（机械电子工程专业论文）基于tms320f2812+dsp的co2焊波形控制系统研究.pdf

摘要 摘要 以往的研究成果表明，采用短路电流双斜率上升波形控制的逆变焊机是减少 c 0 2 焊飞溅、改善其焊缝成型的有效途径之一，但是基于电子电抗器控制的波控 逆变焊机很难兼顾全规范区间的工艺性能，而基于单片机控制的逆变焊机由于运 算速度和处理能力的限制也没有完全发挥出波控逆变焊机动态响应快、精度高的 优点。因此，为进一步提高波控逆交焊机的性能，本文引入了基于d s p 的数字 化控制技术，对数字化控制的c 0 2 焊波形控制逆变电源进行了初步研究。 本文结合当前d s p 技术和嵌入式系统发展的最新成果，选用1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 和a t 8 9 s 8 2 5 2 单片机设计了c 0 2 焊逆变电源控制系统，组装、调试了一台 逆变电源样机，并通过编写控制程序初步实现了基于短路电流双斜率上升波形控 制的c 0 2 焊的功能。其中，d s p 负责电源的整体管理与控制，单片机负责人机 接口交互系统的控制，二者采用r s 2 3 2 通讯协议进行数据的交互。 在采用短路过渡方式的c 0 2 焊过程中，短路和燃弧过程交替发生，因此它 对电源的外特性和动特性有特殊的要求。本文在完成所设计的波形控制系统和人 机接口交互系统的调试后，首先编写软件实现了电源的恒流控制，并研究了该电 源的电流、电压的动态响应性能，最后，编写控制软件实现了双斜率波形控制 c 0 2 焊的功能并进行了模拟短路过渡负载试验。结果表明，所研制的c 0 2 焊逆变 电源能实现精确的波形控制，达到了最初的设定研究目标。 此外，针对本焊机的研究提出了进一步的完善意见，为今后开展数字化波形 控制c 0 2 焊机的研究奠定了良好的基础。 关键词：短路过渡c 0 2 焊；1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p ；i g b t 逆变电源：波形控制 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t 。1 1 l ef o m e rr e s u l t ss h o w 咖a ti ti so n eo ft h em o s te 疗b c t i v em e a s u r c st o ”m l c es p a t t e ra n d i n l p r o v ew e l d b e a df o rt i l ei n v e r c e rc o n 们l l e db yd o u b l e - s l o p ew a v e f o n nc o n 们lm e t l l o d b u t i ti s t o od i m c u l tt om tt l l er e q i l i r e m 胁ta ta 1 1w e l d h gp a r a l e t e r sf b r 、v e l d i n gi n v e r t e rb a s e do n e l 黜饥i n d u c i o r b e c 挪eo f 仕坤1 皿h 鲥o no f p r o c e s s i n gs p e e d 粕dh a n d l i n ga b i l i 瓴m e 钾eo f i n v e n i 玎b 踮e d0 nm i c r oc o m r 0 1 砌tc o u l d n tm a k ef l l l lu s eo ft l l o a d v a n l a g e ss u c h 铀r 叩i d d y n 锄i cr e 叩o t l s e d1 1 i g hc o r l 臼_ o lp r e c i s i o n s ot 1 1 er e s e a 佗hp r e s 蜘t e dh e r ej sc o n c e n 删n go n d 蟾n i z a 廿伽w c l d i t i gi n v e m ru s e df o rc 0 2w e l d i n g ，a i m i n ga t n 平r o v i n gt h ep e 响m a n c eo f w e l d i d gp o w e s 0 1 l r c e i l lt i l i sp 印e r ，w ed e v d o pa 啪v e f o 】如c o 晡_ o ls y 晰ml l s i n gt m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s pa r i d a t 8 9 s 8 2 5 2 髓de g 劬l i s has 踯l p l ei n v e n e r 锄t h eb 站i so f m ed s pt e c i l n o l o 斟a n dt h ee m b e d d e d s y 曲e ma p p l i 洲o n b e s i d e s ，血ep o w e rs y s t e mh 舔也ef 嘶c 吐o no fc a r b o nd i o x i d eg 鹕s h i e l d e d w e l d m g1 l s i n gd b l e s l o p ew 吖e 妇mc o 曲d lm e 廿1 0 d 1 nt h i ss ”t 啪，d s pi s s p o i b l ef b rt 1 1 e 姚l a g e m e m 卸dc o 玎n d lo f p a w 盯s o u r c e ，锄dm i 啪c o 曲d l 删ti si nc l l a 唱eo f t l l ec o r l 缸d lo f t l l e m 蛐- m a c l i i n ei n t c 而c es y s t e m t kc o m m u l l i c “o nb e t w e e nt h 眦i se s t a b l i s h e db yr s - 2 3 2b 懈 p r o t o c 0 1 1 1 l ec 0 2w e l d i n gp r o c e s sn 如n l es p e c i a le x t c m a lc 喇s t i c 锄dd y n 吼i cc b a r a c t e r i s t i c 0 fp c r w 盯s o u r c ef o rt l l e 坞8 心a 1 把m a t e l ya r c i l l gt i m e 锄ds h o r tc i r c u 岫唱劬ea tt l l ep 鲥o do f s h o n 嵋i f c u i 廿n gc 0 2w e l d i n g a t t e rd e b u g g i n g 龇w 印忱f o 曲c o n a 心s y s t e m 吼dm 纽m 出面e i m e r a c es y 咖m ，w ep t o 掣锄c o 璐协m 七u r r e n tc 0 1 1 订o ls o f 【a 缸dr e s e a r c hr e s p e c i i v e l ym e c 盯e n ta n dv o l t a g es t b pr e s p o m eo f p o w e rs o u r c e a tl a 瓯血ec 舯b o nd i o x i d ew e l d i i l gm e m o di s r e a l i 抬di nt l l ew e l d i n gm t l i n ec o 咖l l e db yf h ew a v e f o m ic o n t r o lp r o g 阻m t h es i m u l 砒e dl o a d t e s ti 暑a l s om a d eh e r e n 埠唧e r m 蟛n tp r o w d 也a l 曲ew e l d i n gi n v 吼盯c 锄c o n 订o l 怕ew a v e f o r m s p r e c i s e l ya n dm e e t n l ed e s i g nr e q u i 舢e n 协 s o m ea d v i c e so nf l l t i l r e 坞s e a r c ho ft l l ew e l m n gp a w e rs o u r c ea 他g i v 锄，a l l dt h c yw o u l d m 8 k ea f o 硼d 舯仰d f o rm es u b s 唧舱n t 咖d yo fd i 酏酬o n c 0 2 懒b 撕do n w 鲥e f b 啪 c o n 廿o l - k e y 帅r d s ：s h o r tc i 彻i t i f 嗜c 0 2w e l d i n g ；t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p ；i g b ti r l v e r c e r ；撇l v e f o n nc o n 们l i l 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：日期：竺丝 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) 签名：导师签名： 1 1 课题背景 第1 章绪论 c 0 2 熔化极气体保护焊自2 0 世纪5 0 年代初问世以来，就以其高效节能、抗 锈低氢、低成本和便于实现自动化等特点受到人们极大关注，被广泛应用于汽车、 造船、石化等众多机械制造行业并成为钢结构焊接的主要方法之一j j 。但是， 由于c 0 2 气体保护焊采用的是短路过渡方式，焊丝的送给速度与熔池的输八能 量无法独立调节，造成飞溅大、熔深浅和成形差等缺点，从而限制了c 0 2 熔化 极气体保护焊的进一步推广应用。 鉴于c 0 2 焊的应用优势，此焊接方法在工业发达国家己得到广泛应用，进 入2 0 世纪9 0 年代，这种焊接方法在我国也得到了大力推广和普及。近年来，为 进一步减少c 0 2 焊的飞溅量和改善其焊缝成型，国内外众多焊接工作者进行了 大量的研究工作，根据研究角度不同可大致分为四个方面：( a ) 从保护气体八手来 改进电弧形态和熔滴过渡形式，如在c 0 2 气体中加入适量的a r 气可以改变电 弧形态，在一定程度上减少焊接飞溅、改善焊缝成型；( b ) 对焊丝化学成分进行 优化或采用经过活化处理的焊丝街芯焊丝来提高工艺效果：( c ) 通过改变送丝模 式减少飞溅；( d ) 利用先进的电力电子技术、智能控制技术及计算机技术改进c 0 2 焊接电源的设计m j 。 通过焊接材料、保护气体或送丝方式去解决，虽然有较好的效果，但是都增 加了焊接成本和设备费用，唯有通过电流波形控制，在只改变焊接电源输出的情 况下，克服了它的缺点，所以波形控制法引起了国内外焊接工作者的极大兴趣， 其核心的思路是针对短路过渡过程不同时刻对电参数的不同要求，来提供合适的 电流电压波形，达到减小飞溅。改善焊缝成形的目的m 。 c 0 2 焊波形控制理论出现较早，但在我国应用较广的晶闸管整流式c 0 2 气体 保护焊机最短理论控制工作周期为33 m s ，这与c 0 2 焊接正常短路过渡周期 ( 3 5 m s l 很接近，所以不可能对熔滴过渡进行精确有效的控制，其焊接工艺性能 的提高主要依靠改变输出回路的铁磁电感即。i g b t 逆变焊接电源的工作频率提 高到2 0 珏王z ，最短理论工作周期只有几十u s ，这为对c 0 2 短路过渡的不同阶段 分别给予精确控制提供了硬件基础。采用硬件电路实现c 0 2 焊波形控制可以获 得较好的效果，但是采用硬件电路控制方式实现对所有规范的最优化控制会使电 路非常复杂，所以目前的采用电子电抗器控制的逆变c 0 2 焊机选择_ r 优化常用 规范兼顾其余的方案u 0 】。数字化控制技术则可以从根本上解决上面的问题，实现 规范兼顾其余的方案u 0 】。数字化控制技术则可以从根本上解决上面的问题，实现 北京工业大学工学硕士学位论文 c 0 2 焊接工艺的全面优化【1 1 。 以8 0 9 8 或8 0 c 1 9 6 为代表的单片机控制弧焊电源基本上属于数字化焊机开 创时期的产品。其主要特征就是单片机在焊机中的主要作用是完成焊机的管理和 焊接参数的给定，焊接工艺中的恒压、恒流控制则通过模拟的p i 控制器来完成。 基于波控原理的单片机控制i g b t 逆变c 0 2 焊接电源在减小飞溅，改善焊缝成形 方面已经取得了一定的效果，但由于单片机自身速度和数据处理能力的限制，它 并不能充分发挥i g b t 动态响应快和数字化焊机的优点【】2 1 3 】。 1 9 9 8 年奥地利f r o n i 、】s 公司研制出世界上第一台全数字化焊机，之后国外众 多焊接设备公司纷纷推出基于d s p 数字控制的焊接电源并大量投放市场，国内一 些疆豇墼拉狙企业也推出工不回娄型的数字化焊扭。电焊枫的数宰化已成为我国 焊机行业的研究热点之一，但是国内这方面的研究还都局限予起步阶段，与国外 相比存在很大的差距。 鉴于数字化控制具有灵活性好、稳定性强、控制精度高，接口兼容性好等优 点，可将基于单片机和d s p 的数字化控制技术应用于c 0 2 焊机的波形控制环节， 以实现c 0 2 焊机的全数字化控制，获得全面优化的二氧化碳焊焊接工艺【川。 1 2c 0 2 焊接电源的发展及现状 1 2 1c 0 2 焊接电源的发展历史与现状 c 0 2 焊所使用的电源，在5 0 年代主要使用旋转直流焊机，其动特性不好， 6 0 年代由于半导体器件的发展，出现了变压器抽头式硅二极管整流焊机和磁放 大器式整流焊机，7 0 年代初，出现了晶闸管整流焊机，这种可控硅焊机，是一 种半控式焊接电源，可以实现外特性控制，改善了工艺性能，但是控制方式单一， 工作频率低，响应速度慢，难以解决上述问题1 1 5 】。随着电力电子技术、控制技术、 半导体器件技术和磁性元件的长足的进步，八十年代发展和成熟的逆变技术，由 于其工作频率高，动态响应快，为改善焊接工艺性提供了良好的条件，使得对短 路过渡过程进行精细的实时控制成为可能，同时逆变电源具有体积小、重量轻、 高效节能、适应性强等特点，成为焊接电源技术的发展方向【1 引。 1 2 2 主电路的发展及现状 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容量可 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 第1 苹绪论 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 年代开始，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( s p i c ) 方向发展的趋势。 1 2 - 3 控制电路的发展及现状 c 0 2 焊的短路过渡是一个时变的、非线性并有很强干扰的过程，要对焊接电 压、焊接电流进行检测和控制，就要求控制系统反应速度快、可靠性好、功能强。 一般的弧焊逆变电源的控制回路是由无源或有源器件组成的模拟系统。焊接 电流、电压等参数通过传感器u ! 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，完成系统的闭环控制。 模拟控制系统最大的缺点是进行复杂处理的能力有限、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控制系统数字化的研究。 单片机控制的弧焊逆变电源是弧焊逆变电源数字化控制中非常重要的一个 阶段。单片机控制的弧焊逆变电源中单片机主要完成了控制信号的给定功能以及 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现焊接工艺控制时，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围内都能接近于最佳。 利用单片机进行弧焊逆变电源的控制虽然在信号的给定部分实现了数字化， 但是受到单片机自身处理能力的限制，电源的p i 控制器和p w m 仍然采用了模 拟电路。因此，数字化的特点在单片机控制的焊接逆变电源中并没有得到充分体 现。 单片机控制能力强，但其总线位数少，运算速度较慢，尤其是乘加运算速度 慢；d s p 则相反，运算能力强，但控制功能较弱，目前最好的方法是二者相互结 合，优势互补。d s p 负责算法，单片机负责程序控制和人机接口并协调d s p 与 单片机的工作。近年来出现的数字化焊机的控制部分常以d s p 和单片机构成的 双机系统为核心【1 1 】，这种系统充分发挥了d s p 较强的数据处理能力和单片机较 强的事件管理能力，同时控制器以软件的方式加以实现，增强了系统的柔性，便 于网络化管理与功能升级。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 3 波形控制技术的发展 随着电力电子技术的发展和微机控制技术的广泛应用，以及近几年逆变技术 的不断进步和完善，使应用多参数可控的高逆变频率( 3 0 k h z 以上) 焊接电源成为 可能。高逆变频率极大地提高了电源的动态响应能力，同时利用微处理器方便、 灵活和精确地控制性能，使得控制短路过渡的飞溅方法由简单波形控制法( 仅靠 输出电感量控制电流波形) ，发展成对熔滴过渡过程的不同时刻进行分段电流波 形控制的精细波形控制法，极大地减少了短路过渡的烟雾和飞溅量，随着研究的 进一步深入，波控法将会被不断的发展和丰富，目前波控法的发展具有控制的精 细化、微机化和智能化三个特点，这将是波形控制法的发展趋势【6 】o 波形控制的波形种类很多，如短路叠加负脉冲电流法、电子电抗器分状态控 制法、能量控制法、外特性控制法以及s t t 法等等。每个阶段采用不同的电流 电压波形以减小飞溅。由于短路过渡过程中的不同时刻对电参数有不同的要求， 这些方法共同的特点是，根据这些不同得要求来提供合适的电流、电压波形以减 小飞溅和改善焊缝成形【l ”。 以下将简单的介绍几种国内外关于波控法的控制方案。 1 3 1 传统控制方法 在焊接回路中串联一个合适的电感，是改善弧焊电源动特性的行之有效的方 法。该方法是通过电感来限制短路电流上升速度d i ，d t 以及短路电流峰值矗。，并 且电感在短路期间储存的能量在燃弧期放出，有助于增加燃弧能量，对获得良好 的焊缝成形有利，其电流、电压波形见图1 1 。 o 图1 1 传统波控法电流电压波形 f i g l - lc u 打e n ta i l dv o h a g ew a v e f o m sb 鹋e d0 nc o n v e m i o n a lm e m o d 第l 章绪论 该方法设备简单，可以达到控制液态金属小桥爆断能量的目的，能将短路过 渡的飞溅量从l o 2 0 降到1 0 以下。根据对短路过渡各参数的分析表明，电 感值的大小需要根据焊接时的要求而加以调整【9 】，使用细焊丝时应选用较小的电 感，粗焊丝时应选用较大的电感，对焊缝成形要求较高时，通常需要较长的燃弧 时间，需要较大的电感，燃弧时间短时需要较小的电感。 传统的电感都是有级调节的，而且体积大，无法实现焊接电源输出特性的迅 速变化，若电抗值不当反而会恶化焊接效果，故这种方法的调节精度和适用范围 有一定的局限，此方法难以兼顾短路过渡过程两个阶段对电流大小的不同要求， 因此只能在一定程度上减少飞溅，但不能实现少飞溅和无飞溅的焊接。 1 3 2 表面张力过渡法( s t t 法) 1 9 9 3 年美国林肯电气公司推出利用表面张力控制熔滴短路过渡( s t t 法) 电源【2 4 1 ，其基本思想是由前苏联宾丘克等人在8 0 年代初期提出来的，采用检测 燃弧期间电弧电压下降信号，用于控制焊接电流，与波形控制相结合，兼顾短路 过渡的前期和后期飞溅。s t t 技术的关键在于检测液体小桥是否产生了缩颈，并 选择了短路初期和液体小桥产生缩颈后适时提高回路阻抗，以降低电流，便于熔 滴的液态金属在低能量状态下在熔池表面的铺展，依靠熔池的表面张力促使液体 小桥发生断裂，使熔滴脱离焊丝进入熔池。在过渡完成后，加一大电流等离子助 推脉冲，以使焊丝迅速回烧，大电流扩展了弧柱和斑点，加大了电弧的加热范围， 使熔敷金属能铺展开，有利于改善焊缝成形，随后将电流衰减到基值电流。其波 形如图1 2 ，它的熔滴过渡分为基值电流段( t i ) 、初始短路段( t l 喝) 、颈缩段 ( t r 矗3 ) 、熔滴过渡段( t 3 t 4 ) 、电弧再引燃段( t 一5 ) 、燃弧脉冲段( t 5 1 6 ) 和回复 阶段，共7 个阶段。 生垄 查釜 o | ： 露为弓嚣居蓐嚣 嬲一 图1 2 面张力过渡( s m 波控法电流电压波形图 f 培1 2c u r r e n t8 n dv o l t a g ew a v e f o 珊so f s t t 北京工业大学工学硕士学位论文 s t t 技术可以在大幅度减少飞溅和烟尘的同时更好地控制热量的输入，得到 合适的熔深和背面成形。s t t 法焊接时的搭桥能力非常强，但是它的控制参数多， 而且规范较小，焊接电流最大也不超过1 6 0 a ，因此它只适合于打底焊。 1 3 3 电子电抗器控制 采用电子电抗器分状态控制方式，通过分别切换短路和燃弧两个状态下电 源的特性来实现对焊接过程的控制，波形示意图如图1 3 所示【2 0 】。针对这种双斜 率电子电抗器波控方式，它的波形控制参数有短路初期的电流保持时间t o 、短路 电流上升斜率k ，、短路电流上升斜率k 2 、燃弧下降速度k 3 ，对于不同规范，耍 获得最佳的焊接工艺效果，其上述几个波形控制参数都有所不同，所以为了获得 最佳的焊接效果，需要做一定的工艺试验，寻找不同规范下各自最佳的波形控制 参数匹配，增强焊机在各种规范下的适用性，寻找各参数之间的关系规律。 i i l n 图1 3 电子电抗器分状态控制电流波形图 f i g 1 - 3c u r r e m 、】 a v e f o i mb a do nc i r c u i t m 蛐r 为减少实验次数利用正交试验法对影响短路过渡过程的几个主要波形控制 参数进行分析之后，在不同规范设定下进行大量的工艺实验，慎重的选择最敏感 电参数，确定不同规范下最佳工艺效果的波形控制参数。 基于波控原理的i g b t 逆变焊接电源在减小飞溅，改善焊缝成形方面已经取 得了良好的效果，随着数字化技术的引入和控制算法的不断改进，以及具有更高 逆变频率的焊接电源的出现，波控法的优越性将德到进一步的体现 第l 章绪论 1 4d s p 的特点及其在弧焊电源中的应用 1 4 1 数字信号处理器简介 d s p ( d i g i 协1s i g 【l a lp r o c e s s i n g ，简称d s p ) 也称数字信号处理器，是一种具 有特殊结构的微处理器【2 ”。它的硬件、软件和指令集经过优化以满足高速数值处 理的要求，这种高速的数值处理使实时模拟信号用数字技术成为可能。它与通常 我们认识的p c 机和单片机显著的不同点是处理器架构的不同。如图1 。4 所示， 图a ) 所示的为冯诺依曼结构，其将指令、数据、地址存储在同一存储器，统 编址，靠指令计数器提供的地址来区别取出来的是数据、地址还是指令。图b ) 和图c ) 所示的分别为基本的哈佛结构和改进的哈佛结构，其特点是将数据和程序 a 冯诺依曼结构( 8 i n g l e _ e m 0 0 7 b 哈佛结构( 扣，榭m 。珂) 图1 4 微处理器架构示意图口日 f 追1 - 4d i a 掣锄o f m c m p r o c e s s o ra r c h 1 e c t l l r e 口q 分别存储在不同的存储器中，即程序存储器和数据存储器是两个独立的存储器， 每个存储器单独编址，独立访问，因与两个存储器相对应的是系统设置了程序总 线和数据总线，因而数据吞吐率比冯诺依曼结构提高了一倍。通常p c 机和单 片机一般为冯诺依曼结构，而d s p 为哈佛结构或改进的哈佛结构。改进的哈佛 结构( s h a r c ) ，在哈佛结构上增加了指令c a c h e ( 缓存) 和专用的i ，o 控制器。 但从微处理器的角度讲，d s p 实际上是一种特殊的m c u ( 单片机) ，只不过 北京工业大学工学硕士学位论文 如上所说d s p 内部结构专为数值处理进行了优化，使其主频和运算速度远比 m c u 快，外部特性与m c u 基本相同，与m c u 相比它有以下特点： ( 1 ) 片内有多条地址、数据和控制总线，可使多个控制和运算部件并行工作， 提高了中央处理单元的处理能力。 ( 2 ) d s p 内部有硬件乘法器，乘法运算由一条指令完成。并且乘法器是独立 的，可以同加法器等运算部件并行工作，提高了其数字处理能力。 ( 3 ) d s p 中有一些特殊的指令，用来加速数字处理。比如，乘加( m a c ) 指 令m r5m r + m x 0 + m y o ( u u ) ，执行寄存器m x o 和m y o 相乘同时与寄存器 m r 累加，并赋值给寄存器m r ，整个过程在一个指令周期内完成，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 1 5 0 m h z 下，仅需6 6 7 n s 。 ( 4 ) d s p 主频比一般m c u 要高很多。般m c u 主频均在2 0 m h z 以下，而 高档d s p 主频可达几百m h z 。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 主频可达1 5 0 m h z 。 ( 5 ) 由软件编程控制外部设备存取时间，通过等待寄存器方便与外部慢速设 备接口。 ( 6 ) d s p 片内具有锁相环( p 1 l a s el o c k 甜l o o p ) ，使d s p 在片外低频，片内 高频的环境下工作，有利于系统稳定。 ( 7 ) d s p 将一些特别的算法做成硬件，如典型的f f t ( 快速傅立时变换) 算 法的位反转寻址等。d s p 增加了硬件循环控制结构，不再使用显示循环指令。 1 4 2d s p 在弧焊电源中的应用 d s p 芯片出现以来，就以数字器件的稳定性，可重复性，可大规模集成，特别是 可编程和易于实现实时处理等特点给数字信号处理的发展提供了物质基础。随着 d s p 运算速度的不断提高，能够实时处理的信号带宽不断增大，数字信号处理也 为高速实时控制提供了可能。随着性能价格比的不断提高，d s p 的应用范围不断 扩大，并被引入到焊接电源中来，引发焊接设备界掀起一股数字化的浪潮【l ”，为 开发新型焊接电源、实现新的焊接工艺以满足生产要求提供了一个良好的发展前 景。 从近几年的埃森焊接展览会上可以看出，国外众多焊接设备公司纷纷推出基 于d s p 数字控制的焊接电源，如奥地利f r o l l i l l s 公司生产的t r a n s p l u s s 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、德国e w m 公司生产的 i n t e g r a l 系列和p h o e n 系列数字化焊机等，这些国外的研究成果主要采用 d s p 和m c u 相结合的控制方案。在国内，数字化弧焊电源的研究则处于起步阶段。 目前，从事这方面研究的高校主要有北京工业大学、上海交通大学和华南理工大 学等单位，国内企业的研究则以时代集团公司为主，且已经有几种数字电源产品 第1 章绪论 投入市场。但是总体上看，对于数字控制特点认识不全面，设计中对传统的弧焊 工艺控制思路继承过多，导致产品性能提高幅度有限 国内外数字化焊机控制系统采用的d s p 芯片多为t i 公司的产品，如 r i m s 3 2 0 ) 【2 4 x 和t m s 3 2 0 x 2 4 x x 系列芯片，一是因为该公司的此类芯片和国产化仿 真器价格低、购买方便，再者能很方便的获得大量免费资源，这样既提高了开发 效率也降低了产品研发成本。但是，该系列芯片c p u 的最快运算速度( 如 t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 a ) 一般小于4 0 m i p s ，与以往采用的i n t e l 公司的8 0 c 1 9 6 系列芯片 的运算能力相当，采用该类芯片进行电源总体管理还可以，如果让其直接参与电 源的控制则略显运算能力不足。 r i m s 3 2 0 c 2 8 x 系列数字信号处理器是t i 公司2 0 0 3 年推出的一种面向高性 能、高精度工业控制领域、光网络、光通讯等领域的3 2 位定点d s p 控制器，主 要包括1 m s 3 2 0 c 2 8 1 0 2 8 1 2 两个型号【2 6 j ”。作为1 m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列中的最新成 员，c 2 8 x 系列数字信号处理器是在x 2 4 x 基础上发展起来的新一代d s p 控制器， 但与x 2 4 x 及x 2 4 ) 【) 【系列相比，其性能提高了1 0 倍，c 2 8 x 系列的功耗进一步降 低，处理速度进一步提高。按照h 公司的发展战略，所有的x 2 4 x 系列d s p 控 制器将来都要向具有至高性能的1 m s 3 2 0 c 2 8 x 方向发展【2 8 1 ，并且1 m s 3 2 0 c 2 8 x 系列d s p 的价格也在不断降低，开发工具、例程代码容易获得，因此，研制基 于t m s 3 2 0 c 2 8 x 系列d s p 控制的逆变电源是具有良好的发展前景。 1 5 本课题的研究内容 本课题主要是进行基于1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 控制的波控c 0 2 焊逆变电源的研 制工作。要求电源输出双斜率的电流波形，且其上升斜率i 、上升斜率和下降 斜率等参数可以微调，通过面板可以选择焊丝直径、保护气体及控制节拍，且能 实现c 0 2 焊的功能。因此本课题的主要任务分为以下几个部分： 1 硬件系统设计 设计系统硬件总体方案，以n 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 为核心控制芯片 构造弧焊逆变焊机的主控制系统；构造以单片机( a t 8 9 s 8 2 5 2 ) 和s d 7 2 1 8 a 智 能键盘显示驱动芯片为控制核心的人机接口交互系统，利用r s 2 3 2 总线接口实 现二模块之间的数据传输。 2 软件系统设计 设计软件总体方案，在t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 主控系统上编写控制软件，控制 电源输出参数可调的双上升斜率的短路电流波形；人机接口交互系统控制软件的 编程，实现c 0 ：焊接参数的一元化调节：双机系统之间通讯协议的确定及软件 编写。 北京工业大学工学硕士学位论文 3 试验及调试 在所设计的控制系统的基础上组装、调试全桥式i g b t 逆变电源，验证焊接 电源波形控制系统设计的可行性。 第2 章硬件系统设计 第2 章硬件系统设计 本课题所设计的波形控制系统控制的对象为i g b t 逆变电源，该电源主电路 采用全桥式i g b t 逆变结构，工作频率为2 0 k h z 左右，即工作周期约5 0 u s ，因 此它具有良好的动态响应能力。考虑到数字p i 算法需要大量的乘累加运算，同 时由于c 0 2 气体保护焊焊机的复杂性与实现焊机多个工艺方法集成，电源控制 部分采用基于d s p 的控制系统，充分利用d s p 强大的运算、记忆和管理能力以 及智能化和高集成化的特点，以更好地实现二氧化碳焊的功能。设计中采用模块 化结构，把人机接口系统和送丝机控制单元作为独立的部分，其中人机接口交互 系统选用a t 8 9 s 8 2 5 2 单片机和s d 7 2 1 8 a 智能键盘显示芯片作为主控芯片，送 丝机控制部分采用模拟电路来实现。 2 1 电源的总体设计 电源的总体结构框图如图2 1 所示。主电路采用全桥逆变式结构形式，功率 开关器件采用i g b t ( 绝缘栅双极型晶体管) ，中频变压器采用微晶磁心，核心 p w m 控制电路采用s 0 3 5 2 6 集成电路。主电路工作过程如下【2 9 j ，三相工频交流 电经三相整流模块的全波整流，把交流电变成5 4 0 v 左右的直流电，再经过滤波 变为平稳的直流电，输入逆变电路。高压直流电通过电力电子器件的开关作用和 中频变压器的隔离与降压，变为2 0 k h z 左右频率的低电压大电流交流电，之后 再采用超快恢复二极管模块对电源进行二次a c d c 整流，二次整流后经电感滤 图2 1 系统总体框图 f i g 2 - 1b i o c kd i a g r a mo f w h o l ep r o j e c t 北京工业大学工学硕士学位论文 波变成低电压、大电流输出。由此可见，逆变式焊接电源进行了两次a c d c 的 整流，一次d c a c 的逆变环节。 整个电源通过电流采样构成一个恒流特性的电源，通过电压采样来确定从燃 弧到正常焊接的转变时刻，电源的电压和电流采样均采用霍耳传感器，使控制电 路与输出回路隔离，提高了控制电路的抗干扰能力，保证控制系统的稳定工作。 焊接电源的输出功率可以通过控制电力电子器件的开关时间比率来调节，通常有 脉冲宽度调制( p w m ) 和脉冲频率调制( p f 旧两种方式，该逆变电源的控制方法采 用脉冲宽度调制( p w m ) 方式，使焊接电源的动态品质大幅度提高，保证了焊接质 量。p w m 控制电路的作用是向驱动电路提供一组相位差1 8 0 度，对称且宽度可 调的脉冲波形，其另一作用是接受单片机系统的信号进行脉宽调制。驱动电路是 功率开关器件i g b t 可靠工作的重要保证，本电源的驱动电路采用富士公司生产 的i g b t 专用驱动器e x b 8 4 1 ，其关断时栅极施加反压、过流后降压延迟关断等 特点提高了i g b t 的运行可靠性。 2 2 电源主电路设计 逆变焊机主电路主要包括整流滤波、逆变和输出整流滤波三部分，整流滤波 的作用是把输入的3 8 0 v 的交流电变为平滑的5 4 0 v 的直流电，逆变环节则是把 5 4 0 v 的直流电变为频率为2 0 k h z 的中频方波交流电，而输出整流滤波的作用之 一是将中频变压器二次方波电压整流成单向脉动直流，并将其平滑成设计要求的 低纹波直流电压，另外一个作用抑制开关整流二极管反向恢复时间内电流急剧恢 复产生的尖峰噪声。 逆变部分是逆变焊机的核心部分，其性能的优劣直接关系到整机的性能。根 据其电路结构不同，逆变电路主要有单端正激、推挽式、全桥式和半桥式四种结 构，根据其选用的功率开关管不同，又可分为晶闸管逆变、m o s 管逆变和i g b t 逆变电路。i g b t 是8 0 年代末新兴起的功率开关器件，具有m 0 s f e t 的驱动功 率小又有g r n t 控制电流能力强的双重优点，是目前制作弧焊逆变电源的首选器 件。综合考虑各种因素，我们选用全桥式i g b t 逆变结构，其原理图如图2 2 所 示。 功率开关管v t 卜v t 2 、v t 3 和v t 4 组成桥的两臂，中频变压器连接在它们 中间，相对桥臂上的一对i g b t v t j 、v t 4 和v t 2 、v t 3 由驱动电路以脉冲方式激 励而交替通断，将直流输入电压变换成中频方波交流电压。显然，当一组i g b t 导通时，截止i g b t 上施加的电压即为输入电压，当所有i g b t 均截止时，由中 频变压器漏感引起的电压尖峰，当其超过输入电压时，反向并接在功率开关管集 射极之间的高速钳位二极管便导通，集电极电压被钳位在输入电压上，集电极电 第2 章硬件系统设计 流也同样有尖峰。全桥电路的优点是输出功率较大，要求功率开关管耐压较低， 便于选管，适用于大功率逆变焊接电源。 + u l 十 图2 五逆变主电路结构图 f i g 2 2m a i nc h c u ns c h e m a t i co f h w e n e r 逆变焊接电源输出整流电路有两种基本类型，一种是全波整流电路，另一种 是单端正激电路。在全波整流电路中有全波中心抽头和桥式之分，虽然桥式整流 电路变压器利用率高，但中心抽头式全波整流电路少用一对二极管，可以减少一 个二极管的正向压降，因而，输出整流电路通常采用中心抽头全波整流方式，其 结构如图2 2 所示。开关整流二极管v d 5 ，v d 6 ，将中频变压器t 正负对称的矩 形电压整流成断续的单向矩形波电压，为了在输出端得到平滑而连续的直流电 压，需要采用l c 输出滤波器。 图2 3 控制电路框图 f i g 2 3d i a g r a i no f n t f o lc i r c u h 北京工业大学工学硕士学位论文 2 3 电源控制系统硬件电路设计 电源的控制电路系统主要包括t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 的最小系统、p w m 调制 电路、保护电路、采样电路和驱动电路五大部分，控制系统的总体设计和控制过 程如图2 3 所示，各部分的工作原理及设计将在以下章节中进行详细介绍。 2 3 1t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 数字信号处理器简介 1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 数字信号处理器是t i 公司最新推出最高频率可达1 5 弧忸z 的3 2 位定点d s p 控制器，是目前控制领域最先进的处理器之一，它具有精度高、 速度快、集成度高等特点，为不同控制领域提供了种高性能解决方案。该芯片 内部集成了1 2 8 k b 的闪存，可用于开发及对现场软件进行升级的简单再编程， 另外还包含经过优化的事件管理器、快速的模数转换器( a d c ) 以及s c i 、s p i 、 e c a n 等多种外设，使褥用户可以以更便宜的价格开发高性能数字控制系统。 同时，t i 公司提供的c 语言编译器效率非常高，完全可以采用高级语言编 写系统程序，从而降低了系统开发难度，提高了开发效率。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 功能框图如图2 4 所示，归纳起来，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 具有以下特点： t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 采用高性能的静态c m 0 s 技术，低功耗设计； 支持j 1 a g 边界扫描接口； 高性能的3 2 位c p u ，支持1 6 1 6 和3 2 3 2 位的乘法累加操作； 1 2 8 kf 1 a s h ，1 k 甜pr o m ，1 8 ks 1 0 蝴； 支持动态改变锁相环的倍频系数，具有看门狗定时模块； 三个外部中断： 外设中断扩展模块( p i e ) 支持4 5 个外设中断； 三个3 2 位c p u 定时器； 1 2 8 位的密码保护，保护f l a s h 0 t p r o m 和l 0 l 1s r a m 中的代码，防 止系统固件被盗取； 2 个事件管理器模块，每个模块包括2 个1 6 位通用定时，8 通道1 6 位 的p w m ，不对称、对称或四个空间矢量p w m 波形发生器，死去产生 和配置单元，三个全比较单元，三个捕捉单元，正交脉冲编码电路等： 包括1 个串行外设接口( s p i ) 、2 个u a r t 接口模块( s c d 、1 个增强型 c a n 2 o 接口模块，1 个多通道缓冲串口( m s b s p ) ； 1 6 通道1 2 位模数转换模块，流水线最快转换周期为6 0 n s ，单通道最快 第2 章硬件系统设计 转换周期为2 0 0 n s ： 高达5 6 个可配置通用目的i o 口引脚； 先进的仿真调试功能，支持分析和断点功能，硬件支持实时仿真功能 1 7 9 引脚b g a 封装或1 7 6 引脚l q f p 封装。 图2 4 耵“s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 功能框图【2 6 】 f i g 2 4f u n c 廿明a lb l o c kd i a 野珊o f l m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 口6 1 2 3 2t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 最小系统 d s p 最小系统是逆变电源控制系统的核心组成部分，它不仅要完成电源的整 体管理，同时也直接参与了电源的控制，其性能的好坏直接影响逆变电源的整体 性能。为了保证控制系统的可靠性和提高开发效率，我们直接选用了s e e d 公司 提供的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d e m o 板，在此基础上进行波形控制系统的开发。d e m o 板 是t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 的最小系统板，主要包括晶振、电源管理及引脚外接接口 北京工业大学工学硕士学位论文 等基本部分，要完成电源的控制，还需要进行外围器件的扩展【30 1 。一方面为了实 现数字控制需要把焊机输出的电流、电压波形信号的模拟量转化为数字量，另一 方面，由于p w m 调制部分和送丝机控制电路只能接受模拟控制量，还需要把 d s p 输出的数字量转化为模拟量。对于前者采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 内部集成的 1 2 位a d 转换器来实现模拟量到数字量的转换1 3 ”，而对于后者则是通过扩展d a 转换器把d s p 输出的数字量转化为p w m 调制电路和送丝机控制电路所需要的 模拟量，其中d a 转换芯片采用d a c 7 6 2 5 口”，它是一个