（机械电子工程专业论文）数字化交流伺服控制系统研究.pdf

摘要 摘要 近年来，薄板铝合金等轻量化材料在工业中的应用越来越多，薄板的电弧焊 接需要降低热量输入。实践证明，基于推拉送丝的低能量焊接法可很好的满足这 个要求。该方法将送丝系统与焊接电源系统结合起来，熔滴短路时焊丝回抽，靠 焊丝的回抽拉力完成熔滴短路过渡。整个过程依靠送丝系统与焊接电源系统的协 调配合来完成。 为实现低能量焊接，设计了以交流伺服驱动器为核心的送丝系统及进行焊接 电源与送丝系统间动作协调的控制器系统，各子系统之间采用c a n 总线实现数据 的传输。送丝系统以交流永磁同步伺服电机做送丝机，设计了专门的伺服驱动器 进行电机控制。该伺服驱动器，以数字信号处理器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为控制核心，以 智能功率模块i p m 为主电路逆变器件，采用矢量控制算法实现交流电机的控制。 驱动器系统采用电流环、速度环与位置环的三闭环结构，实现高频往复送丝及送 丝量控制。系统控制器部分，主要实现系统人机交互功能及焊接电源与送丝系统 间的协调控制功能。整个低能量焊接系统以c a n 总线方式实现送丝机节点、焊接 电源节点、控制器节点及其它设备节点间的数据传输。 最后进行了c a n 总线通信及交流伺服送丝系统的性能试验。结果表明，c a n 总线由于具有可靠的错误处理和检错机制，抗干扰能力强，非常适合应用于焊接 设备间的数据传输。交流伺服送丝系统，响应速度快，位置控制方便，能很好的 满足推拉送丝的要求。 关键词：低能量焊接；交流伺服；矢量控制；c a n 总线 北京工业大学t 学硕十学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y ss m a l lm a s sm a t e r i a ls u c ha sa la l l o ys h e e th a sb e e nm o r ea n dm o r eu s e di n i n d u s t r y t h ew e l d i n go ft h i np l a t en e e dr e d u c i n gh e a ti n p u t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f i e d t h a tt h el o w 吲i n p u tw e l d i n gb a s e do np u s h - a n d - p u l lt e c h n o l o g yw i r ef e e d i n gs y s t e mc o u l d s a t i s f yt h er e q u e s tw o n d e r f u l l y t h i sm e t h o dc o m b i n e st h ew i r ef e e d i n gs y s t e mw i t ht h ew e l d i n g p o w e rs y s t e m t h ew e l d i n gw i r ed r a w sb a c kw h e nt h ed r o p l e ti ss h o r t - c i r c u i t ，w h i l et h ew e l d i n g c u r r e n ti st u r n e dd o w n t h i sm e t h o dc o m p l e t e st h ed r o p l e tt r a n s f e rb yt h ed r a w - b a c kf o r c eo f w e l d i n gw i r e t h ew h o l ep r o c e s sn e e d st h ee x a c tw i r ef e e d i n gs y s t e m 1 1 1t h ep a p e r , t h el o we n c l ：, t yi n p u tw e l d i n gs y s t e mb a s e do i lp u s h - p u l lw i r ef e e d i n gs y s t e m i sm a i n l yr e s e a r c h e d t h i ss y s t e mu s e sa cp e r m a n e n tm a g n e t i cs y n c h r o n o u ss e r v om o t o r 衄w i r e f e e d i n ge q u i p m e n t t h es y s t e mi n c l u d e sm o t o rd r i v e ra n ds y s t e mc o n t r o l l e r ，b e t w e e nw h i c h c o m m u n i c a t e su s i n gc a nb u st e c h n o l o g y i nt h em o t o rd r i v e rs y s t e m ，t h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r t m s 3 2 0 f 2 812i su s e d 船c o n t r o lc o r e t h ei n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l ei p mi su s e d 勰i n v e r td e v i c e o ft h ep o w e rc i r c u i t t h ea cm o t o ri sc o n t r o l l e db yv e c t o rc o n t r o la r i t h m e t i c i na l l u s i o nt ot h e c h a r a c t e r so fl o we n e r g yi n p u tw e l d i n gw i r ef e e d i n gs y s t e m ，t h et e c h n i c a la d j u s t e ro fc u r r e n tl o o p , s p e e dl o o pa n dp o s i t i o nl o o pi sd e s i g n e di nt h es y s t e m t h es y s t e mc o n t r o l l e rc a r r i e so u tt h e h u m a n - m a c h i n ei n t e r a c t i o nf u n c t i o n a l s ot h es y s t e mc o n t r o l l e rg i v e so u ti n s t r u c t i o no ft h ew i r e m o t o rs t a t ea c c o r d i n gt ot h ef e e d b a c kf a c t o r so f w e l d i n gp o w e r t h ec o n t r o l l e rc o m m u n i c a t e sw i t h t h em o t o rd r i v e ra n dt h ew e l d i n gp o w e rb yc a nb u s t h ep r a c t i c ev e r i f i e st h a tc a n b u sh a st h e b e n e f i t so f r e l i a b l em e c h a n i s mo f e r r o rd i s p o s a la n df a u l t - d e t e c t i o n , f i n ee m c c h a r a c t e r i s t i c s t h e c a nb u si sc o m p a t i b l ya p p l i e di nt h ed a t at r a n s f e rb e t w e e n w e l d i n ge q u i p m e n t s a tl a s t , t h ep e r f o r m a n c et e s to fa cs c r v os y s t e ma n dc a nb u si sd o n e t h es y s t e mc a n i m p l e m e n tt h er e l i a b l ec o n t r o lo fw i r ef e e d i n g t h i ss y s t e mh a sf a s tr e s p o n s ea n dc 锄w e l ls a t i s f y t h er e q u i r e m e n to fp u s h p u l ll o we n e r g y w e l d i n g k e y w o r d s ：l o we n e r g yi n p u tw e l d i n g ；a cs e r v o ；v e c t o rc o n t r o l ；c a n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：蓝虹日期掣7 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 躲当垃聊签名盔醴丞嗍盟型 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 近年来，随着汽车工业的发展需要，汽车所用板材越来越薄，为满足薄板的 焊接工艺要求，需要降低焊接热量输入。此外，随着时代的发展，人们对汽车提 出了更高的要求，不仅要求安全可靠、乘坐舒适，而且要求绿色环保、节约能源。 铝合金板、高强钢板和复合材料等在汽车工业中大量使用，在汽车工业中，采用 “钢+ 铝 双金属连接结构的产品越来越多。如何将薄板钢铝异种金属连接在一 起成为性能可靠的接头，是汽车工业中面临的一个问题【l 】。 随着科学技术的飞速发展，科学家们提出了一种熔焊一钎焊的方法，使得电 弧焊接薄板钢铝异种金属成为可制2 1 。目前，该技术已经在汽车工业中得到应用， 主要有激光和电弧熔焊一钎焊法两种，由于激光法成本大，电弧法的应用较为广 泛。电弧熔焊一钎焊法采用铝基或锌基等低熔点焊丝，在焊接过程中进一步降低 了电弧能量输出，从而减小了钢铝金属间化合物层的厚度，使得接头强度满足要 求【3 1 。 实践证明，采用基于推拉送丝的短路过渡形式可以很好的实现低能量焊接 【4 】。自上世纪六、七十年代开始，人们便开始了推拉送丝的研究。但受当时电机 技术的限制，只能在较低的频率下实现推拉送丝。因此，设计能够高频往复运动 的送丝系统，便成为了实现推拉送丝方式低能量焊接的关键。 传统的送丝系统采用直流电机做送丝机，但直流电机难以实现准确的送丝量 控制，不能应用于低能量焊接系统中【5 】。近年来，随着电力电子技术、微电子 技术、微型计算机技术、传感器技术、稀土永磁材料与电动机控制理论的发展， 交流伺服控制技术有了长足的进步。由于永磁同步电动机具有结构简单，体积小， 效率高，转矩电流比高，转动惯量低等优点，在中小功率、高精度、高可靠性、 宽调速范围的伺服系统中，永磁同步电动机引起了众多研究与开发人员的青睐， 其应用领域逐步推广，尤其在航空、航天、数控机床、加工中心、机器人等场合 已获得广泛的应用【6 1 。 因此，本课题采用交流永磁同步伺服电机做送丝机，设计专用的伺服驱动器 配合焊接电源，方便实现低能量焊接。 北京工业大学t 学硕十学位论文 1 2 低能量焊接研究现状 基于推拉送丝的低能量焊接技术的发展随送丝系统的发展，尤其是伺服电机 技术的发展而不断涌现新的成果【7 】。 推拉丝短路过渡由于采用在短路时通过回抽焊丝，在回抽拉力的作用下完成 熔滴过渡，大大降低了焊接过程能量输入和飞溅。早在上世纪七、八十年代，就 有一些科学家进行研究以降低c 0 2 短路过渡焊接的飞溅为目的，对推拉丝短路过 渡进行了研究，下面加以介绍。 在传统的熔化极气体保护焊焊接过程中，焊接电流为熔滴过渡和母材加热提 供热量【s 】。实际上，熔滴过渡和母材加热对焊接电流有着不同的要求，可以通过 调节电流控制对母材的热输入，而采用其他方法向电弧施加其他形式的能量单独 控制熔滴过渡。在前苏联出现了多种向电弧单独施加辅助能量控制或改善焊接过 程的方法。如通过预热工件，在焊枪内附加电弧单独加热焊丝或实时变动干伸长 等方法向焊接过程施加辅助热能；可以通过振动( 推拉) 焊丝或采用脉动送丝等 方法向焊接过程施加辅助的机械能；此外还可以通过施加外加磁场的方法向焊接 电弧施加辅助的电磁能等等。国内也对脉动送丝以及向电弧施加尖角磁场等方法 进行研究。实践证明，以振动焊丝向焊接过程施加机械能的方法较为理想【9 】。如 德国的研究人员采用前进一停止的送丝动作，对c 0 2 气体保护焊的飞溅问题进行 了研究。 1 2 1 国内研究现状 上个世纪8 0 年代中期，郑州机械研究所孙子健等人研制了一种可以实现脉 动送丝的“三钢球 脉动送丝机构( 采用凸轮电机) 。采用传统电源进行的试验 表明，以周期性定量送丝为前题，通过机械参数和电参数的配合，可以使熔滴按 焊丝脉动规律实现一个步距一个熔滴的有规律短路过渡，从而减小飞溅，使焊接 过程稳定。图卜l 是一个过渡周期内焊接参数示意副1 0 l 。由于传统电源的响应能 力差，参数匹配关系容易遭到破坏，影响焊接稳定性。 第1 章绪论 图1 1 脉动送丝焊接过程示意图 f i g 1 - lt h ec o n t r o lo f s h o r tc i r c u i t i n gt r a n s f e r p u l s a t e dw i r ef e e d i n gm e t h o d o o o 图l - 2 短路过渡电流调幅波形 f i g 1 - 2t h ep r i n c i p l eo fc u r r e n ta m p l i f i e d i ni n m o d u l a t i o nf o rs h o r t - c i r c u i tt r a n s f e rc o n t r o l 1 9 8 7 年，孙子健等人改进了原有的送丝机构，实现了推拉送丝，并通过电 流调幅电源的研究进一步完善了c 0 2 气保焊性能。其电源输出波形如图1 - 2 1 l 】 所示。具体方法是焊丝在燃弧期间保持静止，随后通过焊丝送进使熔滴与熔池短 路，并根据送丝动作获得电流调幅信号，降低主电路电流，焊丝回拉到一定距离 后，再升高主电路电流。通过机、电参数配合，该方法可以有效的减小短路过渡 的前后期飞溅，而且其调幅电流的幅度、宽度及调幅时刻可以任意调整。但是， 由于当时的技术所限，该方法只能以很低的短路频率焊接。 哈尔滨工业大学的里强采用响应较好的五相混合式步进电机作为送丝电机， 对推拉丝短路过渡做了进一步研究。在短路阶段，熔滴与熔池在小电流下接触并 铺展，根据短路信号，控制电机迅速回抽焊丝，在回抽动作前施加一定时间宽度 的电流脉冲，加速液桥的收缩过程，然后降低短路电流，主要依靠焊丝的回抽作 用完成熔滴过渡，如图1 - 3 所示【1 2 】。但是该方法由于送丝系统响应速度的限制， 使焊丝的回抽动作大大滞后于小桥的收缩破断过程，只能在较低的短路过渡频率 下实现。 北京t 业大学工学硕十学位论文 图卜3 实时控制短路过渡波形 f i g 1 - 3t h er e a lt i m ec o n t r o l l e dw a v e f o r mo fs h o r t - c i r c u i t i n gt r a n s f e r 孙子健、里强等人进行的推拉丝短路过渡研究，都是以降低c 0 2 短路过渡飞 溅为主要目的，但是由于当时的技术所限，在电源和送丝机构及其控制上，达不 到实时响应的要求，只能在较低的频率下进行焊接。 孙子健等人采用的推拉丝短路过渡是采用凸轮电机配合相应送丝的机构，通 过确定凸轮的轮廓曲线确定了焊丝的运动轨迹，通过焊接参数与之配合，以相对 简单的方式实现了推拉丝短路过渡。 1 2 2 国外研究现状 国外在基于推拉送丝的低能量焊接研究方面，取得了一些较先进的成果。特 别具有代表性的是奥地利f r o n i u s 公司2 0 0 4 年推出的一种叫做“冷金属过渡 的焊接方法。 冷金属过渡法( c o l dm e t a lt r a n s f e r ) ，也简称c m t 法【1 3 】，它是在短路过渡 基础上开发的。普通的短路过渡过程是：焊丝熔化形成熔滴一熔滴同熔池短路一 小桥爆断，短路时伴有大的电流( 即大的能量输入) 和飞溅。而c m t 法采用推拉 丝的送丝方式，当发生短路时，送丝机反转回抽焊丝，从而使得焊丝与熔滴分离， 使熔滴在几乎无电流状态下过渡，从根本上消除了产生飞溅的因素。焊接过程如 图卜4 所示。 ，量i；， o 一- i o o卫疆25曩 【- - - - 幽卜4c l 盯焊接过程 f 1 4 1 k c m t 眦l m “g p r o c 一 相比于其它焊接方法，c m t 法有其独到的优点 。 ( 1 ) 送丝过程与熔滴过渡过程相结合。传统的熔化极气保焊送丝系统和焊 接过程是相对独立的，而c m t 法的熔滴过渡过程是由送丝运动变化柬控制的，当 发生短路时，焊机的微处理器接收到短路信号，迅速向送丝机发出信号使其反转 回抽焊丝，拉断熔滴完成过渡，然后送丝机正转向前送丝直至发生短路。整个焊 接系统均为闭环控制，每个周期重复同样的过程。c m t 系统控制图如图卜5 所示。 图卜5c h i t 系统控制圉 f i 9 1 - 5 t h es c h 唧a t i cd i a g r 珊o f c m ts y s t e mc o n t m l ( 2 ) 焊接过程能量输入低。c m t 焊接法电弧输入热量的过程很短，短路发 生时，电弧熄灭，电源将电流降生非常低，热输入量迅速减少。整个焊接过程在 冷热交替中循环往复，能量输入低。可以实现03 r a m 以上超薄板的焊接，1 件变 形极小。 圈卜6 为采用传统短路过渡( 图a ) 和c m t 方法( 图b ) 得到的焊缝成形对 比图，可以著出由fc m t 方法的能量输入较低，所以形成更窄更高焊缝截面。二 者的送丝速度都为5o m m i n ，传统短路过渡的焊接电流为9 6 a ，电压为1 70 v ： 而c i i 方法的焊接电流为8 4 a ，电压为1 35 v 。c m t 方法产g ：的能量为传统短路 过渡形式的7 0 i 。 = = = = = 蟊i 幽卜6 不同短路过渡形式所得焊缝图 f i 9 1 6t h e w e l da p p e a r 扑c eo f d i f f e r e n ts h o r t - c i r c u i t a n s f e r ( 3 ) 焙滴过渡无飞溅。焊蝗的机械式回抽运动促进了熔滴的过渡，同时避 免了传统短路过渡方式不可避免的电爆炸飞溅，如幽卜7 所示。 馨警r 器罄 ， f7 驾磷赞嚣匿瓮：毯豳嚣攘妻妇疆蹬踊醮霍鞫圣暖绷麓圜懋德躐鬻 图卜7c n t 法焊丝的运动过程 n 9 1 - 7 t h e w e l d i n g m o v e m e n to f c m t w e l d i n g ( 4 ) 弧长控制简单。传统的熔化极气保焊弧长容易受到工件表面、f 整度以 及操作者手抖动的影响，造成弧长不稳导致焊接过程不稳定。而c m t 法则通过机 械方式控制电弧长度，它采片j 日d 进一刚抽的送丝方式，当发，扛短路时旧抽焊丝， 从原理上解决了传统c 保焊弧长小稳的司题。 不难发现，c m t 技术的关键技术之是准确的送丝控制。送丝机除完成送丝 任务外，每当短路时还要完成焊丝的叫抽任务。焊丝的送进和回抽频率为6 0 7 0 次秒，送丝机的d “进和回抽量需满足焊接的要求，对送丝机的动态性能和位置 拧制精度要求较高。 f r o n i o s 公司的送丝系统山两台送丝机、缓冲器和焊枪组成，如罔卜8 所示。 主送丝机将焊丝从焊盘l j 抽出，辅助送丝机安装在c m t 焊枪上，足一种带有推拉 功能的送丝机构，负责焊丝的前进与回抽，见图l9 。在两个送丝机之间配备了 一个焊丝缓冲器，如图1 一【0 所示。整个送丝系统结构非常复杂。 n 一一 一蘑 豁 图l 一8c 1 焊接醴备 f i g i - 8 t h e w e l d i n ge q u i p m e n t o f c m t f i 罔卜9c y t 送丝系统 f i g1 - 9 t h e c m t w i r e f e e d i n gs y s t e m a 谚k 幽1 1 0c m t 焊丝缓冲器 f i gl - 1 0 t h e b u f f e r o f c m t w e l d i n gs y s t e m 1 3 交流伺服控制技术概述 为实现基于推拉送丝的低能量焊接，要求送丝系统具有以下两个特点：( 1 ) 具有较好的动态响应性能，能够做高频的往复运动：( 2 ) 能够实现准确的位置 控制，送丝精度不低于0l m m 。基于以上考虑，本谍题选州交流永磁同步伺服 电机作为送丝机，设计专门的伺服控制系统与焊接电源进行配合。 然而交流承磁同步电动机是个多输入、强祸合、非线性系统，控制算法复 杂，在上世纪8 0 代以f j 口没有得到足够的重视， 要是步进电机和直流伺服电机 一统天下的局面【1 7 1 。近年束，随着电动机调速理| 的发展和电力电子技术的进步， 永磁同步凋速系统的优越件非常明硅，引起了人们对永磁同步伺服系统研究的高 度重视。 北京工业大学t 学硕士学位论文 1 3 1 交流伺服系统的特点 交流永磁同步伺服系统由控制系统、变频器和电动机组成，与其他交流伺服 系统的区别主要体现在电动机上。由于交流永磁同步电动机运行时转矩平稳，故 在高精度、宽调速范围伺服驱动中，伺服系统执行元件基本选取这种类型电动机。 永磁同步电动机伺服系统基本框图如图i - i i 所示。其系统是一种典型的位置、 速度和电流三环调节系统【1 扪。 图卜1 1 永磁同步伺服电机系统 f i g i - iip m s mc o n t r o ls y s t e m 永磁同步电动机与直流电动机相比，具有无机械换向器和电刷，结构简单， 体积小，运行可靠，易实现高速运行，调速范围宽，环境适应能力强，易实现正 反转切换，定子绕组散热容易，不影响传动精度，快速响应性能好，工作电压只 受功率开关器件的耐压限制，可以采用较高的电压，容易实现大容量伺服驱动【1 9 1 。 将永磁同步电动机与步进电动机相比，它彻底克服了步进电动机驱动系统所 固有的振荡和失步等缺点，提高了电动机的转矩电流比。因而，和步进电动机驱 动系统相比，永磁同步电动机伺服系统具有更高的运行速度，更稳定、更光滑的 运行性能及更强的位置控制能力【2 0 】。 将永磁同步电动机与无刷直流电动机( b d c m ) 相比较，b d c m 具有控制简单， 成本低，检测装置简单等优点。但基于其原理上的固有缺陷，使b d c m 存在转矩 脉动较大、铁心附加损耗大的缺点，从而限制了由b d c m 构成的伺服系统在高精 度、高性能要求的伺服驱动场合的应用【2 1 1 。p m s m 具有比b d c m 伺服电动机更为优 越的性能，尤其是在低速或直接驱动场合，加之永磁材料技术及控制技术等的飞 速发展，p m s m 性价比得到了进一步的提高，使得由p m s m 作为执行元件构成的交 流伺服系统，逐步成为现代电伺服驱动系统的主流( 主要是中小容量高性能伺服 驱动领域) 。 第l 幸绪论 1 3 2 交流伺服系统国内外研究概况 伺服驱动系统是由主电路和控制电路两部分组成的，目前主电路的拓扑结构 没有多大变化，伺服驱动系统的发展重点在控制电路部分【2 2 1 。随着新型电力电子 器件的出现，d s p 技术的发展，现代控制理论的运用，永磁同步伺服系统的研究 不断取得新的进展。 华中科技大学、沈阳工业大学、天津大学研究了单片机或d s p 构成的全数字 交流伺服系统，采用预测控制和空间矢量控制技术，改善电流控制性能和系统响 应精度，研究了伺服系统的控制理论，并开发了数字伺服系统。数字控制技术的 应用，不仅使系统获得高精度、高可靠性，还为新型控制理论和方法的应用提供 了基础。d s p 和单片机的应用，大大简化了系统结构，提高了系统性能，并出现 了全数字化软件伺服系统，显著提高了永磁同步伺服系统的可靠性、柔性和动态 性能。 国外一些著名的公司，如日本的f a n u c 、安j i i 、富士通、松下，美国的a b 公司、科尔摩根公司，德国的西门子公司，法国的b b c 公司、韩国三星公司等不 断推出交流伺服驱动产品，伺服驱动市场几乎是外国公司一统天下的局面。而后， 我国的华中理工大学、北京机床研究所、西安微电动机研究所、中科院沈阳自动 化研究所、兰州电动机厂等单位开始研究并推出交流伺服系统。其中，由广州数 控生产的d a 9 8 全数字式交流伺服驱动装置，由高原数控烟台公司生产的g y 一 2 0 0 0 系列数字化交流伺服驱动器在我国的高精度数控伺服驱动行业已经打开局 面，打破了外国公司垄断的格局，开创了民族品牌新纪元【2 3 1 。 随着高性能微处理器的诞生，数字控制的交流永磁同步伺服系统正在向小型 化、数字化、智能化、高性能方向发展【2 4 1 ，并随着人们对高性能伺服驱动器的需 求日益增多，永磁同步伺服系统也因其自身的优点而得到越来越广泛的应用。 1 4 本课题的研究内容 本课题主要研究基于推拉送丝的低能量焊接系统，包括以交流伺服驱动器为 核心的送丝系统及进行焊接电源与送丝系统间动作协调的控制器系统，各子系统 之间采用c a n 总线实现数据的传输。送丝系统采用交流永磁同步伺服电机做送丝 机，设计专门的伺服驱动器进行电机控制。该伺服驱动器，以数字信号处理器 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为控制核心，以智能功率芯片i p m 为主电路逆变器件，采用矢量控 制算法实现交流电机的控制。驱动器系统采用电流环、速度环与位置环的三闭环 结构，实现高频往复送丝及送丝量控制。系统控制器部分，主要实现系统人机交 互功能及焊接电源与送丝系统间的协调控制功能。本课题的主要任务分为以下5 北京工业大学t 学硕十学位论文 个部分： 1 伺服驱动器硬件电路设计 伺服驱动器硬件电路包括主电路和控制电路两部分。主电路部分包括：主电 路拓扑结构设计；根据电机参数进行整流、滤波、逆变等部分元器件的选型；电 流、电压、位置等反馈信号的检测电路设计。控制电路部分包括：d s p 最小系统 设计：d s p 的c a n 接口电路设计；p 1 m 输出信号的驱动及隔离电路设计。 2 系统控制器的硬件设计 伺服系统的控制器硬件电路以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为控制核心，外扩液晶控制模块 接口电路，c a n 接口电路，矩阵键盘接口电路等构成。 3 伺服驱动器软件系计 伺服驱动器软件以实现电机的控制为目标，采用c 及汇编混合编程。整个软 件体系结构以s v p ! , 吼t 算法为核心，以三闭环控制结构为基本框架。包括电流电压 采样、速度位置计算、p i 调节器设计、数字滤波器设计等功能子模块。 4 系统控制器软件设计 系统控制器软件包括l c d 显示键盘子程序、c a n 通信子程序及系统控制程序 三部分。系统控制程序根据电源反馈信号给电机驱动器发出前进后退等不同的控 制指令。 5 试验及调试 试验包括了c a n 通信试验与伺服系统性能试验两部分。一是，进行伺服控制 器与驱动器之间c a n 通信可靠性的验证。二是，进行伺服驱动器电流、位置反馈 信号的校准，伺服系统动态与稳态性能的测试。 第2 章控制系统总体结构 第二章系统总体设计 基于推拉送丝的低能量焊接，将送丝过程与焊接过程融合起来，在焊丝的回 抽拉力作用下完成熔滴过渡。具体实现起来需要以下几个步骤： ( 1 ) 焊接前，预置焊接参数基值电流、峰值电流、基值时间、峰值时间、 脉冲频率、焊丝直径等；预置送丝参数推拉丝频率、前进距离、回抽 距离、短路后前进时间、燃弧后回抽时间等。 ( 2 ) 焊接过程中，根据反馈电弧电压判断电弧短路燃弧状态，控制送丝电机 前进回抽。具体思路如下图2 - 1 所示： jj kkjt石 歹 i 卜 短路 前进 回抽 i 节 燃弧 i 1 图2 - i 送丝方向与焊接状态对应关系示意图 f i g 2 1t h er e l a t i o no f w i r ef e e d i n gd i r e c t i o na n dw e l d i n gs t a t e 首先电机正转，焊丝向前送进，在前进末期发生短路； 送丝系统收到短路信号后继续前进一段时间，然后电机反转，回抽焊丝， 拉断熔滴并完成电弧的再引燃； 送丝系统收到燃弧信号后继续回抽一段时间，然后电机再次正转，焊丝 前进直到再次发生短路，如此周而复始。 ( 3 ) 实时显示焊接过程参数，焊接结束后保存用户设定的各参数，供下次开机 时调用。 为实现上述功能，本课题设计了一套数字化控制系统，如下图2 2 所示，该 系统包括以交流伺服电机驱动器为核心的送丝系统、焊接电源系统、实现电机与 北京t 业大学t 学硕1 j 学位论文 焊接电源之间动作协调的控制器系统三部分。各系统通过c a n 总线联系在一起， 实现数据的可靠传输。另外该系统还可以通过c a n 总线连接到焊接机器人、中 心监控室等其它外围设备。 r 嚣1r 嚣1r 冒1 2 1 交流伺服电机驱动器 为实现低能量焊接法的推拉丝短路过渡，要求送丝系统能够做高频往复运 动，且送丝机能够实现较准确的送丝量控制。普通电机难以达到这个要求，因此 选择了低转动惯量的交流永磁同步伺服电机做为送丝机。针对低能量送丝要求设 计专门的伺服驱动器进行电机控制。 交流伺服电机驱动器需要实现的功能为：一是将市电转化为所需频率与幅度 的交流电，驱动电机运转；二是实现电机位置、速度与转矩的精确控制；三是接 收控制信号，控制电机的动作。 可见电机驱动器涉及到强电与弱电信号。为防止强电对弱电的干扰及危害， 驱动器的设计采用强弱电分开的形式，分为控制板和功率板两部分，结构如下图 2 3 所示。 一曼篁翮到r=一n到蕊量 第2 章控制系统总体结构 图2 3 驱动器结构不意图一 f i g 2 - 3t h e s t r u c t u r ed i a g r a mo ft h ed r i v e r 功率板将市电经整流滤波后变成稳定的直流电，然后输入到逆变部分，逆变 电路在控制板输出的p w m 控制信号的控制下，向交流永磁同步伺服电机( p m s m ) 输出相位与幅值可控的三相交流电。 控制板采样输入到电机的电流信号，构成电流闭环反馈，实现电流的精确控 制，进而实现电机转矩的控制。同时，采用旋转变压器采样电机的位置信号，反 馈到控制板，构成位置与速度闭环。通过电流环、速度环、位置环的三闭环结构， 既实现准确的转矩控制，又保证电机的精确位置控制及快速的动态响应性能。 此外，控制板上还需要有各种通信接口，用于实现与系统控制部分的信号传 输。本系统中，考虑到电磁干扰的影响，采用c a n 总线的通信方式。 2 2 系统控制器 焊接前焊接参数与送丝参数的预置，焊接过程中电源与送丝的协调控制均由 系统控制器来完成。因此，系统控制器一方面是电机驱动器及焊接电源等子系统 的人机交互界面；另一方面是焊接电源与送丝系统的指挥中心。 系统控制器的结构如下图2 - 4 所示，分为d s p 控制核心、键盘显示部分、c a n 接口部分、外部存储部分等几部分。 北京丁业大学t 学硕十学位论文 图2 - 4 系统控制器结构框图 f i g 2 - 4t h es t r u c t u r ed i a g r a mo f t h ec o n t r o l l e r 系统控制器以d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心。该款d s p 具有极高的处理速度， 丰富的外围接口电路，能够很好的实现系统所需的各种功能。 由于本系统需要显示的参数众多，若采用l e d 数码管显示则需要众多的元器 件，结构庞杂，可靠性低。而液晶显示屏显示方式灵活，界面友好直观，抗电磁 干扰能力强。因此本系统采用液晶屏做显示界面。输入系统采用4 x 4 矩阵键盘。 为保存用户设定的各种送丝参数与焊接参数，系统外扩e 2 p r o m 进行数据存储。 系统控制器通过c a n 接口连接到系统总线上，与焊机及驱动器进行数据的传 输，实现控制功能。另外，系统控制器上的c a n 接口可连接到焊接监控室或焊接 机器人，构成焊机群控网络，实现自动化焊接，提高焊接质量。 2 3c a n 通信系统 本系统中需要传输的参数众多，实时性要求高，而且焊接现场电磁干扰严重。 因此要求通信系统既要具有高速的数据传输能力，又要具有强的抗电磁干扰能 力。通信系统是整个系统的神经，是电机驱动器、焊接电源等设备之间进行信息 交换的通道。良好的通信系统，是整个系统可靠工作的保障。 c a n 总线采用非破坏性总线仲裁技术，具有可靠的错误处理和检错机制，抗 干扰能力强，且具备极高的通信传输速率，通信距离4 0 m 以下时可达1 m b p s l 2 引。将 其应用低能量焊接控制系统中，可取得很好的通信效果。 系统中的焊接电源、驱动器、系统控制器等设备均以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为控制核 心，采用该芯片内部自带的e c a n 模块，外部增加c a n 收发器可方便构成c a n 的 通信节点。由于c a n 总线是多主通信方式，每个节点均可主动向其它节点发送信 第2 荦控制系统总体结构 息，每个c a n 节点均能收到信息，由节点内部的c a n 控制器检查消息标识符决定 是否进行消息的存储。节点之间不分主从，节点之间有优先级之分，通信方式灵活， 可实现一对一，一对多以及广播方式传输数据，无需调度。c a n 系统的拓扑结构如 图2 - 5 所示： 控制器节点 。土 c a n b u s 下tt 焊机节点 电机节点其它设备 图2 - 5c a n 总线网络拓扑结构 f i g 2 5t h et o p o l o g yo fc a n b u s 本c a n 通信系统传输介质采用双绞线，传输速率采用1 0 0 k b p s ，此时通信距 离可达1 0 k m 。传输协议采用c a n 2 0 b 协议，数据帧采用标准帧格式。 2 4 本章小结 1 给出了实现推拉丝低能量焊接的具体实施方案。将送丝过程与焊接过程 结合起来考虑，在焊丝的回抽拉力与电弧电磁收缩力共同作用下完成熔滴过渡 2 进行了低能量焊接系统总体结构设计及各功能模块的划分。以交流永磁 同步伺服电机做送丝机，设计控制系统进行送丝与焊接电源的协调配合。 3 给出电机驱动器、系统控制器、c a n 通信模块的功能描述及内部构成方 案。 北京t 业大学工学硕上学位论文 第三章交流伺服系统硬件设计 本课题采用德国l e n z e 公司生产的m c s 0 6 c 4 1 型交流永磁同步伺服电机作为 送丝电机。其扭矩大、转动惯量小。其电机参数如下表3 1 所示【2 6 】： 表3 - 1 电机参数 t l b l e3 - 1p a r a m e t e ro fs em o t o r 型号 m c s 0 6 c 41 额定转速 4 0 5 0 r p m 额定电流1 3 a 额定功率0 2 5 k w 零速转矩 0 8 n m 转子惯量1 4 k g m 极对数 4 本章将根据电动机的以上参数设计交流伺服电机驱动器的硬件电路。系统的 硬件电路是其功能实现的物质载体，只有可靠的硬件才能保证软件功能的实现。 3 1 主电路的设计 主回路是交流伺服驱动器系统的功率核心，直接驱动伺服电机工作，由整 流电路、滤波电路、逆变电路组成。交流电流经功率主回路处理成近似对称的正 弦交流电驱动永磁同步电机p m s m 工作。良好性能的功率主回路是伺服系统获得 好的动态性能和稳态精度的关键。 对于中小功率的永磁同步电机驱动器，主回路一般采用交一直一交电压型变 换器结构【2 7 】，电路拓扑如图3 - 1 所示。电网侧采用单相桥式整流模块，将交流电 变成直流：中间采用电容滤波，构成直流侧：逆变器为六臂逆变桥，六个功率开 关器件各反并联一个续流二极管，按一定调制策略进行控制，输出三相交流电。 这种主电路拓扑己久经考验，性能可靠。为了使电机安全可靠地运行，达到良好 的控制性能，必须合理设计主回路元器件的参数，使之与电机相匹配。 p ”一昭一目一留岛 zs2 + ； 一 、 z 2 -n 图3 - 1 主电路拓扑结构 f i g 3 - 1t h et o p o l o g yo f s ep o w e rc k c u i t 1 6 - 第3 章交流伺服控制系统硬件设计 3 1 1 整流电路 输入整流滤波电路是连接电网与逆变回路的桥梁，其作用是将电网交流电变 换为直流电，还要求它能防止合闸浪涌电流；同时，它既要防止来自电网的干扰 进入驱动器，又要防止驱动器本身产生的干扰反串入电网，即具有一定的抗干扰 性【2 8 】。 由于电机额定电压为2 2 0 v ，整流电路采用2 2 0 v 单相桥式整流模块。2 2 0 v 的电网电压经整流滤波后，电压在3 1 0 v 左右，同时考虑2 倍的裕量以及电网1 0 的波动【2 9 1 ，选取整流模块的额定电压不得低于6 8 0 v 。 整流二极管另一个重要参数是额定电流。由于采用单相桥式整流方式，所以 流过整流模块的每个二极管的电流为负载电流的一半，故而其有效值为。 l = 圭l 其中h 为电机的最大负载电流，本课题采用的电机最大负载电流为5 4 a 。 因此，整流二极管的额定电流为 k = 寺l = 寺5 4 = 2 7 a 在实际电路中，根据系统对可靠性的要求，选用1 2 0 0 v 1 0 a 的单相桥式整流 二极管模块，能够满足使用要求。 3 1 2 滤波电路 滤波电容能够把整流输出脉动电流变得平滑，也可以抑制高频干扰。滤波电 容最好选用等效电阻低且电容量大的电解电容，为了减少等效电阻，可以采用多 个电容并联获得所需的电容量。 直流侧滤波电路采用一阶的电容滤波。该电容兼有滤波和储能两方面的作 用：( 1 ) 滤除整流电路输出电压的脉动，尽量保持恒定的直流电压：( 2 ) 给作为感性 负载的电动机提供必要的无功功率，在整流电路和逆变电路之间起去耦作用，以 消除相互间的干扰。因而一般采用耐高压、大容量的铝电解电容，由于系统采用 2 2 0 v 单相供电，经整流后，母线电压在3 1 0 v 左右，考虑一定的裕量后，选用耐 压值为4 5 0 v 的电解电容。对于电容的容量，可从吸收纹波能量的角度出发，由 以下关系式进行推导【3 0 1 。 d1 e = 兰= 去q ( 一)， 用、册 h i 7 n 。， 二 式中，e 为每个电网周期内滤波电容吸收的能量，巴为滤波电容的容量，r 北京t 业大学工学硕l ：学位论文 l 为电机额定功率，枷为直流母线最大限定电压，删为直流母线最小限定电 压，n 为电源功率因数，取o 9 ，f 为电网频率。因此可得到 c m2 丽杀面 考虑直流母线电压1 5 的波动，将实际值代入上式，得到c 卅= 1 9 3 , u f ，实取 4 7 0 比f 。 综合考虑，课题中选用了一个4 5 0 v 4 7 0 f 的铝电解电容。 3 1 3 逆变电路 逆变部分的功能是依据p w m 控制信号将工频交流电变换成频率、相位和幅值 均可调的交流电，在整个交流调速系统中起着至关重要的作用，必须按要求选择 合适的功率电子开关器件。i g b t 由于输入阻抗高、开关损耗小、饱和压降低、 通断速度快、热稳定性能好、耐高压且承受大电流，驱动电路简单而得到广泛应 用。在选用i g b t 时，需要重点考虑最大集射极间电压s 和额定集电极电流 i c 3 1 1 。 根据直流母线电压进行逆变器最大耐压的计算， u c e s = k l u d 式中，k 1 是综合考虑了电网电压波动、开关器件过电压保护程度、电机制 动时对直流母线电压的提升等因素后的安全系数。取k i = i 8 ，代入上式，可得 u c e s = 5 5 8 v o i g b t 的额定集电极电流应该按照可能出现的最大电流来选择，即 i c m = q 2 k r k r l n 式中，k 是电机过载倍数，墨是功率元件的利用系数，如为电机额定电流。 取如= 2 ，墨= 1 5 ，代入上式，得到= 5 5 a 。 为了提高功率驱动电路的紧凑性和可靠性，本课题中采用智能功率模块i p m 作为逆变电路。i p m 将多个i g b t 和驱动电路以及保护电路集成到一个模块，大 大简化了电路设计，提高了系统的可靠性。 本系统选用三菱电机推出的第四代智能功率模块p s 2 1 5 6 4 ，它内部集成了六 第3 章交流伺服拧制系统硬件设计 个i g b t 、相应的驱动电路、以及短路保护、驱动电压欠压保护等保护电路，采 用双列直插封装，是针对小功率交流调速系统对功率器件的要求而开发的，其内 部结构如图3 2 所示【3 2 1 。 图3 - 2p s 2 1 5 6 4 内部结构