应时代不断发展的需求。在不改变硬件电路的基 础上仅通过改变控制程序就镌满足需求的控制方式。在无线遥控装置中分别留 出供d s p 与c p l d 再次烧写程序的j t a g 口。在单片机控制逆变焊接电源系统中 留出单片机串行d o w n l o a d 程序接口电路，可以多次反复的烧写升级程序。 由于本课题的研究工作具有很强的继承性和延续性，由图i - 4 可知整个无 线遥控逆变焊接电源装置中框架a ，e 部分是由上届同学完成软硬件平台的设计 和搭建，框架b ( 单片机a d u c s l 2 中心控制电路) 、c ( 焊机人机交互界面) 、d ( 基本控制电路、焊接驱动与主电路) 与f 是逆变t i g 焊接电源部分核心硬件 电路，本课题主要完成以上电路的硬件设计和软件编程，完成单片机a d u c s l 2 中心控制电路和以d s pc 5 4 0 2 为核心的无线遥控装置的蓝牙通信协议。实现无 线遥控装置稳定准确控制逆变焊接电源工作状态和参数。优化a ( 无线遥控装 置) 中的软件程序编写和优化l c d 显示界面。 第1 章绪论 r ： j 苎 ”l 西 l b 搭重f 囱圆 暑uls务一2iu8暑。暑2-譬od锄=号一茎甚ii!尝j02霉，pj至olu了蜀e 匮萤堆增喇群鞯罾姆驶斟列强嘲嚣艰，一函 第2 章无线遥控逆变焊接电源硬件系统设计 第2 章无线遥控逆变焊接电源硬件系统设计 几十年来，逆变焊接电源的主电路与控制电路技术有了很大的发展和提高。 但无线遥控逆变焊接电源技术同直接操纵的焊接电源的性能相比有很大的差 距。为了提高无线遥控逆变焊接电源装置的整体性能，不仅要对逆变焊接电源 的基本功能和运行机制有充分的了解，还要在此基础上合理的选择控制系统体 系结构及控制策略。 2 1 逆变焊接电源装置结构及其功能 单片机控制的逆交t i g 焊接电源是无线遥控逆变焊接电源装置数字化控制 中非常重要的部分。单片机控制逆变焊接电源的系统框图如图2 - 1 所示。整套 装置主要由弧焊电源主电路、$ 6 3 5 2 5p _ i l i 控制电路、e x b 8 4 1 全桥驱动电路、单 片机中心控制电路、人机交互界面和蓝牙通信模块这几部分组成。单片机控制 的逆变t i g 焊接电源的基本工作原理如下： 聋彝确# v ，k 图2 1 礅处理器控制逆变焊接电源系统框图 f i g 2 - 1w h o l ef i g u r eo fi n v e r t e rw e l d i n gp o w e rs u p p l yc o n t r o l l e db yc o m p u t e r 工频电网电压3 8 0 v5 0 h z 直接经过整流，滤波，得到大约5 4 0 v 的直流电压。 该直流电压施加到由功率开关管i g b t 和中频变压器组成的逆变器上。i g b t 由 逆变控制电路提供的矩形波脉冲激励而交替地通断，将直流电压变换成中频( 一 般2 0 k h z 左右) 交流矩形波脉冲电压，中频变压器同时将大约5 4 0 v 电压降为 7 0 v 左右的电压，然后经二极管整流、滤波，得到直流电压。如图2 - 2 所示单 片机通过i o 接口电路检测当前焊接状态，通过单片机上d a 输出焊接电流给 北京工业大学工学硕士学位论文 定，并加到基本控制电路给定值上，与通过菜姆块检测采样得到的电流反馈信 号经过误差比较放大信号一起输入到脉宽调制的输入端，经p i 调节控制i g b t 全桥逆变的方波脉冲宽度，使焊接电流可调，并实现焊接电源的恒流外特性邮l 。 蓝牙通信模块工作在世界各国通用的不受无线电管制限制的2 4 g h z 频率 作为无线通信频率，单片机控制的逆变焊接电源上s l a v e 蓝牙模块接收到无线 遥控装置中m a s t e r 蓝牙模块传送过来的无线电信号后通过异步串口( u a r t ) 与 单片机进行半双工通讯。单片机接收到相关控制指令响应中断处理后改变焊接 电流或面板显示的焊接参数等。同样逆变焊接电源上s l a v e 蓝牙模块也可以从 单片机d a c 寄存器取出当前的焊接电流反馈给m a s t e r 蓝牙模块无线遥控装置 端，反馈当前焊接电流。 图2 - 2 控制电路部分结构框架图 f i g 2 - 2p a r to ft h ec o n s t r u c t i o nd i a g r a mo fc o n t r o l l i n ge l e c t r i c a lc i r c u i t 下面简要介绍一下这几部分电路的功能： ( 1 ) 主电路及驱动电路的功能主电路用来实现输入功率到输出功率的 能量转换，驱动电路用来将脉冲调制电路输出的控制脉冲转换成符合开关 功率器件要求的电平和阻抗形式，同时实现主电路和控制电路之间的电气 隔离，其对功率开关反应时间、损耗等有着直接的影响，另外还需要在开关 器件的工作点超出安全区时提供保护信号。驱动电路的作用主要是对驱动 信号进行功率放大，并保证一定的脉冲前沿、后沿陡度，使其有足够的能 力使i g b t 饱和导通。同时，驱动电路还起到控制电路与主电路的电气隔离 作用和故障信号的采集作用。 ( 2 ) s g 3 5 2 5p w m 控制电路的功能基本控制电路的任务是根据单片机输 出的电流给定值与实际焊接电流反馈电流值相比较，其偏差经误差放大器 第2 章无线遥控逆变焊接电源硬件系统设计 放大并经p i 调节运算，得到的调节器输出用于控制p 州比较器中的比较电 平，从而可以调节逆变器输出的占空比，通过调节输出脉冲的占空比来实 现稳定的功率输出。 ( 3 ) 单片机中心控制电路的功能单片机中心控制电路主要是控制逆变 焊接电源输出、外围i o 接口电路开关控制和实现m c u 与d s p 之间的无线 蓝牙串行通信。单片机中心控制电路用来输出所需焊接控制电流给定。 ( 4 ) 人机交互界面由于t i g 焊接的参数较多，主要有提前送气时间、引 弧电流大小、电流缓升时间、电流缓降时问、坡口电流、坡口电流延续时 问、滞后送气时间等。所以为了在工艺实验中方便地设置、调节和显示多 种参数，键盘和显示器件是逆变t i g 焊接电流应用系统很重要的人机交互 界面设备。 ( 5 ) 蓝牙通信模块电路的功麓盔牙通信模块主要是d s p 为核心的遥控 装置与单片机中心控制逆变焊接电源装置之间进行信息交流的载体，蓝牙 通信模块总是要以主一从模式成对形式出现，它们主要实现c p u 数据的接收 与处理纠错后以无线电形式在空间进行数据传送，蓝牙模块在空中接收到 此无线电信号处理纠错后输送给c p u ，它们主要是利用异步串口u a r t 将接 收到的无线电信号给单片机或d s p 接收处理，根据接收到的指令后执行和 显示相关的控制指令。 2 1 1 逆变焊接电源o , b 控制电路设计 逆变焊接电源中心控制电路是整个逆交焊接电源的核心，在整个逆交焊接 电源中m c u 中心控制电路对整机性能的优劣关系重大，如图弘3 所示为单片机 中心控制电路总框图。该中心系统电路主要由m c u 最小系统电路、下载程序电 路、复位电路、供电电路、外围i 0 接口电路组成。 图2 - 3 单片机中心控制电路总框图 f i g 2 - 3c e n t e rc o n t r o lc i r c u i td i a g r a io fm c u 北京工业大学工学硕士学位论文 2 1 1 1 单片机中心控制系统的设计单片机最小系统通过程序的运行使它与 外围芯片交换信息，来完成焊接所要求的时序控制和电路中所需的给定电流的 控制。因此它是单片机中心控制电路的核心，也是实现软件设计的基础。图2 - 4 是单片机最小系统电路图，整个单片机最小系统电路是由c p u 、振荡电路、r s 2 3 2 d o w n l o a d 电路、复位电路等组成。现在简单的介绍下这几部分主要的功能和作 用： 图2 - 4 单片机最小系统电路图 f i g 2 - 4t h em i n i m u ms y s t e mc i r c u i td i a g r a mo fm c u ( 1 ) c p u ( a d u c 8 1 2 ) 最小系统简介a d u c 8 1 2 是全集成的1 2 位数据采集芯片， 它的单个芯片内包含了高性能的自校准8 通道a d c 、2 路d a c 以及可编程的8 位 m c u ( 与8 0 5 1 兼容) 。片内有8 k b 的闪速电檫除r o m ，6 4 0 b 的闪速电檫除r a m ， 2 5 6 b 数据s r a i i 以及8 0 5 2 兼容内核。此模块还为用户提供片内基准、校准特性， 模块内的所有部件能方便地通过3 个寄存器s f r 接口来设置。a d u c 8 1 2 微控制 器内核与8 0 5 1 指令集兼容，具有9 个中断源( 2 个优先级) a d u c 8 1 2 共有5 2 个管脚，使用4 个通用数据端口p o p 3 与外部器件进行 数据交换。每一个i o 口都有自己不同的驱动执行电路。除端口1 之外都是8 位双向端口。其中端口1 的操作是a d u c 8 1 2 特有的，只能当作输入端口工作状态。 芯片集成了全部辅助功能块以充分支持可编程的数据采集核心。这些辅助 功能块包括看门狗定时器( w d t ) 、电源监视器( p s m ) 以及a d cd m a 功能。另外， 为多处理器接口和i o 扩展提供了3 2 条可编程的i o 线、i 兼容的s p i 和标 准u a r t 串行端口。 a d u c 8 1 2 具有独特的在线调试、单步在线运行和下载功能，由支持a d u c 8 1 2 的开发工具包q u i c k s t a r t 开发系统来提供。用户可以将在p c 机上编写好的程 序直接导入片内，进行调试和下载。此功能对于用户来说至关重要，在以后的 第