（材料加工工程专业论文）基于dsp的埋弧焊电源控制系统设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 埋弧焊由于具有较高的生产率，优良的焊接质量以及较好的劳动条件 等诸多优点，已在船舶、能源、机械等工业部门得到广泛应用。目前，埋 弧焊焊接电源仍采用模拟电路控制方式，控制电路复杂、控制柔性化差， 功能扩展不便。 本文根据埋弧焊焊接电源目前遇到的问题，决定用数字化控制系统代 替原有模拟控制系统。采用t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 芯片作为焊接电 源控制核心，利用片上的1 2 位a d 采集霍尔电流传感器得到的焊接电流 信号，并对采集的信号进行f i r 滤波，以避免高频干扰对数字控制器产生 影响。设计并制作调理电路板，配合d s p 的片上p w m 模块实现d a 转换， 并采用i q m a t h 库函数对所设计的d a 进行测试。d a 转换输出的模拟控 制量与锯齿波同步信号比较得到主回路的晶闸管触发信号。 控制策略采用积分分离式p i d ，避免积分饱和造成控制器工作状态不 稳定。通过程序保证高的空载电压，便于引弧；并通过板上的l e d 灯闪烁 实现焊接状态的指示，硬件和软件都加入了防干扰的措施。在设计过程中 采用m u l t i s i m 8 软件辅助电路设计，利用m a t l a b 的工具箱得到了f i r 滤波 器的滤波系数并进行p i d 参数整定。 调试结果表明，设计的数字化埋弧焊电源控制系统实现了设计要求的 功能，得到了具有下降特性的埋弧焊焊接电源。 关键词：埋弧焊；数字化；d s p ；i o m a t h 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t s u b m e r g ea r cw e l d i n g ( s a w ) i sw i d e l yu s e di nm a n yi n d u s t r yf i e l d ss u c ha s s h i p b u i l d i n g ，e n e r g y s o u r c ea n dm e c h a n i s mb e c a u s eo fi t s h i g hp r o d u c t i v i t y , e x c e l l e n tw e l d i n gq u a l i t y , a n dc o m f o r tw o r k i n gc o n d i t i o n a tp r e s e n t ，s u b m e r g e d a r cw e l d i n gp o w e rs o u r c ei ss t i l lt h ew a yt oc o n t r o lt h eu s eo fa n a l o gc i r c u i t ，c o n t r o l c i r c u i t c o m p l e x i t mp o o r c o n t r o lo ff l e x i b l e ，f u n c t i o n a le x t e n s i o no ft h e i n c o n v e n i e n c e i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n tp r o b l e m sa b o u ts u b m e r g e da r cw e l d i n g p o w e rs o u r c e ，d e c i d e dt ou s ed i g i t a l c o n t r o ls y s t e mt or e p l a c et h eo r i g i n a la n a l o g c o n t r o ls y s t e m i tu s e dt r st m s 3 2 0 f 2 812d s pc h i pa st h ec o r eo fw e l d i n gp o w e r c o n t r o l ，a n da c q u i r e dt h ef e e d b a c kw e l d i n gc u r r e n ts i g n a lu s i n gh a l l - c u r r e n ts e n s o r b yo n c h i p12 - b i ta d t h ea c q u i s i t i o ns i g n a lh a sb e e nf i l t e r e db y t h ef i rf i l t e rt o a v o i dt h ei m p a c to fd i g i t a lc o n t r o l l e rf r o mh i g hf r e q u e n c yi n t e r f e r e n c e i td e s i g n e d a n dp r o d u c e dt h ec i r c u i tb o a r d s ，w o r k i n gw i t ht h ed s po n - c h i pp w mm o d u l et o a c h i e v ed ac o n v e r s i o nf u n c t i o n ，a n dt e s t e dt h eb o a r db yt h ei q m a t hl i b r a r yt h e a n a l o gc o n t r o lv o l u m eo u t p u t t i n gb yd ac o n v e r s i o nc o m p a r e dw i t ht h es a w t o o t h s y n cs i g n a lt og e n e r a em a i nc i r c u i tt h y r i s t o r st r i g g e rs i g n a l s c o n t r o ls t r a t e g yw a st h ea l g o r i t h mo fi n t e g r a ls e p a r a t i o np i dt oa v o i dt h e i n t e g r a ls a t u r a t i o nt om a k et h ec o n t r o l l e ri n s t a b i l i t y i tw a se a s yt oi g n i t et h ea r cb y t h ec e r t a i np r o c e d u r e st oe n s u r et h eh i g hn o - l o a dv o l t a g e ，a n dt h el e dl i g h t sf l i c k e r o nt h eb o a r ds h o w e dt h ew e l d i n gs t a t e b o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r eh a v ej o i n e dt h e a n t i i n t e r f e r e n c em e a s u r e s d u r i n gt h ed e s i g np r o c e s s ，i tu s e dt h em u l t i s i m 8t oa i d t h ec i r c u i td e s i g n ，g o tt h ef i rf i l t e rc o e f f i c i e n t sa n ds i m u l a t e dt h ep i dp a r a m e t e r t u n i n gb ym a t l a b d e b u g g i n gr e s u l t s s h o w e dt h a tt h ed e s i g no fd i g i t a lc o n t r o ls y s t e mf o r s u b m e r g e da r cw e l d i n gp o w e rs o u r c ea c h i e v e dt h er e q u i r e m e n t s ，a n dt h ep o w e r s o u r c eh a dt h ed r o pc h a r a c t e r i s t i cf o rt h es u b m e r g e da r cw e l d i n g k e yw o r d s ： s a wn u m e r a ii z a t i o n d s p i o m a t h 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密回，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：燃 日期：2 口矽6 z 特柳签名：席豫 日期： 2 。p 歹f 7 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 采用t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 作为三相全控桥式晶闸管埋弧焊电源的 控制核心，利用d s p 的片上p w m 模块实现了d a 转换功能，并采用i q m a t h 库函数对所设计的d a 的性能进行了测试，用f i r 滤波对所采集的焊接电流信 号进行滤波。 2 p 口9 6 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 埋弧焊综述 第一章绪论 1 1 1 埋弧焊介绍 埋弧焊是当今生产效率较高的机械化焊接方法之一，它的全称是埋弧自动 焊，目前主要用于焊接各种钢板结构。可焊接的钢种包括碳素结构钢、低合金 结构钢、不锈钢、耐热钢及其复合钢材等。埋弧焊在造船、锅炉、化工容器、 桥梁、起重机械及冶金机械制造中应用最为广泛【l 】。埋弧焊焊接过程如图1 1 所示。焊剂由漏斗6 输送到焊接坡口处。焊丝1 由焊丝盘2 经送丝滚轮3 和导 电嘴5 送入焊接区，对准焊缝中心线，这些装置都安放在焊接小车4 上，并由 焊接小车带动，沿焊接方向匀速前进。送丝、引弧、焊接、熄弧，包括行走都 是机械化、自动化实现的【2 】。 1 一焊丝2 一焊丝盘3 一送丝滚轮4 一焊接小车5 一导电嘴 6 一焊剂漏斗7 一焊剂8 一渣壳9 一焊件 图1 - 1 埋弧焊焊接过程示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 埋弧焊的电弧是掩埋在颗粒状的焊剂下面的，如图1 2 所示。当焊丝和焊 件之间引燃电弧，电弧热使焊件、焊丝和焊剂熔化以致部分蒸发，金属和焊剂 的蒸发气体形成了一个气泡，使焊接时得到保护。 1 一焊剂2 一焊丝3 一电弧确池金属5 一熔渣6 一焊缝7 焊件8 一渣壳 图卜2 埋弧焊焊缝示意图 埋弧焊的主要优点【3 】： 1 ) 生产效率高。这是因为，一方面焊丝导电长度缩短，电流和电流密度提高， 导致电弧的熔深能力和焊丝熔敷效率大大提高；另一方面由于焊剂和熔渣 的隔热作用，电弧上基本没有热的辐射散失，飞溅也小，使得埋弧焊热效 率大大增加，焊接速度快。 2 ) 焊缝质量高。因为熔渣隔绝空气的保护效果好，电弧区主要成分是c 0 ，焊 缝金属中含氮量、含氧量大大降低；另外焊接参数可以通过自动调节保持 稳定，焊缝成分稳定，机械性能较好。 3 ) 劳动条件好。除了减轻手工焊操作的劳动强度，它没有弧光辐射，这是埋 弧焊的独特优点。 1 1 ，2 高效埋弧焊方法 随着对埋弧焊要求的不断提高以及不同的焊接构件的要求，埋弧焊方法自 身也在不断得到改进，涌现出许多新的埋弧焊方法。下面主要介绍窄间隙埋弧 焊和多丝埋弧焊。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 112 i 窄间隙埋弧焊 窄间隙焊接适用于锅炉和原子反应堆等比较厚钢板的焊接。其特点是坡口 截面积小，因此需要的热量就少；热影响小，使得材料性能变化非常少，变形 也比一般埋弧焊小；同时，坡1 3 形状是简单的l 型。厚板构件的窄间隙埋弧焊 能提高生产率、降低成本，但是实际应用也有较大困难，主要有脱渣困难，装 配质量要求较高，需合理选择焊接参数等问题渊。 ( a ) ( b ) ( c ) ( a ) 、( b ) 哈焊所研制的窄间隙双丝埋弧焊机( c ) 大连南海集团生产的窄间隙埋弧焊机 图1 - 3 国内窄间隙埋弧焊设各 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 目前，双丝窄间隙埋弧焊机使用较多，国内的哈焊所在1 9 8 5 年就获得了双 丝窄间隙埋弧焊方法的专利 5 】，同时国外文献中也有关于该方法的研究【6 】，焊机 如图1 3 ( a ) 、( b ) 所示，该焊机主要用于厚壁压力容器的环缝及纵缝焊接，设备 采用p l c 可编程控制器控制，整个焊接过程全部自动化。大连南海集团生产的 窄间隙埋弧焊机如图1 - 3 ( c ) 所示。 1 1 2 2 多丝多弧埋弧焊 多丝埋弧焊是一种使用l 根以上焊丝( 主要是双丝) 的埋弧焊接方法，该 方法既能保证合理的焊缝成形和良好的焊接质量，又可提高焊接速度。双丝埋 弧焊依焊丝的排列有纵列式、横列式和直列式【1 1 ，如图1 4 所示。 焊接方淘 ( a ) 焊接方囱 ( b ) 群搂方翔 ( c ) ( a ) 纵列式( b ) 横列式( c ) 直列式 图1 - 4 双丝埋弧焊自动焊原理图 从焊缝成形看，纵列式得到的焊缝深而窄；横列式的焊缝宽大；直列式的 焊缝熔合l t 4 , 。双丝焊可以合用一个电源或两个独立电源。双丝焊用的较多的 是纵向排列的方式。 双丝埋弧焊在螺旋焊管【7 】、直缝焊剖8 1 、压力容器生产【9 】、船舶【i o 】等生产制 造中占有很大的比重。 1 2 数字化弧焊电源 随着计算机技术、数字化技术的发展，数字化弧焊电源开始问世。所谓数 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 字化弧焊电源指的是采用数字控制技术的弧焊电源。数字化弧焊电源的核心是 数字控制系统，目前弧焊电源数字控制系统的核心大多是微控制器( m c u ) 或数 字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，简称d s p ) 】。数字化弧焊电源系统 具有以下特蒯1 2 】： 1 ) 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 j 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、 可靠性高。 4 ) 产品一致性好。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 系统与其他的现代数字技术为基础的系统或设备都是 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 接口容易的多。 6 ) 焊机功能升级方便。d s p 系统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。 全数字化焊机当然不是指没有模拟器件应用的焊机，全数字化是指如下两 方面 1 3 】：1 ) 主电路的数字化；2 ) 控制电路的数字化。 1 2 1 主电路数字化 与模拟控制晶体管弧焊电源主电路不同，数字式主电路采用的是工作在开 关状态的开关式晶体管，这样相比工作于放大区的模拟控制晶体管，数字式的 弧焊电源的功率损耗大大地减少，使得焊接电源的效率可以达到9 0 以上，同 时随着数字式的弧焊电源工作频率的提高，输出电流的纹波更小，响应速度更 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 快，设备体积小、质量轻。 1 2 2 控制电路数字化 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。而 数字化的控制电路采用数字信号处理器( d s p ) 、通用微处理器( m p u ) 、微控 制器( m c u ) 三类处理芯片，通过模拟信号滤波、模数转换、数字信号处理、 数模转换、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， 避免了很多模拟控制系统的问题。目前研究中主要有兰州理工大学李鹤岐教授 与高忠林的基于d s p + m c u 的数字化控制系统研究【1 4 】，北京交通大学张奕黄教 授与常涛的基于d s p 的数字化控制系统研究【1 5 】，上海交通大学华学明教授的基 于d s p 的g m a 焊接数字化控制研究【1 6 】，山东大学尹海副教授与杨绍辉的基于 m c u + f p g a 的数字化控制系统研究 1 7 】。 随着先进的测量、检测设备的应用，使得数字化的控制系统能提供更精确 的焊接参数控制【1 8 。 1 3 本论文的主要研究任务 本论文采用t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 数字信号处理器作为埋弧焊机的控制 核心，配合外部调理与采样电路实现埋弧焊的数字化控制。本设计拟完成以下 几点设计任务： 采用t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 数字信号处理器作为控制核心，编程实 现采集、p i d 控制功能。 利用d s p 片上的p w m 模块实现d a 转换。 采用数字滤波技术对采集信号进行f i r 数字滤波。 实时显示程序运行状态 通过软硬件配合，实现错误状态时控制器复位。 绘制外围调理电路原理图与p c b 布线图，并调试所设计电路。 上机试验 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第二章电源总体设计方案 在本设计中，焊接电源的控制策略是通过软件和硬件的配合得以实现的， 所以，在设计过程需要不断的根据仿真和调试的结果来调整软件与硬件各自的 参数，并在最后实现所设计的控制效果，设计的总体流程图如图2 1 所示。 图2 1 系统总体设计流程图 2 1 硬件部分介绍： 本设计的硬件主要是控制核心t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，该器件主要负责反馈量与给 定量的采集、数字滤波计算、p i d 控制量计算。同时需要设计调理电路板，以 辅助f 2 8 1 2 实现所需要的功能，在硬件设计中通过m u l t i s i m 8 软件来辅助选择 合适的硬件参数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 1 1t m s 3 2 0 f 2 8 12 芯片介绍 c 2 8 x 系列芯片的主要性能如下 1 9 】： 1 高性能静态c m o s ( s t a t i cc m o s ) 技术 1 5 0 m h z 时钟( 时钟周期6 6 7 n s ) 低功耗( 核心电压1 8 v ，i o 口电压3 3 v ) 2 j t a g 边界扫描( b o u n d a r ys c a n ) 支持，方便调试 3 高性能的3 2 位中央处理器 支持1 6 位x 1 6 位和3 2 位x 3 2 位累乘操作 两个独立的1 6 位1 6 位的乘且累加 哈佛总线结构( h a r v a r db u sa r c h i t e c t u r e ) 迅速的中断响应和处理 代码高效( 支持c c + + 、汇编语言) 4 时钟与系统控制 支持动态的改变锁相环的频率 看门狗定时器( w a t c h d o gt i m e r ) 模块 5 外部中断扩展( p i e ) 模块 可支持9 6 个外部中断，当前仅使用了4 5 个外部中断 6 3 个3 2 位的c p u 定时器 7 1 2 位的a d c ，1 6 通道 2 x 8 通道的输入多路选择器 两个采样保持器 8 丰富的片内功能 两个事件管理模块( e v e n tm a n a g e m e n t ) ，包括4 路1 6 位事件 定时器，1 2 路p w m 输出通道及6 路光电码盘接口 串行外围接口( s p i ) 、1 路e c a n 总线模块 2 路串行通信接口( s c i ) 以及1 路多通道缓冲串行接口( m c b s p ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 1 2m uitisim 介绍 在硬件设计中需要根据调试结果不断调整元器件参数以符合设计要求，这 就需要借助软件仿真来辅助选择电路中的器件参数，在本设计中采用的是 m u l t i s i m 8 。 e l e c t r o n i c sw o r k b e n c h ( 简称e w b ) 是加拿大i i t 公司于世纪8 0 年代末推 出的电子线路仿真软件，其后续版本更名为m u l t i s i m 。该软件可以对模拟、数 字和模拟数字混合电路进行仿真，克服了传统电子产品设计受实验室客观条件 限制的局限性，用虚拟的元件搭建各种电路，用虚拟的仪表进行各种参数和性 能指标的测试。与其他电路电路仿真软件相比，m u l t i s i m 具有系统集成度高， 界面直观、操作方便；具备模拟、数字及模拟数字混合电路的仿真：提供较为 丰富的元件库：电路分析手段完备等优蒯2 0 1 。 2 。2 软件部分介绍 软件设计部分主要采用c c s 和m a t l a b 两个软件。c c s 配合专用的j t a g 接口的仿真器对程序进行在线调试，而m a t l a b 用来计算数字滤波器的滤波参数 与p i d 参数整定。 2 2 1 集成调试软件c c s c c s ( c o d ec o m p o s e rs t u d i o ) 是t i 开发的一个完整的d s p 集成开发环境。 由于t i 的d s p 使用非常广泛，使得c c s 也就成为使用最为广泛的d s p 开发软 件之一 2 1 1 。 c c s 中集成了常规的开发工具，如源程序编辑器、代码生成工具( 编译器、 连接器) 以及调试环境等。 2 2 2m a tla b 介绍 m a t l a b 软件是由m a t hw o r k s 公司推出的用与数值计算和图形处理的科学 计算系统环境。m a t l a b 是m a t r i xl a b o r a t o r y ( 意为“矩阵实验室 ) 的缩写。是 目前世界上应用最广泛的仿真软件之一。m a t l a b 不仅是一种功能强大的高级语 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 言，而且是一个集成的交互式开发环境，用户可以通过m a t l a b 提供的编辑调试 器，编写和调试m a t l a b 代码( 包括脚本m 文件和函数m 文件) 【2 2 1 。同时m a t l a b 还提供了工具箱( t o o l b o x ) 和s i m u l i n k 仿真环境，使用户很方便地结合使用不 同的工具箱中的技术针对某个问题得到用户自己的解决方梨2 3 1 。 2 3pid 控制 在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是p i d 控制。常规p i d 控制 系统原理框图如图2 3 所示【2 4 1 。 图2 3模拟p l d 控制系统原理框图 p i d 控制器是一种线性控制器，它根据给定值，( f ) 与实际输出值c ( 力构成控 制偏差： p ( f ) = ，( f ) 一c ( f ) ( 2 1 ) 将偏差的比例( p ) 、积分( i ) 和微分( d ) 通过线性组合构成控制量，对 被控对象进行控制，故称p i d 控制器。其控制规律为： 叫加扣肌半 治2 ， 或写成传递函数形式： g = 等= 砗( - + 去叫 协3 ， 式中k 。比例系数； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 乃积分时间常数； 死微分时间常数。 简单来说，p i d 控制器各校正环节的作用如下： 1 比例环节即时成比例地反映控制系统的偏差信号g ( o ，偏差一旦 产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。 2 积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强 弱取决于积分时间常数乃，乃越大，积分作用越弱，反 之则越强。 3 微分环节能反映偏差信号的变化趋势( 变化速率) ，并能在偏差 信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修 正信号，从而加快系统的动作时间，减小调节时间。 在计算机控制系统中，使用的是数字p i d 控制器，数字p i d 控制算法通常 又分为位置式p i d 控制算法和增量式p i d 控制算法。一般认为在以晶闸管作为 执行器或控制精度要求较高的系统中，可采用位置控制算法。本设计中采用位 置式p i d 控制策略，通过反馈焊接电流值得到下降特性的埋弧焊电源。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 第三章系统硬件设计 系统硬件主要由晶闸管整流主回路、同步电路、触发电路、控制电路和外 部调理电路这五个部分组成，其中同步电路与触发电路在同一块电路板上。硬 件结构图如图3 1 所示： ，一一一一一一一一一一一一一一、 3 1 晶闸管主回路 图3 - 1 系统硬件结构图 3 1 ，1 主回路 主回路采用三相全控桥式整流电路，并接输出电抗器l 。主电路如图3 2 所示。图中桥上臂的三个晶闸管s c r l 、s c r 3 、s c r 5 为共阴极连接，桥下臂 三个晶闸管s c r 4 、s c r 6 、s c r 2 为共阳极连接。因为触发信号与控制电路采 用的是t l p 5 2 1 光耦做为电气隔离，光耦隔离后的信号不能提足够大的门极触发 电流，为了保证触发信号能正确触发晶闸管，触发方式为先触发一个小功率晶 闸管( c r 0 2 a m 8 a ) ，该小功率晶闸管触发后提供符合主回路晶闸管触发要求 的控制信号，以触发主回路上的晶闸管。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 镶新嚣 兰翱爱缝凝 一爨姜躞f 嘲 ，一 r ， r 吨舞飘卜_ 铲 ，酽h _ _ 删 p f 、。r u ，、，o m “蝴 ” f 碱 ，一 芰椭乏h 图3 2 主电路图 3 2 同步与触发电路 晶闸管移相触发电路有多种电路形式，可分为切割式及积分式两类【2 5 】。切 割式移相触发脉冲电路的基本工作原理是将控制信号u k 与同步信号u t 进行比 较，在控制电压与同步电压相等处( 即在控制电压与同步电压的切割点上) ，产 生所需要的移相触发脉冲。 3 2 1 同步电路 本设计中采用的是锯齿波同步的方法，锯齿波同步电路的电路图如图3 3 所示。图中所示为三相同步锯齿波生成电路的其中一相。正弦波经过变压器降 压后，从1 0 1 口输入，后续电路为过零检测电路，由于反相端接零电位，所以 当输入正弦信号稍微大于零电位( 或小于零电位) ，运放就输出其最大正电压( 最 小负电压) ，该输出信号经过微分电路与放大电路，就在信号过零处产生一个正 向的脉冲信号，该信号经过反相器得到了类似占空比为9 9 的p w m 波形，此 信号使c 1 0 3 电容不断的充放电就形成了锯齿波同步信号。 t? 图3 - 3锯齿波同步电路电路图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 该电路的仿真波形图如图3 - 4 所示。在图( a ) 中为有正有负的微分信号，当 正微分信号输入后一级运放时，该运放为同相比例放大电路，而负微分信号输 入后一级运放时，该运放为反相比例放大电路，这样后一级运放的输出电压信 号就如图( b ) 所示全为正电压信号。当此信号经过反相器时，根据反相器逻辑关 系输出如图( c ) 所示，由图( d ) 可见正弦波电压值在由正到负过零时，锯齿波电压 值按电路中r 1 0 6 、c 1 0 3 所选参数线性增加最后形成锯齿波同步信号。 ? vjv。i k j j ，i l 剩。盟黼渊 羔： o p d “l 口雾_ r 州。= 乒堑裂i o “p f m i ! m ”1df 8o fo f f 8 h i n f i ( a ) 1 _ fj ? rf ，_ f 7 fi ，uf 、j ，。、j j j - t ! 蚓。蒜：岢：赫。画i i 目c w 。r 麓9!j*r t ”一j w 蛐而；爵一j 一啊i 一蛐；矿一 脚口j r = 一 * h r ；y * 十一一t m f r 一一f ” f ! ! 【删二盟5 剿剧咩。苎| 萍j l 聃塑些! d 赫 厂、厂、l ，、厂、i 厂 一# 斗，+ ，v y 一 v h “9 目i 日 ：善叫! 竺j n r 自h “o 一 铀而；一l 即i 一妯阿i l 脚列i 三_ _ | x r l v r v 一厂一i 一一阿 何! n 划型l 苎i 刖丽# “io f j 。i 佃盟鲥师 ( b z 多习1 级1 二 v 7 t i 。蛊：黜：黜_ j ：剖!j h r m y 口一 m 蛐耳：f l f 葡- * - f 丽：一 脚口j r = j x p 抽、 t r t 州* f i 一t wf 一r r f i “i “m i m io f f “i 口f j p ；q “i m 。f i ( c )( d ) ( a ) a 点过零检测输出波( b ) b 点放大电路输出波形 ( c ) c 点反相器输出波形( d ) d 点生成锯齿波波形 图3 - 4 锯齿波同步电路仿真波形 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 3 2 2 比较触发电路 比较触发电路如图3 5 所示。该电路为三相触发电路中的一相电路，图中 运放i c 3 的同相输入端接锯齿波同步信号，反相输入端接控制信号u k ，当锯齿 波同步信号电压值低于控制信号u k 时，运放输出最小负电压，只有在同相端 电位等于并大于控制信号u k 时，运放输出最大正电压，该正电压分别输入反 相器i c 7 和三端与非门i c 9 。 曼l a u u 图8 - 5 移相触发电路电路图 l a 糊 八八八一 _ i ； 曩，l l一 l ： fl ： l l l l l l l l 1l1 1i j t 心八 y， l| l。一 l l l 1睫n_ l囊 一 l 图3 - 6 锯齿波同步电压波形图与触发信号波形图 要生成晶闸管触发信号，那么i c 9 的输出必须有低电平，i c 9 的三个输入 端分别接a 相的移相触发信号、b 相与c 相的逻辑关系信号、焊接电源的开关 信号，只有当这三个信号同为高电平时，i c 9 才输出一个低电平形成触发晶闸 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 管的信号。与非门i c 8 是保证当需要a 相触发时，只有当b 、c 两相中的一相处 于触发导通状态时，才能保证a 相触发，即保证了导通时序的正确。触发信号 的波形图如图3 - 6 所示。 3 3 控制电路板 本设计中采用的是闻亭公司的t d s 2 8 1 2 z x 开发板并配合该公司的 t d s 510 u s b 仿真器。主要使用片上a d 转换器和事件管理器两个模块。 3 3 1a d 转换器 片上的模数转换模块a d c 有1 6 个通道，可配置为2 个独立的8 通道模块， 分别服务于事件管理器a 和b ，两个独立的8 通道模块也可以级联构成一个1 6 通道模块。片上a d 转换器的功能框图如图3 7 所示： 图3 - 7片上a d c 模块功能框图 a d c 模块主要包括一下特点 2 6 】： 1 2 位数模转换a d c 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 两个采样和保持( s h ) 器 同时或顺序采样模式 模拟输入电压范围0 v 3 v 快速转换时间，a d c 时钟可以配置为2 5 m h z ，最高采样带宽为 1 2 5 m s p s 1 6 通道模拟量输入 多个触发源启动a d c 转换( s o c ) s 脚：软件立即启动 e v a - 事件管理器a ( 在e v a 中有多个时间源可启动a d 转换) e v b 事件管理器b ( 在e v b 中有多个时间源可启动a d 转换) 外部引脚 1 6 个结果寄存器存放a d c 的转换结果，转换后的数字量表示为： 数字值= 4 0 9 5x 笪全堡型篁二竺竺兰q 3 ( 3 一1 ) 由于2 8 1 2 的寄存器是1 6 位的，而a d 转换的结果为1 2 位，所以在结果 寄存器中结果是由高位到低位排，不足的低4 位由o 补齐，即结果寄存器中存 储的转换值范围是0 x f f f o h 0 x o 0 0 0 h ，使用结果寄存器值时需要先右移4 位 再进行后续计算。 3 3 2 事件管理器 事件管理器( e v e n tm a n a g e r ，简称e v ) 模块提供了强大的控制功能，在 本设计中主要用到了p w m 波形的生成与a d 转换的启动。 3 3 2 1 通用定时器 p w m 波形是由通用定时器 2 7 1 ( g e n e r a lp u r p o s et i m e r ，简称g pt i m e r ) 和 比较单元( f u l l c o m p a r e p w mu n i t s ) 生成。通用定时器有4 中计数操作，分别 是： 停止保持模式； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 连续递增计数模式； 双向增减计数模式； 连续增减计数模式； 本设计中生成的是非对称p w m 波形，采用的是连续递增计数模式。在这 种模式下，通用定时器将按照预定标的输入时钟计数，在定时器的计数器值和 周期寄存器值匹配后的下一个输入时钟的上升沿，通用计数器复位为0 ，并开 始下一个计数周期。连续递增计数模式工作方式如图3 8 所示。 宠时嚣黪镄 。，一 j 。广 t x c o n 6 】 l 剃鬃时钟门几n 几几几厂 几nnr 几几 图3 - 8通用定时器的连续增计数模式计数工作方式图 3 3 2 2p w m 波形产生 当采用连续递增计数模式时产生非对称波形，波形如图3 - 9 所示。可设置 输出为低电平或高电平有效。当设置为低电平有效时，匹配前一直为高电平( 无 效) 输出，只有在匹配后，输出才跳变到低电平( 有效) ，设置为高电平有效则 相反。在周期开始时，如果比较器周期寄存器的值是0 ，整个周期都是有效输 出，如果下一周期的比较值仍为0 ，则输出不会被复位为无效。当比较值大于 周期寄存器中的值，则整个周期内输出均为无效。这样就可以产生占空比为 o 1 0 0 的p w m 无毛刺脉冲【2 8 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 傻i 乡 院鞍 l既熬 匹滗 l 鏊时瓣傻l 厂 l | 查璧f 二= _ _ 1 卜莱若罂囊螽浊- q ” 嘲懋绶 耥跳警冬童陌k 厂_ 。 图3 - 9在连续递增计数模式下的通用定时器比较p w m 输出 3 3 2 3 启动a d 转换 在通用定时器控制寄存器a b ( g p t c o n a b ) 中可以设置a d 转换器的 启动信号由哪个通用定时器事件( 下溢中断、周期中断、比较中断) 提供，这 样就可以在没有c p u 干预的情况下，实现用通用定时器事件器启动a d 转换 2 引。 3 4 调理电路板 d s p 输出的p w m 信号需要经过调理电路才能得到触发晶闸管的的触发信 号，调理电路的作用主要是隔离和d a 功能。 3 4 1 光电隔离电路 由于数字电路d s p 和外部电路使用的是独立的供电，为实现不同电位的控 制电路板和调理电路板之间进行模拟信号的传输，必须要采用隔离措施来切断 两个独立系统公共地线之间的直流通路。同时，本设计的p w m 输出信号采用 的频率较高，常用的光耦t l p 5 2 1 在高频下隔离输出的信号严重失真，所以在 设计中采用的是高速光电隔离器6 n 1 3 7 。由于隔离的信号是p w m 波形，只存 ；呻； 淼娜 一 甲。 一 盟黼籀氏搿 ；旷。 一 怒黼 渤班趱 ；卜 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 在高低电平两种状态，故对光耦的线性度要求较低。其芯片结构图与电路接线 图如图3 1 0 所示2 9 】： v 魄 沿 v l _ - c 1 3 n 魏 瞪黼v - - 既qid = - _ d l ( a )( b ) 图3 - 1 0( a ) 6 n 1 3 7 芯片内部结构图( b ) 6 n 1 3 7 芯片电路接线图 图3 1 0 ( b ) 所示芯片的输出为o c 门输出，即输入输出逻辑关系相反，故在 后续电路中需要加反相器，以保证逻辑关系一致。光电隔离器中的发光二极管 所需的工作电流一般为1 0 1 5 m a ，一般的丌l 电路和c m o s 电路的输出信号 电流不足以直接驱动它【3 0 】，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的i o 口高电平最大能提供4 m a 的 拉电流，低电平最大能提供4 m a 的灌电流【3 l 】。故在6 n 1 3 7 的前端应加相应的 驱动电路。 v c c g = a a h = b b l = c c v s s n c l = f f 眦 争= e e j = d d 图3 - 1 1c d 4 0 5 0 芯片引脚图 驱动电路采用的是六同相缓冲器c d 4 0 5 0 ，其芯片引脚图如图3 1 1 所示。 c 田 = 釜 萋| | i 辩 十 w 撇 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 l 页 c d 4 0 5 0 能提供典型值高电平8 m a 的拉电流和低电平4 8 m a 的灌电流【3 2 】。这样 就保证了后级的光耦能正常工作。 3 4 2 整形电路 经过光耦隔离的p w m 信号由于是o c 门输出，所以输出信号与输入信号 的逻辑关系是相反的，同时光耦输出的p w m 波形会有一些畸变，这就需要将 逻辑关系恢复到隔离前状态的同时改善波形的畸变程度。本设计中采用六反相 缓冲器c d 4 0 4 9 ，其芯片引脚图如图3 1 2 所示【3 3 】。 v c c g 麓页 a 村嚣莓 基 l 誊c c v s s n c l 露琴 f n c k 糍嚣 e j 簋d d 图3 1 2c d 4 0 4 9 芯片引脚图 3 4 3d a 转换电路 d a 转换是通过对d s p 输出的p w m 信号进行滤波实现的，故要选择合适 的模拟滤波方法。 模拟滤波器分为有源滤波器和无源滤波器。但是尽管有源滤波器在负载阻 抗的方面优于无源滤波器，但是有源滤波器中的运算放大器( o pa m p s ) 的增 益带宽并不是无限大，当增益带宽至少为希望输入的最高频率的5 1 0 倍时该 有源滤波器才能正常工作。当然可以选择高增益带宽的运放，但会提高d a 转 换的成本，与其这样还不如直接使用集成d a 转换器了，故选择无源滤波器【3 4 】。 由于滤波器阶数越高其过渡区曲线越陡，那么滤除高次谐波也就越充分， 即纹波越小。然而随着滤波器的阶数的提高，其相移也越来越大，这对使用d a 作为控制系统中输出控制量是不利的。相移越大，控制信号的输出时间越滞后， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 这会导致控制系统的不稳定。所以就需要在滤波器阶数与相移之间有一个折衷。 无源二阶低通滤波器具有4 0 倍程的阻带滚降，是一阶滤波器的两倍，传递 函数由下的方程式给出： r z o , t ( s ) ： 垡： v i ，2 ( s ) j 2 + 2 他+ 缈2 。( 3 - 2 ) 哦无阻尼固有频率，单位是r a d s 无量纲的阻尼比 为了得到较快的上升时间的同时避免滤波器的幅频响应中出现共振峰值。 一个合理的折衷选择是在0 7 0 7 和1 0 之间选择阻尼l k t 3 5 1 。由于各元件在电路中 的排列，二阶无源r c 滤波器是无法实现阻尼比小于1 的。而无源r l c 滤波器 却能提供小于1 的阻尼比。故滤波电路选择无源r l c 滤波器。其电路图如图 3 1 3 所示。 v i nr1 v o u t 图3 1 3r l c 滤波电路 对无源r l c 进行简单的电路分析可得到传递函数的各参数取值： 1 q 2 面 ( 3 3 ) f 2 稚 睁4 ， 由m u l t i s i m 仿真选择r 、l 、c 的参数，得到所设计的滤波器的b o d e 图如 图3 1 4 所示。由图可见在低频时，相移很小，可以保证调制信号( 正弦信号) 在1 k h z 以下只有不超过一1 0 。的相移。即延迟时间低于5 0 9 s ，这样的延迟时间 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 说明该d a 转换方法可以应用在控制系统中。 。 5 4 。 岔。5 3 登。 2 5 _ 3 。 3 s 0 。 2 。 g 枷 晕捌 8 。 1 0 0 1 0 0t01 0 10 0 1 频率( )频率( ) ( a ) 幅频响应( b ) 相频响应 图3 - 1 4m u i t is i m 仿真得到的b o d e 图 p w m 信号滤波后，得到了触发晶闸管的控制信号，由于是采用的无源滤 波方法，其带负载能力差，故在最后的输出端加