（材料加工工程专业论文）基于dspmcu数字化逆变焊接电源系统研究.pdf

兰卅f 理工大学硕士学位论文摘要 摘要 随着焊接生产的机械化、自动化程度的提高和焊接机器人的广泛使用，对焊接 工艺性能及焊接设备的智能化、网络化等提出了越来越高的要求。提高焊接工艺性 能的关键在于先进的焊接设备，实现先进的焊接设备在于采用先进的控制方式及针 对工艺特点合理的控制算法。因此，本文针对弧焊逆变电源的精确控制和柔性化， 对弧焊逆变电源的数字化控制进行了研究。 本论文简要介绍了数字信号处理器d s p 的工作原理、特点以及芯片的选择。重 点介绍了数字化逆变焊接电源系统的组成结构和控制原理。分别就逆变焊机的主电 路、控制电路、保护电路、驱动电路以及送丝电路做了详细地分析，并从软、硬件 两个方面进行了系统地阐述。 选取i g b t 为主控开关功率转换器件，采用输出功率较大的全桥式逆变结构， 配以高频变压器和输出电抗器组成了本系统的主电路系统，文中详细介绍了主电路 的设计要点及元件的选型和参数的计算。控制电路采用t m s 3 2 0 f 2 4 0 数字信号处理 器和8 0 c 1 9 6 k c 单片机。其中，t m s 3 2 0 f 2 4 0 主要用于焊接参数的采样、控制算法 的运算，8 0 c 1 9 6 k c 用于完成人机接口的功能，包括键盘和显示，与上位机的通信 等。设计中人机界面采用液晶显示。系统设计的关键是双机之间的通信技术，为了 确保通信的可靠及快速性，采用串行通信来完成。 在研究与分析脉宽调制工作机理的基础上。本文通过计数器法采用硬件描述语 言( v h o l l 以复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 为载体实现了数字脉宽调制( p w m ) 芯片的 设计，简化了全数字化焊机中微控制器与功率变换电路的接口，提高了系统稳定性 和安全性。 在焊机的主电路和控制电路部分都进行了可靠性和抗干扰设计。系统软件采用 汇编语言，以模块化方法设计。文中详细介绍了主程序、中断服务程序以及予程序 的功能和结构。 论文中较为详细的叙述了c p l d 开发软件m a x + p l u si i 的使用以及对c p l d 的编程方法。d s p 的开发所需要的仿真环境是开发d s p 系统所必需的，文中简要 详细介绍了d s p 的开发环境c c s 2 0 0 0 、开发工具x d s 5 1 0 的使用。 通过试验，对该电源的实现方案、组成部分进行了分析，得到了初步的试验结 果，给出了在试验过程中记录的相关数据与波形；对试验过程中出现的问题进行研 究分析提出了解决方法。试验结果表明：该焊机主电路响应速度快，硬件电路简 单可靠，系统软件高效、移植性好，抗干扰能力强，基本达到了最初设计的构想和 要求。 最后，针对本焊机的后续研究工作提出了进一步完善的建议，为数字化焊机电 源系统今后的深入研究奠定了良好的基础。 关键词：弧焊逆变电源数字化控制数字p w m t m s 3 2 0 f 2 4 0 8 0 c 9 6 k c a b s t r a c t n l e d e v e l o p m e n t o fw e l d i n gm e c h a n i z a t i o n ，a u t o m a t i o na n dt h ew i d e l ya p p l i c a t i o n o fw e l d i n gr o b o t sh a sr a i s e da l l e v e r - i n c r e a s i n gr e q u i r e m e n tf o rw e l d i n gp r o c e s s i n g p r o p e r t ya n di n t e l l e c t u a l i z e d & l a t i c i n gw e l d i n ge q u i p m e n t t om e e tt h e s er e q u i r e m e n t s ，i t i se s s e n t i a lt or e s e a r c ha d v a n c e dw e l d i n ge q u i p m e n ta n da d v a n c e dc o n t r o la l g o r i t h mf o r w e l d i n gp r o c e s s i n gp r o p e r t s ot h er e s e a r c hp r e s e n t e dh e r ei sc o n c e n t r a t e do nd i g i t a l c o n t r o lo f w e l d i n g i n v e r t e r , a i m i n g a te n h a n c i n gc o n t r o lp r e c i s i o na n d f l e x i b i l i t y f i r s t l y , t h ec o n t r o lp r i n c i p l e ，c h a r a c t e r i s t i c sa n dc h i ps e l e c t i o no fd s p a r ei n t r o d u c e d i nt h ep a p e r t h ep a p e rf o c u s e s0 1 2 c o m p o n e n tp a r t a n dc o n t r o lp r i n c i p l eo fd i g i t a l w e l d i n gp o w e r b a s e do nd s pa n ds i n g l ec h i pm c u m a i n c i r c u i t ，c o n t r o lc i r c u i t ，d i g i t a l p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( d p w m ) c i r c u i t ，d r i v ec i r c u i ta n dw i r ef e e d i n gc i r c u i t a r e r e s p e c t i v e l ya n a l y z e d f u r t h e r m o r e ，t h e s o f t w a r ea n dh a r d w a r e a s p e c t s a r ea l s o a d d r e s s e d ， t h em a i nc i r c u i ti sm a d eu po f r e c t i f i e r , f i l t e r , h i g h f r e n q u e n c yt r a n s f o r m e r , o u t p u t r e a c t o r , a n d f u l l - b r i d g e i n v e r t e r , w h e r e 4 i g b ta l e a d o p t e d t h ek e yp o i n t s a n d p a r a m e t e r so ft h ed e s i g na r ed i s c u s s e di nd e t a i l a tt h es a m et i m e ，i no r d e rt oo b t a i n a c c u r a t ea n dr e a l t i m ec o n t r 0 1 t h ep a p e rd e s i g n e dat w o - p r o c e s s o rc o n t r o ls y s t e mb a s e d o nt m s 3 2 0 f 2 4 0a n d8 0 c 1 9 6 k ct m s 3 2 0 f 2 4 0i su s e dt o s a m p l ew e l d i n gp r o c e s s p a r a m e t e r s r e a l t i m ec o n t r o la l g o r i t h m 8 0 c 1 9 6 k c i su s e dt oa c c o m p l i s hm a n - m a c h i n e i n t e r a c t i o n ，i n c l u d i n gk e y b o a r d ，d i s p l a ya n dc o m m u n i c a t i o n l i q u i dc r y s t a ld i s p l a yi s a d o p t e da sm a n m a c h i n ei n t e r f a c e t h ek e y o ft h i ss y s t e mi st h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n d s pa n dm c u ，a n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o ni sa d o p t e d b a s e do nt h es t u d yo ft h ed i g i t a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) m e c h a n i s m ，t h e d i g i t a lp w mc h i pi sp r o p o s e di nt h er e s e a r c hp r e s e n t e dh e r e i ti si m p l e m e n t e db yv e r y h i g h s p e e di n t e g r a t e d c i r c u i th a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ( v h d l l a n dc o m p l e x p r o g r a ml o g i cd e v i c e ( c p l d 、i s ac a r r i e r a c c o r d i n g t ot h ec o u n t e r p r i n c i p l e t h e i n t e r f a c ei ss i m p l i f i e d a n ds t a b i l i t ya n d s e c u r i t yi si m p r o v e d r e l i a b i l i t ya n da n t i - j a m m i n ga r ec o n s i d e r e di n m a i nc i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i t s y s t e ms o f t w a r e ，w h i c hi s m a d eo fm o d u l a rs u b r o u t i n e s ，j sv e r ye f f i c i e n tf o rl i m i t i n g n o i s ea n di m p r o v i n g s y s t e mr e s p o n s e - s p e e d t h ec i r c u m s t a n c eo fs i m u l a t i o ni sn e c e s s a r yf o rd e s i g n i n gd s p s y s t e ma n dc p l d t h e p a p e r i l l u m i n a t e sd s p d e v e l o p i n gc i r c u m s t a n c ec c s 2 0 0 0 a n d d e v e l o p i n g t o o lx d s 5 1 0 m a x + p l u s a n d p r o g r a m m i n g c p l di nd e t a i l c o r r e s p o n d i n g d a t aa n dw a v e f o r m sa r er e c o r d e d ，a n d p r o b l e m s o c c u r r e d i n e x p e r i m e n ta r ei n v e s t i g a t e d t h ee x p e r i m e n t r e s u l t sv e r i f yt h a tt h ei n v e r t e rp o w e rs o u r c e h a sr a p i dr e s p o n s e - s p e e d ，h i 曲r e l i a b i l i t y , as t r o n ga b i l i t yo fa n t i q a m m i n ga n dg o o d h u m a n c o m p u t e r i n t e r f a c e a tl a s t ，s o m ea d v i c e so nf u t u r er e s e a r c ho ft h ew e l d i n gp o w e ra r eg i v e n ，a n dt h e y w i l lm a k ea p r o f o u n dg r o u n d f o rt o m o r r o w sr e s e a r c ho fd i g i t a lw e l d i n gp o w e r k e yw o r d s ：w e l d i n g i n v e r t e r t m $ 3 2 0 f 3 2 0 d i g i t a lc o n t r o l d i g i t a lp w m 8 0 c 19 6 k c v7 2 1 0 3 7 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论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，也不包含为获得兰州理工大学或其他单位 的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在 论文中作了明确的说明。 作者签名：、塾醯日期：迦s 年主一月盈日 关于学位论文使用授权说明 本人了解兰州理一亡大学有关保留、使潮学位论文臼，j 规定，即：学校有权保留 学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公饰学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文；学校可根据国家或甘肃省有 关部门规定送交学位论文。 懒名：妇翩签名馊胁丝年丛月 1 1 引言 第一章绪论 焊接是金属加工的重要手段。随着技术的进步，材料科学的发展，焊接加工所 涉及的范围越来越广泛。一方面焊接工艺成为许多新材料大量使用的关键技术，另 一方面许多工程应用中对焊接工艺提出了更高的要求。如高速焊接问题、高效焊接 问题、飞溅问题、引弧问题等等。焊接设备是进行焊接生产的关键环节。事实上， 工程中许多问题都是与焊接设备息息相关的，如c 0 2 高速焊接问题，一台普通的 c o s 焊接设备，无论怎样匹配焊接参数，焊接速度只能在0 3 0 5 m m i n 之间。超 过这个速度，将发生咬边、驼峰等焊接缺陷，甚至造成焊缝不连续的现象发生。为 了实现高速c 0 2 焊接，使其焊接速度达到1 2 r r d m i n ，需要通过采用比较特殊的波 形控制或采用脉冲焊的方式【2 j 。因此，焊接设备是拓展焊接技术应用领域、提高焊 接质量、效率的关键所在。 焊接设备从最开始的弧焊变压器逐步发展，图1 1 为1 9 8 0 年出版的弧焊电 源对弧焊电源的分类。六、七十年代期间，弧焊电源的发展比较活跃，出现了多 种形式的弧焊整流器，如抽头式、磁放大器式、动铁式、动圈式、晶闸管式、滑动 变压器式、附加变压器式，高压引弧式和交直流两用式等。同时期出现的还有脉冲 弧焊电源，这种电源的主要特点为焊接电流以低频调制脉冲方式馈送。这种电源按 其结构特点，可分为整流式、磁放大器式、晶闸管式和晶体管式等。e l j 审 联 电 抗 嚣 式 弧焊电鞠r _ 焊 变 压 i 直 藏 弧 焊 电 h 脉 冲 弧 焊 电 潮 萋i 蓁1l雾|i 蓁i i 茎i 萎 蓁li 蓁ll 蓁ii 萋l i 羹if 霎1 l 囊 茎li 翼li 鍪il 蓁ii 萋 晶 体 管 式 削1 11 9 8 0 年的弧焊电源分类幽示 】 从8 0 年代至今，焊接设备有了进一步的发展，其中弧焊逆变电源的问世、逐步 发展完善对焊接设备的发展起了重要的促进作用。目前逆变式弧焊设备已经成为国 内外焊接设备的主流产品。 在焊接设备的主电路结构形式不断演变、发展的同时，由于电弧物理方面的研 究不断深入，焊接设备的工艺性能有了长足的进步。首先，通过电弧物理的研究， 人们对电弧的物理性质、电弧行为、熔滴过渡特点以及熔池行为有了深刻的了解。 尤其是最近几年借助高性能的焊接数据采集系统( 或焊接工艺分析仪) ，可以方便 的实现焊接参数( 电流、电压、送丝速度等) 的记录，同时同步进行焊接工艺过程 的高速c c d 摄影。不但可以通过专家系统对焊接参数进行统计分析来评判焊接工 艺过程的稳定性，还可以通过焊接参数与熔滴过渡等的细致观察、对比，进一步揭 示焊接参数与熔滴过渡的关系和规律。因此，电弧物理研究对焊接设备的设计具有 了更为明确的指导意义。 从8 0 年代至今，计算机技术的大量使用是焊接设备另一个重要的发展变化。得 益于大规模集成电路技术的发展，尤其是现代计算机技术和数字信号处理技术的发 展，微控制器( 单片机) 、p l c 、d s p 、等数字化芯片被大量地使用，以完成焊接设 备管理、波形给定、闭环控制、通讯等功能f 2 】。计算机技术的应用给焊接设备的发 展带来了革命性的变化。但是由于计算机技术在焊接设备中应用的复杂性( 焊接工 艺过程的实时性、非线性性以及焊接环境的高电磁干扰) ，目前我国还没有掌握当 前世界上最先进的焊接设备全数字化控制技术，同时这种技术在全球也仅仅为少数 几家全球知名的焊接设备制造商所掌握，实际产品也只有f r o n i u s 一个系列和日本 松下的t i gs t a r - 3 0 0b m l 和t i gs t a r - 3 0 0 b z l 。因此，进行弧焊逆变电源数字化控 制的研究将具有非常重要的意义。其一，提高我国弧焊电源的数字化控制领域的研 究水平和应用水平。其二，提高国产焊机的国际竞争力，改变国产高档焊机落后于 国际水平、缺少市场竞争力的现状。 1 2 数字信号处理与数字化焊机 现实世界中，我们被不同形式的各种信号所包围。有些信号来自自然，而大部 分的信号是人造的。有些信号是必需的，很多信号在给定场合下是不受欢迎或不需 要的。普遍地说，信号处理是设计来提取、增强、存储和传输有用信息的一种运算。 有用和无用信息之间的区别往往是主观的，也有客观的。在实际应用中，信号大部 分是模拟信号。它们的幅度随时间连续的变化。通常采用无源或有源的电网络对模 拟信号进行处理，这种方法称为模拟信号处理( a n a l o gs i g n a lp r o c e s s i n g , a s p ) 。 a s p 的主要缺点是在作复杂信号处理时能力有限，这就造成了处理的不灵活性 和系统时间的复杂性。与a s p 相对应，数字信号处理( d i 西t a ls i g n a l ，p r o c e s s i n g , d s p ) 具有以下4 个重要的优点p 1 1 1 用d s p 方法的系统的开发可以用通用计算机上的软件来进行。因此d s p 比 较容易开发和测试，而软件是可移植的。 1 d s p 运算是单纯地基于加法和乘法，这导致特别稳定的处理能力例如不 受温度的影响。 2 d s p 运算可以方便她作实时的修改，通常只要改变程序，或对寄存器重新加 载。 3 由于超大规模集成电路( v l s l ) 降低了存储器、门、微处理器等的价格， d s p 比较便宜。 模拟信号x ( t ) 际研型 模拟信号y ( i ) 【，。、j。 圈1 - 2 模拟信号处理系统框图 一等效模拟信号处理器 一 图1 - 3 数字信号处理框图 图1 2 和图1 3 分别为模拟信号处理系统的框图和数字信号处理系统的框图。 在数字信号处理系统中，现实世界中的模拟信号必须经过模数转化，转换为数字 信号，才能被数字硬件处理。图1 - 4 为模数转换示意图。图1 - 4 ( a ) 中的模拟信号 经过采样，保持和量化得到图1 - 4 ( 0 , 昕示的数字信号。因此，数字信号是在时间和幅 度上离散的信号。 模拟 0t7 1 3 t4 t5 1 6 t7 1 8 t。0t2 1 玎4 t 玎盯7 t 卵 出 图1 - 4 模一数转抉 数字信号处理起源于二十世纪六、七十年代。当时数字式计算机刚刚出现。由 于当时计算机价格非常昂贵，数字信号处理技术被局限在少数尖端应用领域，如雷 达与声纳系统、石油勘探、空间技术及医学成像。直n - 十世纪八、九十年代，个 人计算机( p e r s o n a lc o m p u t e r , p c ) 的发展使得d s p 所涉及到的数字硬件的价格急 剧下降，数字信号处理技术才被大量地应用在更为广泛的商业领域。正如前面对数 字信号处理所进行的简单介绍，数字信号处理技术是种强大得足以改变当今科学 与工程技术面貌的技术。从数字信号处理技术的应用领域来看，目前在通讯、医学 成像、雷达与声纳系统、高保真音乐复制、石油勘探等等领域发挥了巨大的作用。 从数字信号处理发展的深度来看，在各个领域中通过算法、数学等方面与各个领域 的专业知识相融合，为这些领域的应用技术带来了革命性的变化。 数字信号处理技术的发展是“自上而下”的，即从尖端应用丌始，到有巨大商 业利益的领域，如通讯行业，逐步向科学技术的各个角落扩散、发展。在弧焊电源 3 领域数字信号处理技术的应用应当说开始与单片机在弧焊电源中应用。但是一般的 单片机控制弧焊电源无论从d s p 技术应用水平还是从产品的功能上，与全数字化弧 焊电源相比都存在巨大的差异和距离。 与计算机离不歼电阻、电容、运算放大器等模拟器件一样，在全数字化焊机中 同样缺少不了电阻、电容这样的模拟器件。全数字化焊机不是没有模拟器件应用的 焊机，全数字化是指如下两方面：1 ) 主电路的数字化：2 ) 控制电路的数字化。下 面我们就针对这两方面的内容进行讨论。 1 2 1 主电路的数字化 焊接电源具有低电压、大电流的特点。为满足焊接电源这个特性要求，可以通 过多种设计方式来实现。然而在焊接电源的设计中，变压器的设计是关键。变压器 一方面满足电流、电压的匹配要求，另一方面对送电回路和焊接回路起到电气隔离 的作用。更为重要的是变压器在能量传输回路中的位置决定了焊接电源的体积和质 量。【4 l 模拟式焊机的主电路框图如图1 5 所示，其主电路由、三相整流桥和一个晶体 管组组成工频变压器。晶体管组在回路中的作用相当于负载的串联电阻，工作在放 大区。焊接中将不需要的电压消耗在晶体管的c 、e 极之间，因此功耗极大，晶体 管组需要水冷。这种焊机的优点是响应速度快，缺点是晶体管组的能耗大，因此在 市场上已经基本上消失了。图1 - 6 为模拟焊机输出电流波形。 z【2 _-_ l l2l 刍囱：l 譬 亡 _ - - _- zl2zs 图1 - 5 模拟焊机主电路框图 一- _一一一 z土ziz 耐商订 r j 剧2 量 _ - p 一 zzz 图1 7 开关电源主电流框图 图1 - 6 模拟埠机输出电流波形 与模拟式焊机不同，在开关电源 中晶体管组工作在开关态，主电路如 图1 7 所示。开关电源主要由工频变 压器、整流桥和半导体开关组成。半 导体歼关按照某一固定频率刷期性 地开通关断( 如每秒开通关断 2 0 0 0 0 次，对应频率2 0 k h z ) ，如果 以理想丌关来分析图l 一7 所示的电路 的话，无论是在开通状态还是关断状 态，开关的损耗为零。在实际的：r 作中，由于采用i g b t 、m o s f e t 或双极性晶体 管等作为开关器件，总会存在定的功率损耗，但是与模拟焊机的损耗相比较，这 个损耗是可以忽略不计的。以一台2 0 k w 开关电源为例，由于现代电力电子开关为 电压驱动型，所需要的电流极小，控制电路只需要儿瓦的功率就可以满足要求除 了效率高而外，丌关电源另个优点是它的工作频率高。丌关电源的t 作频率越商， 则叫路输出电流的波纹越小，响应速度就越快，冈此焊机就歌得了更好的动态响府 兰州理工大学硕士学位论文第一章绪论 特性。表1 - 1 列举了在开关型焊机中采用的不同开关器件和与之相对应的典型开关 频率。 表1 - 1 开关电源采用的开关器件及其开关频率 器件名称符号开关频率 g t r 叫 3 0 k h z 卜 m o s f e t j 目 2 0 【汪i z i g b t j 4 0 k h z 关断时间的比率( 或占空比) 必须可调。如图1 8 所示，占空比高则输出较高的平 均电流值，占空比低则输出较低的平均电流值。这种调节方式叫做脉冲宽度调节 ( p u l s e - w i d t hm o d u l a t i o n 。p w m ) 。目前几乎所有的全控功率开关逆变电源和开关电 源都采用p w m 形式的控制电路。 图1 - 8 开关电源的电流输出 焊接电源从模拟式焊机发展到开关式焊机，实际上是完成了焊接电源主电路从 模拟到数字化的跨越。焊接电源主电路的数字化使得焊接电源在两方面的性能上获 得了提高： 1 焊接电源的功率损耗大大地减少，使得焊接电源的效率达到9 0 以上。 2 随着工作频率的提高，回路输出电流的波纹更小，响应速度更快，因此焊 机获得了更好的动态响应特性。 然而，开关电源并非完美，在变压器的设计中，我们经常使用公式1 1 ， 。，：生塑兰 ( 1 1 ) 。 4 4 4 吼f 式中：v l 为变压器一次侧的感应电动势，单位为v ： b m 为变压器铁心材料的磁通密度的最大值，单位t ； m 为变压器原边绕组的匝数； s 为铁心截面积，单位c m 2 ； ：兰丝量塑塑圭i ：! 筌塞：。：。：。：= = ：! ：= ：一：。：量三耋：塑垒 f 为变压器的工作频率，单位舷。 因此，变压器的质量、体积与频率成反 比。变压器的工作频率越商，即f 越大，则 变压器绕组的匝数n 1 越少及铁心的截面积 s 越小，因此它的质量越小、体积越小。图 1 - 9 为变压器体积濒率曲线。如果把变压器 放在开关器件后面，如图1 1 0 所示，我们 就得到了弧焊逆变电源的主电路结构。这 时，变压器的工作频率由5 0 h z 提高副我们 经常提到的2 0 k h z 的逆变频率，有些设计 甚至可以达到1 0 0 k h z 。因此弧焊逆变电源 与开关电源相比，又具有了体积小、质量轻的优点。 弧焊逆变电源起源于晶闸管逆变 弧焊电源，尽管晶闸管的电压及电流 等级可以制造得较高，控制的功率大， 但是由于它是一种半控型开关器件， 一旦触发后不能自行关断，因此需要 强制关断，造成电路复杂。同时晶闸 管的开关速度慢，工作频率低，只能 工作在5 k h z 以下的范围内。从8 0 年 一一 _ r l _ 一 lzs j、 l ： x 。l - - - - - - ，懦嗣柚 ! 2 趾 瑚 础 _ 卜1、zl2l 图1 1 0 逆变电源主电路 代丌始，功率开关器件无论在种类上，还是在容量( 电流、电压等级) 上都有了很 大的发展。从目前的应用来看，采用m o s f e t 、i g b t 作为功率开关是弧焊逆变电 源的主流，有向智能功率模块( i p m ) 方向发展的趋势。 1 2 2 控制电路的数字化 在图l 一3 数字信号处理框图中，模拟信号经过滤波、模数转化、数字信号处 理、数模转化、平滑滤波等环节，输出模拟控制量而完成对模拟信号的数字化处 理。对于数字化处理环节，目前的技术发展水平上，我们大致可选择数字信号处理 器( d s p ) 、通用微处理器( m p u ) 、微控制器( m c u ) 三类作为处理芯片。通用微 处理器( m p u ) 大量应用于计算机( p c 机) ，由于其体积大、功耗较高、价格比较 高，尽管具有很高的数字信号处理能力，但是很少在工业控制中采用，尤其是嵌入 式系统应用。应用比较普遍的是微控制器和数字信号处理器。微控制器就是国内所 说的单片机，具有较强的事件处理能力，中断、i 0 资源丰富，国内经过十几年， 近二十年的开发应用，中文资料比较多，开发的软、硬件条件比较好。但是微控制 器的数据处理能力远远落后于数字信号处理器，往往在实时性、要求进行大量数据 处理能力中不能胜任。数字信号处理器的英文定义如下：简单地说，d s p 就是这样 一类处理器或微型计算机，它们的硬件、软件和指令集都经过优化以适应高速数字 处理应用的需要。在计算机应用中必须以数字信号来表示现实世界中模拟信号，而 高速性是处理这些数字信号所必须满足的p l 。( i n b r i e f , d s p sa r ep r o c e s s o r so r m i c r o c o m p u t e r sw h o s eh a r d w a r e ，s o f t w a r e ，a n di n s t r u c t i o ns e t s a r eo p t i m i z e df o r h i g h - s p e e dn u m e r i cp r o c e s s i n ga p p l i c a t i o n s a ne s s e n t i a lf o rp r o c e s s i n gd i g i t a l d a t a r e p r e s e n t i n ga n a l o gs i g n a l si nr e a lt i m e ) 。证是因为数字信号处理器具有了较强的数 据处理能力，它在嵌入式系统中得到了极其广泛的应用，如手机、声卡、图像采集 6 兰州理工大学硕士学位论文 第一章绪论 卡、马达控胄8 等等。另外为了提高通用微处理器和微控制器的数据处理能力，d s p 有与m p u 和m c u 二者融合的趋势。如p e n t i u mm m x 之后的通用处理器融入了 d s p 的功能以提高网络功能，而西门子的3 2 位t f i c o r e 系列单片机把r i s c ( 精简 指令集计算机) 、m c u 与d s p 的功能集成在一块芯片的内核中吼 一般的弧焊逆变电源如图1 1 1 所示，控制回路是由无源或有源器件组成的模拟 孙时母母咽咽咽丁嚣 j 囚闲聃 精l 二卧雕一日 图1 1 1 模拟控制弧焊逆变电源系统框图 系统。焊接电流、电压等参数通过传感 器l e m 块采样，负反馈到控制回路。反 馈量与给定信号比较，经过p i 控制器输 出到p w m 控制芯片，p w m 信号则经过 功率放大、隔离来触发功率开关元件的 导通关断，完成系统的阔环控制。 模拟控制系统的晟大的缺点是进行 复杂处理能力有限、元器件数量多，并 且控制器的参数由电阻、电容等分立元 件的参数决定，控制器的调试复杂、灵 活性差。同时电阻、电容的参数分布影 响控制器的一致性，参数的稳定性差如温度漂移影响控制器的稳定性。因此有必要 进行弧焊逆变电源的数字化的研究。单片机控制的弧焊逆变电源是弧焊逆变数字化 控制中非常重要的一个阶段。我们知道数字化控制最大的缺点就是处理速度低于模 拟系统，所以处理速度是提高数字化控制系统应用的关键。 单片机控制的弧焊逆变电源的原理 框图如图1 1 2 所示。在这种系统中单片 机主要完成了控制信号的给定以及焊机 的总体管理。单片机虽然在控制系统中 仅仅完成了信号的给定，但是这已经使 得弧焊逆变电源在实际焊接工艺控制 时，如c 0 2 波形控制等，获得极大的灵 活性。例如可以通过单片机给出多种斜 率、不同幅值的c 0 2 短路电流波形，使 得c 0 2 焊接的工艺效果在不同的电流范 盱爵咂 母目t 器 囚r 困确 k l 一母电卜圆 圈1 1 2 单片机控制弧焊逆变电源系统框图 围内都能接近于最佳。同时，在单片机控制的弧焊逆变电源中我们注意到它的控制 图1 1 3f r o n i u s 全数字化焊机框幽 核心p i 控制器和p w m 控制电路是由 模拟元件构成的，p i 控制器以运算放大 器为核心，p w m 控制电路多采用 s g 3 5 2 5 或s g 3 5 2 6 。单片机控制弧焊逆 变电源不是真正的全数字化控制。 + 全数字化控制弧焊逆变电源，如奥 地利的f r o n i u s 全数字化焊机，采用数字 信号处理器d s p 作为控制系统的核心。 如图1 1 3 所示。通过采用d s p 实现弧 焊电源的全数字化，具有如下优点辨l ： 1 1 数字化焊机实现了柔性化控制 和多功能集成。系统的控制策略 通过软件的方式加以实现( 以软代硬) ，系统的控制是柔性的，利于进行控 制系统的优化设计与多功能集成。 2 ) 控制精度高。数字系统的控制精度取决于系统的位数。以一个1 6 位系统来 说，它的精度可以达到2 d 5 。随着系统位数的增加，如3 2 位、6 4 位，系统 的控制精度还将进一步提高。 3 ) 稳定性好。d s p 系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响较小、 可靠性好。 舢产品的一致性好。模拟系统的性能受元器件参数性能变化的影响比较大， 而数字系统基本不受影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产。 5 ) 接口兼容性好。d s p 系统与其它的现代数字技术为基础的系统设备都是相 互兼容的，与这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接 口要容易得多。 6 ) 焊机功能升级方便。d s p 系统中的可编程芯片可使设计人员在开发过程中 能灵活方便地对软件进行修改和升级。 1 3 数字化焊机的发展现状 采用单片机对逆变孤焊电源进行控制，是数字化焊机研究的发展过程。由于单 片机的运算速度的限制以及焊机系统中关键部件仍采用模拟器件进行控制阻碍全 数字化焊机的发展。采用高速的单片机以及数字信号处理器使得实现全数字化成为 可能。 数字化焊机的概念于1 9 9 8 年由奥地 利f r o n i u s 公司提出，并以“数字化革命” 的口号推介其产品。其后各个厂家纷纷 以“数字化焊机”介绍产品，如o t c 公 司的d i g i t a lp l u s 焊机、p a n a s o n i c 公司的 y m c 系列焊机。在第十届焊接年会及焊 接设备展示会上，上述公司都推出了展 品，显示了数字化焊机的发展趋势。 数甏缴嬲燮理和川可裁銎数f r o 字n i 化u s 筋嚣罴于翼熬 控制软件升级的示意图 采角”：薪i 蔷【；s 箱磊蕃葫釜萄；谍： 实现了焊机程序的软件升级、焊接工艺规范优化、多功能、多种焊接材料的适用性 以及焊接工艺参数的离线处理等等。 由于采用了数字信号处理器，实现了 逆变孤焊电源调节的数字闭环控制， 使得数字控制的优势得以充分体现。 图1 1 4 是数字化焊机通过网络进行 工艺管理和控制软件升级的示意图。 在f r o n i u s 公司数字化焊机中， 熔化极气体保护焊焊接电流波形能 警堡裂精理想毫。曼譬霎璺蚕冒整罂 图1 一1 5p m i g 焊可调节波形参数示意图 接材料、焊丝直径以及所用保护气 一“一。 8 兰州理工大学顶：l 学位论文第一章绪跑 体。在或富越气体保护脉冲焊( p m i g ) 中，可以选择合适的基值电流和脉冲 电流，以获得无短路的熔滴过渡方式，其可调节波形参数如图1 1 5 所示。 在2 0 0 0 年日本焊接设备展( j w s ) 上，松下产业机械有限公司推出了系列全数 字化电焊机，本文以其中的小型直流脉冲多功能 f i g 焊机y c - - 3 0 0 b z l 做一简要介 绍l s j 。其开发背景为： 1 对应小汽车行业对铝、不锈钢薄板的高品质焊接的需要，开发小型、多功 能、可获得高品质焊接的 f i g 焊机。 2 由于可对焊接条件设定和储存，适应了i s o 管理的要求，对焊接品质和焊 接条件进行管理，使品质管理具有可追踪性。 3 适应i t 时代微机化、网络化管理的要求。 y c 3 0 0 b z l 虽说是焊机，但其白色外观和小的体积更像一个家用电器类产品， 其逆变频率为2 5 k h z ，重量仅1 7 5 公斤，体积为0 0 3 立方米，只相当于3 0 0 t r 5 的1 3 ，在同类焊机中堪称较轻。 面板设计遵循“s i m p l ei sb e s t ”( 越简单越好) 的思想，即简洁又明确，前面板特 点：数字式电流、电压表、可显示设定电流值、实际焊接电流值、收弧电流值及电 压值；液晶条件设定显示屏；焊接状态指示灯( 8 个) 和焊接过程指示灯( 3 个) ； 2 个轻触式按钮，以及一个选择确定开关。各种设定值只通过轻触式按钮和选择 确定旋钮就可完成。在条件设定频繁时还可选用遥控器。 其它功能特点为：可存储9 9 种焊接条件，供需要时调用；可与微机通讯，进行 条件设定和数据管理；可与松下数字式机器人连接实现高品质焊接。可调整输出电 压电流显示的保持时间。 日本o t c 公司新研制的g m a 脉冲焊电源d i g i t a lp u l s e i ，采用i g b t 作为功率 控制器件来提高功率主电路的控制性和可靠性、应用微机进行焊接程序控制和焊接 参数与处理。采用软件程序来完成电流波形的灵活精密控制和弧长的高速稳定调 节。其控制结构框图如图1 1 6 所示。 图l 一1 6o t c 公司的d i g i t a lp u l s e 的控制结构 在国内，数字化焊接电源尚处于探索性研究阶段，某些高校和科研机构己在这 方面开展了工作。上海交通大学焊接研究所1 9 9 9 年提出了“数字化焊接电源”的 研究课题【1 0 , “i ，他们使用单机控制系统一采用d s p 芯片作为控制系统的核心，主 9 毯箍”塑芬 要应用于熔化极气保护焊接电源系统的研究，以开发1 2 相可控硅焊接电源为主， 如图1 1 7 ；华南理工大学提出了基于d s p 的弧焊逆变电源数字化控制系统，并讨 论了应用前景畦1 射。文献【1 5 】，和文献【1 6 】介绍了数字化焊接电源的特点、结构和应 用。 酬i 1 7 上海交大设计的数字化焊接屯源系统例 1 4 本课题设计思想、方案与目标 本课题决定采用逆变技术和数字信号处理技术，研制一台全数字的脉冲 m i g m a o 焊接电源。采用数字信号处理器( d s p ) 和单片机( 8 0 c 1 9 6 k c ) 双机控 制。脉冲电流采用低频调制的方法获得i y l l 8 。脉冲调制原理如图1 - 8 以及图1 一1 8 。 翻1 一1 8 低颓调制脉冲、维弧电流 本文拟完成以下几点设计任务( 目标) ： ( 1 ) 设计以功率开关管i g b t 和高频变压器为核心的逆交式脉冲m i g 焊机主 电路系统，绘制出电路图，购鼍器件并安装调试。 ( 2 ) 设计以d s p - t m s 3 2 0 f 2 4 0 及单片机一8 0 c 1 9 6 k c 为核心的控制电路系统， 绘制出电路原理图与p c b 布线图，加工出印刷电路板，购簧元件并安装调试。 ( 3 ) 在主电路和控制电路中设计多种保护措施，以保证i g b t 的安全工作。 ( 4 ) 设计多种抗干扰措旌，保证控制系统能够在复杂的于扰环境中正常工作。 ( 5 ) 设计数字p w m 数字芯片，并用v h d l 语言编写相应程序。 ( 6 ) 绘制焊机的控制系统软件流程图，并用d s p 专用的汇编语言编写控制程 序。 ( 7 ) 对所设计的焊机进行脱机与联机，空载与负载调试，测试其静特性、动特 性以及调节特性。 j 0 兰州理工火学顶士学位论文第一章绪论 拟设计的焊机基本参数如下： 输入电压：3 3 8 0 v 空载电压：7 5 v 负载持续率： 8 0 额定焊接电流：5 0 0 a 逆变频率：2 0 k h z 输出脉冲频率：0 5 2 5 0 h z 占空比：1 0 9 0 ：= ：= ： ：= = = = ；= = = = ；= ；= = = ；= = ；= = = ；= = = = ；= ； 1 1 兰州理工大学硕士学位论文第二章逆变式弧焊电源数字化控制系统的总体设计 第二章逆变式弧焊电源数字化控制系统的总体设计 第一章绪论介绍了弧焊电源数字化分为主电路数字化和控制电路数字化共两 个方面的内容。从主电路的数字化，即逆变技术的应用来看，目前在国内已经相当 成熟，也非常普遍。本文重点研究控制电路的数字化问题。 2 1 数字化m i g m a g 焊接电源主回路设计简述 逆变器的主电路完成功率的转换及隔离，是弧焊电源的重要组成部分。其器件、 结构对逆变器可靠工作有极大的影响。因此，有必要对其关键器件、电路结构进行 分析。本系统采用目前较为常用的a c d c - a c - d c 的逆变模式，见图2 - l ，该电路 由输入整流滤波，逆变，次级整流滤波三部分组成。电网中三相交流电首先经整流 桥整流为脉动的直流电，经电容滤波后变成平滑的直流电，再经开关管 v t l ，v r 2 ，v r 3 ，v t 4 的交替轮流导通逆变成高频方波交流电，经高频变压器降匝，最 后由桥式整流及电抗器滤波输出。实现功率的转换，供