rd-ARM控制的数字化逆变焊机PWM脉冲的实现---PWM二分频

1、Welding Technology Vol.38No. 3Mar . 2009·焊接设备与材料 ·ARM 控 制 的 数 字 化 逆 变 焊 机 PWM 脉 冲 的 实 现李志刚 1, 陈玉喜 1, 石红信 1, 朱锦洪 1, 2(1. 河南科技大学 材料科学与工程学院 , 河南 洛阳 471003; 2. 河南科技大学 河南省有色金属科学与加工技术重点实验 室 , 河南 洛阳 471003摘要 :PWM 控制脉冲的实现难易性 、 可控性和稳定性对波形控制焊机的性能有重要影响 。 以 LPC 2131(ARM 为控制核心 , 利用其内 部的 PWM 模块产生单路脉冲 ,

2、并经过外围 GAL 电路转化为双路脉冲 , 可按照焊机的工作状态进行相应占空比调节和输出 。 通过仿真 和联机调试 , 结果表明 , 实测波形和仿真波形一致 , 具有 PWM 脉冲实现容易 、 控制性能良好和运行可靠等优点 。 关键词 :数字化控制 ; 逆变焊机 ; PWM 脉冲 ; ARM ; GAL 中图分类号 :TP273; TG434.5文献标志码 :B收稿日期 :2008-09-05基金项目 :河南省自然科学基金资助项目 (0211061900; 河 南省科技攻关计划资助项目 (0624260007文章编号 :1002-025X (200903-0037-04在焊接电源中采用数字化控

3、制 , 具有灵活 、 精 确 、 稳定可靠和集成度高等特点 , 为焊接设备小体 积 、 轻质量 , 焊接工艺稳定性和良好的工艺效果提 供了必要条件 。 焊接电源的数字化主要包括 3个方 面 1:电源主电路的数字化 、 电源控制电路的数字化 、 电源专家系统的数字化 。 主电路的数字化主要是以功 率开关器件为核心的逆变部分 , 节能降耗优势显著 ; 电源控制电路的数字化主要是以 MCU , DSP , ARM 为控制核心的应用上 , 以集成元件代替分立元件 , 系 统精度高 , 稳定性好 。 同时 , 控制电路的数字化为电 源专家系统的数字化提供了基础 , 主要在多输出特性 和一元化参数调节的多

4、功能焊机方面 。 各部分需协调 运作 , 主电路为焊机提供功率输出 , 控制电路为中 枢 , 专家系统为灵魂 , 灵魂通过中枢传达直至输出 。波 形 控 制 技 术 是 CO 2焊 机 发 展 的 趋 势 和 重 点 , 随着电力电子技术和计算机技术的成熟与发展 , 波形 控制法从传统的控制电流上升率和瞬时短路电流的方 法演变到新型表面张力控制法 (STT 、 能量控制法 以及焊接波形的动态控制 2, 正在逐渐实现从粗略控 制到精细控制 、 从准确控制到动态调整的发展 。 焊接 专家系统产生的信号通过控制电路的传递和转换 , 驱 动主电路功率开关器件 , 使焊机主电路产生相应的输 出 。 对于

5、目前所应用的逆变电源 , 主要是通过 PWM方式控制功率器件通断的频率及占空比 , 实时得出相 应的控制波形 3。 显然 PWM 控制脉冲的实现难易性 、 可控性和稳定性对波形控制焊机的性能有重要影响 。 因此 , 笔者以 LPC 2131(ARM 为控制核心 , 利用 其内部的 PWM 模块产生脉冲并进行外围处理 , 可按 照焊机的工作状态进行相应调节和输出 。 本文详细介 绍了 PWM 桥式逆变器控制脉冲的实现方案 , 并通过 仿真和实测验证了设计的可行性 。1基于 ARM 的单路 PWM 脉冲的产生为使全桥逆变电源正常工作 , 需要两路 PWM 分别驱动 2组开关器件以实现通断状态控制

6、。 通常的数 字化控制方式为 :用单片机产生具有一定相位关系而 又相对独立的两路 PWM 脉冲分别控制 2组开关器件 的通断状态 , 该方法占用系统资源 , 且容易因干扰致 使两路 PWM 相位关系受到破坏 , 使焊机工作不稳定 , 严重则产生直通 , 烧损器件 , 带来严重影响 4。 因 此 , PWM 脉冲的产生及组合方式尤为重要 。基于上述问题 , 设计了一种基于 ARM 微处理器LPC 2131的 PWM 脉冲产生及中间转换电路 。 图 1为系统原理图 。 ARM 嵌入式处理器是具有极低 功 耗 、 极低成本的高性能处理器 , 运算速度快 、 精度高 , 而 且便于实时操作系统的移植

7、, 真正成为实时多任务系 统 。 对 代 码 规 模 有 严 格 控 制 的 应 用 可 使 用 16位Thumb 指令集 , 使代码规模降低 30%以上 , 而性能的损失却很小 。 LPC 2131是 Philips 公司推出的一款37焊接技术 第 38卷第 3期 2009年 3月·焊接设备与材料 ·16位 ARM7TDMI-S 内核的微控制器 , 小型 LQFP 64封装 , 装带有 8kB 的嵌入式高速 Flash 存储器 , 32kB 的 SRAM , 并 具 有 丰 富 的 片 内 外 设 :8路 10位 ADC 、 2个 32位 定 时 器 /计 数 器 、 6

8、路 PWM 输 出 通道 、 多个串行接口 、 9个边沿或电平触发外部中断 、 多达 47个 5V 的通用 I/O口等 , 能够大大简化系统 的外围电路设计 。 通过片内 PLL 可实现最高 60MHz 的 CPU 操作频率 , 具有极高的运行速度 5-6。LPC 2131内嵌 PWM 脉冲模块 , 可产生 6路单边沿控制的 PWM 脉冲或 3路双边沿 PWM 脉冲 。 本设 计中采用一路双边沿控制的 PWM 脉冲 , 下面介绍其 产生过程 , 如图 2所示 。首先 , 对 PWM 脉冲的各个参数通过 PWM 寄存 器 进 行 设 置 , 如 匹 配 寄 存 器 PWMMR0, PWMMR1,

9、PWMMR2等的设置 。 然后 , 锁存并使能 PWM 和 TC 。当计数器的值等于 PWMMR1时 , PWM 脉冲发生 正 跳变 ; 当计数器的值等于 PWMMR2时 , PWM 脉 冲 发生负跳变 ; 当计数器的值等于 PWMMR0时 , 完成 一个 PWM 周期 , 以后按照此步骤输出预设的 PWM , 直至预设值改变 。 主要 PWM 设置程序如下 :LDR RO , =PWM_BASELDR R1, =Ox404STR R1,R0, #0x4C; 设定为双边沿模式控制MOV R1, #0x02STR R1, R0, #14; 匹配时复位定时器 MOV R1, 0x10000STR

10、R1, R0, #0x18; 设定 PWM 周期 MOV R1, #2000STR R1, R0, #0x1C; 高电平匹配值 MOV R1, #0x7000STR R1, R0, #0x20; 低电平匹配值 MOV R1, 0x07STR R1, R0, #0x50; 锁存MOV R1, #0x09STR R1, R0, #0x04; 使能启动 PWM 定时器电源工作时 , 通过霍尔传感器采集焊接电流和电 弧电压 , 通过电压转换后经 A/D输入 ARM , 然后通 过程序判断焊接状态 , 继而修改 ARM 内部 PWM 模 块的相应寄存器的值 , 可对输出的 PWM 脉冲的频率 、 幅值和

11、占空比进行调节 , 然后输出到驱动部件控制功 率开关器件的通断 , 频率不同则相应的电弧电压就不 同 , 这就实现了对电弧电压的调整 , 如图 3所示 。2单路转双路的脉冲分频电路在 ARM 内 部 的 PWM 模 块 产 生 一 路 频 率 恒 定 、占 空 比 可 调 的 PWM 后 , 可 以 输 入 可 编 程 逻 辑 器 件 (GAL22V10, 经内部分频输出两路 PWM , 再经驱动 电路输出到功率开关器件 。 PWM 转化电路如图 4所 示 , D 触发器为一个基本分频单元 , 输入端 D 与输 出反相端 相连 , 这就组成了对输入 PWM 脉冲进行 二分频的分频器 。 转换器

12、件主要是 D 触发器和与非 门 。 对电路进行仿真得出的波形如图 5所示 , 从图中图 1弧焊逆变器及 PWM 脉冲产生电路图 2ARM 双边沿 PWM 产生机理0n 1n 2n 0图 3电弧电压控制的实现低压高压UtD 1D 2D 3D 4D 5D 6KM380VSRC S 4S 1TS 3S 2D 8D 7L H +-U o I o驱动电路分频电路PWM 寄存器A/DARMPWM1PWM2+-38Welding Technology Vol.38No. 3Mar . 2009·焊接设备与材料 ·可以看出分频波形严格按照幅值相同 、 频率减半 、 相 位相差 180

13、76;的原则进行转换 。 经过分析对比 , 选择 了 LATTICE 公司生产的可编程逻辑器件 GAL22V10, 有 24个引脚 、 11个输入端 、 多达 10个输出端 , 利 用其内部的与或阵列结构 , 把输入信号进行不同组合 可实现各种逻辑功能 , 产生不同的控制信号 。 通过GAL22V10将一路 PWM 分频 , 生成了频率减半 、 幅值相同 、 相位相差 180°的两路脉冲 。 另外 , 还通过GAL22V10逻辑组合实现了对焊机交流接触器 、 软启动开关 、 气阀 、 送丝机的控制以及对过热过流信号的 传递与显示 。图 6为 GAL22V10在 数 字 化 CO 2焊

14、 机 中 承 担 驱 动 和 接 口 功 能 的 输 入 输 出 引 脚 , 其 中 PWM , EV ,MH , SF , CJ , OIDO , OHDO 分 别 为 驱 动 脉 冲 、 气阀 、 送丝机 、 软启动开关 、 交流接触器的输入信号 ;A/B为 预 置 和 实 时 显 示 切 换 信 号 ; EVO , MHO , SFO , CJO , PWM1, PWM2, OHGO 、 OIGO 分 别 为气阀 、 送丝 、 软开关 、 交流接触器 、 分频脉冲 、 过热 过流的输出信号 。 焊机工作时 , ARM 微处理器根据 检测到的信号输出相应的高低电平序列到 GAL22V10,

15、 从而控制焊机主控板上的继电器和驱动电路 。3PWM 脉冲电路调试在确定原理 、 编制程序 、 烧写器件之后进行联机调 试 :经 ARM 输 出 一 路 PWM 波 形 之 后 , 经 过GAL22V10分频输入 IGBT 的驱动及保护电路 , 然后对其实际波形进行测试 。 图 7为 PWM 产生与转化波 形 , 其中 2为 LPC 2131产生的幅值为 3.3V 、 频率为40kHz 的 PWM 脉冲 , 3和 4分别为 GAL22V10产生的两路幅值为 5V 、 频率为 20kHz 、 相位相差 180°的PWM 脉冲 。 与仿真波形对照 , 由试验结果可以看出 ,该设计方案是符

16、合系统要求的 。4结论(1 本文设计了以 LPC 2131为控制核心的数字化焊机驱动 PWM 脉冲信号的产生及转换电路 , 脉冲 实现容易 , 控制方式灵活 , 为焊接过程控制提供了 基础 。(2 软硬件相结合 , 通过对单路 PWM 信号分频 实现双路脉冲输出 , 提高了电源抗干扰性能 , 增强了 焊机的可靠性及稳定性 。(3 从使用效果看 , 不仅减少了器件 , 减小了系 统的体积 , 简化了电路的设计 , 而且实现了模块化设图 5PWM 输入与输出 GAL22V10的波形图 4PWM 转化原理图PWM1PWM2PWMDQQSETCLR 图 6GAL22V10输入输出引脚A/BEVO MH

17、O SFO CJO PWM1PWM2OHGO OIGOPWM EV MH SF CJ OIDO OHDOGAL22V10图 7PWM 产生和转换的实测波形2M 3439焊接技术 第 38卷第 3期 2009年 3月计 , 给焊机生产 、 设计和维修带来了方便 。参考文献 :1胡 绳 荪 . 现 代 弧 焊 电 源 及 其 控 制 M . 北 京 :机 械 工 业 出 版 社 ,2007.2黄彦源 , 钟继光 , 陈宇军 . CO 2焊的波形控制法 J . 机电工程技术 , 2004, 33(12:7-9.3张文义 , 杨乐民 . 状态组合法在电压型 PWM 逆变器中的应用 J .逆变电源 ,

18、2007, 15(3:43-45.4张宝红 , 杨立军 , 李俊岳 , 等 . CO 2气体保护焊短路过渡过程的闭环实时控制 J . 焊接学报 , 2001, 32(1:27-30. 5尹海 , 李思海 , 张光东 . IGBT 驱动电路性能分析 J . 电力电子技术 , 1998, 22(3:86-89.6周立功 . 深入浅出 ARM7-LPC213X /214X M . 北京 :北京航空航天大学出版社 , 2005.收稿日期 :2008-12-01文章编号 :1002-025X (200903-0040-03埋 弧 焊 焊 剂 热 物 理 性 能 的 研 究宋天革(无锡职业技术学院 机械与

19、汽车工程系 , 江苏 无锡 214121摘要 :利用数理统计理论发展起来的混料优化设计方法 , 建立数学模型 , 研究了 Al 2O 3-CaO-CaF 2系高韧性埋弧焊焊剂 7个基本组元间 的交互作用 、 对影响焊缝成形及焊后脱渣性的软化温度的影响规律 , 给出了混料模型的回归方程及方差分析结果 。 结果表明 :MgO-TiO 2-CaCO 3-Al 2O 3的交互作用 , 能提高焊剂的软化温度 , 而一定数量的 CaF 2的加入则可以降低焊剂的软化温度 。 关键词 :埋弧焊 ; 焊剂 ; 软化温度 ; 混料回归模型 中图分类号 :TG423; TB114文献标志码 :B0前言埋弧焊焊剂的成

20、分配比对保证焊缝金属具有良好成形和电弧燃烧稳定性 , 提高焊接工艺性有直接的影响 。 研究焊剂的成分对焊剂物理性能的影响规律 , 对配制既 具有高韧性 , 又具有良好焊接工艺性的焊剂具有非常重 要的意义 , 目前 , 虽然国内外对焊剂物理性质的研究已 引起重视 , 展开了一定的研究工作 1-2, 但对软化温度这 样一些对焊接工艺性特别是焊后脱渣性有重要影响的物 理参数与成分之间的关系 , 仍缺少系统的研究工作 , 特 别是焊剂中各组元之间的交互作用对软化温度的综合影 响问题 , 目前还没有可供参考的结果 。 而焊剂的配方配 比问题又是一个复杂的多因素综合交互作用问题 , 特别 是对焊剂 7种组

21、元的这样一个复杂的交互作用问题 , 采 用传统经验法 , 很难揭示其内在规律 , 因此 , 建立合适 的数学模型 , 揭示焊剂各组元之间的交互作用对选定目标函数的综合影响 , 对焊剂的研究具有重要的意义 。最优设计理论对于科学试验中数学模型的建立 、 最佳工艺条件的获得问题 , 是一种极其有效的统计学 工具 。 本文将最优设计方案应用到焊接工艺中 , 利用 现代数理统计理论发展起来的最优设计理论 , 建立数 学模型 , 对焊剂成分与软化温度的关系进行了较系统 研究 , 给出了混料模型的回归方程及方差分析 , 揭示 了焊剂 7种组元之间交互作用对软化温度的影响规律 。1试验方法 1.1试验设计混

22、料回归设计是一种带约束的特殊回归问题 , 用x 1, x 2, , x 7表示混料问题中的 7种成分所占的百分比 , 则 :7i =1x i =1,0 a i x i b i 1(i =1, 2, 7, (1式中 :x i 为混料分量 , a i 表示各成分含量的下限 , b i表示各成分含量的上限 。作者简介 :李志刚 (1984, 男 , 河南洛阳人 , 硕士 , 主要研究方向 为焊接电源及控制 .·焊接设备与材料 ·40焊接技术 第 38卷第 3期 2009年 3月 ·英文标题 、 摘要及关键词 ·Analysis of p rocess f ac

23、tors of AC FZ-TIG w elding for a luminum alloyHUANG Yong , SHAO Feng and FAN Ding(Key Laboratory of Non-ferrous Metal Alloys and Processing , The Ministry of Education , Lanzhou University of Technology , Lanzhou 730050, Gansu pro. , China P 28-30Abstract :For aluminum alloys , a new type of activat

24、ing welding process called Flux Zoned activating TIG welding (FZ-TIG welding wa s br ought forward. This welding process c ould not only increase weld penetration , but also get perfect weld surface appearance. AC FZ-TIG welding for aluminum alloy was studied the factors affecting the weld penetrati

25、on. It ha d important practical significance to introduce activating TIG welding into the welding for aluminum alloys and generalize FZ-TIG welding. The experimental results indicated that welding current , welding speed , central flux coating width , central flux coating content and flux solvent al

26、l ha d relatively large influence on weld penetration of AC FZ-TIG welding for aluminum alloy , except argon flow rate.Key words :activating welding process , flux zoned TIG welding , weld penetration , process factorAnalysis of weld defects and research of welding procedure for triangle reinforced

27、plate of aluminum car body on high-speed train HAN Xiao-hui(Sifang Locomotive &Rolling Stock Ltd. , CSR , Qingdao 266031, Shandong pro. , China P 31-33, 52Abstract :With the development of CRH , it is necessary to research and develop the manufacturing process of aluminum alloy car body of high-

28、speed train. Triangle reinforced plate is one of the most important welding part on aluminum alloy car bodies and its weld strength seriously affect the running safety of trains. It is required for the highest welding quality while it is difficult to weld. Something can be found out from statistic d

29、ata on site manufacturing. Four weld ing defects such as porosity , weld crack , slag inclusion and incomplete fusion are found during welding. In the paper , causes of four weld ing defects are analyzed and process method are confirmed according to the manufacturing process. It has resulted in less

30、 welding defects , higher once-off pass rate for radiographic inspection and less repair work in the triangle reinforced plate welding.Key words :triangle reinforced plate , weld ing defects , car body of high-speed train , aluminum alloyStudy on the digital PWM approach based on ARM controller for

31、inverter welding machineLI Zhi-gang , CHEN Yu-xi , SHI Hong-xin , et al.(School of Materials Science and Engineering , Henan University of Science and Technology , Luoyang 471003, Henan pro. , China P 37-40Abstract :The different digital PWM approaches ma d e important impact on the performance of w

32、aveform controlled welding machine. In the study , single channel pulse was produced by the PWM module of the ARM control core LPC2131, and then converted into twin-channel PWM pulses through peripheral GAL circuit. Its duty cycle could also be regulated easily in accordance with the load state. Experiment and simulation results proved the consistency of the measured waveform and simulated waveform. It show ed that this approach ha d significa