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dsp在焊接领域的应用DSP在焊接领域的应用 Application of DSP in Welding 常云龙 杨 旭 张建民 （沈阳工业大学材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110023） 摘要： 结合DSP的特点，介绍了基于DSP的数字化电焊机的控制系统构成及工作原理。分别应用实例讨论了DSP在CO2/MIG焊、电阻点焊、弧焊逆变电源等方面的应用。 关键词：DSP；焊接电源；数字化 Abstract: Combined the features of DSP, the control system and working principle of digital DSP-based welder have been introduced in this paper. Application of DSP in digital welding machine such as CO2 /MIG welding, resistance spot welding and arc welding inverter has been discussed. Key words: DSP；Welding power source；Digitalization 1 引言 数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到所需要的信号形式。DSP作为数字信号处理的主要方法和手段，自20世纪70年代末80年代初诞生以来，无论在性能上还是价格上都取得了突破性发展，其应用领域也迅速拓展，DSP已经成为许多工业类产品的核心部件。 在焊接领域，随着工业的发展，对焊机性能的要求越来越高。为了能够保证焊接过程的稳定和达到良好的焊接工艺性，就必须对焊接过程的信息进行实时的提取与处理，这就要求控制系统有足够的速度、反应精度和灵敏性，DSP强大的数据处理能力和快速运算能力为焊接信号的实时处理提供了物质基础，可使焊机迅速与信息化、数字化、集成化接轨，提高焊机的高技术含量。实现焊机的信息化控制1。 2 DSP的结构特点 2.1 多总线结构 通用的微处理器大多采用冯诺伊曼结构（如图1），该结构将指令、数据、地址存储在同一存储器中，统一编址，取指令和取数据都是通过一条总线完成的，因此其数据吞吐率低2。目前的DSP内部一般采用的是哈佛结构（如图2），该结构具有独立的数据存储空间和程序存储空间，可同时对数据和程序寻址，形成指令和数据并行，从而使其处理能力得到优化，提高了运算速度。 2.2 流水线操作 DSP芯片广泛采用流水线操作，使取址、译码、取操作数和执行等操作可重迭进行，以减少指令执行时间，从而增强了处理器的处理能力。 2.3 采用硬件乘法器 在通用的微处理器中，通过一系列的加法指令来实现乘法运算，而在DSP中都设置了硬件乘法器，乘法可在一个指令周期内完成，使运算速度大为提高。 2.4 特殊的DSP指令 DSP中对指令进行了特殊设计，用来实现一个指令周期完成多个操作，如DMOV、LTD、MPY等，简化了操作的指令个数。 2.5 快速的指令周期 DSP的工作时钟频率很高，其指令周期在200 ns以下，TMS320系列的指令周期现在为20 ns以下，因此能实现许多实时应用。 3 基于DSP的焊机控制系统构成及工作原理 3.1系统构成 基于DSP控制的焊机系统由上位机、DSP控制系统、键盘、显示、电弧电压和焊接电流采样系统和送丝控制系统组成，其中DSP控制系统是该焊机系统的核心，如图3所示。上位机一般由单片机构成，其作用是通过与DSP系统的通讯，提供参数设置、工艺规范存储、故障报警等工作。DSP控制系统主要完成信号实时检测与处理、智能控制算法的实现、PWM脉宽调制、焊接过程程序控制等工作。 3.2 系统工作原理 DSP通过A/D转换器、信号采样电路实时采集焊接电流和电弧电压等现场数据，由DSP对其进行数据处理和运算，得到输出控制信号，实时控制芯片上的PWM接口，输出适当宽度的PWM脉冲信号，经驱动放大后，用于IGBT栅极驱动，以控制电源的输出电流和电压，最终实现焊机输出电流和电压的实时调节。电弧电压和焊接电流由DSP芯片上的 A/D转换器采集，送丝机的送丝速度通过DSP输出数据给外接的D/A 转换器改变输出电压大小来调节。 4 DSP在焊接领域的应用 目前，将DSP应用于焊接领域已成为国内外专家学者研究的热点，并取得了一定的成果和经验。 4.1 DSP在CO2/MIG焊接中的应用 CO2焊接过程中存在着飞溅大、焊缝成形不好等缺陷，制约了它在生产中的应用和进一步发展。长期以来，焊接工作者为解决这些问题，在焊接电流波形控制方面做了大量的工作，文献2将DSP引入到CO2焊接控制系统中，利用DSP的高运算速度和强运算功能，对CO2短路过程进行控制，从而有效的减少了焊接飞溅，改善了焊缝成形，而且电路简单，调试方便。DSP可以提供更加稳定、精确、灵活的性能，控制也更加柔性化，硬件设计简单化，软件设计多样化，所需外围电路很少。 为了实现对CO2焊接的数字化波形控制，分别需要在短路阶段和燃弧阶段对电流波形进行精确控制。文献3以TMS320F240 DSP芯片作为CO2焊接电源的控制核心，设计了一种双闭环并联波形控制系统，以软件的方式对短路过渡 CO2焊接各阶段电流、电压波形进行控制。通过对系统参数的调节，可以根据不同的焊接状态，对输出波形进行精确控制，控制方式灵活，可以有效的调节燃弧期与短路期的能量比，在规范参数相同的情况下，可方便的适用于不同的焊接工艺要求，且电路简单，调试方便，具有很强的适应性和可调节性。 文献4对于脉冲MIG焊机的数字化控制进行了研究，设计了由80C196KC单片机和TMS320UC5402 DSP构成的双机控制系统对系统进行控制。80C196KC单片机系统通过软件调用 TMS320UC5402 DSP信号处理程序的结果来进行控制，DSP系统受单片机控制系统软件的监控。经仿真证明，该系统实时性很高，控制质量好，为数字化焊机的研究设计奠定了基础。 4.2 DSP在电阻点焊中的应用 随着智能控制技术在电阻点焊质量控制中的应用和发展，控制方法由传统的PID控制到Fuzzy控制、Fuzzy-PI控制和模糊神经网络控制等，控制方式由单一参数闭环控制到多参数信息融合等，这些控制方法的实现对点焊控制系统提出了更高的要求。DSP的高运算能力可以解决复杂计算与实时性之间的矛盾，从而实现了电阻点焊质量智能化、柔性化控制。 由于点焊系统工作在大电流、强磁场的环境下，因此控制系统的抗干扰问题尤为重要。文献5设计了以TMS320VC5402 DSP为核心的交流电阻点焊检测和智能控制系统，该系统在软、硬件设计中分别采用了抗干扰技术，保证了系统的可靠性。经误差分析和工艺试验验证，该系统设计简单，功能完善，工艺性能稳定，为交流电阻点焊质量控制中动态电参数的实时检测和控制提供了一个良好的平台。 4.3 DSP在弧焊逆变电源中的应用 弧焊逆变电源是一种高效、节能、轻便的新型焊接电源6。随着弧焊逆变电源更为复杂的应用和性能要求的提高，单片机运算速度慢、抗干扰能力差、编程灵活性差的缺点越发明显，成为制约弧焊逆变电源发展的瓶颈7。传统的单片机弧焊逆变电源控制系统其组成元器较多，元器件易受损，从而增加了维修和维护。DSP的广泛普及和应用，为弧焊逆变电源控制系统的全数字化提供了必要的硬件和软件基础。 文献6以TMS320LF2407A DSP作为下位机，单片机作为上位机组成弧焊逆变电源控制系统，与以单片机为核心的控制系统相比大大简化了系统组成，充分发挥了单片机和DSP的优势，从而大大提高了控制系统的实时性。而且消除了模拟系统中参数的容差、漂移导致的控制器参数的变化，使得稳定性得到提高。 文献8设计了一个数字化焊机系统，该系统以单片机和DSP双机控制系统为基础,通过灵活的过程控制，实现了以软代硬、以软控硬和多种焊接方法的智能控制，单片机除负责系统的总体管理外,在控制上还负责给定参数的输出,而PI控制和PWM信号产生则由DSP完成。这样的系统由于充分发挥了DSP较强的数据处理能力和单片机较强的事件处理能力,性能上有了很大的提高，并且实现了数字化焊机的网络功能。 把 DSP 应用于弧焊逆变电源的控制，可以提供更加稳定、精确、灵活的性能，其设计工作主要集中在软件上，而软件的灵活性则为弧焊逆变电源的控制提供了更为广阔的空间。 5 结束语 数字化焊机以其控制精度高、稳定性好、产品一致性好、接口兼容性好以及系统功能升级方便等优点成为了今后焊接设备发展的一个总体趋势，而正是DSP的应用，使焊机的数字化成为可能。随着高性能DSP的不断开发，Fronius、Panasonic、Taesung等公司推出了各自的数字化焊接电源产品，并相继进入中国市场。而我国对于数字化焊机的研究尚处于开发和起步阶段，目前，上海交通大学、华南理工大学、甘肃工业大学等单位正在从事这方面的研究，并取得了一些理论经验。面对国际竞争，我国的焊接工作者必须迎时而起，加快这方面的研究和开发，早日开发出具有自主知识产权的数字化焊机，提高国产焊机的市场竞争力，振兴民族工业。 参考文献 1 张 勇,华学明,吴毅雄等.数字信号处理器控制在CO2焊接中的应用J.焊接设备与材料,2002,31(5). 2 白日辉，孙 广，何建萍，等.基于DSP的CO2焊短路过程控制.电焊机，2004，34（3）：18-19 3 孙 广，白日辉，何建萍，等.短路过渡CO2焊的数字化波形控制J.电焊机，2004增刊：88-90 4 李鹤歧，徐德进，李 芳.脉冲MIG焊机数字化控制设计.电焊机，2002，32（8）：1-4 5 黄石生，冯 桑，方 平，等.基于DSP的电阻点焊检