（机械电子工程专业论文）基于嵌入式实时操作系统ucosⅡ的焊机控制器的研制.pdf

杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 焊接技术在现代的工业生产中应用较为广泛。焊接过程具有不确定性、时变性和非 线性的特点，传统的模拟控制很难在控制精度、速度和稳定性上满足现代焊接控制的要 求。随着逆变技术、计算机技术和控制技术的发展，数字化焊机的研究研究已经成为一 个热点。本文在对国内外焊接设备发展现状调研的基础上，结合浙江某焊接设备制造企 业的n b 5 0 0 系列i g b t 逆变焊机，进行数字化焊机的研究。 本文在对数字化焊机进行简介后给出了数字化焊机控制系统的控制框架，设计了基 于d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的数字化焊机控制系统。在硬件上，本文详细描述了d s p 控 制系统各部分硬件电路的设计，包括d s p 最小系统电路、通讯电路、驱动电路、保护 电路、电压电流采样调理电路以及人机交互界面的硬件设计，为弧焊的数字化控制提供 了硬件平台。在硬件设计制作时充分考虑了焊机的抗干扰性能，详细分析了焊机干扰类 型以及传输方式，针对不同的焊机部分设计了相应的抗干扰方式。在控制策略上，采用 数字p i 方法。通过对输出电流和电弧电压的实时采样，经过p i 处理后，改变d s p 输出 的p w m 信号，控制焊机的输出特性。在软件方面，针对传统焊机功能单一的缺点，在 该焊机主控芯片d s p 上移植了嵌入式实时操作系统u c o s ，并对移植过程作了详细 介绍。在该实时系统的基础上，根据对焊机的功能要求设计了系统任务，主要有：模数 转换任务，焊接过程控制任务，通讯任务，按键检测任务，l c d 显示任务。为了保证焊 机系统任务程序的正常执行，给出了软件抗干扰措施，包括：指令冗余，软件陷阱，软 件监视定时器，开关量输入输出抗干扰。 本文对所设计的数字化弧焊控制系统进行软硬件调试，通过实验方法验证了控制系 统对焊机的数字化控制，并利用m a t l a b 仿真软件并且建立了电压数字p i 控制模型和 电流数字p i 控制模型，取得较好的控制效果。通过现场试焊对比证明应用数字化焊机 控制系统能明显改善焊接效果。最后，作了电源外特性测试，并作出了外特性曲线。 最后，在对本文做简要总结的基础上，对于本逆变焊机控制系统的进一步完善工作 提出了建议，为数字化焊机控制系统今后更加深入的研究奠定了良好的基础。 关键字：数字化焊接，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，i i c o s 一，p i 杭州电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w e l d i n gt e c h n o l o g y i s w i d e l yu s e d i nm o d e r ni n d u s t r i a l f o rt h e u n c e r t a i n t y , v a r y i n g - 血ea n dn o n l i n e a r i t yi nt h ew e l d i n gp r o c e s s ，t r a d i t i o n a la n a l o gc o n t r o li sd i f f i c u l tt o m e e tm o d e r nw e l d i n gc o n t r o lr e q u i r e m e n t si nc o n t r o la c c u r a c y , s p e e da n ds t a b i l i t y w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h ei n v e r t e rt e c h n o l o g i e s ，c o m p u t e rt e c h n o l o g i e sa n dc o n t r o lt e c h n o l o g i e s ，i t h a sb e c o m eah o t s p o tt os t u d yt h ed i 百t a lw e l d i n gm a c h i n es y s t e m i nt h i sp a p e r , w et o o k r e s e a r c h e s0 1 1t h ed e v e l o p m e n to fw e l d i n ge q u i p m e n ta th o m ea n da b r o a d ，a n dc o m b i n e dt h e n b 5 0 0s e r i e si g b ti n v e r t e rw e l d i n gm a c h i n e i nt h i sp a p e r , w ep r o p o s e dac o n t r o lf r a m e w o r ko ft h ed i g i t a la r cw e l d i n gc o n t r o ls y s t e m a n dd e s i g n e dd i g i t a lc o n t r o ls y s t e m sb a s i n go nd s p 耶s 3 2 0 l f 2 4 0 7 aa f t e rg i v i n ga i n t r o d u c t i o nt oi t i nh a r d w a r e ，t h i sp a p e rd e s c r i b e dt h eh a r d w a r ed e s i g no ft h ev a r i o u sp a r t s o fd s pc o n t r o ls y s t e mi nd e t a i l ，i n c l u d i n gh a r d w a r ed e s i g no fd s pm i n i n l u l ns y s t e mc i r c u i t s ， c o m m u n i c a t i o nc i r c u i t s ，d r i v ec i r c u i t s ，p r o t e c t i o nc i r c u i t s ，v o l t a g ea n dc u r r e n ts a m p l i n g c o n d i t i o n i n gc i r c u i ta n dh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e i tp r o v i d e dah a r d w a r ep l a t f o r mf o rt h e d i g i t a l c o n t r o lo fa r cw e l d e r w et o o kf u l la c c o u n to ft h ew e l d i n ga n t i - i n t e r f e r e n c e p e r f o r m a n c ei nt h eh a r d w a r ed e s i g n , d e t a i l e da n a l y s i so ft h ew e l d i n go fd i s t u r b a n c ea n d i n t e r f e r e n c et r a n s m i s s i o nw ed e s i g n e dd i f f e r e n tw e l d i n ga n t i i n t e r f e r e n c em e t h o d sf o rp a r t s o ft h ew e l d e r i nt h ec o n t r o ls t r a t e g y , w eu s e dt h ed i g i t a lp ic o n t r o lm e t h o d n es y s t e mt o o ka r e a l - t i m es a m p l i n go ft h ec u r r e n ta n dv o l t a g eo u t p u t , t h er e s u l t sw e r es e n ti n t op ic o n t r o l l e r t h ec o n t r o l l e r c h a n g e dt h eo u t p u t o ft h ed s pp w ms i g n a l st oc o n t r o lt h e o u t p u t c h a r a c t e r i s t i c so fw e l d i n g i ns o f t w a r e ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h e 岭 o s hr t o s ，b u i l ta r e a l - t i m em u l t i - t a s kp l a t f o r m , a n dt h em i g r a t i o nw e r ed e s c r i b e di nd e t a i l t h et a s kw a s d e s i g n e da c c o r d i n gt ot h e f u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so ft h ew e l d i n gs y s t e m , i n c l u d i n g ： a n a l o g - d i g i t a lc o n v e r s i o nt a s k , w e l d i n gp r o c e s sc o n t r o lt a s k s ，c o m m u n i c a t i o nt a s k s ，k e y d e t e c t i o nt a s k s ，l c dd i s p l a yt a s k i no r d e rt o 朗f l s u r et h ep r o p e re x e c u t i o no ft h et a s kp r o g r a m , s o f t w a r ea n t i - i n t e r f e r e n c em e a s u r e sa r eg i v e n , i n c l u d i n g ：r e d u n d a n ti n s t r u c t i o n s ，s o f t w a r et r a p ， s o f t w a r ew a t c h d o gt i m e r , s w i t c hi n p u ta n do u t p u ti n t e r f e r e n c e i nt h i sp a p e r , t h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e mh a sp a s s e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e b u g g i n g , d i g i t a lc o n t r o lo nt h ew e l d i n gc o n t r o ls y s t e m sh a db e e nv e r i f i e db ye x p e r i m e n t s v o l t a g e d i g i t a lp ic o n t r o lm o d e la n dc u n e n td i g i t a lp ic o n t r o lm o d e la r ee s t a b l i s h e db ym a ta ba n d t h ec o n t r o le f f e c tw a ss a t i s f a c t o r y d i g i t a lw e l d i n gc o n t r o ls y s t e mc o u l di m p r o v et h ew e l d i n g e f f e c ts i g n i f i c a n t l yt h r o u g ht h ef i e l dw e l d i n gt e s t a tl a s t , w em a d eat e s to fe x t e r n a l c h a r a c t e r i s t i ca n dd r e wt h ec h a r a c t e r i s t i cc u r v e f i n a l l y , w em a d er e c o m m e n d a t i o n st ot h ef u r t h e ri m p r o v e m e n to ft h ew e l d i n gi n v e r t e r 一 塾型皇王型垫奎堂堡主堂垡笙奎 _-_-_-_-_-_-_-_-一一 a f t e rab r i e fs u m m a r y i tl a i dag o o df o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e rs t u d yo fd i g i t a lw e l d i n gc o n l r o l s y s t e m k e y w o r d s ：d i g 砌w e l d i n g ，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a , p c o s - ，p i 杭州电子科技大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景 焊接作为金属连接的一种工艺，具有其它连接方法不可比拟的优点，尤其近一个世 纪以来，随着高新技术的出现，特别是计算机和电力电子技术的发展，更给焊接技术注 入了新的生机和活力，使其作用得到了淋漓尽致的发挥，从而在各行各业域都有广泛应 用。我国近些年来一些大型工程的建设，例如西气东输工程、三峡水利工程、“鸟巢 工程、等都有焊接技术的应用。 焊接技术的发展和钢铁工业的发展息息相关。资料显示，工业发达国家的焊接结构 用钢均在钢产量的一半以上，我国通过焊接完成的钢结构也有4 0 左右。每生产2 0 - - 2 5 台电焊机就可以满足一万吨钢产量的焊接需求。我国钢铁产量从1 9 8 9 年的6 0 0 0 万吨提 高到2 0 0 9 年的5 1 2 万吨，焊接材料从4 4 7 万吨增加到3 6 4 万吨，对焊接设备的需求巨 大。 我国约有千余家焊机生产企业，但是绝大多数企业都是年产值低于两千万的中小型 企业，并且小型企业占很大的比例，年产值过亿且具有规模的大型焊机企业在国内寥寥 无几。同时在焊机产业结构上，国内焊机企业生产的焊机多数是低端产品，市场占有率 虽比国外焊机企业高，但是低端产品附加值低，仅靠数量取胜，利润微薄。在中端的焊 机产品上，国内企业市场份额低于国外焊机企业，且具有较大的竞争压力。在高端焊机 产品上，自动化焊机、特种焊机以及其它成套的焊接设备几乎全部由国外厂商提供，国 外焊机企业占据了绝对的优势。总的来说，国内的焊机企业由于生产的产品技术含量低， 性能参数无法完全保障，产品合格率低等问题，产品性能还有待提高。国内焊机行业总 体利润率不到1 0 ，且还有约2 0 的焊机企业处于亏损状态。因此非常有必要进行焊机 技术的研究，打破国外企业的垄断格局。 电弧焊是目前最常见的焊接方法，只有约1 0 的焊接采用的是非电弧焊方式。c 0 2 气体保护焊是上世纪五十年代发展起来的，具有生产效率高、成本低、焊接质量好、易 于实现等特点的焊接技术，被广泛应用在汽车制造i 造船等工业中。但是它也具有金属 飞溅大、熔深浅、易产生气孔的缺点，其中焊接飞溅的问题是其最主要缺点。采用先进 的焊接电源设备，利用数字化焊接控制技术，在焊接不同状态通过不同的控制方式改变 焊接电源的输出特性是减少c 0 2 气体保护焊飞溅大、焊缝成形差等缺点的一种行之有 效方式。 随着电子技术和材料科学的发展，尤其是功率电子技术的发展，直流焊机的发展经 历发电机、二极管整流焊机、晶闸管整流焊机、斩波式焊机和逆变焊机这五个阶段。上 世纪八十年代初发展起来的逆变焊接电源是焊机电源发展的一次重大突破。早期的逆变 焊机是晶闸管逆变焊机，其工作频率较低，多应用在焊条电弧焊上。场效应晶体管 杭州电子科技大学硕士学位论文 ( m o s f e t ) 逆变焊机由于其工作频率的提升以及尺寸成本的缩减，广泛应用在小容量逆 变焊机中，目前国内还有许多厂商如深圳瑞凌，在大量生产和出口场效应管逆变焊机。 绝缘栅双极型晶体管( i o b t ) 由于自身结构和技术特点，能比场效应晶体管输出更高的电 流容量和电压等级，因而在中大功率的逆变焊机中广泛应用。i g b t 逆变焊机工作频率 可达2 0 k h z 以上，机型几乎覆盖所有弧焊电源领域，是逆变焊机发展的方向。例如，中 国企业近几年在北京埃森国际焊接展览上参展的展品几乎全部都是i g b t 式逆变焊机。 采用先进的逆变电源，可将功率因数提高到0 9 9 以上，电源转换效率可达到9 3 以上。而且随着逆变频率的提高，焊机内部变压器和电抗器的尺寸和质量都可减小，可 节约材料成本，便于焊机小型化便携化设计。同时，逆变电源的应用使控制过程更精细， 系统动态响应好，降低了控制电路的设计难度，提高了焊机整体可靠性，为焊机实现数 字化控制提供了前提条件。 1 2 逆变焊机 1 2 1逆变焊机的特点 逆变焊机是采用逆变技术弧焊电源的焊机。采用i g b t 作为开关器件的逆变焊机称 为i g b t ( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ，绝缘栅双极型晶体管) 逆变焊机。逆 变时候的工作频率很高，这使得主变压器的铁心面积和线圈匝数减少，可以大大节省金 属材料，减少电能损耗。另外，逆变焊机可以在微妙级的时间内对输出电流进行调整， 控制速度较高，可以获得较好的控制效果。目前，在工业技术较发达的国家，逆变技术 已经被广泛应用于手工电弧焊、t i g 焊和等离子切割等各方面嘲。 1 2 2焊机的发展趋势 当前，在焊接领域内新材料的应用，薄板焊接的增多，这些对焊接设备提出了更高 的要求嘲。传统的模拟电路控制系统或单片机控制系统抑制了弧焊逆变电源优势的发挥。 近年来，随着电子技术、计算机技术和数字信号处理器d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 的发展，各种先进生产设备的功能更加完善，智能化水平进一步提高，弧焊电源的控制 系统从传统的模拟控制系统、单片机控制系统阶段进入到以数字信号处理器d s p 为核心 的数字化控制阶段。 。 通过数字控制弧焊逆变电源可以全面提升焊接电源的性能。第一，逆变技术和弧焊 电源的结合可以使焊接电源的动特性得到提高，对焊接电弧行为的控制时间从3 3 m s 缩 短到5 0 u s ( 2 0 髓z 的逆变频率) ，从而实现对电弧的有效控制。第二，在对弧焊工艺的 控制中使用了信息技术和数字处理技术，使得焊接工艺过程得到更加精确的控制b 3 。第 三，数字化弧焊逆变电源提供数字编码形式的控制信号，它不会受到模拟器件参数及周 围环境温度变化的影响，因此控制效果稳定，可以保证产品的一致性。 当前，在焊接领域内传统主电路逐渐被逆变电路取代，数字控制逐渐取代模拟控制， 数字化弧焊逆变技术成了当今焊接技术发展的主流。 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 2 3焊机采用的新技术 当前业界内采用的主要新技术有如下几点。控制电路以数字信号处理器d s p 为核心， 实现主控电路的数字化。d s p 强大的数据处理能力和大规模集成，可以使得弧焊电源更 安全，速度更高，并且抗干扰能力大大增强。数字化的主电路使得响应速度加快，焊机 可以获得更好的动态响应特性；焊接电源效率大大提高，可以达到9 0 以上；变压器的 体积和质量减小，便于携带圆。 “m c u + d s r 的双处理器控制系统。例如奥地利f r o n i u s 公司的t p s 系列焊机。在该 系统中，d s p 可以利用其较强的数据处理能力进行算法处理，单片机依据其强大的控制 能力负责人机接和程序控制。 多种焊接方式集于一体。星云公司的n e b u l a 系列焊机具有等八种焊接方式，药皮 手工焊、直流氩弧焊、脉冲氩弧焊、气保焊、双脉冲气保焊及碳弧气刨等等。每台焊机 都可以实现任意焊接方式的组合。数字焊机的焊接方式是靠软件来实现的，改变软件即 可增加相应的焊接方式，各个焊接方式模块相互独立。 专家数据库。例如星云公司的n e b u l a 系列焊机内部存储了两家世界项级焊接厂家 的专家数据库，存储了几百个专家程序，可以覆盖绝大多数的焊接场合。 1 3 国内外焊机发展现状 1 3 1国外焊机发展现状 随着大规模集成电路技术的发展，特别是计算机和数字信号处理技术的发展，单片 机等数字化芯片被用于完成设备管理、闭环控制等功能。随着功能强大的数字线号处理 器d s p 的出现，数字化焊接电源可以集成多种功能，功能升级方便。当前，用于弧焊电 源控制的d s p 有美国t i 公司的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列、a d i 公司的a d s p 2 1 0 0 系列、m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 f 8 0 0 系列。国外数字化焊机的代表性产品是奥地利f r o n i u s 公司的 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 全数字化焊机，其主控部分是一个数字信 号处理器( d s p ) 。该d s p 处理所有的焊接数据，同时具有引弧、专家系统、焊接数据接 口等功能。又如，德国e w m 公司的i n t e g r a l 系列数字化焊接电源，有一机多用、网络 通讯、焊接数据的存储和分析等功能。日本o t c 公司的型号为d p 3 5 0 的数字化焊机的电 源控制部分是：单片机+ d s p ，它可以对给定的电流、电压信号做综合处理，以实现信息 化、数字化控制订1 。 1 3 2国内焊机发展现状 现代焊接设备的发展与电力电子技术和器件的发展密切相关。5 0 年代末，功率半导 体二极管开始用于焊接电源，所构成的弧焊整流器明显优于弧焊们发电机。7 0 年代初， 由晶闸管( s c r ) 构成的可控整流式弧焊机的出现标志着现代电力电子技术开始进入焊接 电源设备领域。从7 0 年代到8 0 年代，功率晶体管( g t r ) ，绝缘栅晶体管( i g b t ) 等相继 出现。晶闸管式逆变弧焊机主要用于t i g 焊接，手工电弧焊和c 0 2 焊等。1 9 8 2 年，华南 理工访问学者在德国研制成场效应管式弧焊逆变器。同年，成都电焊机研究所对晶闸管 杭州电子科技大学硕士学位论文 ( s c r ) 逆变式弧焊整流器进行了研究，并且在第二年成功研制出我国第一台z x 7 2 5 0 逆 变式弧焊电源，并实现了商品化。我国逆变电源的发展前后共经历了4 代：第一代：用 s c r ( 可控硅) 作为逆变器的主功率器件；第二代：晶体管逆变器；第三代：场效应管 逆变器；第四代：i g b t ( 绝缘栅晶体管) 逆变器。 目前，从焊接设备制造技术上看，我国的焊接设备和技术有了较大的发展，但是在 细节上仍然有很大的差距，在高端产品市场上更为明显，国产焊机只能在低端产品市场 上占据一定的市场份额，与进口产品竞争。国外的知名品牌在国内数字化焊机市场仍占 据主要地位，国产机的整机水平与进口机相比较低，有待进一步的发展提高。当前，在 国内主要有北京工业大学、兰州理工大学、华南理工大学等科研院所正在从事数字化焊 机的研究。其中，最具有代表性的是北京工业大学殷树言教授等研发的全数字化焊机， 是国内数字化焊机的发展方向旧。当前，网络信息技术已经被用于焊接领域，焊接技术 向着智能化、自动化的方向发展。兰州理工大学的石季教授等人对于能够支持互联网功 能的网络焊接设备进行了深入的研究，并取得了相应的成果。如果焊接设备支持网络功 能，则可以利用企业现有的信息系统通过网络对焊接工艺进行监控和管理晦】。 1 4 嵌入式系统简介 嵌入式系统总体上可以划分为硬件和软件两部分，硬件由微处理器和外围辅助电路 组成，软件由嵌入式操作系统和运行其上的软件组成，软、硬件通过中间层进行连接嘲。 嵌入式系统的特点如下： 系统内核小。嵌入式系统主要用于小型电子产品，其内核比传统的操作系统小。例 如e n e a 公司的o s e 分布式系统，内核仅有5 k b 。 专用性强。嵌入式系统中的软件和硬件结合相当紧密，要根据系统硬件的变化进行 相应的系统移植，对系统进行裁剪；对于不同的任务，也需要对系统进行相应的修改； 程序的编译下载要和系统结合。 嵌入式系统的基本要求是：操作系统的高实时性，且软件可以固化存储。 支持多任务的操作系统。用户通过自行选配r t o s ( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) 开发平台实现对多任务合理调度，从而保证程序执行的实时性、可靠性。 系统精简。在嵌入式系统中应用软件和系统软件的区分并不是特别明显，在实现功 能的前提下软件设计的尽可能简单，这样有利于系统安全。 嵌入式系统的开发要求有专门的开发工具和环境。嵌入式系统的核心是嵌入式微处 理器。对微处理器的要求如下：对多任务有较强的支持能力，中断响应时间短，减少执 行内核的时间：对存储区有强大的保护能力：可扩展的处理器结构；微处理器的功耗应该 很低叫。 1 5 本课题研究的主要内容 本课题致力于研制一款基于数字信号处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的逆变焊机控制系统。 以d s p 为主控核心，在c 0 2 气体保护焊平台上，根据采样电流电压值，输出相应的p 删 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 信号，实现焊机的数字化控制。 硬件系统设计。设计一款基于数字信号处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的数字化焊机控制系 统电路。其中包括d s p 最小系统及相应的扩展电路，p w m 驱动电路，保护电路、采样调 理电路等。 软件系统设计。进行软件的总体设计，移植实时操作系统u c o s i i 到焊机控制系 统，在d s p 主控系统上编写控制软件，根据焊接过程中的不同状态确定相应的焊接策略， 完成焊接。制定相应的软件抗干扰措施。 实验调试。对焊机控制系统的软件和硬件进行调试，解决调试过程中的问题。 焊机参考设计参数如下： 输入电压：三相3 8 0 v 1 5 ，5 0 h z 额定输出电压：正常焊接电压1 8 v - 2 8 v 逆变频率：2 0 k h z 空载电压：6 0 v 负载持续率：6 0 _ 1 0 0 5 杭州电子科技大学硕士学位论文 第2 章焊机的总体设计方案 2 1 系统总体设计方案 数字控制c 0 2 气体保护焊焊接系统由控制电路部分、主电路部分、保护电路、驱动 电路和人机接口电路等五大部分组成。主电路是功率部分，提供焊接电流。主电路部分 的组成如下：整流电路、滤波电路、i g b t 逆变电路、中频变压器、输出二次整流电路、 滤波电抗。控制电路主要由d s p 最小系统和外围扩展电路组成。作用如下：d s p 输出 p 删信号，控制i g b t 的开关状态；d s p 通过s c i 模块实现和上位机及送丝机的通信； 通过采样电路采集电流电压值，并由a d 进行转换。该控制系统的总体结构图如下： 图2 1 总体方案图 2 2 数字信号处理器概述 2 2 1d s p 的发展及分类 1 9 7 9 年，i n t e l 公司发推出可编程器件2 9 2 0 ，这是第一块d s p 芯片。该芯片是4 2 脚双列直插式，内含一个完整的数字信号处理器，但是未包含现代d s p 所需的单周期硬 件乘法器。它可与芯片外的数据r a m 、a d 及d a 等配合工作。1 9 8 0 年，日本n e c 公司 推出i ip d 7 7 2 0 是第一个有单周期硬件乘法器的商用d s p 。1 9 8 2 年日本h i t a c h i 公司推出 第一个浮点d s p 芯片。1 9 8 3 年日本f u j i t s u 公司推出m b 8 7 6 4 ，有内部双总线，1 2 0 n s 的指令周期。美国模拟器件公司( a d 公司) 相继推出一系列的定点和浮点d s p 。定点d s p 有a d s p 2 l o l 2 1 0 3 2 1 0 5 、a d s p 2 1 1 1 2 1 1 5 、a d s p 2 1 6 1 2 1 6 4 和a d s p 2 1 7 1 2 1 8 1 ，浮点有 a d s p 2 1 0 0 0 和a d s p 2 1 0 6 0 2 1 0 6 2 等。m o t o r o l a 公司在1 9 9 0 年推出浮点d s p 芯片m c 9 6 0 0 2 。 t i 公司于1 9 8 2 年推出t m s 3 2 0 1 0 系列芯片。之后，t i 又推出第2 代、第3 代、第4 代、 第5 代和第6 代d s p 芯片。t i 公司给d s p 引入了计算机微处理器的特点，并开发了c 语言和汇编语言代码产生工具和各类软硬件调试工具n 仍。 2 2 2d s p 软硬件结构特征 专用的硬件乘法器。d s p 有一个专用的硬件乘法器，在一个指令周期内就可以完成 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 一次加法和一次乘法。 采用哈佛总线结构。哈佛结构中把程序和数据存放在不同的存储空间中。程序总线 和数据总线互相分离，在一个机器周期内可同时获得指令字和操作数，提高数据吞吐率。 又因为程序指令的存储和数据存储分开，可以使程序和数据有不同的数据宽度。 图2 2 哈佛总线结构图 专用寻址单元。为了提高运行速度，d s p 增加了一个地址发生器，它是专门支持地 址运算的算术单元。它与算术逻辑单元并行工作，不额外占用c p u 的时间，实现加速。 流水线操作。d s p 广泛采用流水线，减少指令执行时间，处理器可以同时处理2 条 至4 条指令。如图2 2 所示为4 级流水线图。 片内存储结构特殊。片内集成了数据存储器r a m ，例如：t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 内部集成 了2 5 k 字数据r a m ，c 6 0 0 0 系列内集成了l 7 她的程序r a m 和数据r a m 。片内数据存 储器访问速度快，提高数据传输速度。 呷_ 厂l _ r - ，1 一r 矿 融； n ；n + l n + 2 n + 3 i l n i 州i m i i ll “7 。 i “7 。 i o 州：n - 2 ：m - - ! ：n：w 卅： 咖：n - 3 1n - 21 n 一1 1 n ! 图2 3 四级流水线操作 2 2 3d s p 的基本工作原理 d s p 和单片机的工作原理很相似，其工作过程是：首先，把数据从i o 口或存储器 读出来，按照一定的运算规律进行数据处理，最后将运算的结果存储到i o 口等处。在 其工作过程中，采用双总线方式，由数据和地址总线实现对数据和地址流的有序管理。 在地址和数据线上流动着地址和数据信息，在两条线上还挂接着程序存储器、数据存储 器、c p u 和片内外设等。其中c p u 是主控单元，由它决定当前谁可以获得c p u 的使用权； 程序存储器用来存储人工编写的程序，该程序在c p u 的指挥下按照流程执行；片内外设 通常包含i o 、串行通信等功能模块，它们都集成在芯片内部用于实现和外部的通信心1 。 2 2 4本课题芯片的选型 逆变电路对控制系统的要求有：( 1 ) 控制电路要对采样到的电流、电压信号进行实 时处理，并且控制参数也需快速输出，因此d s p 要有较大容量的程序和数据存储器，且 杭州电子科技大学硕士学位论文 转换器的运行速度应该较高。( 2 ) 焊接过程是在噪声、电磁干扰较为强烈的环境下进行 的，因此控制系统的抗干扰能力应该较强。( 3 ) 节约成本，实现高性价比。 生产控制用的d s p 的厂家主要有：t i 、m o t o r o l a 和a d 三家公司，其代表产品是 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，a d m c 4 0 1 和d s p 5 6 f 8 0 7 。综合比较选用t i 公司的d s p l i i s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为 控制系统的c p u 。 2 3t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 数字信号处理器简介 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 是t i 公司专门针对电机、逆变器、机器人、数控机床等控制而设计 的。其特点如下：采用高性能静态c o m s 技术，基于t m s 3 2 0 c 2 x xd s p 的c p u 核，片内有 3 2 k 字x 1 6 位的f l a s h 程序存储器；高达2 5 k 字x 1 6 位的数据程序r a m ：5 4 4 字双端口 i 洲；2 k 字的串口r a m ：s c i s p i 引导i 硎：两个时间管理器模块e v a 和e v b ，可扩展的外 部存储总共1 9 2 k 字x 1 6 位的空间，看门狗定时器模块；1 6 位串行外部设备接口接口； 基于锁相环的时钟发生器；4 1 个可以单独编程或复用的通用输入输出引脚。 2 4 以t l v l s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核心的系统设计过程 为了实现系统的最终目标，应该选用最合适的处理方法对输入的信号进行处理，从 而得到最佳的系统性能，之后进行实时d s p 系统的设计。根据系统运算量大小、对运算 精度要求、确定合适的d s p 芯片。依据系统要求和所选d s p 型号进行软件设计编程。最 后进行软件和硬件调试啪。 d s p 应用 + 定义系统性能指标 0 选择d s p 芯片 j上 i 软件编程l 硬件设计 i 软件测试 硬件调试 系统测试 系统测试和调试 图2 4 d s p 系统设计流程 2 5 逆变电源介绍 该系统通过对弧焊逆变电源的控制来实现对焊接过程的控制，c 0 2 逆变焊的工艺过 程如下：焊接参数预置，软启动，提前送气，焊接脉冲控制，结束焊接，滞后断气， 复位，自动进行。在焊接过程中，由d a 模块给出控制电平，通过改变控制电平的大小 来改变i g b t 的导通占空比，从而调节焊机的输出电压值。 8 杭州电子科技大学硕士学位论文 图2 5 逆变电源原理框图 逆变电源工作原理，电网上的交流电输入整流滤波电路后变为直流高压电，在逆变 器内部的功率开关元件的交替开关作用下变成中频或高频交流电，经过变压器变压器之 后电压降到几十伏，该低压高频交流电在高频整流滤波电路的作用下变为低压大电流的 直流电。逆变电源目前被广泛应用，其优点如下： 体积小，重量轻。弧焊电源的重量及体积取决于变压器的重量和体积，对于变压器 存在关系式 珥i 旬城阚 ( 2 1 ) 式中u i 为变压器原边电压，k 是常数，f 是变压器的工作频率，b 是工作磁通密度， s 是磁芯的有效工作截面面积，u i 变压器原边线圈匝数。由此可得当工作频率提高时， 变压器体积和滤波电抗器的体积都会随之减小。 高效节能。当提高逆变电源的频率时可以降低电抗器和变压器体积，节省金属材料， 同时减少在其上的能量消耗，效率可以达到8 0 0 , 6 。 逆变弧焊电源的动态特性好。它的动态响应时间约为几百微妙，和焊接过程的时间 常数接近，实现焊接的动态控制。 9 杭州电子科技大学硕士学位论文 第3 章硬件设计 3 1 硬件设计原则 在满足功能的前提下，选用常用器件、典型电路，方便实现系统的标准化；进行适 当扩展以达到功能要求，同时要考虑降低二次开发的难度。 一 虽然由软件代替硬件实现相应的功能时响应速度比较慢，需要占用较多的c p u 运行 时间，但是可以简化硬件电路的设计。在选择硬件电路的元器件时应考虑到相关器件功 耗等方面的性能匹配。 在进行硬件电路设计时要考虑到器件选择、p c b 板布线、滤波等各个方面，从而保 证电路的抗干扰性。在保证功能的前提下电路尽量简单，减少元器件之间不必要的干扰， 保证系统稳定性n 】。 在d s p 驱动能力允许的范围内进行外围电路扩展，也可通过降低芯片功耗或增设线 驱动器来保证驱动能力，从而确保系统工作可靠。 3 2 硬件系统抗干扰 3 2 1干扰因素 干扰因素有：干扰源：如继电器、高频时钟等在电路中会产生干扰的元器件或者设 备都可为干扰源。传播路径：指的是干扰源把干扰通过导线或其他媒介传到敏感器件所 经过的路径，例如空间辐射。敏感器件：像数字i c 、d a 变换器、信号放大器这些容易 被干扰到的器件即为敏感器件。干扰分类：电源干扰，由于电磁波辐射产生的空间干扰， 以及与主机相连的i o 通道干扰。 3 2 2抗干扰方法 i o 通道抗干扰，控制板上有很多信号线直接或间接的与d s p 相连，数字信号在这 些信号线上传输时易受干扰产生时延、衰减、突变等现象。为保证信号传输的准确性， 需要注意信号线的选择。屏蔽线能有效的抑制静电干扰，而双绞线可使各个小环节的电 磁干扰效应相互抵消，能有效降低电磁感应干扰。由于焊机需要实时检测主电路的电压 电流参数，易受强烈的电磁干扰，故在采样电路中采样信号通常选用双绞线进行传输。 在d s p 接收执行机构的反馈信号时，静电干扰通常是主要的干扰方式，故多采用接地 的信号屏蔽线来传输信号以减小静电干扰效应。 在d s p 控制的c 0 2 气体保护焊机中，d s p 输出的控制信号经过驱动隔离电路后控 制i g b t 功率管的导通和关断。而功率管在通和断的切换过程中会产生高频噪声，通过 i o 等通道传递到d s p 控制电路中形成噪声干扰。在本设计中遵循了干扰隔离的基本思 想，通过采取隔离的方法来从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，切断干扰传 输的通道，使干扰源与易受干扰的部件之间不直接发生电的关系，仅保持有信号的联系。 这样能有效地隔离干扰信号，保证了d s p 控制系统正常、稳定的工作。 p c b 抗干扰主控电路板是整个焊机控制系统的核心，主控电路电磁兼容性能的好坏 1 0 杭州电子科技大学硕士学位论文 将直接影响整个焊机系统的抗干扰性能。主控板抗干扰主要从以下几方面来实施：p c b 在布局设计时，首先得选好合适尺寸。尺寸过大，走线加长，线路阻抗增加。尺寸过小， 散热不好，临近走线间存在干扰。布局时d s p 和外扩r a m 等高频元件应该尽量靠近， 减少串扰；模拟部分和数字部分尽量分开；不同电势差的线路尽量分开；易受扰元器件 之间间隙应留够。 合理布线能提高信号完整性，减少过冲和欠冲等现象。布线时，走线应尽量短尤其 是时钟等高频电路；d s p 与外扩r a m 等的地址线和数据线应尽量等长，且地址和数据 线避免平行走线，减少寄生耦合；电源线、地线的走向和数据传递的方向尽量一致；在 关键信号线间最好加地线隔离；在可能的条件下，导线尽量加宽；尽可能大面积覆铜处 理；数字地和模拟地单点连接后与电源共地。 接地方式合理的接地方式，尤其是信号的接地方式，能够防止电磁干扰的出现，达 到提高电磁兼容的目的。接地的方式主要有单点接地、多点接地、混合接地。单点接地 是指所有电路的地线都接到公共地线的同一点，目的是防止来自两个子系统的电流流经 同样的反馈回路，从而导致共阻抗耦合。低频电路中应当采用单点接地。单点接地分串 联接地和并联接地。串联接地时一个串级链结构，允许各个子系统的接地参考间共阻抗 耦合，最大的好处是简单且没有地环路。但是这样存在地线过长，地线阻抗过大的缺点， 解决的方法是并联单点接地方法。并联单点接地由于地线过多，没有可操作性。改进方 案是：先按照电路信号特性分组，互相不会产生干扰的电路放在一起，一组内的电路采 用串联单点接地方式，不同组的电路采用并联单点接地，这样既解决公共阻抗耦合的问 题，又避免地线过多的问题。 当信号工作频率大于1 0 m h z 时，地线阻抗很大，此时应尽量降低地线阻抗，采用 就近多点接地。这样可以减少噪声产生电路与参考地之间的电感。在本焊机控制系统中， 信号频率有低频也有高频，有数字电路也有模拟电路，有强电部分也有弱电部分。如电 源输入为5 0 h z 的工频强电信号，d s p 时钟电路为1 0 m h z 有源晶振提供，属于高频数 字信号，p w m 驱动电路工作在2 0 k h z 左右，输出为属于高频模拟信号。对于低频电路， 采用改进型的单点接地方式，d s p ，p w m 驱动器件等高频工作的电路采用就近多点接 地的方式。数字电路有一定的噪声容限，且会产生较多的噪声干扰，模拟电路对地要求 更高，尤其是低电平的信号，因此，模拟地和数字地应该单点连接后于电源共地，或者 用零欧姆电阻或磁珠相连。本设计中采用与电源共地的方式。 3 3 硬件总体设计 为了达到焊接要求，对控制电路提出了一些要求：首先，控制系统的功能应该较齐 全，输入输出接口电路要高速可靠，并且有可以进行参数预置和显示的人机界面；其次， 逆变主电路开关频率较高，因此系统的数字处理能力要强大，且要保证控制软件性能稳 定可靠；最后，控制系统的抗干扰能力必须强大，以应对较恶劣的工况。整个控制系统 主要由d s p 最小系统、驱动电路和保护电路等几部分组成。控制系统功能框图如下： 杭州电子科技大学硕士学位论文 主电路 = 刮采样电路 o c = d 保护电路 d s p 。= 纠人机接口电路 i g b t 吲驱动电路f s c i e 刮p c 机 图3 1 控制系统功能图 3 3 1d s p 最小系统 d s p 最小系统是焊机控制系统的核心，其各个部分简介如下：时钟电路，为了使系 统具有较高的稳定性和可靠性，必须为d s p