（材料加工工程专业论文）弧焊电源焊接参数预置控制系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 焊接参数预置控制系统是在焊接前根据相应的焊接工艺对焊接电流、焊接电压等 参数进行给定，在焊接过程中，通过相应软件调节弧焊电源的输出，使实时焊接参数 值与预先设定的参数值自动保持一致。本文针对弧焊自动焊机的控制特点及焊接工艺 要求，设计了以p i c 2 4 f j 6 4 g a 0 0 2 为控制核心，辅以外围电路的弧焊电源焊接参数预 置系统。外围电路主要包括：数字电路、模拟电路元器件供电电路、焊接电流电压信 号采样隔离电路、d a 转换及信号输出电路、参数显示及调节电路、单片机复位电路、 信号转换电路等。并且详细介绍了焊接电流、电压信号采样电路，d a 转换电路和参 数显示调节电路的工作过程，测试了电流和电压信号采样电路的工作状况，并对光电 隔离的线性度做了验证，保证了输入信号的精确度。 要保证参数预置控制系统的正常工作，除了设计硬件电路外，还需要有能使硬件 电路按要求运作的软件程序。本设计采用了c 语言编程，用以实现焊接电流电压参数 的采集、参数转换处理、参数的实时显示并且能随时调节、p 1 d 算法控制、利用单片 机的p w m 实现d a 转换等。本文针对每个模块的软件编程都有详细的介绍，并做了 相应的实验验证，保证每个模块功能正常。针对p i d 算法控制的参数确定，采用临界 比例度法对参数进行初步整定，再根据实际控制过程微调p i d 参数，达到最佳的控制 精度。此外，为保证控制系统的稳定性和精度，本设计采用了一些硬件抗干扰和软件 抗干扰措施。 最后，将参数预置控制系统在弧焊电源上进行了调试，证明可以实现弧焊电源参 数的采集、实时显示与实时调节，达到参数预置的目的，具有良好的通用性，值得继 续开发应用。 关键词：弧焊电源；参数预置；p i c 单片机；信号采集 a b s t r a c t t h es y s t e mo fw e l d i n gp a r a m e t e r sp r e s e t t i n ga n dc o n t r o l l i n gi s ，p r e s e t t i n gw e l d i n g c u 仃e n t w e l d i n gv o l t a g e a n do t h e rp a r a m e t e r sa c c o r d i n gt ot h ec o r r e s p o n d i n gw e l d i n gc 盯n b e f o r ew e l d i n g ，i nt h ew e l d i n gp r o c e s s ，u s i n ga p p r o p r i a t es o f t w a r et oa d j u s tt h eo u t p u to f 撇 w e l d i n gp o w e rs o u i c e ，m a k i n gs u r et h a tt h er e a l t i m ew e l d i n gp a r a m e t e r sa n dt h ep r e s e t p a r a m 酏e r sk e e pc o n s i s t e n t i na l l u s i o nt ot h ec o n t r o lf e a t u r e so fa u t o m a t i c a r cw e l d e ra n d t h er e q u i r e m e n t so fw e l d i n gp r o c e s s e s ，t h ea r cw e l d i n gp o w e rs u p p l ys y s t e m w i t hp r e s e t t i n g p a r a m e t e r s 砌c hw i t hp i c 2 4 f j 6 4 g a 0 0 2 a st h ec o n t r o lc o r ea n ds u p p l e m e n t e db ye x t e n l a l c i r c l l i tw a sd e s i g n e di nt h i sp a p e r p e r i p h e r a lc i r c u i t si n c l u d ep o w e rs u p p l y c i r c u i to td i g i t a l o fa n a l o gc i r c u i t ，s a m p l e ds i g n a li s o l a t e dc i r c u i to fw e l d i n g c u r r e n ta n dv o l t a g e ，t h ec i r c u l t0 t d ac o n v e r s i o na n ds i g n a lo u t p u t ，t h e c i r c u i to fp a r a m e t e rd i s p l a ya n da d j u s t ，t h e m i c r o c o i l n o l l e rr e s e tc i r c u i ta n dt h es i g n a lc o n v e r s i o nc i r c u i t a n dt h ep a p e r i sd e t a i l e dt h e w o r kp r o c e s so fs a m p l e ds i g n a li s o l a t e dc i r c u i to fw e l d i n g c u r r e n ta n dv o l t a g e ，t h ec l r c u i to f d ac o n v e r s i o na n ds i 印a lo u t p u ta n dt h ec i r c u i to fp a r a m e t e rd i s p l a ya n da d j u s t ，t e s t e dt h e s 锄p l e ds i g n a li s o l a t e dc i r c u i to fw e l d i n gc u r r e n t a n dv o l t a g e ，c h e c k e dt h el i n e a r i t yo f o p t i c a li s o l a t i o nc i r c u i tt oe n s u r et h ea c c u r a c y o ft h ei n p u ts i g n a l t oc i l s u r et h ep r e s e ta n dc o n t r o lp a r a m e t e r ss y s t e mc a r lw o r ks m o o t h l y , t h e r en o to n 哆 n e e d st h eh 删w a r e ，b 眦a l s on e e d st h e s o f t w a r ep r o g r a m sw h i c hm a k et h eh a r d w a r e s o p e r a t i o nu n d e rt h er e q u i r e m e n t s o ，t h i sp a p e ru s e scl a n g u a g et op r o g r a m m i n g t or e a l i z e t h a tt h ea c q u i s i t i o no ft h ew e l d i n gc u r r e n t v o l t a g ep a r a m e t e r s ，p a r a m e t e r s c o n v e r s l o n p r o c e s s d i s p l a y i n gp a r a m e t e r s i nr e a lt i m ea n da d j u s t i n gp a r a m e t e r sa ta n yt i m e ，p l u a l g o 矾吼c o n t r o l l i n g ，t h eu s eo fm i c r o c o n t r o l l e rp w m t oa c h i e v ed ac o n v c r s l o n i _ l l e r e a r et h ed e t a i l so fs o f t w a r ep r o g r a m sf o re a c hm o d u l e ，a n dc o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t sw e r e d o n et oe n s u r et h en o r m a lf u n c t i o no f e a c hm o d u l e f o ra c h i v e i n gt h eb e s tc o n t r o lp r e c l s l o n t h em e m o do fc r i t i c a lr a t i ow a su s e dt od e r t e r m i n et h ep i da l g o r i t h mc o n t r o l l i n gp a r a m e t e r s w h i c hw 弱f i n e t u n e db a s e do nt h ea c t u a lc o n t r o lp r o c e s s f u r t h e r m o r e ，t oa s s u r et h es t a b i l i t y 觚da c c u r a c yo ft h ec o n t r o ls y s t e m ，i tw a sd e s i g n e dav a r i e t yo fs o f t w a r ea n d h a r d w a r e p r o t e c t i v em e a u s u r e ss oa st oi m p r o v e t h ea n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t i e so ft h i ss y s t e m f i n a l l y , t h ep r e s e ta n dc o n t r o lp a r a m e t e r ss y s t e mw a sd e b u g g e db a s e d o na r cw e l d i n g p o w e rs o u r c e i tw a sp r o v e dt h a tt h ea c q u i s i t i o n ，r e a l t i m ed i s p l a ya n dr e a l - t i m ea d j u s t i n e n t f o rt h ew e l d i n gp a r a m e t e r s ，a c h i e v e dt h ep u r p o s eo f t h ep a r a m e t e r sp r e s e t t i n g ，h a dag o o d g e n e r a l ，a n ds h o u l dc o n t i n u e t od e v e l o pa p p l i c a t i o n s k e y w 。r d s ：a r cw e l d i n gp o w e r ；p a r a m e t e rp r e s e t s ；p i cm i e r o c o n t r o l l e r ；s i g n a la c q u i s i t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 弟h r1 章绪论弟草萌化 1 1 弧焊电源综述 焊接作为一种基本的加工方法应用非常广泛。它与国民经济的各个部门，例如机 械制造、农业机械、航空、冶金、国防工业、矿山、石油化工、宇宙飞行、造船和海 洋工程开发等有着直接的关系。弧焊电源也随着焊接技术的发展而不断地向前发展。 1 1 1 弧焊电源的发展 1 8 0 1 年迪威发现了电弧放电现象，但当时工业水平较低，还不能为电弧提供足够 的电能，利用电弧进行焊接还不能实现【i 】。直到1 8 8 5 年俄国人发明了碳弧焊，这可以 称为最初的电弧焊接，该方法以碳电极作为阳极产生电弧，应用在铁管和容器的制造 及蒸汽机车的修理中。而电弧焊真正应用于工业，则是在1 8 9 2 年发现了金属极电弧以 后，特别是1 9 3 0 年前后出现了薄皮和厚皮焊条以后才逐渐开始的【2 】。 二十世纪四十年代研究成功了埋弧焊，随着航空、原子能等技术的发展，要求焊 接高强钢和铝、钛及其合金等新型材料，出现了氩弧焊。五十年代又出现了c 0 2 与各 种气体保护焊新工艺，紧接着还研究成功了高能量密度的等离子弧焊。到六十年代， 基于许多硅整流元件、晶闸管的出现，硅弧焊整流器、晶闸管式弧焊整流器得到了快 速的发展。弧焊电源在八十年代左右得到了很快的发展：首先出现了各种各样的弧焊 整流器，并在很大程度上取代了直流弧焊发电机；为了满足全位置自动焊接和高焊接 质量的要求，出现了脉冲式弧焊电源【3 1 ；还研制成功并且逐步推广使用的小巧、高效节 能、性能好的晶体管式、晶闸管式和场效应管式弧焊逆变器；此外，还研制成功了半 导体控制的矩形波交流弧焊电源，扩大了交流弧焊电源的使用范围，使交流电弧的稳 定性得到了提高；并且，弧焊电源的控制技术也得到了很大的改进和发展，使弧焊电 源倾向于智能化方向发展。 1 1 2 弧焊电源的分类、特点和应用 由文献 4 ，5 ，6 】可知，弧焊电源可分为四大类：交流弧焊电源、直流弧焊电源、脉冲 弧焊电源和逆变式弧焊电源，其中交流弧焊电源包括弧焊变压器、矩形波弧焊电源， 直流弧焊电源包括弧焊整流器、直流弧焊发电机。各种弧焊电源的特点和应用如下： 1 弧焊变压器它主要由变压器和调节显示部分组成，能将电网的交流电压转变为 焊接所需的交流电压。弧焊变压器结构相对比较简单、便于制造和维修、生产成本低、 效率高。但输出为正弦波形的电流，容易使电弧不稳定，功率因数低，一般适合用于 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 手弧焊、埋弧焊和t i g 焊等焊接方法。 2 矩形波交流弧焊电源矩形波交流电流是通过半导体控制技术来获得的，具有良 好的电弧稳定性、较高的功率因素，设置了多个可调参数。一般用于交流t i g 焊和埋 弧焊，并且也适用于碱性焊条的电弧焊。 3 直流弧焊发电机它由外特性调节设备和特殊的直流发电机组成，能用于各种弧 焊方法，电流输出波动小，具有较强的过载能力。但直流弧焊发电机制造成本太高、 功率因数较低、噪声大、空载时的损耗大、不便于维修。 4 弧焊整流器弧焊整流器由主变压器、外特性调节设备和半导体整流元器件等组 成，可以把电网的交流电压经降压整流后转变为适合于弧焊的直流电压，并能自动补 偿电网电压波动时对输出电流和电压的影响。它适用于各种弧焊方法，便于生产制造、 成本低，和直流弧焊发电机相比，噪声较小，空载损耗也没有直流弧焊发电机大。 5 弧焊逆变器它由供电系统、电子功率系统、给定反馈系统和电子控制系统组成， 利用电力电子开关管的快速通断作用将电网交流电转变为频率为几百至几万赫兹的中 频交流电，然后转变为焊接所需的交流电或直流电。弧焊逆变器的功率因素高、效率 高、体积较小、重量轻、动态响应迅速、改善了引弧工艺性能，能用于各种焊接方法。 6 脉冲弧焊电源该类弧焊电源能输出周期性变化的脉冲焊接电流，其中包括基本 电流和脉冲电流，具有多个可调参数，可以很好的控制线能量和熔滴过渡。能用于熔 化极和非熔化极电弧焊，也能用于等离子弧焊，特别适合高合金材料的薄板，用于焊 接热敏感性强和稀有金属材料能得到较好的焊接效果。 1 1 3 数字化的弧焊电源 随着大规模专用集成电路( a s i c ) 、数字信号处理器( d s p ) 及复杂可编程逻辑器件 ( c p l d ) 、现场可编程门陈y l j ( f p g a ) 等新型半导体器件的发展，弧焊电源的控制电路已 经由过去的分立元件、简单集成电路发展到以单片机、d s p 、c p l d f p g a 为核心的数 字化控制电路，即向数字化方向发展【7 1 。数字化弧焊电源的构思源于f r o n i u s 公司的 l a h n s t e i n e r r 0 b e n 【引。数字化弧焊电源是指焊机主要的控制电路由数字控制技术替代传 统的模拟控制技术，且在控制电路中的控制信号也由模拟信号过渡到0 1 编码的数字信 号。即主电路的数字化和控制电路的数字化【9 1 。以逆变式弧焊电源为例，主电路的数字 化是使主电路功率开关器件( i g b t ) 工作在0 1 开关状态，电源的功率开关器件以中 频或高频工作在开关状态，通过调节开通时间与工作周期的比值，即调节占空比来达 到控制输出功率的目的。控制电路的数字化是指通过采用数字信号处理器、滤波电路、 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 模数转化电路和数模转化电路实现对模拟信号的处理 i o , 1 1 。 数字化弧焊电源从提出到初步应用已经有十多年历史，相比于传统模拟弧焊电源， 由文献 1 2 ，1 3 ，1 4 ，1 5 ，1 6 可知，它具有以下几方面的优点： ( 1 ) 系统有很强的灵活性、兼容性，便于扩展。可以通过改变软件来调节焊机适合 不同的焊接材料、焊接方法的焊接要求，也可通过软件升级来提升系统功能，利用数 字化接口能方便的与其他设备进行信息交换、与互联网进行通信。 ( 2 ) 系统稳定性好，具有较高的控制精度。在模拟控制系统中，导致系统不稳定的 关键因素是电容、电阻参数的选择以及有源、无源网络的使用；而影响其控制精度的 主要原因是元器件参数值引起的误差。而在数字化弧焊电源中，算法的实现及信号的 处理是由软件完成的，控制精度也只与a ，d 转化的误差有关。 ( 3 ) $ 1 j 造成本低，使用较少的元器件，容易实现非线性控制，能进行较为复杂的运 算处理，动特性好。 ( 4 ) 具有较好的操作性，抗干扰能力强，产品的一致性较好，噪声小，环保节能。 在市场经济的今天，只有物美价廉的产品才会在激烈的竞争中立于不败之地。然 而，数字化焊接电源在焊接过程中，现场环境及其他因素引起焊接参数值的改变需要 人工调节到工艺所要求的参数值，增大了劳动强度，使生产成本增加。另外，人工调 节参数到要求的参数值所需的时间和精度很难掌握，从而影响系统的控制精度及焊接 质量。 基于此，本课题将对弧焊电源参数预置控制系统进行研究，以提高控制精度，稳 定焊接过程，简化操作。 1 2 弧焊电源预置控制系统研究现状 根据词典的意义，预置( i n i t i a l i z e ) 是给系统安置初始值。焊接参数的预置，是指 在焊接前根据相应的焊接工艺对焊接电流、焊接电压等参数进行给定，在焊接过程中， 通过相应的软件调节，使实时焊接参数值与预先设定的参数值自动保持一致 1 7 1 。 常见的焊接预置控制系统是将多种焊接方法、焊丝尺寸和焊丝类型所对应的焊接 电流、焊接电压等参数设为定值，存储在系统的存储器里，再根据不同焊接进行选择。 如美国林肯焊机的p o w e rw a v e4 5 5 mr o b o t i c 产品，d p 4 0 0 数字化焊机等，可从多个包 含多种焊丝尺寸、焊丝类型以及保护气体组合的标准焊接波形中选择所需要的参数， 该类焊机也能通过自制波形以获得更好的焊接参数，实现参数的预置，但在实际的焊 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 接过程中，标准焊接波形只是相对而言，该类焊机对焊接过程中的参数波动的调节效 果不是很理想。瑞典e s a b 公司的a 2 a 6 过程控制器可对所有焊接参数预置，包括焊 接方向，焊接尺寸、类型、焊接起点、终点，恒电流或恒送死速度等，该系统能自动 检测电源，无需手动更换电源。在焊接过程中能调节焊接参数到预置值，适用于 m i g m a g 和埋弧焊，若使用适配电源，可用于所有类型的手工电弧焊，通用性很好， 是一种很好的参数预置系统。 在国内，我们也能看到在数字化焊接电源上对预置系统的研究。有基于单片机控 制的预置系统。如采用嵌入式单片机系统控制脉冲气体保护焊电源，对焊接过程中的 焊接电流、电压采样，将电弧电压作为控制变量，一定时间内短路次数作为控制目标， 采用模糊p i d 控制算法对变量进行控制调节，保证实时电流、电压值和熔滴过渡频率 与预设值相等【1 8 1 。有基于d s p 控制的预置系统。如以d s p ( t m s 3 2 0 f 2 4 0 ) 为控制核心的 数字化逆变焊接电源，在电压电流采样调理电路中，采用霍尔传感器对输出电流、电 压间接采样，由d s p 控制系统采用p i 控制算法，实时调节输出p w m 脉宽的大小，实 现焊接参数的调节。该系统通过设计专门的参数预置与显示电路，能在参数预置与实 时显示环节很好的切换1 9 2 0 1 。也有基于单片机和d s p 控制的预置系统。如以a t 8 9 c 5 2 单片机为主控制器、以双t m s 3 2 0 f c 2 4 0 数字化信号处理器为从控制器的多c p u 结构 对埋弧焊机进行数字化控制。单片机与d s p 之间采用r s 一4 8 5 进行通信，单片机负责 系统的总体管理和给定参数的输出，d s p 完成p i 控制和p w m 信号的产生，该系统还 采用了6 4 k b 的铁电f m 2 4 c 6 4 非易失性铁电随机存储器，能对多个焊接参数预置、修 改和保存，但实时调节的精度不够理想【2 l 】。 国外焊接技术发展较为成熟，许多国家都能生产带参数预置功能的焊接电源或控 制器。结合人工智能技术和信息化处理技术，国内学者对多种焊接电源进行了此项技 术的研究，虽取得了一定的成果，但离参数预置系统市场化还有相当远的距离。我们 研制此项技术表现出的不足有：焊接电源与预置控制系统一体化，通过改进数字化 焊接电源获得预置功能，未能实现独立预置控制系统的研究；实时调节效果不理想， 在焊接过程中，焊接参数变化时自动调节到需要的参数值的时间较长，有时还需要人 工调节。 1 3 本论文的主要研究任务 本课题拟使用p i c 2 4 f j 6 4 g a 0 0 2 单片机和自制的硬件电路对独立的预置控制系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 控制设备进行探索研究，以期实现不依附于弧焊电源的预置控制系统。该预置控制系 统在弧焊电源空载时，显示预置焊接电流、电压参数值，焊接时显示实际焊接电流、 电压值；若需人工调节改变预先设定的参数值，调节开始时显示参数原有设定值，调 节过程中显示调节值，调节结束时显示新的参数设定值。系统能保证弧焊电源焊接参 数在弧焊过程中自动调节并保持在参数预置值，若参数预置值改变，系统将自动调节 使弧焊电源输出的焊接电流、电压达到新的预置值。无需人工调节弧焊电源的参数值， 从而提高控制精度，稳定焊接过程以提高焊接质量。 本设计拟完成以下几点设计任务： 设计以p i c 2 4 f j 6 4 g a 0 0 2 单片机为核心的控制电路及显示调节电路。 检测自制硬件电路，确保电路功能正常，并调节线性光耦的线性度。 用c 语言编程实现电路以下功能：数据的采集与实时显示，数据可调和p i d 控 制算法的实现，等。 利用单片机的p w m 模块实现d a 转换。 上机调试，自制电路与弧焊电源连接成闭环回来，调节p i d 参数，直至满意。 系统整体验证。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章参数预置控制系统设计平台概述 2 1 硬件平台介绍 2 1 1p i c 2 4 f j 6 4 g a 0 0 2 芯片介绍 本次设计采用的是2 8 引脚的p i c 2 4 f j 6 4 g a 0 0 2 芯片，属于1 6 位通用闪存单片机， 由文献 2 2 ，2 3 可知，其主要性能如下： 1 高性能c p u ：改进的哈佛结构；最高运行速度可达1 6 m p i s ( 3 2 m h z ) ；带4 x p l l 选项的8 m h z 内部振荡器和多个分频选项；支持整数算术运算的1 7 位x1 7 位单周期硬 件乘法器；支持3 2 位1 6 位除法运算的硬件；利用内建软件堆栈支持1 6 元工作寄存器 整列；支持多种寻址模式并为高级语言( 如c 语言) 而优化的指令集；1 6 位数据总线 和2 4 位地址总线，可在数据空间和其他存储空间之间传递信息。 2 单片机的特殊性能：工作电压范围为2 0 v 至3 6 v ；可承受5 5 v 输入电压( 仅数 字引脚) ；所有i o 引脚的高拉灌电流( 1 8 m a 1 8 m a ) ；闪存程序存储器：1 0 0 0 0 次擦 写；数据保存时间最短为2 0 年；功耗管理模式：休眠、空闲、打盹和备用时钟模式； 2 0 v 时的典型工作电流为6 5 0 p a m i p s ；2 0 v 时的典型休眠电流为1 5 0 n a ；故障保护 时钟监视器操作：检测时钟故障并切换至片上低功耗r c 振荡器；片上2 5 v 带跟踪模 式的稳压器；上电复位( p o w e r - o nr e s e t ，p o r ) 、上电延时定时器( p o w e r - u pt i m e r , p w r t ) 和振荡器起振定时器( o s c i l l a t o rs t a r t u pt i m e r , o s t ) ；灵活的看门狗定时器 ( w a t c h d o gt i m e r , w d t ) ，带有片上低功耗r c 振荡器能够可靠工作；在线串行编程 ( i n c i r c u i ts e r i a lp r o g r a m m i n g t m ，i c s p t m ) 和通过2 引脚进行的在线调试( h a c i r c u i t d e b u g ，i c d ) ；j t a g 边界扫描和编程支持。 3 模拟特性：最多1 3 通道的1 0 位模数转换器，5 0 0 k s p s 转换速率；可在休眠和空 闲模式下进行转换；带可编程输入输出配置的两个模拟比较器。 4 夕 特性：外设引脚特性，允许对许多外设进行独立的i o 映射，最多1 6 个可用 引脚，连续的硬件完整性检查和安全互锁以防止无意中更改配置；8 位并行主从端口 ( p a r a l l e lm a s t e r s l a v ep o r t ，p m p p s p ) ：控制线上的可编程优先级；硬件实时时钟日历 ( r e a l t i m ec l o c k c a l e n d a r , r t c c ) ：提供时钟、日历和闹钟功能；可编程循环冗余校 验( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ，c r c ) ；2 个3 线4 线s p i 模块( 支持4 帧模式) ，带8 级f i f o 缓冲区：2 个1 2 c 刑模块，支持多主器件从模式和7 位1 0 位寻址；2 个u a r t 模块：支持r s 一4 8 5 、r s 一2 3 2 和l i n i 2 ，k d a 设备用片上硬件编码器解码器，遇到 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 起始位自动唤醒，自动波特率检测，4 级深f i f o 缓冲区；5 个带可编程预分频器的1 6 位定时器计数器；5 个1 6 位输入捕捉；5 个1 6 位比较p w m 输出；数字i o 引脚上的 可配置漏极开路输出；最多4 个外部中断源。 2 1 2m p l a bi c d 2 5 u s b 介绍 i c d 是“在线调试编程器”的英文缩写，m p l a bi c d 2 是m i c r o c h i p 公司的产品， 2 代表第二代，连起来i c d 2 表示第二代在线调试编程器，第一代在线调试编程器，也 就是i c d l 目前已经淘汰了。早期的i c d 2 的u s b 部分是采用c y 7 c 6 4 6 0 3 ，目前大部 分已经改用1 8 f 4 5 5 0 ，其速度是真正的u s b 高速，达1 2m b s ，改用1 8 f 4 5 5 0 后，性 能有很大的提高，但也仅仅是速度提高了，其构架仍然是属于i c d 2 ，所以，目前一般 将使用1 8 f 4 5 5 0 的i c d 2 ，称为i c d 2 5 ，也就是i c d 二代半的意思。i c d 2 5 不仅可以 利用f l a s h 工艺芯片的程序区读写功能，把监控程序和用户程序都烧写到待调试的芯片 中，然后利用监控程序来实现仿真调试功能，也具有烧写功能，可作为开发型的编程 器使用。 i c d 是i c e ( 在线仿真器) 的替代品，与i c e 相比，i c d 更经济实惠，i c d 能实 现i c e 的大部分功能，但也有部分功能受到限制。i c d 可以工作在m i c r o c h i p 免费提供 的m p l a bi d e 集成开发环境里，实现i c d 的全部功能，由文献【2 4 可知，作为i c d 家族的i c d 2 5 的主要功能有：源程序编译；可以直接在源程序界面调试；可设置一个 断点；提供寄存器和变量观察、程序代码区观察；寄存器修改；单步调试；停止冻结 除定时器在外的芯片功能运行；实时在线调试；可作为编程器使用。i c d 2 5 受到的限 制主要表现在使它正常运行所要满足的要求：需要占用被仿真m c u 的一些软硬件资 源；需要占用目标m c u 的管脚，这些管脚的连接有一定的限制；目标单片机必须有一 个正常运行的时钟；保证系统所有的连接都正常；只能设置一个断点，每次调试都必 须重新烧写程序；使用单步调试功能时不能响应中断；只有在运行停止时，用户才能 观察寄存器值；调试时不能仿真睡眠情况，不能使用看门狗功能；不能烧写保密位， 也不能开启低电压烧写模式。i c d 2 5 接口引脚连线排列如图2 1 所示。 本次设计采用的是爱晶电子公司的i c d 2 5 u s b 产品，该产品在i c d 2 的基础上做 了如下改进：增加u s b 口稳压电路，避免因电脑u s b 口电压不稳定造成的仿真器 不稳定现象。彻底解决i c d 2 向用户板供电时的电流冲击问题。软件控制i c d 2 向 用户板供电。单u s b 口供电，无需外接电源，可以为开发板提供4 0 0 m a 的电流 采用可靠性更高，寿命更长的新型b 型调试电缆。采用贴片工艺，可靠性和抗干扰 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 性更好。i c d 2 5 与单片机连线如图2 2 所示。 图2 1i c d 2 5 接口排列 图2 - 2i c d 2 5 与单片机连接示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 2 软件平台介绍 2 2 1m p l a bi d e 简介 m p l a bi d e 是基于w i n d o w s 操作系统的集成开发环境应用软件包，是为p i c m i c i o 系列微控制器( m c u ) 专门设计开发的应用程序。m p l a bi d e 通过自身的内置组件 和插件模块来为系统配置各种软硬件工具，其中内置组件包括：项目管理器、编译器、 汇编器连接器和语言工具、调试器、执行引擎、等，插件模块根据用户需求选择使用， 包括：编译器语言工具( m p l a bc 1 8 、m p l a bc 3 0c 编译器) 、编程器( m p l a bp m 3 ) 、 在线仿真器( m p l a br e a li c e 、m p l a bi c e2 0 0 0 ) 、在调试器( m p l a bi c d2 、p i c k i t 2 ) 、等。m p l a bi d e 允许用户编写、调试和优化应用程序代码，支持其他的m i c r o c h i p 和第三方开发系统工具。 m p l a bi d e 集成开发环境里的工具按照相应的功能来安排归类，有助于让下拉菜 单和用户自定义项很容易被找到和使用。由文献 2 5 1 可知，m p l a bi d e 可以为我们提供 的功能有：使用内置的编译器创建和编译源代码；汇编、编译并链接源代码；通过监 视模拟器的程序流程或m p l a bi c d 在线调试器的适时操作，可以对可执行逻辑代码 进行调试；用软件模拟器或仿真器进行定时测量( t i m i n gm e a s u r e m e n t s ) ：大量的观察 窗口可以让用户观察到所有的数据和程序存储器里面的内容；源代码、程序存储器和 绝对列表窗口允许用户既可以分别也可以同时观察源代码和汇编级指令( 绝对列表) ； 可以跟踪进入( t r a c et h r o u g h ) 、应用断点( a p p l y b r e a k ) 、跟踪( t r a c e ) 、标准或复杂的 触发点( t r i g g e rp o i n t ) 可将支持的程序烧写入相应的芯片里；通过m p l a bi d e 在线 帮助可以快捷地查询所遇到到问题的解答。 2 2 2m p l a bc 3 0 介绍 m p l a bc 3 0 是一个遵循a n s ix 3 1 5 9 1 9 8 9 标准的优化c 编译器，它的前身是f r e e s o f t w a r ef o u n d a t i o n 的g c c 编译器，在w i n d o w s 操作系统中，为开发c 代码提供给 了一个平台。m p l a bc 3 0c 编译器是一个功能齐全的优化编译器，可对c 语言程序进 行编译，生产汇编语言源代码，它还支持其他命令行选项和语言扩展，能对p i c 器件 的硬件功能进行完全访问，以高效的控制代码的生成。 m p l a bc 3 0 编译器的主要功能有：符合a n s ic 标准，可对原始c 定义进行扩展， 增强c 语言的可移植性；可将c 代码优化，把c 源代码编译为紧凑高效的代码；灵活 的存储器模式，编译器可同时支持大型、小型两种代码和数据模型；拥有完整的a n s i 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 标准函数库；具有编译器驱动程序，能一步完成程序的编译、汇编和链接 2 6 。 2 3p i d 控制方法介绍 比例积分微分( p r o p o r t i o n a l - i n t e g r a l d e r i v a t i v e ，p i d ) 是在工业过程中最常见、应 用最为广泛的一种控制策略，它是由m i n o r s k y 在上世纪2 0 年代对船舶自动导航的研 究中提出的 2 7 。将偏差的比例( p ) 、积分( i ) 和微分( d ) 通过线性组合构成控制 量，对被控对象进行控制，故称p i d 控制器。到上世纪4 0 年代，p i d 控制器已经在过 程控制中得到了广泛的应用。尽管许多先进控制算法不断推出，但p i d 控制器仍以其 结构简单、鲁棒性强、使用方便及易于操作等优点，被广泛应用于化工、冶金、机械、 热工和轻工等工业过程控制系统中 2 8 。 在模拟控制系统中，p i d 控制由模拟p i d 控制器和被控对象组成 2 9 ，如图2 3 所示。 图2 - 3 模拟p i d 控制系统原理图 p i d 控制器根据给定值，例与实际输出值y 例构成控制偏差： e ( t ) = ，( f ) 一y ( f ) 式( 2 1 ) p i d 的控制规律为 砸) = 耻+ 丢胁出+ 半】 式( 2 2 ) 或写成传递函数的形式 肿哿矧1 + 去毋) 式( 2 - 3 ) 式中，砟为比例系数，乃为积分时间常数，乃为微分时间常数。 其中比例环节的作用是将给定值与实际输出值构成的偏差e 何成比例的反映出来， 控制器在接受到偏差信号后立即产生控制作用，使偏差减小。在调节时，比例系数k 尸 增大，响应速度将加快，静态误差减小；如果过调量太大，将会产生振荡，使系统不 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 皇量量量曼曼量曼曼舅皇邑曼量皇曼舅曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼皇曼鼍曼量曼曼曼曼皇曼皇曼曼蔓! 曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量鼍u 曼量曼曼曼曼曼曼曼曼笪曼曼 稳定。积分环节的作用是消除静差，提高系统的无差度。在调节时，积分时间常数乃越 小，积分项的变化速度越快，消除余差的能力越强，但系统静态误差的消除随之变缓。 微分环节的作用是反映偏差信号的变化趋势( 变化速率) 。在调节时，微分时间常数毛 越大，响应速度越快，过调量越小，稳定性越强，但系统抗干扰能力将会减弱【3 0 1 。在 实际控制中，计算机只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此，不能直接使用积 分和微分项，需要用描述离散系统的差分方程代替描述连续系统的微分方程，从而将 微分项离散化，便可以得到能运用于实际控制的数字p i d 控制器。 用描述离散系统的差分方程代替描述连续系统的微分方程的具体方法是采用一系 列的采样时刻点船代替连续时间f ，并用矩形法对其数值积分，最后积分可以用求和 来代替，微分可以用差分来代替，即 d e ( t )e ( k t ) 一p ( ( 尼一1 ) d 一；譬一 班f e ( k ) 一e ( k - 1 ) = = 一 r 式( 2 4 ) 得到相应的离散p i d 表达式，为了书写方便，将p 体矽简化成g 例得到位置式算式： “c 尼，= k 尸 p c 七，+ 号砉p c ，+ 争c p c 后，一p c 后一， 式c 2 - 5 ， 式中，k 为采样信号，u ( k ) 为第k 次采样时刻的计算机输出值，e ( k ) 为第k 次采样 时刻输入的偏差值，e ( k 1 ) 为第( k 1 ) 次采样时刻输入的偏差值 3 1 。 在本次设计中，将实时采集焊接电源输出的焊接电流和焊接电压值，把采集到的 数值与预先设定的电流、电压值进行比较，得到差值，然后利用p i d 控制算法输出控 制量，对焊接电流和电压进行实时调节。基于此，本次设计将采用位置式p i d 控制， 位置式p i d 控制系统结构图如图2 。4 所示。 图2 _ 4 位置式p i d 控制系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 第3 章预置控制系统硬件设计 本论文针对下降特性埋弧焊电源进行参数预置控制系统的探索，通过电压正反馈 来控制送丝速度，通过电流负反馈来控制电源电流输出。系统硬件主要由供电电路、 信号采样电路、显示电路、预置调节电路和d a 转换电路组成，系统硬件结构如图3 1 所示。系统以p i c 2 4 f j 6 4 g a 0 0 2 单片机为核心，其i o 口分配如图3 2 所示，通过软件 编程设计，并重新定义单片机外设引脚，可实现所需要的引脚功能。 图3 - 1 系统硬件结构图 阪瓦面一未丽 姜i f 二坐叫r a o 苦髁卑习忒 震三 叫r b 0 磁编牛国r b l 腱薹 i 塑lo 掣r a 3 l 呈is 唑叫i l 不is o s c o 叫1 2 蔬 i 闺娑 n v d d v s s o o o r b l 5 叟 r b l 4 寸 里 r b l 3 璺 r b l 2 寸 奠 r b l l r 、 r b l 0 山v c a p d i s v e r g r b 9 r b 8 r b 7 r b 6 i 调 u 调 【速度i 2r p11 1r p l 0 ii 调节输入 2 0 1 9 1 8r p 9 ，一 - - - - - - - - - - - 一 1 7r p 8 iu 调节输入 6r p 7 一 5r p 6 l 速度调节输入 图3 2 系统i o 口分配图 3 1 供电电路 供电电路分为数字电路供电和模拟电路供电，数字电路供电包括对单片机 p i c 2 4 f j 6 4 g a 0 0 2 供电( 3 3 v ) ，对将光电隔离后的采样信号进行信号处理的积分电路 供电( 士1 5 v ) ，对d a 转换部分的光耦合器电路供电及对显示、调节电路供电( 5 v ) 。 一一一一|耋一一一一一一 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 数字电路供电电路图如图3 3 所示。 模拟电路供电包括对信号采样电路和采样信号光电隔离前的积分电路供电 ( 士1 5 v ) ，对d a 转换部分的二级低通滤波电路供电( 5 v ) ，电路图如图3 4 所示。电 路设计采用三端稳压管，根据输出电压值不同选用了不同的稳压管，包括l 7 8 1 5 、l 7 9 1 5 和l 7 8 0 5 。在电路图中，电解电容c 1 、c 3 、c 9 、c 1 1 起储能滤波作用，c 2 、c 4 、c 1 0 、 c 1 2 可滤去电网引起的高频干扰，其他电容用来减小输出脉冲电压并改善负载的瞬态 效应，即瞬时增减负载电流时不致引起输出电压有较大的波动3 2 , 3 3 】。供电电路引脚1 1 1 、 1 1 3 、1 1 4 和1 1 6 接经变压器变压的交流1 8 v 电源，引脚1 1 2 和1 1 5 接地。 c l 一导u 1 i ui g n l 。li g n dg i d lr g v o u t h l 么d l z d 2+ 2 2 0