陳軍根

（湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湖南 湘潭 411101）

0 前言

交流埋弧焊接工藝具有電流波形調(diào)節(jié)參數(shù)多、工藝適應(yīng)性廣，且無直流電弧存在的磁偏吹現(xiàn)象等優(yōu)點，應(yīng)用廣泛。本設(shè)計采用單片機與DSP相結(jié)合的雙機控制方案，有效解決了DSP和MCU單獨處理的不足、模擬控制器受溫度等外界參數(shù)影響大、調(diào)試復(fù)雜且一致性較差的弊端，采用此控制方案的焊機具有良好的輸出特性，可以實現(xiàn)非線性控制滿足埋弧焊、手工焊等工藝要求，實現(xiàn)一機多用。引弧、焊接和收弧過程完全由軟件控制，具有電弧穩(wěn)定、焊接質(zhì)量好等特點，具有焊接數(shù)據(jù)存儲和故障自診斷功能。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

傳統(tǒng)模擬逆變埋弧焊的控制電路是由無源或有源器件組成的模擬系統(tǒng)。焊接電流、電壓等參數(shù)通過傳感器采樣反饋到控制電路。反饋量與給定信號比較，經(jīng)過PI控制器輸出到PWM控制芯片，PWM信號經(jīng)過功率放大、隔離來觸發(fā)功率開關(guān)元件的導(dǎo)通/關(guān)斷，完成系統(tǒng)的閉環(huán)控制。模擬控制器的性能由分立元件的參數(shù)決定，受溫度等外界參數(shù)影響較大，調(diào)試比較復(fù)雜且一致性較差。

針對傳統(tǒng)埋弧焊控制系統(tǒng)的不足，設(shè)計了一種以TI公司的TMS320F2812和ATMEL公司的ATMEG64A芯片作為主控制器的埋弧焊控制系統(tǒng)。TMS320F2812屬于32bit的定點DSP，作為主要的電機控制芯片具有豐富的外設(shè)和快速的運算能力，與用于控制方面的其他單片機或DSP相比，優(yōu)勢明顯，能夠滿足埋弧焊控制系統(tǒng)的要求，并能運行較復(fù)雜的控制算法，控制效果較好。為了充分發(fā)揮DSP強大的運算功能，增加了單片機來負(fù)責(zé)系統(tǒng)的總體管理，ATMEL的ATMEGA64A芯片應(yīng)用廣泛，抗干擾性強，與TMS320F2812芯片相協(xié)調(diào)，能夠獲得較高的性價比。

基于DSP和MCU的交流方波埋弧焊控制系統(tǒng)主要由電源電路、DSP、MCU核心處理器、信號調(diào)理電路、通信接口、電機控制、顯示接口及一些輔助電路組成，電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。單片機控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的總體管理，采集用戶設(shè)置的焊接參數(shù)、與DSP進行通信、傳遞數(shù)據(jù)；實時顯示焊接數(shù)據(jù)與操作人員進行交互以及保護信號處理；DSP控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)運算，進行PI控制，包括基值電流閉環(huán)控制部分、峰值電流閉環(huán)控制部分、弧長閉環(huán)控制部分、送絲電機和行車電機閉環(huán)控制。

圖1 DSP+MCU的埋弧焊機控制系統(tǒng)

1.1 信號調(diào)理模塊

逆變焊機控制過程中需要采集焊接電流和焊接電壓的瞬時值，這兩個參數(shù)的數(shù)值一般比較高，難以直接進行A/D轉(zhuǎn)換，同時考慮主電路要和控制電路隔離，本系統(tǒng)采用霍爾傳感器對焊接電流和電壓進行信號取樣，被測電流母線從傳感器中穿過，副邊端子即可輸出成比例的電壓值。電流互感器規(guī)格為100∶1，即當(dāng)主電路輸出電流為100 A時，電流互感器輸出為1 V。如圖2所示，從霍爾傳感器輸入的電流從J2進入，經(jīng)過濾波和跟隨電路。由于埋弧焊焊接電流較大，采樣得到的電壓需要經(jīng)過R30和R31分壓后送入DSP進行A/D轉(zhuǎn)換。

圖2 電流傳感器電路

焊接電壓來自于焊機輸出的正負(fù)極，經(jīng)A10進入主控板的電壓經(jīng)電阻分壓后整流濾波，然后通過快速光耦隔離及放大器跟隨后送入DSP的A/D接口，采樣和輸入DSP的電壓比值設(shè)計為40∶1。焊接電壓反饋電路如圖3所示。

1.2 數(shù)據(jù)通信

單片機ATmega128L和TMS320F2812之間通過485接口進行通信，RS-485通信的硬件連接如圖4所示。RS-485驅(qū)動器必須在負(fù)載上提供最小1.5 V的差分輸出，而RS-485接收器則必須能檢測到最小為200 mV的差分輸入，這兩個值為可靠數(shù)據(jù)傳輸提供了足夠的裕度。采用美信公司的MAX3081芯片，MAX3081是一款RS-485高速收發(fā)器，為了降低RS-485通信過程的干擾，采用光耦對信號進行隔離。

1.3 鍵盤、顯示電路

圖3 電壓傳感器電路

圖4 RS-485通信電路

鍵盤、顯示模塊主要完成采集用戶設(shè)置的焊接參數(shù)和實際電壓、電流以及故障代碼的顯示。采用鍵盤顯示芯片CH451，是以硬件實現(xiàn)的多功能外圍芯片，使用串行接口，支持顯示驅(qū)動和鍵盤掃描以及μP監(jiān)控，外圍元器件極少，非常適合作為單片機的外圍輔助芯片，CH451可以動態(tài)驅(qū)動8個數(shù)碼管或者64位LED，具有BCD譯碼、閃爍、移位等功能，同時還可以進行64鍵的掃描。本系統(tǒng)顯示面板有6個數(shù)碼管、10個LED和5個按鍵，由一片CH451驅(qū)動和掃描。CH451芯片連線簡單，僅需要三根信號線就可以實現(xiàn)。三根信號線包括：串行數(shù)據(jù)輸入線DIN、串行數(shù)據(jù)時鐘線DCLK、串行數(shù)據(jù)加載線LOAD。

1.4 送絲機和小車控制電路

由于埋弧焊焊機通常使用粗焊絲焊接，電弧的自調(diào)節(jié)能力無法達(dá)到穩(wěn)定電弧的目的，因此采用變速送絲系統(tǒng)。利用功率MOSFET的開關(guān)作用將直流電源電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的方波電壓，加在110 V直流電動機的電樞上，通過調(diào)節(jié)方波脈沖寬度來改變電樞的平均電壓，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速的目的。電機控制可以分為三部分：電機反電動勢的反饋、電機的PI運算實現(xiàn)和電機的斬波控制。

DSP通過光電隔離輸出PWM波形，控制開關(guān)管的通斷，實現(xiàn)對電機的起停控制；DSP根據(jù)面板設(shè)置，修改電機的運行方向；電機的反電動勢通過線性光耦反饋到DSP的ADC模塊。

開關(guān)管的作用是調(diào)節(jié)PWM的占空比，控制電機的時序。送絲速度的控制分為兩個時段：第一個時段是從電機開始送絲到焊絲到達(dá)工件之前，以及反向抽絲過程。在這個時間段內(nèi)，送絲電機控制原理與行車電機控制原理完全一樣，都是利用給定電壓與反電動勢的偏差經(jīng)過PI運算，實現(xiàn)速度的閉環(huán)控制。第二個時段是引弧成功后的焊接過程。在焊接過程中需要實時采集電弧電壓與給定電壓作比較，偏差作PI運算，最終生成PWM脈沖，用于送絲電機轉(zhuǎn)速控制。電機驅(qū)動原理如圖5所示。

圖5 電機驅(qū)動原理框圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 單片機控制軟件設(shè)計

單片機控制軟件主要由鍵盤顯示模塊、通信模塊、中斷模塊和焊接參數(shù)管理模塊等組成。其中鍵盤顯示模塊管理人機交互操作界面，負(fù)責(zé)采集用戶設(shè)置的焊接參數(shù)和實際電壓、電流以及故障代碼的顯示，實現(xiàn)參數(shù)輸入、修改、實時參數(shù)顯示等功能。通信模塊一方面與DSP交換數(shù)據(jù)，將用戶設(shè)置的焊接參數(shù)實時下傳給DSP，同時，讀取DSP上傳的實際焊接電流、電壓、送絲速度和焊機狀態(tài)等信息，若出現(xiàn)過熱、過電流、過電壓、欠電壓等故障，應(yīng)立即通知DSP，切斷輸出，進入空載狀態(tài)；另一方面，如果系統(tǒng)和上位機連接，還要與上位機通信，上傳實際焊接參數(shù)，同時接受上位機控制。中斷模塊主要處理實時性要求高的事件，過熱、過電流、過電壓、欠電壓等故障觸發(fā)中斷模塊。焊接參數(shù)管理模塊負(fù)責(zé)交流埋弧焊的參數(shù)，包括交流頻率、方波交流平衡率、直流偏置、相位、電流、電壓、送絲速度等。主程序流程如圖6所示。

圖6 MCU程序流程框圖

2.2 DSP控制軟件設(shè)計

DSP控制軟件采用模塊化方法設(shè)計系統(tǒng)控制軟件，整個軟件由主程序、起弧控制子程序、收弧控制子程序、通信子程序、故障保護子程序、PI算法子程序等組成。主程序控制埋弧自動焊機工作的整個過程；起弧子程序控制起弧過程，收弧子程序控制收弧過程，通信子程序負(fù)責(zé)和MCU的通信；故障保護子程序監(jiān)測MCU下傳的數(shù)據(jù)，一旦接收到故障信息，立即封鎖IGBT驅(qū)動信號，向送絲機構(gòu)與行走小車發(fā)送停止信號；PI調(diào)節(jié)子程序主要用于精確控制引弧、焊接、收弧等焊接過程，穩(wěn)定調(diào)節(jié)送絲和行車速度。

2.2.1 主程序設(shè)計

按照埋弧焊的焊接過程將主程序分為四個階段，具體過程為：

（1）焊前準(zhǔn)備。包括焊接參數(shù)、焊絲規(guī)格、送絲速度、行車速度等。接通電源，系統(tǒng)上電復(fù)位后首先進行初始化；再判斷是否有“送絲”或“抽絲”鍵按下，若“送絲”鍵按下，則執(zhí)行點動送絲，若“抽絲”鍵按下則執(zhí)行點動抽絲，以此調(diào)整焊絲與工件的距離。通過控制箱的按鍵和旋鈕設(shè)置焊接參數(shù)，單片機讀取預(yù)置的焊接參數(shù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后存入內(nèi)存，并顯示其數(shù)值。

（2）引弧。經(jīng)過焊前準(zhǔn)備，在此狀態(tài)下循環(huán)執(zhí)行以上步驟，等待焊接“開始”鍵按下，一旦系統(tǒng)軟起動建立空載電壓，并根據(jù)傳感器回傳的電流、電壓信息判斷焊絲與工件是否接觸，自動選擇回抽引弧或劃擦引弧。

（3）焊接。當(dāng)判斷電弧引燃后，進入焊接控制子程序。DSP實時采樣焊接電流和電壓，根據(jù)計算的電流、電壓偏差循環(huán)進行電源外特性控制和送絲速度的控制，并周期調(diào)整焊接速度和更新焊接參數(shù)的顯示。

（4）收弧。當(dāng)“停止”鍵按下后，執(zhí)行焊接收弧子程序，完成焊接全過程。焊接主程序如圖7所示。

圖7 焊接程序流程框圖

圖8 焊接程序流程框圖

圖9 焊接電流、電壓波形及焊縫外觀

2.2.2 PI子程序設(shè)計

焊接過程采用增量式PI控制算法，即給定值與反饋值進行比較，產(chǎn)生的偏差作為PI控制單元的輸入量，經(jīng)過軟件運算后，輸出量作用到被控對象上，使輸出量與給定量保持一致。參數(shù)確定則通過大量焊接試驗來完成。PI子程序流程如圖8所示。

3 試驗和結(jié)論

交流方波埋弧焊控制系統(tǒng)電路板和軟件調(diào)試完成后，在湖南超宇科技有限公司（原湘潭市電焊機廠）成熟的埋弧焊主電路上進行試驗，圖9是在焊接電流600 A、電弧電壓40 V的規(guī)范下進行焊接工藝試驗的結(jié)果。由圖9可知，焊接過程中電壓波動較小，電流過零速度快，焊縫成形光滑，紋波細(xì)密美觀；表明DSP+MCU的設(shè)計方案可行，達(dá)到焊接要求，實現(xiàn)較好的焊接效果。而且，各個系統(tǒng)都采用模塊化設(shè)計，可擴展性高、升級維護方便、二次開發(fā)周期短。

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