毕业设计论文数字化电焊机研究与设计管理资料.docx

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毕业设计论文数字化电焊机研究与设计管理资料

一、绪论

电焊机是一种利用电能产生热量使金属熔化从而实现焊接的设备。

常用的有电弧焊机和电阻焊机两种基本类型。

电阻焊机是将大电流通过被焊金属结合处，利用接触电阻产生热量将金属熔化，加压从而实现焊接；电弧焊机则是通过电弧产生热量熔化金属而实现焊接。

弧焊电源的焊接电弧是接在焊接电源上的两个电极（焊条或焊丝为一极，工件为另一极）之间产生的气体介质强烈放电现象。

在焊接过程中电弧及熔滴过渡具有很强的动态特性，易受干扰。

老式焊机熔滴短路过渡稳定性差、成形差、飞溅大，而反映在设备控制上，则是熔滴过渡可控性差等问题。

随着电力电子技术、智能控制技术、微电子技术的发展，为电子弧焊电源提供了广阔的发展空间，IGBT逆变电焊机就是目前发展最迅速、应用最广的焊接电源之一。

本文仅就CO2气体保护IGBT逆变半自动电弧焊机的数字化进行了研究与设计。

（一）问题的提出及主要研究工作

现代焊接设备的发展与电力电子技术的发展密切相关。

IGBT式逆变焊机出现于80年代末，主要应用于各种电弧焊和切割。

已小仅具有一高效节能、体积小、重量轻、多功能、多用途等优点，而且具有良好的动、静态特性和工艺特性。

因此受到广泛的重视，发展迅猛。

据国际焊接学会（IIW,InternationalInstituteofWelding）1993年11月所作的调查，逆变式焊机在日、美、欧等地使用的焊机中占17%，其中在气体保护焊和TIG焊中占30%以上。

到了1996年，日本日立公司的IGBT逆变焊机已占MIG/MAG焊机的70%，占TIG焊机的95%以上，占切割机的100%，日木松下和大阪变压器公司的逆变式焊机都超过50%。

以IGBT,MOSFET等为开关器件的弧焊逆变器，有一着广泛的应用前景，是当前国际焊接电源设各发展的主流和方向。

在我国逆变式焊机的研究工作始于80年代初，第一代是以SCR为主开关器件的弧焊逆变器，其逆变频率为2000-5000Hz。

第二代是以GTR或MOSFET为主开关器件的弧焊逆变器，其逆变频率为20kHz-50kHz。

第三代为IGBT弧焊逆变器，逆变频20KM—30KM。

随着电力电子技术、智能控制技术、微电子技术的发展，逆变焊机将朝着结构简单、易操作、易维修、适应性强、焊接性能稳定优良、高度自动化、通用化的方向发展。

目前一个重要的研究方向就是逆变焊机控制的数字化、智能化和傻瓜化。

一元化单旋钮调节功能也是一个重要的发展方向，即由一个旋钮对电弧电压、焊接电流和短路电流上升率等同时调节，达到最佳组合。

就我国的国情而言，对传统焊机的低成本改造和性能提升是非常有意义的。

波形控制是当前比较活跃的研究和发展方向之一。

它可通过控制短路过渡时的电流、电压波形，使熔滴顺利地进入熔池，从而减少飞溅，增加燃弧能量，改善焊缝成形。

另外，逆变技术也仍然是目前研究和发展的重要方向。

数字化焊机出现的比较晚，其中需要解决的主要问题有两方面:

其一是控制算法，虽然国内外关于气体保护焊的控制方法有很多研究，但是具体实现跟电源固有特性相关，不能直接参考，必须通过现场焊接试验总结摸索。

其二是数字化电焊机的硬件设计，包括数字控制系统的设计以及硬件系统的抗干扰设计和结构设计等。

国内有文献直接使用单片机实现电弧控制，但课题在最初采用的51单片机和196单片机方案的现场焊接过程中发现，单片机的处理速度满足小了电弧动态特性的要求，经过反复的试验和方案论证，最终选择了使用DSP进行控制算法运算。

焊接技术是一个多学科交叉结合的一个应用性技术。

首先研究分析了电弧特性，然后提出了自己的控制算法，对电焊机的电源主控电路、控制而板以及部分送丝机构进行了数字化设计和开发，在此基础上进行了现场焊接试验，对相关参数以及控制算法进行调整，最终基本实现了预期的目标。

主要研究工作如下:

1）电弧特性的研究分析及实践认识:

包括相关专业书籍阅读、模拟电焊机特性现场测试，现场焊接试验、波形分析等工作。

2）控制算法研究及软件实现:

通过对CO2气体保护焊的熔滴过渡过程的分析，在现场焊接试验中提出和完善了基于经典PID控制的CO2气体保护焊电源控制算法。

先后在单片机和DSP上编程实现。

3}电源主控电路设计:

电源主控电路的设计以及相应控制算法的研究实现是木课题的重点和难点，这一环节也是焊机直接数字化的核心部分。

4）基于51单片机的控制而板软硬件设计:

该部分使用51系列单片机设计实现了参数设定、工作方式选择、工作状态及工作电压、电流显示等的数字化。

5}送丝机构控制:

通过控制面板的送丝机构控制接口，直接山单片机控制输出送丝速度参考电压，山现有送丝机构控制电路实现对送速度的控制。

6）现场调试及控制参数整定:

现场调试贯穿课题设计的始终，从最初对焊机特性数据的采集，到电路设计的硬件性能检测、控制算法的修正以及控制参数的整定都必须进行现场焊接试验。

（二）本论文的目的与意义

数字化电焊机的研发将是电焊机行业未来发展的主流方向之一，随着更快速微处理器、数字信号处理器和更先进的智能控制算法的研究，未来的焊接设备将是数字化的世界。

因此，数字化电焊机的研究开发具有一举足轻重的作用。

目前，国内在技术水平上落后国外先进水平很多，只要我们共同努力，相信在焊接设各这个领域里而定能创造出领先世界的知名品牌。

同时真心希望能有更多的企业和高校联合，发挥各自的优势，为民族工业的复兴尽一份力!

二、数字化IGBT逆变焊机结构概述

IGBT逆变焊机主要由焊接电源、送丝机、焊枪等部件组成。

其中焊接电源部分是其中最主要的部件，也就是我们通常所说的电焊机。

从功能上来讲，焊接电源部分为焊接机构提供能量，其中包括，焊接能源，送丝机构能源等。

焊接电源质量性能的好坏，直接影响焊接质量。

图3-1为NB500系列IGBT逆变焊机的电源控制系统框图NB500系列逆变焊机通过调节阻容值来设定焊接参数（电压、电流等），然后和传感器反馈的电弧电压和电流作比较（模拟比较器），将偏差送给模拟PI运算器，运算出的结果作为PWM的输入，控制IGBT模块通断时间，从而实现对焊接过程的控制。

显然，使用模拟分离阻容器件构成的PI运算器灵活性差，一组参数小能适应所有一的焊接规范，难以实现全范围内的最优控制，目参数调节调整复杂困难，开发难度大。

在参数设定环节，也由于阻容值的离散性使得小能够准确设定焊接规范，不同焊机对同一组焊接规范设定量具有一相当的离散性，可靠性差。

在硬件方面，设计主要工作是将电源的主控部分采用数字电路控制替代原有一的模拟电路控制，对控制面板等电路进行数字化改造。

课题设计了以TI公司TMS320LF2407A数字信号处理器为检测控制核心，51单片机为面板控制等事务管理核心的IGBT逆变焊接数字化控制硬件系统，结构框图如图3-2所示。

在课题设计硬件中，按照功能将其分为电源主控电路设计、控制面板电路设计、送丝机构主控电路设计三个部分，其中基于DSP的电源主控电路设计是课题的重点和难点。

下面将分别加以介绍讨论。

三、数字化IGBT逆变焊机电源主控板设计

电源主控板对电源特性控制的性能，直接影响到焊接质量的好坏。

数字电源主控板的性能不仅决定于所采用的控制算法，也决定于包括对间接焊接质量信号的采样精度、速度，控制的实时性，以及控制精度、稳定性和抗干扰性等在内的硬件性能。

图3-3为IGBT逆变电源数字主控电路框图。

如图所示，电源主控板有DSP最不系统（含A/D功能）、信号调理/隔离、D/A、通信接口（RS232/RS485、行通信接口）、电源管理等几部分组成。

焊接电压和焊接电流通过传感器馈入信号调理通道，经过隔离、滤波、衰减/放大和限幅等处理后，送入DSP器件自带的A/D转换器，由程序控制ADC模块进行数据采集。

DSP按照预先设定的焊接规范及控制算法，对采集到的数据进行运算，产生相应的数字量控制输出，驱动D/A芯片输出模拟量控制电压，经信号调理/隔离后控制PWM输入，从而控制IGBT逆变电源的输出特性。

以焊接电压、电流等参数由控制面板通过行数据总线对DSP进行设置，它们之间采用八根数据线，四根握手信号线进行通信，其硬件电路由ACPLD辅助实现。

另外，电源主控板还设计了RS232/RS485接口用成下载、调试等功能。

（二）数字电源主控面板电源管理设计

电焊机是一个大功率设备，在焊接过程中焊机输出动态变化快，常常会干扰电网电压，造成电网电压波动，同时产生大量的电磁辐射干扰周围的电子设备。

电源主控板位于电焊机内，本板电源不可避免地受到了严重的干扰。

工作电源的稳定是系统稳定工作的前提，必须对本板电源进行抗干扰设计。

数字电源主控板是个多电源的系统。

其中DSP为3.3VCMOS电平，D/A以及本板同控制面板的接口数字电路均为5VTTL电平，此二者共用一个数字地GND;同时本板为模数混合信号板，对传感器输出的模拟信号调理电路采用士15V供电，为了避免传感器电源的纹波干扰，该传感器输出信号采用单独的模拟地FGND隔离,隔离后的信号调理部分模拟器件均采用士12V供电，模拟地为AGND,另外D/A转换器需要一个5V的模拟电源，为了减少数字电路电源对模拟电路的干扰，此处也分出了一个模拟的5V电平VCCA。

除DSP系统的3.3VCMOS电平外，其他的士15V、士12V,5V电源均来自电焊机内专门的电源模块。

在接入数字电源主控板后，分别对其进行滤波，以获得较为稳定的土作电平。

考虑到电焊机对电网造成的严重干扰，在设计中对每一组电源的输入端均采用了二型滤波电路。

如图3-4、图3-5所示。

为DSP供电的电源芯片为TPS73HD318，它是TI公司专门为TMS320系列DSP供电的电源管理芯片，它具有极低的压（DropoutVoltage<80mVmaxatIo=100mA，Io为输出电流）、低静态电流（LowQuiescentCurrent）、极低的睡眠状态电流（Ultra-Low-CurrentSleepState）、双低有效200ms复位脉输出、双，其中，调节器1输出，调节器2输出。

设计中仅用到了，其外围电路如图3-6所示。

图中，为DSP系统数字电源，为DSP自带A/D转换器等模拟部分供电电源，PLLVCCA为DSP内部锁相环工作供电电源。

将TPS73HD318的调节器2的复位输出POWERON_RESET信号与按键复位信号SWREST信号共同构成DSP芯片的复位输入（经过74LVC245缓冲）。

其中，POWERON_RESET信号直接接到D/A芯片的复位引脚作D/A上电复位用。

如图3-7所示。

（三）数字电源主控板DSP系统设计

数字信号处理（DigitalSignalProcessing，简称DSP）是基于TMS320C2xxDSP的CPU内核，程序代码与F243/F241/C242兼容，指令集与F240/C240兼容。

片内高达32K字的Flash程序存储器和字的数据/程序存储器，其中544字双口RAM（DRAM）和2K字的单口RAM（SRAM）。

片上Flash/ROM可编程代码安全保护。

外部存储器接口共192K字：

64K字程序存储器；64K字数据存储器；64K字I/O存储空间。

多路10bitA/D转换器，可选择为单16通道或双8通道，最不转换时间为375ns。

控制器局域网络（ControllerAreaNetwork简称CAN）模块。

串行通信接口（SerialCommunicationsInterface简称SCI）。

16bit串行外设接口模块（SerialPeripheralInterface简称SPI）。

双事件管理器模块EVA和EVB，每个包括：

两个16bit通用定时器；8个16bit脉宽调制（PWM）通道，可实现三相反向器控制；PWM对称和非对称波形；外部/PDPINTx引脚出现低电平时快速关闭PWM通道；可编程PWM死区控制，防止上下桥臂同时输出触发脉冲；3个捕获器等。

基于锁相环的时钟发生器。

40个独立可编程的复用的通用I/O管脚（GPIO）。

5个外部中断（电机驱动保护、复位、两个可屏蔽中断）。

电源管理包括3种低功耗模式，并可独立将外设器件转入低功耗模式TAG接口,且其开发环境CC（CodeComposer）支持C语言开发编程，界面友好，容易掌握和使用，可以大大缩短开发周期，因此本课题在确定DSP芯片的时候考虑采用了TI公司TMS320C2000系列芯片中的TMS320LF2407A。

其主要技术参数为：

●高性能静态CMOS技术，供电电压降为，减不了控制器的功耗40MIPS的执行速度（指令周期缩25ns），具有很高的实时控制能力。

●基于TMS320C2xxDSP的CPU内核，程序代码与F243/F241/C242兼容，指令集与F240/C240兼容。

●，其中544字双口RAM（DRAM）和2K字的单口RAM（SRAM）。

●片上Flash/ROM可编程代码安全保护。

●外部存储器接口共192K字：

64K字程序存储器；64K字数据存储器；64K字I/O存储空间。

●看门狗定时器模块（WDT）。

●多路10bitA/D转换器，可选择为单16通道或双8通道，最小转换时间为375ns。

●控制器局域网络（ControllerAreaNetwork简称CAN）。

●串行通信接口（SerialCommunicationsInterface简SCI）。

●基于锁相环的时钟发生器。

●40个独立可编程的复用的通用I/O管脚（GPIO）。

●5个外部中断（电机驱动保护、复位、两个可屏蔽中断）。

●电源管理包括3种低功耗模式，并可独立将外设入低功耗模式。

●JTAG接口。

其DSP电源主控板就是基于这款芯片设计开发的，晶振10MHz，经过芯片内部设定后，芯片工作在4×CLK模式下，即单指令执行速度40MIPS。

在DSP的硬件设计上需要注意的几点是：

1）为保证可靠性，中断输入脚需接上拉电阻（10K）。

2）适当选择锁相环滤波器引脚外接阻容值。

3）晶振尽量靠近主芯片，且选择精度高、稳定性好的有源晶振。

4）为调试方便，在初版设计时保留了外部SRAM电路。

5）对所有的输入信号有明确的处理，对不用的引脚根据要求接地或上拉

到电源，不能悬浮。

6）对DSP、片外程序存储器和数据存储器，，以滤除电源噪声。

另外，在DSP与片外程序存储器和数据存储器等关键部分最好铺地处理，以减少外界干扰。

7）片外程序存储器和数据存储器应尽量靠近DSP芯片放置，同时要合理布局，使数据线和地址线长短基本保持一致。

8）复位电路。

应同时设计上电复位电路和手动复位电路，在运行中出现故障时可方便地人工复位。

对于复位电路，一方面应确保复位低电平时间足够长，保证DSP可靠复位；另一方面应保证稳定性良好，防止DSP误复位。

DSP需通过JTAG接口下载并调试程序，JTAG接口电路如图3-9所示，设计中，EMU0和EMU1引脚需要接上拉电阻（10K）。

（四）数字电源主控板A/D转换及输入信号调理电路设计

1.TMS320LF2407A的模数转换模块

TMS320LF2407A是专门为控制系统设计的DSP芯片，它具有内置的模数转换模块。

如图3-10所示，该模块由输入模拟通道、采样保持器、10bit模数转换模块、排序器、ADC控制寄存器、转换结果寄存器等部分组成。

其主要特性如下：

●带采样和保持器（S/H）的10bit模数转换模块，最小转换时间375ns。

●16个模拟输入通道（ADCIN0～ADCIN15）。

●自动排序能力。

一次可执行最多16个通道的自动转换，每次要转换的通道由编程决定。

●两个独立的最多可选择8个模拟转换通道的排序器（SEQ1和SEQ2）可以独立工作在双排序器模式，或者级连后工作在一个可最多选择16个模拟转换通道的排序器模式。

●在给定排序方式下，4个排序控制器（CHSELSEQn）决定模拟通道转换顺序。

●多个触发源可以启动A/D转换：

软件立即启动，事件管理器EVA/EVB中的事件源，外部ADSOC引脚。

●灵活的中断控制允许在每一个或每隔一个序列结束时产生中断请求。

●内置校验模式。

●内置自测试模式。

当满量程电压FSR=，该ADC模块分辨力=≈V=。

该ADC模块的分辨力和数据转换速率（375ns）完全能够满足课题对焊接电压、电流的采样要求，且通过设置最大转换通道数寄存器（MAXCONV）和通道选择排序控制寄存器（CHSELSEn）可以控制ADC模块连续对焊接电压、电流进行n次采样，方便程序对采集到的数据进行数字滤波处理。

因此，课题在设计中没有用单独的A/D转换器芯片。

实时准确的检测间接焊接质量（电弧电压、电流等）是实现焊接过程稳定控制的前提。

在本课题中，电弧电压和焊接电流是焊接过程中主要的检测及控制对象。

它们分别通过弧压传感器和电流传感器馈入控制回路，经过信号调理后输入A/D转换器。

其中信号调理电路主要由隔离、滤波、衰减/放大和限幅电路构成。

1、隔离电路

IS0122是采用滞回由于传感器部分受电焊机干扰严重，电源和地都存在很大的纹波，故在传感器信号的输入端加了隔离电路，对传感器板的电源和地进行隔离。

本课题使用了BB公司的电容耦合型精密隔离放大器ISO122。

调制—解调技术设计的电容耦合精密隔离放大器。

价格低，使用方便。

从该芯片的功能图[13]可知，它的输入部分和输出部分分别放在壳体两边，中间用两个匹配的1pF电容形成模拟信号的电气隔离。

输入部分由输入积分器Al、检测放大器所控制的±100μA电流源、滞回比较器等组成滞回调

制电路。

因为输入部分和输出部分是完全对称的，制造时又采用激光调整工艺使两部分完全匹配，因此在输出端能得到高精度重现VIN的输出信号。

IS0122使用非常方便，只须在器件的输入和输出部分分别接入±±18V的隔离电源，不用任何外部元件即可正常工作。

这时隔离放大器将1：

1地传输信号，其增益误差小于±％。

对IS0122P／U，％，信号带宽可达50kHz。

2、滤波电路设计

为去除传感器输出信号中的高频干扰，需在信号输入调理通道中设计抗混叠低通滤波器。

抗混叠低通滤波器一般为有源低通滤波器，按通带滤波特性可分为最大平坦型滤波器、等纹波型滤波器、线性相移型滤波器等。

在实际设计中通常对应采用的有三种形式：

（1）巴特沃兹（Butterworth）型低通滤波器

巴特沃兹型低通滤波器在通带内具有接近理想低通滤波器的平坦特性，所以又称最大平坦型滤波器。

各种阶数的巴特沃兹滤波器均具有单调下降的幅频特性，阶数越高，下降越陡，下降斜率为20ndB/10倍频，具有较好的冲击响应特

性。

（n为滤波器阶数）

（2）切比雪夫（Chebyshev）型低通滤波器

切比雪夫型低通滤波器，阶数n越高，幅频特性下降的越陡，由于通带内有等纹波起伏，所以又称等纹波型滤波器。

它的通带特性不如最大平坦型的好，

但是就过渡带内幅频特性下降陡度来说，它比最大平坦型的陡得多。

且通带内纹波幅度越大，其过渡带内幅频特性下降越陡。

（3）贝塞尔（Bessel）型低通滤波器

贝塞尔型低通滤波器是线性相移型滤波器，它具有最大平坦群时延，具有很好的阶跃响应特性。

通常用于对信号响应速度要求高的场合。

课题设计要求滤波器通带内具有平坦的低通滤波器特性且过渡带较陡，综合考虑后选用了有源四阶巴特沃兹型低通滤波器作为抗混叠滤波器。

它由两个二阶滤波器串联组成。

其传递函数如下式：

图中电容参数值计算公式如下：

式（3-2）～（3-5）中，fc为低通滤波器的3dB频率，单位为赫兹（Hz），电容单位为法拉（F），电阻单位为欧姆。

本课题中，考虑截止频率为fc=20KHz，选择R=，由式（3-2）～（3-5）计算匹配电容值得：

Ca=，Cb=，Cc=，Cd=597pF。

课题设计实际使用的电容值为：

Ca=，Cb=，Cc=，Cd=510pF。

现场焊接试验证明，该滤波器设计可以较好的滤除传感器输出信号中的高频干扰，保证了数据采集的可靠性，并可明显减少由于干扰造成的算法误判断。

3、衰减/放大及限幅保护

电压和电流传感器在焊机正常工作状态下基本满足线性关系。

对于弧压传感器，有如下关系：

=11×Vuo-1

式中：

——电弧电压（V）；

Vuo——弧压传感器输出电压。

NB500焊机空载时，最高输出为85V，实践发现，焊接过程中弧压高于56V的时候都可认为电弧未建立，当弧压为15～40V之间时为燃弧阶段，而短路过程中电压一般低于12V。

由式3-6得弧压传感器输出和电弧状态对应有表一：

对电流传感器，有如下公式：

I电弧=200×Vio（3-7）

式中：

I电弧——焊接电流（I）；

Vio——电流传感器输出电压（V）。

正常的焊接电流范围为0～650A，当电流小于20A时，电弧未建立，焊丝同工件之间为开路状态；当电流在20～550A之间时，为正常工作电流；当电流值高于650A时，为过流状态，应启动保护电路。

由3-7式，得电流传感器输出和电焊机工作状态对应有表二：

TMS320LF2407A的A/，，此时A/。

由表一，，不需要进行专门的算法控制故不需要精确获得采样值，可采用大比例衰减，以保证在传感器最大输出时，，，保证采样分辨力。

由表二，，故只需限幅即可。

课题在设计上采用软硬件结合的方式，通过程序控制多路选择器（ADG408）进行不同增益档选择。

ADG408是AD公司的高性能模拟多路开关。

它具有功耗低、开关速度快、开关接通阻抗低（100欧姆）等特点[38]。

当弧压超过56V（空载）时，选择1/3衰减（此时，允许最大弧压90V，ADC对弧压的分辨力为1LSB=90V/210≈）；当弧压低于47V（燃弧）时，选择3/4衰减（此时，ADC对弧压的分辨力有1LSB=47V/210≈）。

，。

电压传感器信号调理电路设计图如图3-13所示。

（五）数字电源主控板D/A转换及输出信号调理电路设计

1.D/A转换器——DAC7625

课题设计中采用了BB公司的4路12bit双缓冲数模转换器件DAC7625，可实现4路地址装载的全部内容在同一时间转化为模拟输出。

该芯片具有如下特点：

●低功耗（20mW）；

●可工作在单极性或者双极性模式下；

●还原时间短10usto%；

●在-45℃～+85℃范围内单调线性；

●数据可回读；

●双缓冲数据输入。

DAC7625可工作在+5V的单电源供电模式下，也可以工作在±5V的双电源模式下。

其每一路输出的最大电压和最小电压由外部参考电压REFHV和REFLV设定。

数字输入端为12bit并行输入。

DAC7625的输入输出关系可用下式表示：

（3—9）

式中：

N——数字输入值。

在课题中DAC7625工作在单极性模式下，，则DAC7625的REFH

V=，REFLV=0V，此时，输出电压范围为：

OUTV=0~。

设计中，

。

电

路如图3-14所示。

2.D/A输出信号调理通道

在本课题的设计中，D/A的控制输出作为PWM脉宽调制的最主要的控制量输入，并没有直接用来驱动PWM，而是和另外一个电流反馈信号进行加法运算后作为最终控制量输入。

因此，根据原有电路要求，D/A的输出量在参与运算前必须进行调理，将0～+～-10V，并对输出作隔离，防止PWM模块的干扰信号干扰主控板电路。

隔离运放仍然是采用ISO122芯片。

该信号调理通路设计如图3-15所示。

为了平滑D/A的输出，在反馈回路加滤波电