余棉水，謝 宇，溫自力

YU Mian-shui1, XIE Yu1, WEN Zi-li2

（1.廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510510；2.廣州長勝焊接設(shè)備有限公司，廣州 510630）

0 引言

CO2氣體保護(hù)焊具有高效、節(jié)能、低氫、低成本以及便于實現(xiàn)自動化等突出優(yōu)點(diǎn)，在低碳鋼、低合金鋼、薄板鋼結(jié)構(gòu)及全位置焊接等場合得到廣泛應(yīng)用。典型的CO2焊接系統(tǒng)一般分為主機(jī)和送絲機(jī)兩部分。主機(jī)由逆變主電路和PWM控制驅(qū)動電路組成；送絲機(jī)則由送絲機(jī)構(gòu)，焊接電流（送絲速度）和焊接電壓設(shè)置電路組成，他們之間通過多芯電纜連接。目前，國內(nèi)主流的CO2焊接電源設(shè)計中，焊接電流和焊接電壓的設(shè)置仍然采用模擬控制方式，即，通過送絲機(jī)上的兩個電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種調(diào)節(jié)方式容易受到環(huán)境溫度、震動、磨損等因素的影響，無論是調(diào)節(jié)精度、穩(wěn)定性、可靠性和靈活性均不夠理想，不能保證焊接參數(shù)的一致性，從而直接影響著焊接效果，因此，實現(xiàn)焊接參數(shù)調(diào)節(jié)的數(shù)字化，使其具有良好的控制性能，是保證CO2氣體保護(hù)焊焊接性能的重要因素。鑒于上述原因，設(shè)計開發(fā)了一種基于CAN總線的數(shù)字化CO2焊接控制系統(tǒng)。

本設(shè)計分別采用DSP和MCU作為主機(jī)和送絲機(jī)的控制器，實現(xiàn)焊接過程的數(shù)字化控制及參數(shù)的數(shù)字化調(diào)節(jié)與存儲，同時采用先進(jìn)的現(xiàn)場總線技術(shù)——CAN總線實現(xiàn)主機(jī)與送絲機(jī)之間的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信。實踐證明，該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)，具有穩(wěn)定、可靠、抗干擾能力強(qiáng)、便于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化及自動化控制等特點(diǎn)，更好的滿足了先進(jìn)制造技術(shù)的要求。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 數(shù)字化逆變電源主機(jī)的設(shè)計

數(shù)字化逆變電源主機(jī)包括主電路、DSP控制電路和CAN通信三部分，如圖1所示。主電路采用全橋式IGBT逆變結(jié)構(gòu)，主要包括整流濾波單元、IGBT逆變單元、中頻變壓器和二次整流單元。DSP控制電路以TI（德州儀器）公司的DSP芯片TMS320LF2407A為控制核心，主要由電流電壓采樣電路、短路檢測電路、保護(hù)電路以及人機(jī)交互界面等部分組成。CAN通信主要由光電隔離及CAN驅(qū)動電路組成。由于主電路部分為傳統(tǒng)的全橋逆變結(jié)構(gòu)，在此就不加以闡述。

DSP控制電路中TMS320LF2407A是TI公司專門為數(shù)字化控制而推出的一款l6位、定點(diǎn)、低功耗的DSP控制芯片。該芯片包括兩個專用于電機(jī)控制的事件管理器（EV），每一個都包含：2個16位通用定時器，8個16位脈寬調(diào)制（PWM）輸出通道，1個能夠快速封鎖輸出的外部引腳（PDPINTx），可防止上下橋臂直通的可編程死區(qū)功能，3個捕捉單元，1個增量式光電位置編碼器接口。芯片還包含16通道10位A／D轉(zhuǎn)換器及控制器局域網(wǎng)（CAN）2.0B模塊。應(yīng)用DSP內(nèi)部集成的PWM模塊和A／D轉(zhuǎn)換模塊，進(jìn)行編程實現(xiàn)軟件PI算法，即可實現(xiàn)PWM信號的數(shù)字化調(diào)制，從而實現(xiàn)CO2氣體保護(hù)焊接的過程控制。

CAN通信接口電路如圖2所示。由于DSP芯片內(nèi)部集成了一個CAN模塊，該模塊完全支持CAN2.0B協(xié)議，因此，外圍電路只需一個CAN收發(fā)器即可，這里采用Philips的CAN收發(fā)器芯片PCA82C250，其通訊速率可高達(dá)1Mbps。為了保護(hù)系統(tǒng)電路、提高抗干擾能力，在DSP與CAN收發(fā)器之間采用了高速光電隔離器件6N137進(jìn)行隔離。

圖1 數(shù)字化逆變電源主機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖2 CAN通信接口電路

1.2 數(shù)字化送絲系統(tǒng)的設(shè)計

數(shù)字化送絲系統(tǒng)包括開關(guān)電源模塊、MCU控制電路、送絲機(jī)驅(qū)動電路和CAN通信四部分，如圖3所示。為了減少主機(jī)與送絲機(jī)間的連線，主機(jī)只提供一組交流36V電源，整流后一路經(jīng)開關(guān)電源變換為MCU需要的5V電源及CAN通信隔離需要的5V電源；一路經(jīng)PWM調(diào)制電路驅(qū)動送絲機(jī)；一路作為氣閥的電源。MCU控制電路以Microchip公司的MCU芯片PIC18F4580為控制核心，主要由PWM輸出驅(qū)動電路、數(shù)字編碼盤接口電路、數(shù)字顯示接口電路、功能鍵盤接口電路、焊槍開關(guān)檢測電路以及保護(hù)電路等部分組成。CAN通信主要由光電隔離及CAN驅(qū)動電路組成，與主控制模塊相同。

MCU控制電路中PIC18F4580是Microchip公司生產(chǎn)的一款8位中檔單片機(jī)。該芯片具有40MHz的最大總線頻率，輸入捕捉／輸出比較／脈寬調(diào)制(CCP)模塊，8通道10位A／D，通過編程實現(xiàn)軟件PI算法，可以滿足電機(jī)PWM控制的需要。該芯片還內(nèi)置有CAN控制器模塊，支持CAN2.0B協(xié)議，32K的用戶FLASH，1536BRAM，256BData EEPROM，4個8位／16位定時器／計數(shù)器，主同步串行端口(MSSP)模塊，同步／異步串行接口USART等功能模塊，完全滿足系統(tǒng)其他各種接口的需要。

圖3 數(shù)字化送絲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的所有控制軟件采用C語言編程、模塊化管理，具有良好的通用性、移植性和擴(kuò)展性。主控制模塊軟件主要包括數(shù)字化波形控制、CAN通信管理等，而送絲機(jī)模塊軟件主要由電機(jī)PI控制、人機(jī)交互和CAN通信管理等組成。

2.1 數(shù)字化波形控制

CO2焊熔滴短路過渡是一個“燃弧一短路”交替變化的動態(tài)過程，其中，短路過渡中的短路電流和瞬時短路是造成飛濺的兩個主要因素，為此，研究人員開展了波形控制技術(shù)的研究，主要包括外特性控制、波形參數(shù)控制、表面張力過渡控制（STT）等，其基本思想是在燃弧末期和短路初期減小電流以減少瞬時短路能量，在短路末期將其電流降低以減少短路液橋爆斷引起的飛濺，燃弧中期施加電流脈沖以增加熔深，通過對短路過渡過程各階段電流波形快速而精確的控制可以有效地降低飛濺，改善焊縫成形[1～4]。

可是媼婦譜跟武功有什么關(guān)系呢？琴棋書畫再好，也不能幫星雨趕跑夏天里越來越多的蚊子啊?；ㄩg游，花間游，離經(jīng)易道，離經(jīng)易道，內(nèi)功，內(nèi)功，一定要打勞么子坐，調(diào)勞么子息，什么太素九針養(yǎng)心訣，點(diǎn)穴截脈拂穴手，什么無根樹花正明，月魄天心逼日魂，什么金烏髓玉兔精，二物擒來一處烹，什么先賢明露丹臺旨，幾度靈烏宿桂柯，唉！

根據(jù)以上分析，本系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制策略，不僅能獲得較硬的平外特性，而且能獲得較大的動特性調(diào)節(jié)范圍，使焊接電源的適應(yīng)性更強(qiáng)。雙閉環(huán)控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖如圖4所示，內(nèi)環(huán)為電流反饋環(huán)，外環(huán)為電壓反饋環(huán)，電壓反饋環(huán)經(jīng)過數(shù)字PI控制后，將結(jié)果疊加到電流反饋環(huán)上，再通過電流反饋環(huán)的數(shù)字PI控制，實現(xiàn)整個燃弧階段的恒電壓控制。圖中Ug，Ig分別為電壓、電流反饋環(huán)的給定值；Uo，Io分別為輸出電壓和電流。Gu(S)和Gi(S)分別為電壓和電流PI控制器傳遞函數(shù)，n為電流環(huán)反饋系數(shù)，m為電壓反饋傳遞函數(shù)，R為電弧等效阻抗[5]。

圖4 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

數(shù)字PI控制系統(tǒng)的基本算法通常分為位置式和增量式兩種。位置式算法在計算時輸出控制量的值從初始狀態(tài)開始不斷累加，導(dǎo)致計算量很大、占用存儲空間大、花費(fèi)時間多，變量容易出現(xiàn)溢出。而增量式算法無需累加偏差，控制增量只與最近K次采樣有關(guān)，所以誤動作時影響小，不會產(chǎn)生積分飽和失控現(xiàn)象，避免了系統(tǒng)超調(diào)和振蕩的產(chǎn)生，而且容易通過加權(quán)處理獲得較好的控制效果。因此，本系統(tǒng)的PI控制采用了增量式算法，其離散化方程如下：

其中，Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時間常數(shù)，T為采樣時間。在整個數(shù)字PI控制過程中，通過短路檢測電路隨時檢測燃弧與短路狀態(tài)，并根據(jù)數(shù)字化波形控制要求對短路過渡過程各階段電流波形進(jìn)行快速而精確的控制，詳細(xì)過程可見參考文獻(xiàn)[3]。

2.2 數(shù)字化送絲系統(tǒng)

送絲系統(tǒng)是CO2氣體保護(hù)焊的重要組成部分，送絲系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性直接影響著CO2氣體保護(hù)焊焊接工藝的穩(wěn)定性、焊縫成形和焊接質(zhì)量。只有保證焊絲均勻穩(wěn)定的送進(jìn)，才能使熔滴過渡穩(wěn)定而有規(guī)律的進(jìn)行，從而獲得良好的焊接性能。為此，本系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋結(jié)合電流負(fù)反饋的雙閉環(huán)控制策略，并采用數(shù)字PI與PWM脈寬調(diào)制實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，以達(dá)到良好的送絲效果，其控制系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 雙閉環(huán)控制調(diào)速系統(tǒng)框圖

雙閉環(huán)控制調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)是電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流分別由兩個獨(dú)立的調(diào)節(jié)器控制。其中，Ug為轉(zhuǎn)速給定信號，Uf為轉(zhuǎn)速反饋信號，此處采用光電式編碼盤進(jìn)行速度采樣，采樣信號送人CPU進(jìn)行精確計數(shù)，從而得到電機(jī)轉(zhuǎn)速，并與轉(zhuǎn)速給定值進(jìn)行數(shù)字PI運(yùn)算。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出就是電流調(diào)節(jié)器的給定Ig，電流環(huán)能夠隨轉(zhuǎn)速的偏差調(diào)節(jié)電動機(jī)電樞的電流Id。當(dāng)實際轉(zhuǎn)速低于給定轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的積分作用使輸出增加，電流給定上升，通過電流環(huán)調(diào)節(jié)使電樞電流Id增加，電動機(jī)獲得加速轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)轉(zhuǎn)速上升；當(dāng)實際轉(zhuǎn)速高于給定轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出減小，即電流給定減小，通過電流環(huán)調(diào)節(jié)使電樞電流下降，電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩減小，從而轉(zhuǎn)速下降。

數(shù)字PI控制算法采用式(1)類似的算法，在此就不再贅述了。

2.3 CAN通信程序設(shè)計

由于CAN2.0B技術(shù)規(guī)范只規(guī)定了模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，應(yīng)用層協(xié)議需要用戶自己去開發(fā)。因此，CAN通訊程序設(shè)計應(yīng)包括CAN通訊協(xié)議制定、CAN初始化及CAN報文發(fā)送與接收程序設(shè)計。

2.3.1 CAN通訊協(xié)議

CAN2.0B技術(shù)規(guī)范具有兩種不同的幀格式，標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀，前者有11位標(biāo)識符，后者有29位標(biāo)識符。由于本系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)比較少，采用標(biāo)準(zhǔn)幀即可以滿足系統(tǒng)設(shè)計要求，而且還可以提高數(shù)據(jù)傳輸速度。標(biāo)準(zhǔn)幀結(jié)構(gòu)如圖6所示。包括幀起始，仲裁域，控制域，數(shù)據(jù)域，校驗域，應(yīng)答域和幀結(jié)尾等7個部分組成，一個標(biāo)準(zhǔn)幀最多可發(fā)送8個字節(jié)的數(shù)據(jù)。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)幀格式

在CAN2.0B技術(shù)規(guī)范中只定義了幀的結(jié)構(gòu)，沒有定義發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的相關(guān)信息，因此可以根據(jù)系統(tǒng)自身的需求，重新定義標(biāo)識符的含義[6]。本系統(tǒng)中標(biāo)識符的定義如圖7所示。其中，標(biāo)識符的ID(10：8)定義為幀類型，分別表示控制命令、配置命令、狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)信息，并預(yù)留了部分?jǐn)U展功能。對不同的幀類型分配不同的優(yōu)先級，數(shù)據(jù)發(fā)送時采用幀優(yōu)先原則，這樣可以有效的滿足系統(tǒng)的實時性要求。標(biāo)識符的ID(7：4)定義為源地址，ID(3：0)定義為目的地址，這樣系統(tǒng)中最多可以有15個節(jié)點(diǎn)。在這里，逆變電源主機(jī)的地址設(shè)置為0，送絲機(jī)的地址設(shè)置為1，其他節(jié)點(diǎn)作為以后擴(kuò)展，如遙控盒等。當(dāng)目的地址為F時規(guī)定為廣播通信，即所有子設(shè)備都可以接收。

圖7 標(biāo)識符的定義

2.3.2 CAN初始化

當(dāng)系統(tǒng)上電后，首先要對DSP或MCU內(nèi)置的CAN控制器進(jìn)行初始化設(shè)置，主要包括波特率參數(shù)的設(shè)置、接收濾波寄存器的設(shè)置和接收屏蔽寄存器的設(shè)置等，初始化過程只能在配置模式下進(jìn)行。完成初始化設(shè)置后要重新設(shè)置工作模式為正常工作模式，并使能中斷，開始監(jiān)聽CAN總線上的信息。報文的接收采取中斷方式，以便系統(tǒng)的實時響應(yīng)。

2.3.3 CAN報文發(fā)送程序設(shè)計

CAN報文發(fā)送過程由CAN控制器自動完成。發(fā)送時只需將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按照自定義的格式組合成一幀報文，并寫入CAN控制器的發(fā)送緩沖區(qū)中，然后啟動CAN控制器發(fā)送數(shù)據(jù)。在向發(fā)送緩沖區(qū)寫入數(shù)據(jù)之前還需檢查CAN控制器中狀態(tài)寄存器的“發(fā)送緩沖器狀態(tài)標(biāo)志”，只有當(dāng)緩沖器空閑時才可以寫入數(shù)據(jù)并啟動發(fā)送功能，否則，必須等待。

2.3.4 CAN報文接收程序設(shè)計

CAN報文的接收與發(fā)送一樣，也由CAN控制器自動完成。當(dāng)檢測到有等待接收的報文時，CAN控制器接收來自總線的報文并進(jìn)行組合，并通過接收過濾器匹配比較，將滿足過濾器條件的報文傳送到相應(yīng)的接收緩沖器中，同時會產(chǎn)生一個接收中斷，通知處理器有報文已接收，接收子程序則響應(yīng)這個中斷，將接收的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)并進(jìn)行相應(yīng)的處理。中斷處理完后，清零中斷標(biāo)志位，返回并等待下一個報文的接收。

2.4 人機(jī)交互接口程序

人機(jī)交互接口主要完成參數(shù)的預(yù)置、顯示、存儲、檢絲、檢氣、啟動及停止等任務(wù)，所有這些功能都在送絲機(jī)端完成，設(shè)置的參數(shù)及啟停信號通過CAN總線傳送到主機(jī)以執(zhí)行相應(yīng)的操作，而焊接過程中的電流、電壓等數(shù)據(jù)則由主機(jī)定時發(fā)送到送絲機(jī)進(jìn)行顯示。

3 試驗結(jié)果分析

按照上述方法設(shè)計了基于CAN總線的數(shù)字化CO2焊接電源，并進(jìn)行了焊接試驗，采用的試驗條件如下：焊接電壓U=20V；焊接電流I=110A；保護(hù)氣體為CO2；焊絲直徑為φ1.0mm；實驗材料為低碳鋼板。

焊接過程中的電壓、電流波形如圖8所示?？梢钥闯觯附舆^程中的短路、燃弧狀態(tài)判斷準(zhǔn)確，短路過渡過程穩(wěn)定，頻率基本恒定。從實際焊接效果看，焊接過程飛濺小，焊縫成形良好，達(dá)到滿意的控制效果。同時，焊接過程中利用CAN總線實現(xiàn)主機(jī)與送絲機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、準(zhǔn)確、實時，證明CAN總線具有強(qiáng)的抗干擾能力，適合應(yīng)用于數(shù)字化CO2焊接電源中。

圖8 CO2焊接電壓、電流波形（CH1為電壓波形，CH2為電流波形）

4 結(jié)論

采用DSP和MCU分別作為逆變主機(jī)和送絲機(jī)的核心控制器，實現(xiàn)焊接過程的數(shù)字化控制及參數(shù)的數(shù)字化調(diào)節(jié)與存儲，具有系統(tǒng)電路簡單、功能完備、性能穩(wěn)定、控制精度高、焊接參數(shù)的一致性好及良好的人機(jī)交互等特點(diǎn)。通過軟件升級，可方便地實現(xiàn)其他外特性的輸出，以滿足不同焊接工藝的需要，充分體現(xiàn)了數(shù)字化控制的靈活性與優(yōu)越性。同時，系統(tǒng)采用先進(jìn)的CAN總線實現(xiàn)主機(jī)與送絲機(jī)之間的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信，簡化了電路，克服了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)，具有穩(wěn)定、可靠、抗干擾能力強(qiáng)、便于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化及自動化控制等特點(diǎn)，更好的滿足了先進(jìn)制造技術(shù)的要求。

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