DSP控制的軟開關弧焊逆變電源的研究

1、華南理工大學碩士學位論文DSP控制的軟開關弧焊逆變電源的研究姓名：朱祥彪申請學位級別：碩士專業(yè)：材料加工工程指導教師：曹彪20040501摘要摘要逆變技術在焊接電源中的應用使得焊接設備在小型化、高效化的方面有了較大的發(fā)展。同時，弧焊逆變電源良好的動特性更為焊接工藝控制提供了一個充分發(fā)揮的平臺。然而，傳統(tǒng)的硬開關弧焊逆變電源所存在的諸如開關損耗大，電路效率低等弊端限制了弧焊逆變電源的進一步發(fā)展。另外，隨著微電子技術和數(shù)字信號處理技術的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的以單片機為控制核心的逆變弧焊電源在抗干擾能力、集成度、運算能力、實時性等各個方面暴露出自身的不足。本文給出了數(shù)字化焊接電源的設計思想，詳細介紹了軟開

2、關弧焊逆變電源數(shù)字控制系統(tǒng)的設計。針對硬開關逆變電源的不足，我們設計了以為核心的軟開關脈寬調制電路；控制系統(tǒng)以美國公司專為電機控制而設計的為控制核心，設計出完整的控制系統(tǒng)硬件和軟件；對系統(tǒng)進行了可靠的軟、硬件抗干擾設計。對系統(tǒng)的調試表明，硬件完全達到了功能要求。針對短路過渡減小飛濺、提高穩(wěn)定性的要求，提出了將電流波形分短路階段和燃弧階段分別加以控制的波控方式。短路階段首先保持小電流一一定時間、然后電流快速上升至一定電流后電流較慢上升至最大值，促進熔滴平穩(wěn)過渡；燃弧階段采用大電流加小電流的恒流特性控制方法實施控制，大電流階段形成熔滴，小電流階段維持電弧穩(wěn)定。論文中設計了相應的電流波控軟件。關鍵詞

3、：弧焊逆變電源：軟開關技術；數(shù)字信號處理器（）；波形控制，一，卜，：，華南理工大學學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指爭下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名：穿輯拇日期：刪年占月辟日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權華南理工大學可以將本學位論

4、文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。保密口，在年解密后適用本授權書。本學位論文屬于不保密囪。（請在以上相應方框內打“”）作者簽名導師簽名毒釉從一物緲，日期：刃講年月勺日日期：腫年石月，牛同第一章緒論第一章緒論本課題的學術背景與實際意義逆變焊接電源具有節(jié)能省材、輕巧靈便、性能良好、效率和功率因數(shù)都高的特點，已成為我國大力提倡的換代產(chǎn)品。目前，逆變弧焊電源多采用硬開關電路，但因其開關損耗大，降低了電路效率，甚至使電路不能正常工作，軟開關的出現(xiàn)可使功率器件在零電壓和零電流下自然開通或關斷，從本質上克服了硬開關電路的缺點，較大程度的解決了功

5、率器件開關損耗過大的問題，并降低了功率器件的和，減少了電磁干擾（）和射頻干擾（），減少了變換器重量，減少了電路中變壓器、電感、電容的體積，降低了輸出紋波，提高了功率密度，增強了系統(tǒng)的動態(tài)特性。近年來，國外和國內科研人員對軟開關電路拓撲結構以及控制技術等進行了廣泛的探討和深入的研究。產(chǎn)生了一系列很有應用前景的變換電路。從而展示了軟開關技術在逆變器中應用的廣泛前景，代表了當今逆變技術的發(fā)展方向。這些技術的進一步完善發(fā)展和實用化，都將為實現(xiàn)較理想的高功率密度、低開關損耗、低電磁干擾和噪聲以及良好動態(tài)品質的逆變器打下堅實的基礎。單片機控制弧焊逆變電源是弧焊逆變電源數(shù)字化控制中一個重要的發(fā)展階段。在單片

6、機控制系統(tǒng)中單片機主要完成了控制信號的給定功能以及焊機的總體管理。單片機雖然在控制系統(tǒng)中僅僅完成了信號的給定，但是已經(jīng)使得弧焊逆變電源在實現(xiàn)焊接工藝控制時，如波形控制等，獲得極大的靈活性。例如可以通過單片機給出多種斜率、不同幅值的短路電流波形，使得焊接的工藝效果在不同的電流范圍內都能接近于最佳。同時，在單片機控制的弧焊逆變電源中，我們注意到它的控制核心控制器和控制電路通常都是由模擬元件構成?？刂破饕赃\算放大器為核心，控制電路多采用和。利用單片機進行弧焊逆變電源的控制雖然在信號的給定部分實現(xiàn)了數(shù)字化，但是受到單片機自身處理能力的限制，電源的控制器和仍然采用了模擬電路【。因此，數(shù)字化的特點在單片機

7、控制的弧焊逆變電源中并沒有得到充分體現(xiàn)。同時單片機也有抗干擾能力差、集成度不高、運算量華南理工大學工學碩士學位論文小、實時性和精度較差等限制。近年來隨著微電子技術的迅速發(fā)展和數(shù)字信號處理理論與技術的不斷完善，數(shù)字信號處理器（，即）得到廣泛的普及和應用。強大的數(shù)據(jù)能力和高運行速度為弧焊逆變電源的數(shù)字化控制注入了新的生機，特別是、等公司相繼研制成功了以為內核的集成控制芯片，為弧焊逆變電源控制系統(tǒng)的全數(shù)字化提供了必要的硬件和軟件基礎。圖給出了數(shù)字化焊接電源系統(tǒng)功能示意圖【。圖數(shù)字化焊接電源系統(tǒng)功能示意圖研究和發(fā)展弧焊逆變電源的數(shù)字化控制技術意義重大。現(xiàn)在焊機的數(shù)字化還處于剛剛起步階段，但是由于數(shù)字系

8、統(tǒng)本身具有的優(yōu)勢以及總結現(xiàn)有的數(shù)字化焊機的特點。數(shù)字化焊機的優(yōu)勢是十分明顯的。從焊機的工藝效果看，數(shù)字化焊機由于控制策略調整靈活、控制精度高以及控制參數(shù)穩(wěn)定性好，數(shù)字化焊機具有更好的工藝穩(wěn)定性和更好的工藝效果。同時，數(shù)字化焊機方便的通訊接口功能為現(xiàn)代化的網(wǎng)絡化生產(chǎn)提供了良好的硬件基礎。從弧焊工藝研究的角度，數(shù)字化焊機為實施創(chuàng)新性的工藝控制策略和實現(xiàn)多功能提供了全新的途徑。數(shù)字化焊機的在線控制程序升級將發(fā)揮作用，為新控制策略的實施提供方便、快捷的途徑。該課題涉及數(shù)字新信號處理技術、單片機技術、電力電子技術、智第一蕈緒論能控制技術等多個領域，對該課題的研究與開發(fā)，必將促進這些領域的交叉融合，有利于

9、形成一個高新技術產(chǎn)業(yè)和擁有獨立自主的知識產(chǎn)權；同時可以促進數(shù)字信號處理技術、單片機技術、電力電子技術和智能控制技術的推廣應用。該控制系統(tǒng)的研究無論是從科學研究的先進性和前沿性上，還是從國民經(jīng)濟建設和國防建設上都有十分重要的意義，因此，本課題具有重大的學術價值和實用價值?；『改孀兗捌淇刂萍夹g研究的進展?；『改孀兤麟娐吠負涞难芯窟M展弧焊逆變器電路拓撲研究經(jīng)歷了脈寬調制硬開關電路、頻率調制諧振電路和脈寬調制軟開光電路等三個發(fā)展階段。脈寬調制硬開關電路脈寬調制硬開關電路出現(xiàn)于二十世紀五十年代，主要類型有全橋式、半橋式、雙晶體管單端下激式等三種【，。為了增大逆變器輸出功率，常常采用兩個逆變主電路并聯(lián)方式

10、。雙管正激式變換電路的突出優(yōu)點是既無直通的危險，又沒有變壓器偏磁、磁飽和問題，因此，可靠性高。但是存在功率變壓器磁芯利用率低且要求較大輸出濾波電感的缺點。半橋式、全橋式變換電路的優(yōu)點和缺點則與之相反。但是，人們逐漸發(fā)現(xiàn)，在脈寬調制硬開關電路中，由于功率器件存在開通時的電流沖擊和關斷時的電壓應力，因此，功率器件的工作安全性下降。而且，開通和關斷過程中產(chǎn)生可觀的能量損耗，降低了電源的能量轉換效率。另外，過高的電壓和電流變化率，不可避免地產(chǎn)生電磁干擾，在大功率硬開關弧焊逆變器中尤其嚴重。頻率調制諧振電路弧焊逆變器中采用頻率調制諧振電路的最初目的是為了解決半控器件晶閘管不能自動關斷的問題，這種電路采用

11、固定脈沖寬度、調節(jié)逆交頻率的方式，通過諧振換流，從而控制弧焊逆變器的輸出特性。半橋式頻率調制諧振電路廣泛應用于晶閘管弧焊逆變器【。華南理工大學工學碩士學位論文八十年代中期，頻率調制諧振技術進一步被用來克服上述脈寬調制硬開關變換電路的缺點。在采用全控型開關器件的弧焊逆變器中，應用電感電容網(wǎng)絡的諧振原理，迫使功率開關器件的電流或電壓按正弦規(guī)律變化，當電流或電壓過零時，使器件自然開通和自然關斷。因為解決了開關動態(tài)損耗、電流沖擊及電壓應力和電磁干擾等問題，頻率調制諧振也被應用于全控型開關器件構成的弧焊逆變器中。另一方面，由于既用諧振換流，又用諧振傳遞功率，頻率調制諧振變換技術不可避免的帶來以下新問題：

12、對負載變化的適應性較差，控制比較復雜。功率器件的導通損耗、電壓或電流應力變高，器件容量需要更大。開關頻率大范圍變化導致濾波器、變壓器難以優(yōu)化。頻率調制諧振電路拓撲在弧焊逆變器中的成功應用，曾經(jīng)極大的推動了弧焊逆變技術的發(fā)展。但是，隨著等新型開關器件的大量商品化，尤其是脈寬調制軟開關技術的逐漸成熟，頻率調制諧振電路拓撲的應用范圍將逐步縮小。脈寬調制軟開關電路脈寬調制軟開關電路的基本特點以及分類八十年代末期，脈寬調制軟開關電路拓撲的問世，推動了大功率逆變技術的研究與應用水平又上了一個新的臺階。該電路巧妙地將脈寬調制硬開關電路和頻率調制諧振電路的優(yōu)點集于一身，同時又克服了兩者的缺點，。在基本全橋式軟

13、開關電路中，領先橋臂是利用輸出濾波電感中的能量限制實現(xiàn)零電壓轉換的，軟開關范圍很寬。而滯后橋臂換流時，變壓器次邊正處于短路續(xù)流狀態(tài)，滯后橋臂只能利用變壓器漏感中的能量，它的軟開關范圍窄。近年來，針對基本全橋軟開關電路中滯后橋臂軟開關范圍較窄、占空比損失較大、整流二極管電壓振蕩、初級有換流損耗等方面存在的問題，眾多專家爭先致力于進一步的深入研究，取得了許多重要的進展。脈寬調制軟開關電路的基本特征是，僅在短暫的功率器件換流期問，應用諧振原理，實現(xiàn)零電壓或零電流自然導通和自然關斷，而在其它大部分時間采用恒頻脈寬調制方式，完成對電源輸出電壓或電流的控制。它的本質是將器件換流過程和能量轉換、控制過程分時

14、加以區(qū)別處理。根據(jù)開關波形的特征，全橋式軟開關電路，可以分為和兩大類。所謂類型，就是領先橋臂、滯后橋臂均實現(xiàn)零電壓開關；類型就是領先橋臂實現(xiàn)零電壓開關，滯后橋臂實現(xiàn)零電流開關。改進全橋式軟開關電路的技術關鍵是，以盡可能簡潔的結構，在負第一章緒論載小和輸入電壓高的時候，保證滯后橋臂的換流能量不短缺；在負載大和輸入電壓低時，保證換流能量又不嚴重過剩。如果換流能量不足，則必然失去零電壓軟開關條件；如果換流能量嚴重過剩，則終將導致開關管電流應力大大增加。在移項控制的全橋軟開關電路中，領先橋臂的工作機理與基本全橋軟開關電路是相同的。滯后橋臂實現(xiàn)零電流的技術關鍵是，續(xù)流器件必須在變壓器漏感上加一個足夠高的

15、反電壓，使原邊電流降到零，并且維持零電流到續(xù)流器件結束。移項控制專業(yè)芯片是公司新推出的相移式控制。與傳統(tǒng)的相比，該具有控制、譯碼、保護和驅動等功能。通過相移控制全橋變換器，該大大地簡化了設計步聚，縮小了印刷電路板的體積，并節(jié)省了調試時間。是一種能進行相位調制的集成芯片，通過移相的開關方式改變半橋電路驅動脈沖電壓，來控制全橋逆變器的開關管。普通集成芯片（如）構成電源的開關頻率與開關損耗成正函數(shù)關系，即其開關頻率越高效率越低，而可在恒頻脈寬調制時結合諧振過程實現(xiàn)高效率高性能的零電壓開關，因而由其構成的全橋電路使開關電源智能化向前跨了一大步。弧焊逆變器脈寬調制控制技術的研究進展糍嬲麓饋圖模擬控制弧焊

16、逆變電源的控制框圖傳統(tǒng)控制系統(tǒng)如圖所示【。它的輸出反饋檢測量一般為輸出電壓，輸出電流或兩者的綜合。參考電壓與檢測電路輸出的差值就產(chǎn)生誤差信號，再經(jīng)誤差調節(jié)而獲得控制信號。通常，弧焊逆變器的誤差調節(jié)采用華南理工人學工學碩士學位論文比例積分（）控制方法，從而使系統(tǒng)獲得比較好的穩(wěn)態(tài)精度和抗高頻干擾能力。傳統(tǒng)的弧焊逆變器的控制電路是將一個頻率和幅值恒定的三角波跟誤差調節(jié)電信號進行比較。因此，被調制脈沖的寬度和誤差調節(jié)電路的輸出信號成比。也就是說傳統(tǒng)弧焊逆變器的脈寬調節(jié)環(huán)節(jié)是一個非常簡單的單變量輸入一單變量輸出的比例環(huán)節(jié)，導通比僅僅取決于誤差調節(jié)電路的輸出信號【】。模擬控制系統(tǒng)最大的缺點是進行復雜處理的

17、能力有限，元器件數(shù)量多，并且控制系統(tǒng)的參數(shù)由電阻、電容等分立元件的參數(shù)決定，控制系統(tǒng)的調試復雜，靈活性差；同時電阻、電容的參數(shù)分布影響控制系統(tǒng)的一致性，參數(shù)的穩(wěn)定性差，如溫度漂移影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。目前已很少采用。隨著微機技術的不斷發(fā)展，單片機在逆變焊接電源控制中的作用也越來越大，單片機主要完成了控制信號的給定功能和焊機的整體管理，它可以通過對焊接電流焊接電壓的檢測來對焊接過程電源輸出做出快速的反應和控制。再加上單片機系統(tǒng)本身所具有的數(shù)據(jù)處理能力和邏輯判斷能力使得多功能焊接、智能化焊接成為可能。單片機控制的弧焊電源有許多優(yōu)點：它可以簡化硬件控制電路，改善系統(tǒng)的可靠性；軟件設計靈活，容易實現(xiàn)一

18、機多用，并可方便的加以修改和更新以適應焊接工藝的要求；且可以存儲大量的相關信息?？裳杆僬{用，以適應復雜的焊接過程，易實現(xiàn)實時焊接過程控制，監(jiān)控和診斷工作。國外，相當一部分的弧焊電源的控制部分是由單片機系統(tǒng)來實現(xiàn)的。在國內，華南理工大學、北京工業(yè)大學、上海交通大學等高等院校在這方面的研究也取得了較大的成果。但是我們注意到，單片機控制的弧焊逆變電源中，由于運算速度和存儲能力的限制。數(shù)字化的優(yōu)勢并沒有在單片機控制的焊接逆變電源中完全得到體現(xiàn)。近年來，隨著數(shù)字化技術的成熟和焊接電源本身控制要求的提高，越來越多的研究者對數(shù)字信號處理器（）在焊接中的應用產(chǎn)生了極大的興趣。數(shù)字化焊接電源實現(xiàn)了柔性化控制和多

19、功能集成，具有精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定性好、產(chǎn)品一致性好、功能升級方便等優(yōu)點。如公司的系列產(chǎn)品在一臺焊接上實現(xiàn)了、和手工電弧焊等多種焊接方法，可存儲近個焊接程序，實時顯示規(guī)范參數(shù)，通過單旋鈕以及按鍵給定焊接規(guī)范參數(shù)和電流波形參數(shù)，可以實現(xiàn)熔滴過渡和弧長變化的精確控制。同時，此類焊接電源還町以通過網(wǎng)絡進行工藝管理和控制軟件升級。在國內，焊機數(shù)字化研究起步較晚。北京工業(yè)大學，華南理工大學，時代焊接公司在這方面走在了研究的前列。華南理工大學首次將應用于電阻焊電第一章緒論源的控制上。在年北京埃森國際焊接展覽會上，北京時代焊接有限公司推出了型號為的全數(shù)字脈沖氬弧焊機。該焊機采用了，模糊控制，波形控制以及自適應控

20、制等多種控制方案，取得了很好的焊接效果。圖數(shù)字化焊接的控制系統(tǒng)框圖絕大多數(shù)的數(shù)字化焊接電源都是采用的和單片機的雙機系統(tǒng)，如圖所示。以便充分發(fā)揮運算能力強和單片機邏輯能力強的優(yōu)點。但是隨著技術的不斷發(fā)展，先進芯片的邏輯運算能力越來越強，完全可以取代單片機在數(shù)字化焊接電源中的作用，加之雙機系統(tǒng)在設計過程中具有復雜性高。穩(wěn)定性難以保證的缺點。我們設計出一種完全以為控制核心的軟開關逆變焊接電源，其控制系統(tǒng)圖所示。在實際運行過程中，電流，電壓以及各種給定的參數(shù)由控制面板輸入，交由送給顯示。電流、電壓的反饋信號經(jīng)過前置放大電路的處理送給，與給定的參數(shù)值進行比較。根據(jù)比較的結果。控制核心將輸出合適的信號值給

21、以為核心的脈寬調制與驅動電路。從而實現(xiàn)整個軟開關逆變電路的運行。逆變：焊接電源波控技術的發(fā)展與現(xiàn)狀從分析焊熔滴短路過渡和飛濺的產(chǎn)生機理知道，縮頸的順利進行需要較大的短路電流，而液橋爆斷時對飛濺的抑制又需要短路電流小傳統(tǒng)上采用的主回路串聯(lián)電抗器限制及。的方式難以兼顧短路過程華南理：大學學碩士學位論文這兩個階段對電流大小的需求，因此只能一定程度上減小飛濺但不能實現(xiàn)少飛濺甚至無飛濺焊接。隨著逆變技術和對飛濺機理認識的不斷深入，具有分時控制特點的波形控制法便應運而生了。人們已經(jīng)認識到必須在熔滴過渡的不同時刻迅速進行相應的控制，滿足過渡熔滴的受力和受熱的不同要求，這樣才能既保證穩(wěn)定的熔滴過渡過程又可以最

22、大程度地減小飛濺。即在縮頸形成過程，提高電流上升速度，促進縮頸形成：而在短路過渡后期，降低電流，使液橋爆破在低的爆炸能量下完成，獲得無飛濺的短路過渡過程。電流波形控制法便可以達到這一控制要求。尤其是弧焊逆變器的應用為波形控制法又增添了新的活力，使波控法的實現(xiàn)更加容易。目前波控研究主要有以下兩個方面的趨勢【】：控制的微機化和智能化焊接過程本身是一個非常復雜的物理和化學過程，影響焊接質量的因素很多。而且精細的波形控制方法在大大提高了對熔滴過渡的控制能力的同時，也帶來了可控參數(shù)的增多如日本日立公司的電流波形控制電源，可控參數(shù)多達個，若全部用硬件來完成，則控制電路會很復雜。這不但影響了系統(tǒng)的可靠性，而

23、且使參數(shù)的調整和控制極不靈活。為此有更多的學者開始了弧焊電源的電流波形微機控制的研究。國內這方面研究較早的是蔣立培教授等人采用機對常規(guī)焊電流波形的局部削波控制。隨著微機技術的進一步發(fā)展，越來越多的微機控制方法被運用到波控中，而且由于逆變電源的出現(xiàn)以及一些控制方法研究取得的進展，使得焊接電源智能化的趨向也越來越明顯。日本松下公司推出的第二代機器人用智能型弧焊逆變器能自動識別焊接電流變化時焊絲伸長的變化量，利用模糊邏輯，建立焊縫寬度或熔深與送絲速度、輸出電壓的關系，穩(wěn)定焊接質量，同時該機還配有專家系統(tǒng)，存儲萬種電流波形，以實現(xiàn)高質量的焊接。國內天津大學趙舉東等采用自適應模糊控制對脈沖焊的熔滴過渡進

24、行實時控制。西安交通大學的王雅生等采用單片機為核心研制的模糊控制系統(tǒng)對：焊的短路過渡進行一元化調節(jié)，提出了一種靠穩(wěn)定電弧電壓來控制焊短路過渡頻率的新思路。天津大學的吳愛國等提出焊電源的雙模糊控制方法。分別對電弧電壓和電弧電流進行控制，使焊的飛濺率減少。清華大學韓贊東等以燃弧大電流時間為控制量設計的模糊控制器通過對焊熔滴過渡頻率的控制達到穩(wěn)定焊接過程的目的【?！?。控制精細化隨著對短路過渡過程研究的深入，人們對熔滴短路過渡控制的能力第一章緒論已經(jīng)愈來愈強了。波控法經(jīng)歷了由粗糙控制到精細控制的過程，而控制效果隨之增強，焊接工藝性能得到了改善，】。這方面有代表性的是美國林肯公司的表面張力過渡電源（即電

25、源）。此電源將短路過渡過程細分為：液橋形成段、縮頸段、液橋爆斷段、重燃弧段、穩(wěn)定燃燒段、，一一一。？圖電源焊接電壓電流波形圖燃弧后期段等六個階段加以控制，由圖所示。由此得出少飛濺甚至無飛濺，煙塵少的焊接，焊縫成形美觀。本論文研究的技術方案及主要內容本論文的技術方案針對目前弧焊逆變軟開關電路控制研究中所存在的問題以及逆變電源的特點，首先要進行技術方案的合理選擇。采用逆變電源作為基本工作平臺；選擇作為軟開關脈寬調制的器件；以系統(tǒng)的電流波形控制為控制系統(tǒng)的核心；對弧焊電源的具體特點，有針對性的對其進行波形控制。，本論文研究的擬解決的關鍵問題根據(jù)弧焊逆變軟開關電源的要求，本論文研究擬解決的關鍵問題有軟

26、開關逆變電路的選擇與實現(xiàn)華南理工大學工學碩十學位論文對短路過渡過程中波形控制參數(shù)的設定：電流電壓反饋信號的采樣、放大和運算；控制系統(tǒng)的設計；穩(wěn)定性和可靠性的設計。本論文研究的主要內容對弧焊軟開關逆變電源做深入研究，探索逆變電源逆變過程各部件的運行情況；對組成的控制系統(tǒng)進行研究，將此方案運用于弧焊逆變電源的控制上，以實現(xiàn)弧焊逆變電源的數(shù)字化控制。設計該方案的硬件系統(tǒng)；對波形控制方法進行研究，重點研究波形控制過程中的波形控制參數(shù)，設計該控制方案的軟件系統(tǒng)；對控制系統(tǒng)進行初步試驗研究，聯(lián)機調試，對系統(tǒng)的各項功能進行測試。第二章數(shù)字化焊機的總體設計方案第二章數(shù)字化焊機的總體設計方案數(shù)字化焊機的特點數(shù)字

27、化焊機在國內的研究剛剛起步，但是由于數(shù)字系統(tǒng)本身具有的優(yōu)勢以及總結現(xiàn)有的數(shù)字化焊機的特點，數(shù)字化焊機的優(yōu)勢已初見端倪，大致可以歸納為以下點：數(shù)字化焊機實現(xiàn)了柔性化控制和多功能集成。系統(tǒng)的控制策略通過軟件的方式加以實現(xiàn)（以軟代硬），系統(tǒng)的控制是柔性的，利于進行控制系統(tǒng)的優(yōu)化設計與多功能集成。控制精度高。數(shù)字系統(tǒng)的控制精度取決于系統(tǒng)的位數(shù)。以一個位系統(tǒng)來說，它的精度可以達到。隨著系統(tǒng)位數(shù)的增加，如位、位，系統(tǒng)的控制精度還將進一步提高。穩(wěn)定性好。系統(tǒng)以數(shù)字處理為基礎，受環(huán)境溫度以及噪聲的影響較小、可靠性高。產(chǎn)品的一致性好。模擬系統(tǒng)的性能受元器件參數(shù)性能變化的影響比較大，而數(shù)字系統(tǒng)基本不受影響，因此數(shù)

28、字系統(tǒng)便于測試、調試和大規(guī)模生產(chǎn)。接口兼容性好。系統(tǒng)與其他的現(xiàn)代數(shù)字技術為基礎的系統(tǒng)或設備都是相互兼容的，與這樣的系統(tǒng)接口以實現(xiàn)某種功能要比模擬系統(tǒng)與這些系統(tǒng)接口容易得多。焊機功能升級方便。系統(tǒng)中的可編程芯片可使設計人員在開發(fā)過程中能靈活方便地對軟件進行修改和升級。圖是焊機的控制面板。由圖可以看出在一臺焊機上可以實現(xiàn)脈沖、直流、手弧焊、焊等多種工藝方法的不同材質，不同焊絲直徑的焊接功能，多功能性可見一斑，同時，參數(shù)的給定旋鈕只有一個，給操作者帶來了極大的方便，及其操作界面是友好的。友好的操作界面不僅僅給我們帶來的是操作上的方便，由于現(xiàn)在焊機的發(fā)展趨勢是數(shù)字化和智能化，所以操作界面的多功能對于焊

29、機的數(shù)字化和智能化的能力也是一個有力的體現(xiàn)。從這一點上來說，國外的研究要遠遠走在國內研究的前面【。華南理工人學工學碩十學位論文圖焊機的控制面板數(shù)字化焊機的總體構想近一些年以來，國內外弧焊機的發(fā)展標志是在逆變電源的基礎上，引入微處理器實時控制，實現(xiàn)焊接多功能和智能化。隨著單片機以及數(shù)字技術的不斷發(fā)展，焊機中采用的微控制器的級別也越來越高。但是，直到現(xiàn)在，弧焊電源中出現(xiàn)的諸如飛濺、開關管功率損耗等問題仍然沒有得到很好的解決。鑒于軟開關逆變數(shù)字化焊接電源所具備的一些優(yōu)點，我們所要研制的就是一臺能夠實現(xiàn)軟開關功能的數(shù)字化焊機。在整個設計中，焊機的主電路我們采用的是廣州同誠焊接設備有限公司提供的主電路模

30、式，并加以改進。其中用于逆變的開關管采用大功率的，的型號是德國西門康公司的。焊機的控制部分采用公司專為電機控制而推出的控制芯片。軟開關部分同樣采用了公司的移項控制芯片。采用軟開關加適當?shù)牟ㄐ慰刂剖菫榱藢崿F(xiàn)焊接過程的平穩(wěn)、優(yōu)化和低飛濺、低功耗。其余部分自行設計制作。數(shù)字化焊機的主回路以及控制電路設計數(shù)字化焊機的主電路設計逆交焊接電源的主電路形式主要有三種單端下激、半橋和全橋。其中全橋逆變方式適用于大功率的場合，但其電路結構復雜，對元器件的選擇、制作工藝要求以及變壓器的溫升設計和偏磁等設計提出了更高的要求。我校從年代開始研制逆變電源，并在國內率先研制出第二章數(shù)字化焊機的總體設計方案弧焊逆變器，于年

31、研制出弧焊逆變器，同時對弧焊逆變器進行了故期的產(chǎn)品嘗試，對其設計及制作都積累了豐富的經(jīng)驗。本課題在此基礎上，采用全橋逆變作為主電路形式。整個電路原理圖如所示。為抑制環(huán)流電容，為變壓器回路等效漏感，為飽和電感，為變壓器。其工作原理如下：交流經(jīng)整流濾波后成低紋波的直流電壓，然后提供給由和變壓器組成的逆變器：、和、由控制電路提供驅動波形而交替導通，在經(jīng)過變壓器，在變壓器的次級得到交變的電壓；然后由整流管組成的整流電路整流成直流電。經(jīng)輸出電抗器濾波提供給負載使用【。圖軟開關逆變電路原理圖控制電路的設計電路一方面給開關管提供脈沖波形，另一方面是接收系統(tǒng)的信號進行脈寬調制?？刂齐娐愤€設有故障保護、軟啟動、

32、死區(qū)時問控制等功能，在本課題中采用做控制，下面是對它的說明。移項控制芯片從總體結構上可以劃分為三個部分：脈寬調制信號發(fā)生電路：它由振蕩器、誤差放大器、比較器和鎖存器等單元組成。振蕩器的頻率決定于外接定時電阻和定時電容。在實際設計時，可以先根據(jù)芯片應用手冊推薦的數(shù)據(jù)選擇定時電容。比較器和鎖存器的功能是形成工作頻率等于振蕩器頻率并且脈沖寬度被調制的內部數(shù)字信號；移項驅動指令形成電路：它由分頻觸發(fā)器、邏輯門電路和死區(qū)時間設置電路構成，是整個控制芯片的核心部分。振蕩器產(chǎn)生的時鐘信號經(jīng)過觸發(fā)器分頻后，從觸發(fā)器的輸出端得到兩個華南理工大學：學碩士學位論文度互補的方波信號，在經(jīng)過死區(qū)時間設置電路而從和兩端輸

33、出；工作電源及保護等輔助電路：的工作電源有兩個，其中供給內部控制電路用，它對應于信號地；供給輸出極用，它對應于電源地。這兩個工作電源應分別接相應的高頻濾波電容和解耦電容，而且，信號地和電源地應該單點連接以減小共地阻抗導致的干擾。圖給出了它的內部結構示意圖。創(chuàng)竹時麓自群椿“一一糟圖的內部結構圖圖。是常用的外圍電路接法。用戶可通過腳來選定欠壓鎖定電平，一般情況下，可預先確定兩個門限。若腳懸空，當腳電源電壓超過時，芯片啟動。當腳按腳時，工作啟動電壓為。當輸入電壓低于時，進入欠壓鎖定狀態(tài)，與選定的啟動電壓無關。門限電平反映出兩個最常用的輔助電源產(chǎn)生模式：自舉或離線。同步振蕩器的工作頻率由兩個外部元件決

34、定。腳和地之間的電阻決定定時電容的充電電流，而放電電流被內部固定在。當多個一起使用時，同步時鐘信號可由其中的一個產(chǎn)生，也可由外部的時鐘信號提供，但此時所有的腳要連在一起，并且每第二章數(shù)字化焊機的總體設計方案個的腳到地之間應接一個電阻，以保證時鐘脈沖邊沿的齊整。誤差放大器增益帶寬。誤差放大器的正輸入內接，的基準。放大器的反相輸入（和輸出（）也可用于反饋和補償。誤差放大器的輸出用于控制高速電路。軟啟動由接在腳和地之間的電容完成。軟啟動時，誤差放大器的啟動輸出被箝位至電容電壓，該電壓緩慢地從零升至。故障保護由兩個獨立的電流限制電路完成，在輸入腳，該電路允許最大電流取樣信號范圍是。在電壓型或電流型工作

35、狀態(tài)下，保護電路可實現(xiàn)逐周和關斷型限流保護。腳的瞬時電壓低于門限時，故障保護電路不起作用，直到腳的電壓超過，這時輸出脈沖被終止。這是第一級保護電路，它可避免初級半導體承受源源不斷的電流沖擊。但是，該保護方法對于嚴重的過載情況并非完全奏效。因此，還設計有二級保護電路。當腳的電流取樣信號瞬間超過最大門限時，進行一次全周期的軟啟動，以避免器件產(chǎn)生嚴重損壞。若過載條件得不到改變，器件會進入中斷模式，這樣可避免元件平均功耗過高，導致元件損壞。的四個推挽式輸出中單路的峰值驅動電流為，這些輸出可用于驅動外部門極驅動電路。為了進一步減小傳輸給模擬電路的噪聲，輸出部分有自己的集電極電源和地線。腳和腳用于設定輸出

36、驅動命令和開始工作之間的時間延遲】。圖常用的外圍電路接法控制板上的電源的設計電路板上的電源穩(wěn)定與否是關系到整個電路板能不能正確工作的重華南理工大學工學碩士學位論文要因素之一。所以驅動板和前置放大電路板上必須需要穩(wěn)定的直流電源，我們通常在設計中采用如下的措施：首先將變壓器輸出的交流電經(jīng)整流橋整流，整流往往采用集成的整流器件，根據(jù)電路中的電流和電壓選擇合適的型號，經(jīng)過整流后得到的直流電必須經(jīng)過電容濾波，再接入穩(wěn)壓芯片進行穩(wěn)壓，最后得到多需要的穩(wěn)定的直流電壓?？梢愿鶕?jù)所要得到的直流電壓的大小來選擇穩(wěn)壓電源器件。例如在我們的設計中用到的穩(wěn)壓芯片有、和。圖給出了板和前置放大電路板上的電源設計電路。圖控制

37、電路板電源設計電路控制系統(tǒng)的設計焊接過程信息數(shù)字信號處理的控制思想焊接過程信息的多樣性和不確定性焊機控制的最終目的是獲得優(yōu)質的焊縫，與其他加工工藝相比焊接過程由于控制參數(shù)的交互作用以及模型的不確定性，往往很難精確地描述焊接過程，使得焊縫很難達到一致性，焊接過程穩(wěn)定性較差。傳統(tǒng)的焊接控制方法是通過試驗來確定焊接工藝參數(shù)，然后在生產(chǎn)中限制這些工藝參數(shù)變化在一定范圍內來保證焊接質量。但實際焊接過程具有信息量大、信息變化速度快，而且易受外界干擾的特點，存在很大的不確定性，造成焊接過程的不穩(wěn)定。為使控制系統(tǒng)能夠適應外界干擾，保證焊接過程穩(wěn)定而生產(chǎn)出較好的焊縫，關鍵問題是如何正確、迅速檢測表征焊接過程穩(wěn)定

38、性的信號，并能夠采用一定的信號處理算法進行實時控制。我們可以通過分析電弧傳感器的焊接電流、電弧電壓信號來評價引弧質量、電弧的穩(wěn)定性、氣體流量的穩(wěn)定性、送絲的穩(wěn)定性、焊槍與工件的第二章數(shù)字化焊機的總體設計方案距離變化、裝配間隙的變化、焊絲的對中以及導電嘴的磨損狀況等問題。焊接過程信息的實時提取與處理為了能夠保證焊接過程的穩(wěn)定和達到良好的焊接工藝性能，就必須對焊接過程信息進行實時的提取與處理，形成閉環(huán)系統(tǒng)進行實時控制。這就要求控制系統(tǒng)有足夠的速度、反應精度和靈敏性，而采用高速、高運算量的芯片正好適應了這一迫切的需求。實現(xiàn)這種信息化控制關鍵是信息的實時采集和信息的實時處理方法等方面問題的解決。信號處

39、理的實質是對信號進行提取，目的是獲取信號中包含的有用信息，采用如中值濾波等數(shù)字信號處理方法。實時信號處理就是必須在有限的時間內對外面輸入信號完成指定的處理，即要求信號處理的速度必須大于或等于輸入信號的更新速度。，以為基的。短路過渡焊接過程信息化控制系統(tǒng)由于短路過渡氣保護焊的焊接電流和電弧電壓蘊藏著豐富的電弧穩(wěn)定性和熔滴過渡等信息。若能采用一定的數(shù)字信號處理方法實時采集、提取與它有關的特征信息，從而有望實現(xiàn)：短路過渡焊接的信息化控制。近年來隨著數(shù)字技術的發(fā)展，大大促進了信息技術的發(fā)展，短路過渡焊接中已出現(xiàn)了關于如何從焊接電流、電壓波形中提取短路過渡的特征信息以及如何利用這一特征信息來評估短路過渡

40、焊接的穩(wěn)定性、飛濺、焊縫成形等質量問題的研究。但是這些。研究都是建立在通用計算機用軟件編程來實現(xiàn)特征信息的提取，一般是在焊接過程采集信息，焊后獨立分析。因此，它的實時性差，不能實現(xiàn)對焊接過程的實時控制，它只是一種分析評價系統(tǒng)?，F(xiàn)在我們提出用數(shù)字信號處理芯片（）來實現(xiàn)實時提取短路過渡焊接的特征信息，建立一個以為基的短路過渡焊接過程信息化控制系統(tǒng)，利用的高速、大運算量的特點，實現(xiàn)焊機的信息化控制的控制思想【?？刂葡到y(tǒng)的各個部分的選擇與設計弧焊的焊縫成形差以及飛濺大的缺點阻礙了其在實際中的應用，要改善其焊接性能必須對焊接熔滴過渡過程進行良好的控制。焊的短路華南理工大學工學碩士學位論文過渡是一個時變的

41、、非線形并有很強干擾的過程，要對焊接電壓、焊接電流進行監(jiān)測和控制，就要求控制系統(tǒng)反應速度快，系統(tǒng)町靠性好，功能強。而由于系統(tǒng)具有以上特點，同時由于它還有很強的數(shù)據(jù)處理以及邏輯判斷能力和可編程的特點，使系統(tǒng)可以在不改變系統(tǒng)的硬件結構的情況下實現(xiàn)多功能的焊接，控制方法靈活多變，易于實現(xiàn)智能控制。因此對于焊的短路過渡過程町以實現(xiàn)實時控制以達到最好的摔制效果。對于波控焊的系統(tǒng)設計時必須考慮的兩個問題：速度和可靠性【】。本系統(tǒng)主要用于檢測焊接過程的電流、電壓信號來進行判斷實際焊接過程是處于短路過渡階段還是處于燃弧階段，從而進行相應的控制，要求系統(tǒng)實時性、可靠性高以及抗干擾能力強。其結構示意圖如圖所示。廿

42、斗擰制系統(tǒng)圖系統(tǒng)的結構框圖本課題中采用了公司的數(shù)字信號處理芯片，這是一款專門為電機控制而設計的位微處理器。指令執(zhí)行速度高達，即單周期指令執(zhí)行時間為，具有雙位路轉換，轉換時間為，路比較輸出，個位通用定時器。該控制芯片集成有串行通信接口（），使之能夠與系統(tǒng)中的其他控制器進行異步通信（）對于要求額外通信接口的系統(tǒng)，還提供了一個位的同步串行外圍接（）；它還提供了通信模塊，且符合的規(guī)范要求。這些功能的引腳也可設置為通用口。×位的片內程序存儲器，×位片內數(shù)據(jù)、程序雙口。此芯片既有豐富的微控制器外設功能又有高性能的內核，兇此非常適合于數(shù)字信號處理場合的工業(yè)控制系統(tǒng)。由于時間的關系，我們并

43、沒有自己開發(fā)設計控制電路板，而是采用由北京聞亭公司提供的一整套板。該板的結第二章數(shù)字化焊機的總體設計方案構框圖如圖所示。因為要求供電，實驗板采用公司的電壓調節(jié)芯片把轉變成。板上配用了的晶振，電源接一片外和卜一圖?！恳唤右弧?，轉換板的結構框圖接收（），復位后，鎖相環(huán)時鐘模塊隱含值為，生成大約的時鐘輸出，鎖相環(huán)可編程到×的頻率，如此就生成了的輸出時鐘。圖集成開發(fā)環(huán)境的界面華南理工大學工學碩十學位論文顯示部分我們采用廣州銅燁電子有限公司研制的型。它主要由行驅動器列驅動器以及×全點陣液晶顯示器組成。可完成圖形顯示，也可以顯示×個漢字。它可以采用或者電源，這就使得與之間的連

44、接顯得方便，因為通常的口輸出的高電平為，不能直接連接供電的。有條輸入輸出線和條控制線。在本課題的應用中，我們只是對進行寫操作，并沒有進行讀操作。該款的寫操作時序如圖所示。圖的寫操作時序圖控制系統(tǒng)的軟件設計結合控制系統(tǒng)的硬件設計，根據(jù)整個焊機系統(tǒng)的技術設計要求和軟開關逆變焊微機波形控制焊接過程的自身特點。進行控制系統(tǒng)的軟件設計功能如下所述。具體的控制系統(tǒng)軟件總體框架圖見圖。主程序設計，系統(tǒng)上電后初始化，協(xié)調各功能程序的順利運行；焊接過程各功能程序：）引弧階段控制程序；（）短路階段控制程序；（燃弧階段控制程序；、算法程序以及數(shù)制轉換程序。控制核心系統(tǒng)同外設的接口程序：和轉換程序；和的接口程序；（和鍵盤的接口程序；塹三蘭鍪量絲堡墊墼篁篁堡蘭童童圖控制系統(tǒng)軟件總體框架圖軟件的編程通常有匯編語言和語言兩種方式，匯編語言編譯的效率高，但是呵移植性太差；語言的可移植性高，編程比較簡單，但是編譯的效率相對來說比較低。由于本課題中我們并沒有涉及代碼移植的問題，加上用匯編語言便于對硬件操作，我們選用了匯編語言。華南理一大學上學碩士學位論文本章小結本章詳細介紹了數(shù)字化弧焊電源的特點以及我們設計的軟開關數(shù)字化弧焊電源的總體構想，和各個部分硬件的選擇。在其中，詳細介紹了用于軟開關實現(xiàn)的移相控制芯片的內部結構以及外圍電路；以及數(shù)字信號處理