毕业设计（论文）数字化电焊机研究与设计

1、一、 绪论 电焊机是一种利用电能产生热量使金属熔化从而实现焊接的设备。常用的有电弧焊机和电阻焊机两种基本类型。电阻焊机是将大电流通过被焊金属结合处，利用接触电阻产生热量将金属熔化，加压从而实现焊接；电弧焊机则是通过电弧产生热量熔化金属而实现焊接。弧焊电源的焊接电弧是接在焊接电源上的两个电极(焊条或焊丝为一极，工件为另一极)之间产生的气体介质强烈放电现象。在焊接过程中电弧及熔滴过渡具有很强的动态特性，易受干扰。老式焊机熔滴短路过渡稳定性差、成形差、飞溅大，而反映在设备控制上，则是熔滴过渡可控性差等问题。随着电力电子技术、智能控制技术、微电子技术的发展，为电子弧焊电源提供了广阔的发展空间，igbt

2、逆变电焊机就是目前发展最迅速、应用最广的焊接电源之一。本文仅就co2气体保护igbt逆变半自动电弧焊机的数字化进行了研究与设计。（一）问题的提出及主要研究工作1.国内外逆变焊机发展现状及趋势现代焊接设备的发展与电力电子技术的发展密切相关。igbt式逆变焊机出现于80年代末，主要应用于各种电弧焊和切割。已小仅具有一高效节能、体积小、重量轻、多功能、多用途等优点，而且具有良好的动、静态特性和工艺特性。因此受到广泛的重视，发展迅猛。据国际焊接学会(iiw, international institute of welding ) 1993年11月所作的调查，逆变式焊机在日、美、欧等地使用的焊机中占1

3、7%，其中在气体保护焊和tig焊中占30%以上。到了1996年，日本日立公司的igbt逆变焊机已占mig/mag焊机的70%，占tig焊机的95%以上，占切割机的100%，日木松下和大阪变压器公司的逆变式焊机都超过50%。以igbt, mosfet等为开关器件的弧焊逆变器，有一着广泛的应用前景，是当前国际焊接电源设各发展的主流和方向。在我国逆变式焊机的研究工作始于80年代初，第一代是以scr为主开关器件的弧焊逆变器，其逆变频率为2000-5000hz。第二代是以gtr或mosfet为主开关器件的弧焊逆变器，其逆变频率为20khz-50khz。第三代为igbt弧焊逆变器，逆变频20km30km。

4、 随着电力电子技术、智能控制技术、微电子技术的发展，逆变焊机将朝着结构简单、易操作、易维修、适应性强、焊接性能稳定优良、高度自动化、通用化的方向发展。目前一个重要的研究方向就是逆变焊机控制的数字化、智能化和傻瓜化。一元化单旋钮调节功能也是一个重要的发展方向，即由一个旋钮对电弧电压、焊接电流和短路电流上升率等同时调节，达到最佳组合。就我国的国情而言，对传统焊机的低成本改造和性能提升是非常有意义的。波形控制是当前比较活跃的研究和发展方向之一。它可通过控制短路过渡时的电流、电压波形，使熔滴顺利地进入熔池，从而减少飞溅，增加燃弧能量，改善焊缝成形。另外，逆变技术也仍然是目前研究和发展的重要方向。 2.

5、研究中主要需要解决的问题 数字化焊机出现的比较晚，其中需要解决的主要问题有两方面:其一是控制算法，虽然国内外关于气体保护焊的控制方法有很多研究，但是具体实现跟电源固有特性相关，不能直接参考，必须通过现场焊接试验总结摸索。其二是数字化电焊机的硬件设计，包括数字控制系统的设计以及硬件系统的抗干扰设计和结构设计等。国内有文献直接使用单片机实现电弧控制，但课题在最初采用的51单片机和196单片机方案的现场焊接过程中发现，单片机的处理速度满足小了电弧动态特性的要求，经过反复的试验和方案论证，最终选择了使用dsp进行控制算法运算。3.主要研究工作 焊接技术是一个多学科交叉结合的一个应用性技术。首先研究分析

6、了电弧特性，然后提出了自己的控制算法，对电焊机的电源主控电路、控制而板以及部分送丝机构进行了数字化设计和开发，在此基础上进行了现场焊接试验，对相关参数以及控制算法进行调整，最终基本实现了预期的目标。主要研究工作如下:1）电弧特性的研究分析及实践认识:包括相关专业书籍阅读、模拟电焊机特性现场测试，现场焊接试验、波形分析等工作。 2）控制算法研究及软件实现:通过对co2气体保护焊的熔滴过渡过程的分析，在现场焊接试验中提出和完善了基于经典pid控制的co2气体保护焊电源控制算法。先后在单片机和dsp上编程实现。3电源主控电路设计:电源主控电路的设计以及相应控制算法的研究实现是木课题的重点和难点，这一

7、环节也是焊机直接数字化的核心部分。4)基于51单片机的控制而板软硬件设计:该部分使用51系列单片机设计实现了参数设定、工作方式选择、工作状态及工作电压、电流显示等的数字化。5送丝机构控制:通过控制面板的送丝机构控制接口，直接山单片机控制输出送丝速度参考电压，山现有送丝机构控制电路实现对送速度的控制。6)现场调试及控制参数整定:现场调试贯穿课题设计的始终，从最初对焊机特性数据的采集，到电路设计的硬件性能检测、控制算法的 修正以及控制参数的整定都必须进行现场焊接试验。（二）本论文的目的与意义 数字化电焊机的研发将是电焊机行业未来发展的主流方向之一，随着更快速微处理器、数字信号处理器和更先进的智能控

8、制算法的研究，未来的焊接设备将是数字化的世界。因此，数字化电焊机的研究开发具有一举足轻重的作用。目前，国内在技术水平上落后国外先进水平很多，只要我们共同努力，相信在焊接设各这个领域里而定能创造出领先世界的知名品牌。同时真心希望能有更多的企业和高校联合，发挥各自的优势，为民族工业的复兴尽一份力!二、数字化igbt逆变焊机结构概述 igbt逆变焊机主要由焊接电源、送丝机、焊枪等部件组成。其中焊接电源部分是其中最主要的部件，也就是我们通常所说的电焊机。从功能上来讲，焊接电源部分为焊接机构提供能量，其中包括，焊接能源，送丝机构能源等。焊接电源质量性能的好坏，直接影响焊接质量。 图3-1为nb500系列

9、igbt逆变焊机的电源控制系统框图nb500系列逆变焊机通过调节阻容值来设定焊接参数(电压、电流等)，然后和传感器反馈的电弧电压和电流作比较(模拟比较器)，将偏差送给模拟pi运算器，运算出的结果作为pwm的输入，控制igbt模块通断时间，从而实现对焊接过程的控制。显然，使用模拟分离阻容器件构成的pi运算器灵活性差，一组参数小能适应所有一的焊接规范，难以实现全范围内的最优控制，目参数调节调整复杂困难，开发难度大。在参数设定环节，也由于阻容值的离散性使得小能够准确设定焊接规范，不同焊机对同一组焊接规范设定量具有一相当的离散性，可靠性差。在硬件方面，设计主要工作是将电源的主控部分采用数字电路控制替代

10、原有一的模拟电路控制，对控制面板等电路进行数字化改造。课题设计了以ti公司tms320lf2407a数字信号处理器为检测控制核心，51单片机为面板控制等事务管理核心的igbt逆变焊接数字化控制硬件系统，结构框图如图3-2所示。在课题设计硬件中，按照功能将其分为电源主控电路设计、控制面板电路设计、送丝机构主控电路设计三个部分，其中基于dsp的电源主控电路设计是课题的重点和难点。下面将分别加以介绍讨论。三、 数字化igbt逆变焊机电源主控板设计 电源主控板对电源特性控制的性能，直接影响到焊接质量的好坏。数字电源主控板的性能不仅决定于所采用的控制算法，也决定于包括对间接焊接质量信号的采样精度、速度，

11、控制的实时性，以及控制精度、稳定性和抗干扰性等在内的硬件性能。图3-3为igbt逆变电源数字主控电路框图。如图所示，电源主控板有dsp最不系统(含a/d功能)、信号调理/隔离、d/a、通信接口(rs232/rs485 、行通信接口)、电源管理等几部分组成。 焊接电压和焊接电流通过传感器馈入信号调理通道，经过隔离、滤波、衰减/放大和限幅等处理后，送入dsp器件自带的a/d转换器，由程序控制adc模块进行数据采集。dsp按照预先设定的焊接规范及控制算法，对采集到的数据进行运算，产生相应的数字量控制输出，驱动d/a芯片输出模拟量控制电压，经信号调理/隔离后控制pwm输入，从而控制igbt逆变电源的输

12、出特性。以焊接电压、电流等参数由控制面板通过行数据总线对dsp进行设置，它们之间采用八根数据线，四根握手信号线进行通信，其硬件电路由acpld辅助实现。另外，电源主控板还设计了rs232/rs485接口用成下载、调试等功能。(二)数字电源主控面板电源管理设计电焊机是一个大功率设备，在焊接过程中焊机输出动态变化快，常常会干扰电网电压，造成电网电压波动，同时产生大量的电磁辐射干扰周围的电子设备。电源主控板位于电焊机内，本板电源不可避免地受到了严重的干扰。工作电源的稳定是系统稳定工作的前提，必须对本板电源进行抗干扰设计。 数字电源主控板是个多电源的系统。其中dsp为3. 3v cmos电平，d/a以

13、及本板同控制面板的接口数字电路均为5v ttl电平，此二者共用一个数字地gnd;同时本板为模数混合信号板，对传感器输出的模拟信号调理电路采用士15v供电，为了避免传感器电源的纹波干扰，该传感器输出信号采用单独的模拟地fgnd隔离,隔离后的信号调理部分模拟器件均采用士12v供电，模拟地为agnd,另外d/a转换器需要一个5v的模拟电源，为了减少数字电路电源对模拟电路的干扰，此处也分出了一个模拟的5v电平vcca。 除dsp系统的3. 3v cmos电平外，其他的士15v、士12v, 5v电源均来自电焊机内专门的电源模块。在接入数字电源主控板后，分别对其进行滤波，以获得较为稳定的土作电平。考虑到电

14、焊机对电网造成的严重干扰，在设计中对每一组电源的输入端均采用了二型滤波电路。如图3-4、图3-5所示。为 dsp 供电的电源芯片为 tps73hd318，它是 ti 公司专门为 tms320 系列 dsp供电的电源管理芯片，它具有极低的压（dropout voltage 80 mv max atio = 100 ma，io 为输出电流）、低静态电流（low quiescent current）、极低的睡眠状态电流（ultra-low-current sleep state）、双低有效 200ms 复位脉输出、双 3.3v/1.8v 输出，其中，调节器 1 输出 1.8v，调节器 2 输出 3.

15、3v。设计中仅用到了 3.3v，其外围电路如图 3-6 所示。图中，3.3v 为 dsp 系统数字电源，3.3va 为 dsp 自带 a/d 转换器等模拟部分供电电源，pllvcca 为 dsp 内部锁相环工作供电电源。将 tps73hd318 的调节器 2 的复位输出 poweron_reset 信号与按键复位信号 swrest 信号共同构成 dsp芯片的复位输入（经过 74lvc245 缓冲）。 其中，poweron_reset 信号直接接到d/a 芯片的复位引脚作 d/a 上电复位用。如图 3-7 所示。(三) 数字电源主控板 dsp 系统设计数字信号处理（digital signal

16、processing，简称 dsp）是基于 tms320c2xx dsp 的 cpu 内核，程序代码与 f243/f241/c242兼容，指令集与 f240/c240 兼容。片内高达 32k 字的 flash 程序存储器和 2.5k 字的数据/程序存储器，其中 544 字双口 ram（dram）和 2k 字的单口 ram（sram）。片上 flash/rom 可编程代码安全保护。外部存储器接口共 192k 字：64k 字程序存储器；64k 字数据存储器；64k 字 i/o 存储空间。多路 10bit a/d 转换器，可选择为单 16 通道或双 8 通道，最不转换时间为 375ns。控制器局域网

17、络（controllerarea network 简称 can）2.0b 模块。串行通信接口（serial communications interface 简称 sci）。16bit 串行外设接口模块 （serial peripheral interface 简称 spi）。双事件管理器模块 eva 和 evb，每个包括：两个 16bit 通用定时器；8个 16bit 脉宽调制（pwm）通道，可实现三相反向器控制；pwm 对称和非对称波形；外部/pdpintx 引脚出现低电平时快速关闭 pwm 通道；可编程 pwm 死区控制，防止上下桥臂同时输出触发脉冲；3 个捕获器等。基于锁相环的时钟发生

18、器。40 个独立可编程的复用的通用 i/o 管脚（gpio）。5 个外部中断（电机驱动保护、复位、两个可屏蔽中断）。电源管理包括 3 种低功耗模式，并可独立将外设器件转入低功耗模式tag 接口,且其开发环境 cc（code composer）支持 c 语言开发编程，界面友好，容易掌握和使用，可以大大缩短开发周期，因此本课题在确定 dsp 芯片的时候考虑采用了 ti 公司tms320c2000 系列芯片中的tms320lf2407a。其主要技术参数为：l 高性能静态 cmos 技术，供电电压降为 3.3v，减不了控制器的功耗40mips的执行速度（指令周期缩25ns），具有很高的实时控制能力。l

19、 基于tms320c2xx dsp的cpu内核，程序代码与f243/f241/c242兼容，指令集与f240/c240兼容。l 片内高达32k字的flash程序存储器和2.5k字的数据/程序存储器，其中544字双口ram（dram）和2k字的单口ram（sram）。l 片上flash/rom可编程代码安全保护。l 外部存储器接口共192k字：64k字程序存储器；64k字数据存储器；64k字i/o存储空间。l 看门狗定时器模块（wdt）。l 多路10bit a/d转换器，可选择为单16通道或双8通道，最小转换时间为375ns。l 控制器局域网络（controllerarea network简称c

20、an）2.0b模块。l 串行通信接口（serial communications interface简sci）。l 基于锁相环的时钟发生器。l 40个独立可编程的复用的通用i/o管脚（gpio）。l 5个外部中断（电机驱动保护、复位、两个可屏蔽中断）。l 电源管理包括3种低功耗模式，并可独立将外设入低功耗模式。l jtag接口。其dsp电源主控板就是基于这款芯片设计开发的，晶振10mhz，经过芯片内部设定后，芯片工作在4clk模式下，即单指令执行速度40mips。在dsp的硬件设计上需要注意的几点是：1）为保证可靠性，中断输入脚需接上拉电阻（10k）。2）适当选择锁相环滤波器引脚外接阻容值。3

21、）晶振尽量靠近主芯片，且选择精度高、稳定性好的有源晶振。4）为调试方便，在初版设计时保留了外部sram电路。5）对所有的输入信号有明确的处理，对不用的引脚根据要求接地或上拉到电源，不能悬浮。6）对dsp、片外程序存储器和数据存储器，应加0.1uf左右的去耦电容并使其尽量靠近芯片电源引脚，以滤除电源噪声。另外，在dsp与片外程序存储器和数据存储器等关键部分最好铺地处理，以减少外界干扰。7）片外程序存储器和数据存储器应尽量靠近dsp芯片放置，同时要合理布局，使数据线和地址线长短基本保持一致。8）复位电路。应同时设计上电复位电路和手动复位电路，在运行中出现故障时可方便地人工复位。对于复位电路，一方面

22、应确保复位低电平时间足够长，保证dsp可靠复位；另一方面应保证稳定性良好，防止dsp误复位。dsp需通过jtag接口下载并调试程序，jtag接口电路如图3-9所示，设计中，emu0和emu1引脚需要接上拉电阻（10k）。(四) 数字电源主控板a/d转换及输入信号调理电路设计1. tms320lf2407a的模数转换模块tms320lf2407a是专门为控制系统设计的dsp芯片，它具有内置的模数转换模块。如图3-10所示，该模块由输入模拟通道、采样保持器、10bit模数转换模块、排序器、adc控制寄存器、转换结果寄存器等部分组成。其主要特性如下：l 带采样和保持器（s/h）的10bit模数转换模

23、块，最小转换时间375ns。l 16个模拟输入通道（adcin0adcin15）。l 自动排序能力。一次可执行最多16个通道的自动转换，每次要转换的通道由编程决定。l 两个独立的最多可选择8个模拟转换通道的排序器（seq1和seq2）可以独立工作在双排序器模式，或者级连后工作在一个可最多选择16个模拟转换通道的排序器模式。l 在给定排序方式下，4个排序控制器（chselseqn）决定模拟通道转换顺序。l 多个触发源可以启动a/d转换：软件立即启动，事件管理器eva/evb中的事件源，外部adsoc引脚。l 灵活的中断控制允许在每一个或每隔一个序列结束时产生中断请求。l 内置校验模式。l 内置自

24、测试模式。当满量程电压fsr=3.3v时，该adc模块分辨力=3.3/2100.00322 v=3.22mv。该adc模块的分辨力和数据转换速率（375ns）完全能够满足课题对焊接电压、电流的采样要求，且通过设置最大转换通道数寄存器（maxconv）和通道选择排序控制寄存器（chselsen）可以控制adc模块连续对焊接电压、电流进行n次采样，方便程序对采集到的数据进行数字滤波处理。因此，课题在设计中没有用单独的a/d转换器芯片。2.a/d输入信号调理电路设计实时准确的检测间接焊接质量（电弧电压、电流等）是实现焊接过程稳定控制的前提。在本课题中，电弧电压和焊接电流是焊接过程中主要的检测及控制对

25、象。它们分别通过弧压传感器和电流传感器馈入控制回路，经过信号调理后输入a/d转换器。其中信号调理电路主要由隔离、滤波、衰减/放大和限幅电路构成。1、隔离电路is0122是采用滞回由于传感器部分受电焊机干扰严重，电源和地都存在很大的纹波，故在传感器信号的输入端加了隔离电路，对传感器板的电源和地进行隔离。本课题使用了bb公司的电容耦合型精密隔离放大器iso122。调制解调技术设计的电容耦合精密隔离放大器。价格低，使用方便。从该芯片的功能图13可知，它的输入部分和输出部分分别放在壳体两边，中间用两个匹配的1pf电容形成模拟信号的电气隔离。输入部分由输入积分器al、检测放大器所控制的100a电流源、滞

26、回比较器等组成滞回调制电路。因为输入部分和输出部分是完全对称的，制造时又采用激光调整工艺使两部分完全匹配，因此在输出端能得到高精度重现vin的输出信号。 is0122使用非常方便，只须在器件的输入和输出部分分别接入4.5v-18v的隔离电源，不用任何外部元件即可正常工作。这时隔离放大器将1：1地传输信号，其增益误差小于0.5。对is0122pu，其非线性误差小于等于0.02，信号带宽可达50khz。2、滤波电路设计为去除传感器输出信号中的高频干扰，需在信号输入调理通道中设计抗混叠低通滤波器。抗混叠低通滤波器一般为有源低通滤波器，按通带滤波特性可分为最大平坦型滤波器、等纹波型滤波器、线性相移型滤

27、波器等。在实际设计中通常对应采用的有三种形式：（1）巴特沃兹（butterworth）型低通滤波器巴特沃兹型低通滤波器在通带内具有接近理想低通滤波器的平坦特性，所以又称最大平坦型滤波器。各种阶数的巴特沃兹滤波器均具有单调下降的幅频特性，阶数越高，下降越陡，下降斜率为20ndb/10倍频，具有较好的冲击响应特性。(n为滤波器阶数)（2）切比雪夫（chebyshev）型低通滤波器切比雪夫型低通滤波器，阶数n越高，幅频特性下降的越陡，由于通带内有等纹波起伏，所以又称等纹波型滤波器。它的通带特性不如最大平坦型的好，但是就过渡带内幅频特性下降陡度来说，它比最大平坦型的陡得多。且通带内纹波幅度越大，其过渡

28、带内幅频特性下降越陡。（3）贝塞尔（bessel）型低通滤波器贝塞尔型低通滤波器是线性相移型滤波器，它具有最大平坦群时延，具有很好的阶跃响应特性。通常用于对信号响应速度要求高的场合。课题设计要求滤波器通带内具有平坦的低通滤波器特性且过渡带较陡，综合考虑后选用了有源四阶巴特沃兹型低通滤波器作为抗混叠滤波器。它由两个二阶滤波器串联组成。其传递函数如下式：图中电容参数值计算公式如下：式（3-2）（3-5）中，fc为低通滤波器的3db频率，单位为赫兹（hz），电容单位为法拉（f），电阻单位为欧姆。本课题中，考虑截止频率为fc=20khz，选择r=5.1km，由式（3-2）（3-5）计算匹配电容值得：c

29、a=1.69nf，cb=1.44nf，cc=4.08nf，cd=597pf。课题设计实际使用的电容值为：ca=1.5nf，cb=1.5nf，cc=4.4nf，cd=510pf。现场焊接试验证明，该滤波器设计可以较好的滤除传感器输出信号中的高频干扰，保证了数据采集的可靠性，并可明显减少由于干扰造成的算法误判断。3、衰减/放大及限幅保护电压和电流传感器在焊机正常工作状态下基本满足线性关系。对于弧压传感器，有如下关系： =11vuo-1式中：电弧电压（v）；vuo弧压传感器输出电压。nb500焊机空载时，最高输出为85v，实践发现，焊接过程中弧压高于56v的时候都可认为电弧未建立，当弧压为1540v

30、之间时为燃弧阶段，而短路过程中电压一般低于12v。由式3-6得弧压传感器输出和电弧状态对应有表一：对电流传感器，有如下公式：i电弧=200v io （3-7）式中：i电弧焊接电流（i）；v io电流传感器输出电压（v）。正常的焊接电流范围为0650a，当电流小于20a时，电弧未建立，焊丝同工件之间为开路状态；当电流在20550a之间时，为正常工作电流；当电流值高于650a时，为过流状态，应启动保护电路。由3-7式，得电流传感器输出和电焊机工作状态对应有表二：tms320lf2407a的a/d模块refhiv最大输入值为3.3v，实际设计中该引脚接3.3v，此时a/d满量程为3.3v故传感器输出

31、的信号在输入adc前必须进行衰减限幅。由表一，当电压高于3.72v时电弧未建立，不需要进行专门的算法控制故不需要精确获得采样值，可采用大比例衰减，以保证在传感器最大输出时，通过信号调理电路能够衰减到3.3v以下，在电压小于3.72v时采用小比例衰减，保证采样分辨力。由表二，电流传感器输出只在过流状态下可能超过3.3v，故只需限幅即可。课题在设计上采用软硬件结合的方式，通过程序控制多路选择器（adg408）进行不同增益档选择。adg408是ad公司的高性能模拟多路开关。它具有功耗低、开关速度快、开关接通阻抗低（100欧姆）等特点38。当弧压超过56v（空载）时，选择1/3衰减（此时，允许最大弧压

32、90v，adc对弧压的分辨力为1lsb=90v/2100.09v）；当弧压低于47v（燃弧）时，选择3/4衰减（此时，adc对弧压的分辨力有1lsb=47v/2100.05v）。为了保证adc输入信号电压不超过3.3v损坏器件，在信号调理通路末端采用3.3v稳压二极管限幅。电压传感器信号调理电路设计图如图3-13所示。(五) 数字电源主控板d/a转换及输出信号调理电路设计1. d/a转换器dac7625课题设计中采用了bb公司的4路12 bit双缓冲数模转换器件dac7625，可实现4路地址装载的全部内容在同一时间转化为模拟输出。该芯片具有如下特点：l 低功耗（20 mw）；l 可工作在单极性

33、或者双极性模式下；l 还原时间短10us to 0.012%；l 在-45+85范围内单调线性；l 数据可回读；l 双缓冲数据输入。dac7625可工作在+5v的单电源供电模式下，也可以工作在5v的双电源模式下。其每一路输出的最大电压和最小电压由外部参考电压refhv和reflv设定。数字输入端为12bit并行输入。dac7625的输入输出关系可用下式表示： （39）式中：n数字输入值。在课题中dac7625工作在单极性模式下，参考电压由2.5v的电压基准源mc1403提供，则dac7625的refhv=2.5v， reflv=0v，此时，输出电压范围为：outv=02.5v。设计中，参考电压

34、和供电电压管脚处加0.1uf的旁路电容。电路如图3-14所示。2. d/a输出信号调理通道在本课题的设计中，d/a的控制输出作为pwm脉宽调制的最主要的控制量输入，并没有直接用来驱动pwm，而是和另外一个电流反馈信号进行加法运算后作为最终控制量输入。因此，根据原有电路要求，d/a的输出量在参与运算前必须进行调理，将0+2.5v的输出值反向放大为0-10v，并对输出作隔离，防止pwm模块的干扰信号干扰主控板电路。隔离运放仍然是采用iso122芯片。该信号调理通路设计如图3-15所示。为了平滑d/a的输出，在反馈回路加滤波电容。在本课题中所有模拟信号调理电路中的有源运放为tl084。(六) 主控板

35、与控制面板的通信接口及其他译码电路的cpld实现在电源主控板的dsp系统中，主控板与控制面板（单片机系统）的通信接口、dac以及状态指示等都是作为tms320lf2407a的i/o空间数据端口来进行访问操作的。课题中，各i/o空间地址分配见表三示：注：1、*代表为dsp读信号有效，其他为写信号有效2、表示通过a1、a0选择dac转换通道及寄存器3、译码时tms320lf2407a的/is信号有效，对外部i/o空间1 、cpld简介随着半导体技术、集成电路技术的迅猛发展，出现了fpga（fieldprogrammable gates array，现场可编程门阵列）和cpld(complex pr

36、ogrammablelogic device，复杂可编程逻辑器件)器件，可编程器件不仅使设计的系统达到小型化、集成化和高可靠性，而且器件可编程的特点大大缩短了设计周期、减少了设计费用、降低了设计风险。与fpga（field programmable gates array，现场可编程门阵列）相比cpld器件逻辑块扇入较大，通常有数十个输入输出端；cpld的逻辑块采用集总式开关元件，特点是等延时，而fpga的互联是分布式的，其时延与芯片内部布局有关。而cpld器件比fpga器件的逻辑能力强，但是寄存器少，正好对应控制密集型电路的需要。因此，课题中选用了altera公司的max7000s系列cpl

37、d器件。它属于max7000s系列，具有2500个可用门、128个宏单元、最大用户i/o数为68个、计数器工作频率可达151.5mhz，可通过jtag(joint testaction group，联合测试行动小组)接口实现在线编程。标准jtag采用个基本信号：tck，tms，tdi，tdo。其中，tck为同步时钟，tms为jtag方式选择，tdi、tdo分别为串行数据输入和串行数据输出。jtag接口硬件电路设计如图3-16所示。2、cpld电路设计课题cpld内部电路框图如图3-17所示。它主要完成电源主控板与控制面板的并行数据通信，包括八位并行数据线和四根握手信号线，以及主控板上的译码电路

38、。在外围硬件电路设计中，由于cpld芯片提供了很多个电源引脚，为了减少芯片内部的干扰，尽量在每个电源引脚处加一个0.1uf的去耦电容。另外，设计中应尽量使用cpld所提供的全局变量，如全局时钟clk。对于未用到的全局变量，应将其引脚连接到地。（七) 电源主控板串行通信接口设计tms320lf2407a器件内部有串行通信接口sci模块。sci模块支持dsp与其他使用标准格式的异步外设之间的数据通信。sci模块的发送器和接收器都是双缓冲的，每一个都有其自己独立的使能和中断标志位，二者既可以独立工作，也可工作在全双工模式下。通过16bit的波特率选择寄存器，数据传输速度可以被编程为65535种不同方

39、式。该模块主要特性如下：l scitxd(数据发送引脚)、scirxd(数据接收引脚)，在非sci模式下可作为通用i/o引脚；l 通过16bit的波特率选择寄存器scihbaud和scilbaud，可编程为64k中不同波特率；l 数据格式：一个起始位，18位可编程数据字长度，可选择的奇/偶/无校验位，一个或两个停止位；l 半双工或全双工操作；l 双缓冲的接收和发送。当波特率选择寄存器brr值不为零时：sci异步波特率=sysclk/(brr+1)8 （3-10）当波特率选择寄存器brr=0时，sci异步波特率=sysclk/16式中sysclk系统时钟频率。课题设计中，系统时钟频率为40mhz

40、，设定波特率为9600bps进行rs232通信，此时有：brr=40 106/(96008)-1=519.8207h波特率选择寄存器设置为：scihbaud=02h，scilbaud=07h。由于本课题在设计串行通信接口时，使用的rs232串行通信驱动接口芯片是max232，其逻辑电平为5v，故在其与tms320lf2407a串行通信模块接口时需要进行电平转换，硬件设计时需要注意。四、数字化igbt逆变焊机控制面板电路设计(一) 控制面板功能需求分析在本课题硬件设计中，控制面板不仅是数字化电焊机的人机操作界面的控制管理板，也是整个数字化电焊机系统事务处理的核心板，电源主控板在硬件设计的地位上是

41、控制面板的一个外设板，同时也是整个数字化控制系统核心部件，它是igbt逆变焊机数字化研究成功与否的关键硬件设计部分。控制面板在功能上则完成了人机界面的管理以及为电源主控板提供相应的焊接参数等事务性处理功能。它所应该具有的主要功能如下：l 参数设置、显示。需通过控制面板实现焊接要设置的焊接参数有：焊接电压、焊接电流（送丝速度）、波控参数。l 通过控制面板实现长、短焊缝的选择。l 通过控制面板实现焊丝规格选择。l 显示当前工作电压、电流及波控参数。l 用户工作参数保存。l 与电源主控板进行通信，完成焊接参数的设置。l 与送丝机构通信，完成送丝速度的设定。 (二)控制面板硬件设计结构框图按照控制面板

42、的功能需求，本课题将控制面板的硬件设计分为单片机系统部分、七段led显示、键盘控制、与电源主控板通信接口、与送丝机构通信接口、rs232/rs485总线接口等几部分。具体机构框图如图3-18所示。(三)控制面板单片机系统设计控制面板采用mcs51单片机构成事务管理控制系统。mcs51系列单片机是目前应用最为广泛的一种微控制器，它具有接口电路简单，功能丰富等特点，在生产生活中有着广泛的应用。在本课题中，使用了89c52单片机。下面将从以下几个方面加以介绍。1.外设地址译码在本课题的单片机硬件系统设计中，显示、键盘、与电源主控板的通信接口以及与送丝机构的通信接口的访问都是通过地址译码实现的，即给各

43、部分分配一个唯一的端口地址，把这些外设端口当作外部数据存储器的一个地址单元来访问。译码电路如图3-19所示： 根据读写功能的不同，控制面板的具体译码及对应端口映射关系见表四：2.串行接口的非易失性存储器单片机外部扩展了一个串行接口的eeprom at24c16，用以存储部分焊接规范参数。at24c16是一个具有i2 c接口规范的eeprom，存储容量为16k bit，按2k8组织，可重复擦写一百万次，数据保存时间为100年。at24c16接口简单，占用资源少，但需要软件编程完成数据读写操作。电路如图3-20所示，采用89c52单片机的p1.3和p1.4口作串行时钟和串行数据线。单片机的p1.2

44、口接wp引脚，控制at24c16的写入使能。3. rs232/485接口及上电复位电路设计89c52单片机具有一个全双工串行接口，通过max232驱动/接收器芯片可同具有标准异步串口的设备进行通信。这里预留该功能，可通过该串行接口同电源主控板或外接pc进行通信，方便调试。为了提高可靠性，采用了复位兼看门狗电路max813l，对单片机进行上电复位和定时复位，以防止软件运行失控。用单片机的一个i/o口（p1.7）对定时器进行清零，当程序在执行过程中跳飞或进入死循环时，程序不能在定时溢出前对其进行清零，就会使max813l定时溢出而产生复位信号，使单片机重新启动。(四) 控制面板显示及键盘接口电路设

45、计在本课题设计中，控制面板是焊接人员使用电焊机最直接也是唯一的操作接口。作为人机操作界面，该部分的设计要求操作界面友好，指示简单明了，使用方便、简洁，使焊机使用人员能够快速掌握面板的使用技巧。在参考国外同类产品的面板功能设计的基础上，结合本课题具体实现的功能设计了数字显示、功能指示和键盘响应三部分硬件功能，并配合相应的软件实现。1.显示电路如前所述，电焊机在使用中要求能够反映出当前设定和工作的电压、电流等参数。在传统模拟焊机的设计中一般采用指针式电压表，焊接人员需要从表盘上估读出当前工作参数，界面不直观，且容易出现误读。在本课题中采用七段led数码显示，将当前工作参数，以及设定时的数值直接显示

46、出来，直观明了。在硬件设计上，使用cd4511静态驱动七段led数码管。cd4511是bcd7段译码/驱动/锁存器。cd4511从a、b、c、d输入待显示的bcd码，当le=0时输入数据（bcd码），当le=1时数据锁存。数据输入后，立即在引脚ag输出用于驱动共阴极led显示器的字段的信号。当lt=0，进行灯测试，使led显示器显示“8”，当bi=0时，显示器消隐显示。七段led数码管显示静态接口设计如图3-21所示。 在a、b、c、d四个bcd码输入端应接4个5.1k上拉电阻，使单片机的输出电平与cd4511的cmos输入电平相容，同时，在cd4511七段输出与数码管七段输入之间应接七个25

47、0欧左右的限流电阻。另外，课题设计了发光二极管电路用来指示当前焊机工作的其他一些参数，如长短焊缝的选择显示，焊丝直径的选择显示等。2.键盘接口电路键盘设计包括了09十个数字键、电压设定选择键、电流设定选择键、波控参数设定选择键、窗口选择键、单增计数键、确认键共16个按键。单片机通过对预先译码设定的键值端口定时读取操作完成对按键的扫描。该方式下软硬件设计简单，不足之处是需要不断的扫描键值端口，一定程度上占用了系统资源。键盘接口电路如图3-22所示。(五)控制面板与电源主控板和送丝机的通信接口1.控制面板与电源主控板通信接口如前所述，控制面板与电源主控板之间通过并行数据总线和握手信号线进行通信，传

48、递焊接参数，以及焊接过程中的间接焊接质量（焊接电压和电流）以及其他的控制信息。该部分电路的关键是如何设计硬件握手信号，在本课题设计中使用了中断响应和读写信号线相结合的办法。当电源主控板要写数据给单片机时，dsp将数据写入通信端口锁存，同时，dsp的写信号作为一个请求信号送给单片机的中断引脚。当单片机收到中断请求后，将数据从通信端口读出，同时，单片机的读信号产生一个应答信号通知dsp，数据已经取走，可以进行下一步操作。同理，当单片机要写数据给电源主控板时，单片机将数据写入通信端口锁存，同时，单片机的写信号产生一个中断请求送给dsp，当dsp收到中断请求后，将数据从通信端口读出，同时，dsp的读信

49、号产生一个应答信号通知单片机，数据已经取走，可以进行下一步操作。通过这种软硬件结合的通信机制完成数据通信。该部分电路主要在电源主控板端由cpld实现，在控制面板上仅使用标准通用数字集成电路设计了一个接口。2.控制面板与送丝机的通信接口与电源主控板的通信不同，在本课题设计中，控制面板同送丝机的通信是单向的。单片机处理程序根据当前设定参数的不同，通过该通信接口向送丝机发送送丝速度的控制信号。因此，对单片机而言，仅需要对该端口进行数据的写操作即可。考虑到传输距离等问题，在接口设计上使用74ls07做端口驱动。74ls07是集电极开路的高电压驱动芯片，其输出需接上拉电阻。五 、数字化igbt逆变焊机送

50、丝机部分电路本课题研究中使用的送丝方式为匀速送丝，即当焊接参数设定后，送丝速度恒定，又在设计初期没有考虑在送丝机构上扩展对焊接参数的调整功能，因此送丝机部分电路设计较为简单。(一)送丝机功能分析送丝机构为匀速送丝，在本课题研究中该部分仅需实现和控制面板电路的通信接口，通过控制面板所传递的数据输出恒定的模拟控制电压，使送丝机构匀速动作，焊丝匀速送出。(二)送丝机控制电路由于nb500系列焊机已有送丝机的驱动电路，设计送丝机控制电路方案时，采用了用控制面板控制d/a输出，从而为现有驱动电路提供参考电压的控制方式，以软件设定代替电位器调节。该部分电路简单不再赘述。六、现场焊接调试电焊机的数字化研究设

51、计是一个应用型的课题，研究设计出的控制系统能否达到实际焊接过程对控制精度、控制动态特性等要求必须经过现场焊接试验进行验证，并通过试验不断修正控制算法和控制参数。本课题提出的控制算法，以及数字化控制系统的设计都是在现场试验中不断完善改进的结果。当然，目前该系统还不够完善，功能上跟国外产品还有很大的差距，这些都有待于在以后的研究中不断的完善。下面是针对在设计以及现场试验中的一些问题和结论加以介绍。（一） nb500焊机特性测试本课题以熊谷公司nb500系列逆变焊机的数字化为设计对象，因此在设计、系统调试之前必须对现有的nb500焊机的输出特性，传感器工作特性进行测定。在现场，利用电阻箱做恒定负载，

52、对现有nb500系列逆变焊机的电压传感器和电流传感器电路进行了测试，测试结果如表八和表九所示：由表八和表九可得电压传感器和电流传感器的输入输出关系如下：v=11u_i1 （5-1）i=200i_i （5-2）在燃弧阶段，焊接电压和电流满足如下经验公式：v =14+0.05i （5-3）课题在设计焊接过程跳转参数及焊接参数时，均以以上公式及表格为参考结合现场焊接试验对参数进行调整。（二）参数整定在对焊机基本参数进行测定后可大致估算出一些焊接过程中使用到的参数取值。但在实际焊接中这些参数值必须通过不断的实验进行整定。且在实际控制系统中，难以对电焊机建立有效的数学模型，因而各个控制阶段的pid控制参

53、数必须通过凑试法获得。1 .pid参数整定如上所述，电弧熔滴过渡控制采用分段pid控制，对不同的焊接参数和熔滴过渡阶段采用不同的pid控制参数进行优化，控制熔滴平稳过渡。为获得理想的焊接过渡状态必须通过多次试验对同一组参数进行反复整定优化。由于焊接过程是一个多参数互相耦合、时变的、不确定的非线性系统，难以建立焊接过程的数学模型并给出pid控制参数。在现场调试时，采用凑试的方法对pid参数进行整定。对于pid控制，增大比例系数，有利于加快系统响应速度，减小静差，但是过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使系统稳定性变坏。增大积分系数，有利于减小系统超调，减小振荡，增加系统稳定性，但是系

54、统的静差消除随之减慢。而增大微分系数，有利于加快系统响应，减小超调，增加系统稳定性，但是系统对扰动的抑制力将减弱，易受干扰。考虑到以上参数对系统控制过程的影响，对参数实行先比例、后积分、再微分的整定步骤。（1）比例系数整定将比例系数从小慢慢变大，观察系统响应，直到得到反应快，超调小的响应效果。（2）积分系数整定在比例调节的基础上加上积分环节，并减小第一步设定的比例系数为原来的80%。将积分常数由小到大不断调整，以期在保证系统良好动态特性的基础上得到较小的静差。（3）微分系数整定微分环节用以调整系统的动态特性，在pi环节调节好的基础上，适当加入微分环节，调节系统的动态响应能力（主要用在短路阶段的

55、控制）。为避免资源浪费，首先以电阻箱为恒定负载，在焊机负载恒定的情况下，在控制算法中仅运行pid算法部分，进行恒压控制，然后改变电阻箱阻值，通过示波器观察动态响应速度以及稳态性能。待pid参数基本范围确定后，代入控制算法，对不同的焊接规范分别加以控制，并根据焊接效果，以及反馈的电压电流波形调整控制参数。记录各系数调整趋势对波形及焊接效果的影响，方便以后对其他参数的调整。2.其他参数整定在控制算法中，除pid运算的比例、积分、微分系数需要整定外，对当前状态判断的界定值也需要根据不同的焊接规范进行整定。其中包括：起弧段电压d/a输出值、最大空载电流界定值、最小起弧电压界定值、最小起弧电流界定值、最

56、小燃弧工作电压界定值、最大燃弧工作电流界定值、最大短路电压界定值、最大短路电流界定值。这些值只有通过估算并在此基础上通过现场的焊接试验获得。(三)实际焊接效果及工作参数1.现场焊接效果通过焊接试验，在课题设计过程中不断完善了硬件设计和软件算法设计，并在现场试验中修正了pid等相关控制参数，取得了良好的焊接效果。由于时间等原因，课题尚未完成对所有焊机规范参数的整定调节。本节仅以课题实践焊接中的一组参数为例，对现场焊接效果加以介绍。焊接参数如下：选定焊丝规格为1.2mm实心焊丝；焊接电压为24v；焊接电流在180220a之间均可稳定焊接；波控参数可在032之间调整。与模拟焊机相比，在焊接过程中，电弧稳定燃烧，飞溅较模拟焊机小，同一电压下焊接电流调节范围宽，人为改变电弧长度时焊接过程稳定，动态响应满足要求。通过改变波控参数，电弧推力可得到调节。焊缝成型好，熔宽、熔深、余高等满足焊接要求。在大电压（40v）焊接下，飞溅明显小于模拟焊机，但此时熔滴过渡方式已不是单纯的短路过