艾長盛 ，鄭 剛 ，叢日剛，高 巖

(1.沈陽中科機(jī)械電子工程有限公司，遼寧 沈陽 110164；2.中科院沈陽自動化研究所，遼寧 沈陽 110016)

0 前言

隨著計算機(jī)系統(tǒng)、信息技術(shù)、電子技術(shù)及器件的發(fā)展，數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號處理是使用數(shù)字化技術(shù)執(zhí)行、轉(zhuǎn)換或提取信息，用來處理現(xiàn)實信號的方法，已被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，諸如通信工程、控制工程、工業(yè)自動化、電力工程、測控技術(shù)、電子信息等系統(tǒng)中。近些年隨著我國汽車業(yè)的成長，對其制造工藝、質(zhì)量水平和生產(chǎn)過程管理提出了更高的要求。在汽車點焊過程控制及相關(guān)設(shè)備上，DSP技術(shù)的應(yīng)用也便適時推出。利用DSP的數(shù)字信號快速處理能力，可實現(xiàn)對車身點焊的智能化控制；利用便捷的通信及網(wǎng)絡(luò)化功能，使現(xiàn)場的生產(chǎn)過程管理更加實時有效。

1 基于DSP的點焊過程控制器

1.1 點焊過程控制器的進(jìn)展

20世紀(jì)80年代，我國二汽集團(tuán)較早推出用當(dāng)時的集成電路構(gòu)成的點焊控制器，把我國點焊設(shè)備推向了數(shù)字化的第一步。同時期，南昌航空學(xué)院發(fā)表了相關(guān)資料和報告，推進(jìn)了這一領(lǐng)域技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展。20世紀(jì)80年代中期，點焊控制器有少量的美國進(jìn)口，但價格昂貴。長春一汽工藝處焊接室與中科院沈陽自動化所二室合作開發(fā)并推出了基于Z-80單片機(jī)的可編程電阻焊控制器①趙鳳斌.可編程電阻焊控制器研制報告，沈陽自動化所，1985.，成為我國較早推出的自行研發(fā)的單片機(jī)點焊控制器。早期的產(chǎn)品在沈陽金杯面包車和輕型車焊裝線應(yīng)用，取得了很好的效果。20世紀(jì)90年代后，由于需求的增加，通過進(jìn)口產(chǎn)品的借鑒，市場逐步推出較多的單片機(jī)點焊控制箱。2000年，沈陽新松機(jī)器人首推CAN總線點焊機(jī)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（RWFCS-2000）①趙鳳斌.電阻焊CAN總線控制系統(tǒng)2000沈陽新松機(jī)器人公司.，應(yīng)用于焊裝線。近年來，沈陽中科機(jī)械電子工程公司改進(jìn)了可編程電阻焊控制器，采用DSP處理器，擴(kuò)展功能應(yīng)用在車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)中。

1.2 DSP的特點

德州儀器的TMS320F2812數(shù)字信號處理器是針對數(shù)字控制所設(shè)計的，整合了DSP及微控制器的特性，具有成本低、功耗低、性能高的處理能力、強(qiáng)大的外部接口等優(yōu)點，便于構(gòu)成大型的控制系統(tǒng)。主要特點有：（1）單指令周期，在一個指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法。（2）采用哈佛結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)空間分開，可同時訪問指令和數(shù)據(jù)。（3）片內(nèi)具有快速RAM，通?？赏ㄟ^獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問。（4）快速的中斷處理和硬件I/O支持。（5）可以并行執(zhí)行多個操作。（6）支持流水線操作，可以重疊執(zhí)行取指、譯碼和執(zhí)行等操作。

DSP主要使用在嵌入式控制、數(shù)字電機(jī)控制（DMC）、資料擷取及I/O控制（DAQ）等領(lǐng)域。德州儀器的TMS320F2812針對應(yīng)用最佳化，并有效縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。F28x核心支持全新CCS環(huán)境的C compiler，提供C語言中直接嵌入?yún)R編語言的程序開發(fā)界面，可在C語言的環(huán)境中搭配匯編語言來撰寫程序。F28x系列DSP預(yù)計發(fā)展至400 MHz，目前已發(fā)展至150 MHz運算能力，同時內(nèi)部集成了豐富的功能模塊，如：SCI總線模塊（可擴(kuò)展為RS232、RS485、RS422等串行通信）、CAN通信模塊、ADC轉(zhuǎn)換模塊、PWM控制模塊等。

1.3 點焊過程控制

由于汽車的生產(chǎn)走向輕型化、更安全、性能更好的目標(biāo)，所以車身的焊接也向“精細(xì)化焊接制造”方向發(fā)展。新材料的焊接提出零缺陷、高品質(zhì)、高效率的要求，材料由鍍鋅鋼板、低合金鋼、高強(qiáng)鋼、輕型材料代替冷軋鋼板；對質(zhì)量控制和生產(chǎn)管理提出更高的要求[1]。

1.3.1 點焊控制系統(tǒng)應(yīng)充分滿足不同的材料對工藝的特定要求

普通低碳冷軋鋼板比較容易焊接：充分壓緊、預(yù)焊“燒毛”、電流緩升、焊接緩降就可順利完成。高強(qiáng)度鍍鋅板的點焊要求：嚴(yán)格的工藝參數(shù)；電極為合適的材料并可及時修整和更換；采用多脈沖或電流斜坡上升方式焊接；設(shè)置預(yù)焊電流，鋅層首先熔化并被壓力擠走，電極形成鋅銅合金減少，有利于焊核均勻形成；后處理段有利于約束焊核，增加電極壽命，減少后期飛濺。這些條件的適當(dāng)匹配是保證點焊質(zhì)量的關(guān)鍵。而對于鋁合金材料，由于其低熔點、導(dǎo)電導(dǎo)熱性強(qiáng)、屈服強(qiáng)度低，需要“強(qiáng)規(guī)范”，大電流、短時間焊接，同時需要特定的焊接過程的參數(shù)監(jiān)控。

專家試驗表明，鍍鋅鋼板采用階梯式電流增量方法獲取優(yōu)化電流增量曲線，可以實現(xiàn)在電極電流密度迅速變化的情況下，控制合格的熔核尺寸，并保證把電極帽的磨損程度控制在可接受的范圍之內(nèi)。即控制器的電流階梯密度補償[2]。

從更為精細(xì)及便于操作的角度出發(fā)，控制器應(yīng)具有焊接電流上下極限控制超限報警、超下限自動補焊、電流緩升緩降、線性插補、間歇式循環(huán)脈沖加熱等功能及以下一些功能：脈沖/非脈沖啟動、二次回路粘連檢測、恒電壓系數(shù)、電源頻率選擇、有效焊點計數(shù)等。為了人機(jī)交互便捷，采用觸摸屏進(jìn)行多信息的操作顯示②趙鳳斌.可編程電阻焊控制器研制報告，沈陽自動化所，1985.。

1.3.2 點焊是多變量多不確定因素的過程

點焊是金屬的結(jié)晶過程，也是一個多變量耦合和諸多隨機(jī)不確定因素影響的過程，過程參數(shù)的檢測與監(jiān)控因此變得復(fù)雜[3]。點焊變壓器主電路是一個晶閘管（SCR）的交流調(diào)壓系統(tǒng)，通過控制SCR導(dǎo)通角調(diào)節(jié)焊接變壓器的一次電壓。每一個電網(wǎng)周波，控制系統(tǒng)都要調(diào)節(jié)SCR的觸發(fā)角，以確保提供恒定的焊接熱量。調(diào)節(jié)量與如下變量有關(guān)：設(shè)定的焊接電流或熱量、電網(wǎng)電壓的波動、焊接回路阻抗的變化、功率因數(shù)角的動態(tài)。所以，系統(tǒng)要求在半個周波內(nèi)完成諸多參數(shù)的采集和處理，控制系統(tǒng)基于回路熱電轉(zhuǎn)換方程和多變量關(guān)系知識庫，建立一個龐大的數(shù)據(jù)表，以提供精細(xì)的調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)②趙鳳斌.可編程電阻焊控制器研制報告，沈陽自動化所，1985.。

1.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能

新版DSP主控板基于TMS320F2812數(shù)字信號處理器，包括電源監(jiān)控電路和濾波抗擾、同步檢測電路、互感器信號處理單元、過程參數(shù)數(shù)據(jù)采集、焊接過程監(jiān)控、故障自檢與顯示、焊點計數(shù)處理與報警、工位焊點監(jiān)控聯(lián)動、總線接口及外擴(kuò)矩陣、晶閘管模塊觸發(fā)電路、過熱保護(hù)電路、顯示模塊、手持觸摸屏或LCD示教盒。系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

圖1 DSP可編程電阻焊控制器結(jié)構(gòu)功能框圖

電源監(jiān)控和濾波抗擾電路提供DSP和外部接口的工作電源，并保障抗工業(yè)嚴(yán)酷等級二級以上的要求；互感器信號處理單元將自制精密互感器感應(yīng)的焊接電流信號進(jìn)行處理后送至DSP數(shù)據(jù)通道；同步檢測電路對供電電源處理后輸出同步中斷信號；DSP輸出端連接反并聯(lián)晶閘管模塊的自適應(yīng)觸發(fā)電路；DSP的串行通信口接手持示教盒，示教盒為觸摸屏顯示操作方式或LCD和鍵盤方式，方便編程交互；顯示模塊亦通過串口與DSP通信，專用處理器處理被顯示數(shù)據(jù)，顯示在LED/LCD或其他顯示器件上，此模塊可長線機(jī)外連接，并有串口與外界相連；總線通訊接口與擴(kuò)展接口矩陣有兩大功能，即提供多總線通訊接口及外部I/O擴(kuò)展端子；自檢與狀態(tài)監(jiān)控使本機(jī)具有了智能化性能，通過硬件、軟件檢測與辨識，提供故障點報警和關(guān)鍵點狀態(tài)顯示，方便設(shè)備保全；過程數(shù)據(jù)參數(shù)采集是系統(tǒng)的重要組成部分，實時采集和處理工作電壓、電流、電壓電流過零、相位角、SCR導(dǎo)通角等，為過程控制與分析提供數(shù)據(jù)；焊點計數(shù)處理記錄并統(tǒng)計有效焊點，提供預(yù)設(shè)報警和統(tǒng)計監(jiān)控數(shù)據(jù)；PWM逆變接口是利用F2812具有的PWM控制接口，包括6路PWM/CMP、2路QEP、3路CAP、2路16位定時器（或TxPWM/TxCMP）及該芯片擴(kuò)展的方便條件，構(gòu)建一個控制系統(tǒng)。本控制器利用示教盒可進(jìn)行遠(yuǎn)距離焊接規(guī)范數(shù)據(jù)設(shè)定，也可方便地接入現(xiàn)場總線系統(tǒng)進(jìn)行集中焊接數(shù)據(jù)設(shè)置和監(jiān)控。系統(tǒng)可以很方便的與CAN總線、PROFIBUS、工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線系統(tǒng)等相連，構(gòu)成或接入車間制造管理系統(tǒng)。

1.5 系統(tǒng)特點

汽車車身質(zhì)量關(guān)系到整車的質(zhì)量和性能，車身點焊的質(zhì)量決定了車身的質(zhì)量。點焊過程的質(zhì)量控制和管理是生產(chǎn)的關(guān)鍵所在。點焊控制器除完成準(zhǔn)確精細(xì)的焊接規(guī)范要求外，還要進(jìn)行準(zhǔn)確的分析判斷，以減少飛濺，補償電極對熔核的影響，減少粘連。

1.5.1 數(shù)據(jù)處理功能

DSP可以實時采集大量數(shù)據(jù)并處理，進(jìn)行快速比對分析。采集數(shù)據(jù)包括電網(wǎng)電壓波動、主回路一次電流、二次電流和電壓、SCR的狀態(tài)檢測等。通過處理分析可以獲得點焊質(zhì)量、補償狀態(tài)、飛濺程度的基本判定并實施調(diào)整。DSP控制器在焊接電流波形、產(chǎn)熱特點和熔核變化規(guī)律上接近逆變焊機(jī)。一般電阻焊機(jī)加熱過程峰值功率比平均功率高出幾倍，當(dāng)焊接電流達(dá)到峰值時，容易因熔核破裂而出現(xiàn)飛濺，其次在通電開始時，由于溫度上升過快，容易導(dǎo)致早期飛濺；DSP控制器焊接時，精細(xì)控制電流上升過程，監(jiān)視電極磨損狀態(tài)，限定電流過大，加熱相對平穩(wěn)，從而減少飛濺。

1.5.2 優(yōu)質(zhì)焊接與有效管理的結(jié)合體

焊裝線質(zhì)量管理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和最終控制目標(biāo)都離不開點焊過程控制器?？刂破魍ㄟ^網(wǎng)絡(luò)通訊接口快速實時提供當(dāng)前工藝規(guī)范、焊接電流或熱量、功率因數(shù)角、有效焊點數(shù)等重要的控管數(shù)據(jù)，才能實現(xiàn)有效的系統(tǒng)管理。不斷調(diào)整和優(yōu)化焊接電流，才能獲得好的焊接效果。焊接熱量的趨勢、電流密度和電極磨損等都可以得到實時監(jiān)控。

1.5.3 焊接參數(shù)的實時顯示跟蹤和質(zhì)量追溯

實現(xiàn)面向設(shè)備運行狀態(tài)的管理和生產(chǎn)的管理。早期點焊控制器主要基于設(shè)備記錄運行歷史數(shù)據(jù)和故障信息?，F(xiàn)在面向生產(chǎn)質(zhì)量，可利用RFID等標(biāo)識方便地讀取工件信息，并把進(jìn)入識別區(qū)后對工件的所有焊接數(shù)據(jù)和相關(guān)信息記錄在該標(biāo)識下，實現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)存和歷史數(shù)據(jù)應(yīng)用。在實行汽車質(zhì)量召回制度后，方便地進(jìn)行質(zhì)量跟蹤或追溯①趙鳳斌.電阻焊CAN總線控制系統(tǒng)2000沈陽新松機(jī)器人公司.。

1.5.4 智能自檢和高速復(fù)合運算

采用PID控制算法調(diào)節(jié)焊接電流大小，DSP采集焊鉗端電流及相關(guān)數(shù)據(jù)，電流半周波256個采樣點，計算電流有效值，根據(jù)該值反饋給DSP控制輸出端，利用模糊控制算法完成對電流大小的控制。如圖2所示。

圖2 模糊算法控制電流大小

系統(tǒng)在主DSP控制下，采用協(xié)處理器FPGA專門處理焊接電流數(shù)據(jù)，補償運算和飛濺輔助判斷。在顯示模塊也采用專門處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)、顯示和交互，是傳統(tǒng)8位單片機(jī)所不及的。

1.5.5 強(qiáng)大的通信功能，進(jìn)入信息化系統(tǒng)

系統(tǒng)具有豐富的工業(yè)接口功能，可以提供CAN、以太網(wǎng)、PROFIBUS_DP、DEVICENET等工業(yè)組網(wǎng)接口，實現(xiàn)車間級信息數(shù)據(jù)管理，還可以提供點焊現(xiàn)場總線聯(lián)網(wǎng)限容控制算法，完成集中編程、監(jiān)控、實時焊接數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)庫查詢檢索以及電網(wǎng)三相平衡分配。配合焊點計數(shù)系統(tǒng)，實現(xiàn)對車身焊接工位焊點數(shù)的監(jiān)控，可與控制卡具的PLC進(jìn)行通信聯(lián)動，當(dāng)焊接工位的焊點數(shù)不夠時，不允許打開卡具?？梢苑奖愕臉?gòu)成焊裝車間ANDON系統(tǒng)，并推進(jìn)可視化管理①趙鳳斌.電阻焊CAN總線控制系統(tǒng)2000沈陽新松機(jī)器人公司.。

2 點焊車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)

在汽車車身的制造過程中，電阻點焊工藝仍是主要的裝配連接手段。電阻點焊焊核質(zhì)量的好壞，不僅決定了車體焊接裝配過程的制造偏差，同時也決定了轎車使用的可靠性和安全性。點焊的水平?jīng)Q定車身的質(zhì)量也反映了企業(yè)汽車制造水平的高低。一輛轎車車身上，約有4000～6000個電阻點焊焊點，而不同焊點又因鋼板材料和厚度的組合而采用不同的工藝參數(shù)，其點焊信息的規(guī)模較大，手工管理時問題較多，人工管理容易出現(xiàn)重復(fù)、遺漏的現(xiàn)象。而且隨著數(shù)據(jù)規(guī)模的增加，使查詢、管理更加不便。所以針對這些參數(shù)建立合理的數(shù)據(jù)庫，不僅可以確立焊接規(guī)范，還可以記錄、處理、分析焊點數(shù)據(jù)，提高焊接質(zhì)量，節(jié)約生產(chǎn)管理成本[4]。

2.1 車身點焊信息管理系統(tǒng)的設(shè)計

DSP新型焊機(jī)控制器帶有豐富的現(xiàn)場總線接口，為車身點焊信息管理系統(tǒng)的設(shè)計提供了必要的保證。設(shè)計方案如圖3所示。

按照規(guī)范化的設(shè)計方法，將車身點焊數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計分為以下幾個階段：調(diào)查用戶需求，特別是對數(shù)據(jù)及處理的要求和描述；設(shè)計數(shù)據(jù)庫的概念模型；數(shù)據(jù)庫的邏輯設(shè)計、物理設(shè)計；物理數(shù)據(jù)庫的建立、試運行及評價。

2.1.1 車身點焊信息數(shù)據(jù)庫的需求分析

需求分析是建立數(shù)據(jù)庫的起點，它主要是收集和分析數(shù)據(jù)的內(nèi)容，了解用戶對數(shù)據(jù)處理的要求，從而熟悉主要業(yè)務(wù)流程。通過生產(chǎn)現(xiàn)場的調(diào)查，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)流主要有：

（1）焊接工位信息。一輛轎車有x個點焊焊點，分為前圍、后圍、側(cè)圍、門蓋、總拼、補焊六大類工位。

圖3 車身點焊信息管理系統(tǒng)設(shè)計方案

（2）焊接設(shè)備參數(shù)。車身焊裝線上的點焊設(shè)備主要有三類：①手動懸掛式點焊機(jī)，一個焊裝車間一般有200～300臺或更多；②點焊機(jī)器人，以提高車身焊裝線的自動化程度；③專用多點焊機(jī)，采用多點焊工藝的目的是提高生產(chǎn)效率，在焊裝生產(chǎn)線上，車身底板的點焊裝配經(jīng)常采用專用多點焊機(jī)。

（3）焊接材料參數(shù)。隨著汽車朝高速、安全、耐用以及輕量化方向發(fā)展，對汽車車身用鋼板的焊接性能提出了越來越高的要求。目前轎車多采用低碳鋼、高強(qiáng)度鋼板、鍍鋅鋼板和鋁合金四種汽車車身板材，這三類數(shù)據(jù)具有以下特點：①數(shù)據(jù)類型多樣，包括幾何數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和文檔數(shù)據(jù)；②數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，獨立的數(shù)據(jù)流內(nèi)部是層次結(jié)構(gòu)，工位信息和設(shè)備參數(shù)之間是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

2.1.2 數(shù)據(jù)庫的概念設(shè)計和邏輯設(shè)計

概念設(shè)計就是將需求分析得到的用戶需求抽象為信息結(jié)構(gòu)即概念模型的過程。運用E-R圖將系統(tǒng)涉及到的實體和屬性，以及屬性之間的關(guān)系用概念的形式描述清楚。車身點焊數(shù)據(jù)庫的E-R圖如圖4所示。圖中一個工位包含若干臺焊接設(shè)備，而一種焊機(jī)又可以在不同工位上工作，所以兩實體間是m∶n的關(guān)系；一臺焊接設(shè)備可以焊接不同種類的焊件，一個工位需要加工一定種類的焊件，所以實體間是1∶n的關(guān)系。邏輯設(shè)計的任務(wù)就是把E-R圖轉(zhuǎn)換為與產(chǎn)品所支持的數(shù)據(jù)模型相符合的邏輯結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)選用基于關(guān)系數(shù)據(jù)模型的ORACLE為后臺數(shù)據(jù)庫，利用關(guān)系模型的規(guī)范化理論對庫表結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，減少數(shù)據(jù)的冗余，得到的二維表包括焊接工位信息表、焊接材料參數(shù)表、焊接設(shè)備參數(shù)表和用戶信息管理表[5]。

圖4 車身點焊數(shù)據(jù)庫E-R圖

2.2 轎車車身點焊信息管理系統(tǒng)應(yīng)用程序開發(fā)

2.2.1 軟件環(huán)境

系統(tǒng)使用Dephi 7作為開發(fā)工具，Delphi是全新的可視化編程環(huán)境，提供了一種方便、快捷的Windows應(yīng)用程序開發(fā)工具。

2.2.2 模塊設(shè)計

系統(tǒng)主要模塊由系統(tǒng)管理、設(shè)備數(shù)據(jù)、工藝參數(shù)、工位信息管理和系統(tǒng)工具組成。每個信息管理子模塊都采用ADO對象模型的程序設(shè)計方法進(jìn)行開發(fā)。其主要步驟有：①連接數(shù)據(jù)源，對于不同的提供者和數(shù)據(jù)源都可在“連接字符串”中指定；②創(chuàng)建SQL查詢命令，查詢命令要求數(shù)據(jù)源返回含有所要求信息行的Recordset對象，命令使用SQL語言編寫；③執(zhí)行命令；④操作數(shù)據(jù)，大量的Recordset對象方法和屬性可用于對數(shù)據(jù)行進(jìn)行檢查、定位和操作。例如：Recordset常用的Fields集合、CursorLocation屬性、BOF屬性和AddNew方法：⑤更新數(shù)據(jù)，對于添加、刪除和修改數(shù)據(jù)行，在此采用復(fù)制緩沖區(qū)模式，即不立刻更改Recordset，而是將更改寫入內(nèi)部緩沖區(qū)，如果不想進(jìn)行更改，內(nèi)部緩沖區(qū)將被放棄；⑥結(jié)束更改及對錯誤操作的處理。

2.2.3 點焊信息管理系統(tǒng)的功能

基于以上模塊設(shè)計和軟件環(huán)境，完成了對轎車車身點焊信息計算機(jī)管理系統(tǒng)的開發(fā)。系統(tǒng)的主界面如圖5所示。

圖5 車身點焊信息計算機(jī)管理系統(tǒng)主界面

（1）數(shù)據(jù)的錄入和修改。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)項涵蓋了焊接工位信息、設(shè)備信息和工藝信息。其中工位信息提供以工位為中心的焊接工序、加工部位、焊接設(shè)備的管理；設(shè)備信息提供設(shè)備的主要參數(shù)性能、電極與焊槍的配合以及故障維修的管理；工藝信息提供不同板材的規(guī)范工藝參數(shù)。這些數(shù)據(jù)都為保證焊接質(zhì)量發(fā)揮著重要的作用。對這些數(shù)據(jù)，系統(tǒng)都提供了添加、修改、更新、刪除、圖表顯示等操作。

（2）數(shù)據(jù)的查詢檢索，查詢部分的內(nèi)核采用基于SQL語言的多關(guān)鍵字復(fù)合查詢和連接查詢，可以選擇查詢不同字段和它們間的邏輯關(guān)系，可以實現(xiàn)多個關(guān)系表之間的連接查詢。為了方便用戶，對查詢的結(jié)果采用網(wǎng)格列表瀏覽。例如：復(fù)合查詢允許用戶根據(jù)材料的編號、類型、名稱進(jìn)行復(fù)合查詢；連接查詢實現(xiàn)工位信息和設(shè)備信息表的連接查詢。

（3）數(shù)據(jù)庫的維護(hù)、輸出和瀏覽。為了保證數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的安全性、有效性、完整性，程序中還設(shè)置了用戶登錄權(quán)限管理，數(shù)據(jù)輸入的有效性檢查、數(shù)據(jù)報表的打印和數(shù)據(jù)庫報表文件輸出為文檔或Excel格式等功能。

3 基于DSP的低壓動態(tài)無功功率補償控制器及裝置

隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，大功率非線性負(fù)荷的增加，現(xiàn)場設(shè)備對電網(wǎng)的沖擊和諧波污染不斷上升，引發(fā)多電能質(zhì)量問題，功率因數(shù)低、諧波含量高、三相不平衡、功率沖擊、電壓閃變和波動。諧波和不平衡是許多電力事故誘發(fā)的原因，如繼電保護(hù)裝置誤動、變壓器絕緣損壞、電容器燒毀，并會大大縮短電氣設(shè)備的壽命。

汽車車身主要工藝設(shè)備是點焊機(jī)，點焊機(jī)大多是單相沖擊性負(fù)載，瞬間沖擊電流大，功率因數(shù)約為0.6。由于焊機(jī)產(chǎn)生閃變給干線帶來諧波和感性無功功率，使供電電壓非對稱性波動，或引發(fā)故障。此時因電壓明顯跌落，會直接影響焊接質(zhì)量，產(chǎn)生虛焊或過熔。傳統(tǒng)的補償設(shè)備檢測速度慢，無法實時進(jìn)行投切，因此采用實時無功功率補償裝置能夠：①提高功率因數(shù)，從而提高設(shè)備的利用率；②減少供網(wǎng)的有功損耗；③合理地控制供電系統(tǒng)的無功功率流動，從而提高電網(wǎng)水平，改善供電質(zhì)量；④改善電網(wǎng)電壓波形，減小諧波分量和負(fù)序電流問題；⑤針對電容器、電纜、變壓器，避免高次諧波引起的附加電能損失和局部過熱。

3.1 基于DSP的動態(tài)無功功率控制器的設(shè)計

動態(tài)無功功率控制器以數(shù)字信號處理器（DSP）為核心，系統(tǒng)抗干擾能力更強(qiáng)，信號處理速度更快，利用瞬時無功理論來計算補償對象，控制目標(biāo)多樣性[6]。合理的無功功率補償控制應(yīng)不發(fā)生過補償；無沖擊投切；反應(yīng)靈敏、迅速；最大限度地利用補償設(shè)備提高電網(wǎng)的功率因數(shù)；無投切振蕩等。

本控制器采用無功功率、電壓和功率因數(shù)綜合控制方式進(jìn)行控制。以功率因數(shù)控制為基礎(chǔ)，電壓和無功功率控制避免投切振蕩，電壓、電流設(shè)定值為控制投切的約束條件，實現(xiàn)了智能性綜合控制。

傳統(tǒng)的自動無功補償裝置就是通過單片機(jī)進(jìn)行控制實現(xiàn)電容器組的投切。但是，電網(wǎng)中存在諧波時，投切電容器組有可能發(fā)生諧波放大，甚至造成系統(tǒng)過電壓、過電流、絕緣損壞、系統(tǒng)震蕩甚至顛覆解列。因此，在無功補償?shù)耐瑫r，測量和抑制電網(wǎng)中的諧波量非常重要，且對系統(tǒng)的無功進(jìn)行準(zhǔn)確補償也建立在對系統(tǒng)各項參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測量的基礎(chǔ)上。

單片機(jī)作為控制器的系統(tǒng)受硬件資源和速度的限制，采樣精度并不高，每周波的采樣點少，只支持計算量小的算法，限制了測量的精度和響應(yīng)的速度。采用DSP作內(nèi)核的帶電力監(jiān)測的無功補償裝置能更好地滿足實時性和精確性的要求，其電路如圖6所示。

圖6 帶電力監(jiān)測的無功補償裝置的總電路

3.1.1 輸入模擬量

（1）工作電源。額定電壓工作范圍AC/DC165～265 V。

（2）電壓模擬量。額定輸入電壓模擬量三相四線 380/220V，50Hz，正弦波形。

（3）輸入電流模擬量。額定輸入電流模擬量5 A，50 Hz。

3.1.2 測量及顯示

電壓——各相電壓；電流——各相電流；有功功率——各相及總和；無功功率——各相及總和；視在功率——各相及總和；頻率；功率因數(shù)——各相及平均；有功電能——各相及總和；無功電能——各相及總和；諧波頻譜分析——各相2～64次。

3.1.3 控制功能

（1）功能設(shè)置。三相對稱補償和分相補償組合；投入、切除門限設(shè)定值；延時設(shè)定值；過電壓保護(hù)設(shè)定值；諧波超值保護(hù)設(shè)定值；容錯功能；硬件或軟件閉鎖功能。

（2）顯示功能。工作電源、工作顯示；超前、滯后顯示；輸出回路工作狀態(tài)顯示；過電壓保護(hù)動作顯示；電網(wǎng)即時運行參數(shù)及設(shè)定值調(diào)顯功能；監(jiān)測或統(tǒng)計數(shù)據(jù)調(diào)顯功能；諧波超值保護(hù)動作顯示；手動、自動指示顯示。

（3）延時及加速功能。輸出回路動作應(yīng)具有延時及過電壓加速動作功能。

（4）程序投切功能。手動或自動投切選擇，自動狀態(tài)時應(yīng)具有自動循環(huán)投切。

（5）自檢復(fù)歸功能?？刂破髅看谓油娫磻?yīng)進(jìn)行自檢并復(fù)歸輸出回路（即輸出回路處在斷開狀態(tài)）。

（6）投切振蕩閉鎖。在輕負(fù)荷時，控制器應(yīng)有防止投切振蕩的措施。

（7）閉鎖報警。當(dāng)系統(tǒng)電壓大于或等于一定值時（該值可調(diào)），閉鎖控制器投入回路；投切器內(nèi)部發(fā)生故障時，閉鎖輸出回路并報警；執(zhí)行回路發(fā)生異常時，閉鎖輸出回路并報警。

（8）數(shù)據(jù)傳輸。用中間體（如抄表器）抄錄實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。

通過采樣系統(tǒng)的三相電壓和三相電流，根據(jù)電壓、電流的幅值及相位計算系統(tǒng)無功功率，并與設(shè)定的投入門限、切除門限相比較，再考慮系統(tǒng)電壓幅值情況確定電容器組的投切，投切命令輸入到觸發(fā)電路，由觸發(fā)電路控制晶閘管在電壓正向峰值時投入電容器，按照“在保證電壓不越限的前提下，使變壓器從系統(tǒng)中吸收的無功最小”的原則對電容器組進(jìn)行控制，能有效改善電壓質(zhì)量，提高功率因數(shù)，降低網(wǎng)絡(luò)損耗。電容器分組采用二進(jìn)制方案，即采用（K-1）個電容值均為C的電容和一個電容值為（C/2）的電容，這樣的分組可使組成的電容值有2K級。最小電容量那一路作為單位電容量，它的大小決定了補償精度。

系統(tǒng)核心為TMS320LF2000的DSP控制，實時監(jiān)測電力系統(tǒng)無功功率和電壓并跟蹤系統(tǒng)無功功率的大小，采用晶閘管投切并聯(lián)電容器組的方式。該裝置因響應(yīng)速度快、動態(tài)性能好，所以能對快速變化的無功進(jìn)行跟蹤補償。該裝置具備完整的顯示控制保護(hù)功能。根據(jù)需要可顯示功率因數(shù)、系統(tǒng)電壓、負(fù)載電流、無功功率等值。并可實時在線設(shè)置投入門限、切除門限、過電壓、欠電壓、延時值等參數(shù)。能延時可調(diào)、過壓自動切除，能有效地提高功率因數(shù)改善電壓質(zhì)量、降低電能損耗、消除電壓波動、濾除高次諧波，抑制電壓閃變，減少電壓不平衡，可廣泛應(yīng)用低壓配電系統(tǒng)及工礦企業(yè)。

3.1.4 控制系統(tǒng)構(gòu)成

采用TI公司的TMS320F28335作為主控制器，該芯片是TMS320C2000平臺下的一種浮點DSP芯片，是一款專為控制設(shè)計的單片機(jī)。處理速度很決，達(dá)到150 MIPS，在晶振頻率為30 MHz時，計算一次512點的FFT運算用時僅200 ms，特別適合于處理諧波分析。用到的數(shù)字濾波和傅立葉變換等運算的微處理器，同時又具有低成本、低功耗、高性能的處理能力[7]。

信號采集單元包括電壓、電流信號形成回路、低通濾波回路（ALF）此模塊單元的作用是將電壓互感器（YH）和電流互感器（LH）二次輸出的電壓、電流模擬量經(jīng)過上述環(huán)節(jié)處理成大小與輸入量成正比、相位不失真的模擬量，輸入到DSP的A/D轉(zhuǎn)換通道進(jìn)行采樣，將其轉(zhuǎn)化為計算機(jī)能接受與識別的數(shù)字量，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及運算。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器為F28335自帶的帶內(nèi)置采樣和保持的A/D轉(zhuǎn)換器，具有12位精度，轉(zhuǎn)換速度最快達(dá)到80 ns，并且可以同時采樣16路信號。有多個觸發(fā)源可以啟動AD轉(zhuǎn)換，包括軟件啟動、EVA，EVB和外部觸發(fā)（ADCSOC）。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的排序器包括兩個獨立的最多可選擇8個模擬轉(zhuǎn)換通道的排序器（SEQI和SEQ2），這兩個排序器可被級聯(lián)成個最多可選擇16個轉(zhuǎn)換模擬通道的排序器（SEQ）。在這兩種工作方式下，ADC模塊都能夠?qū)σ恍蛄修D(zhuǎn)換進(jìn)行自動排序。轉(zhuǎn)換后的數(shù)值結(jié)果保存在該通道相應(yīng)的結(jié)果寄存器中，這樣用戶可以對同一個通道進(jìn)行多次采樣，采樣結(jié)果分辨率高。

F28335自帶256kB的Flash，外部可擴(kuò)展1MBit數(shù)字存儲器和1MBit程序存儲器。無源晶振采用30 MHz，經(jīng)內(nèi)部時鐘定位（PLL）5倍頻得到28335的主頻為150 MHz。PLL采用外部濾波環(huán)電路來消除抖動。

電源監(jiān)控芯片選擇了TI公司的TPS7333Q，此芯片可將5 V電壓轉(zhuǎn)換成DSP需要的3.3 V電平，并有電平監(jiān)控的功能，

系統(tǒng)采用液晶顯示測量結(jié)果，并由鍵盤輸入命令，信號經(jīng)運算處理后，可由液晶顯示器顯示結(jié)果，便于觀察，也可由RS-232接口與上位機(jī)進(jìn)行通信，上傳數(shù)據(jù)，便于存儲和查詢。

通信電路采用符合RS-232標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動芯片MAX3232，進(jìn)行串行通信。MAX3232芯片功耗低、集成度高，3.3 V供電，具有兩個接收和發(fā)送通道。

DSP在一個工頻周期內(nèi)等間隔地采集512個瞬間電壓、電流數(shù)據(jù)后，經(jīng)DSP處理計算出電網(wǎng)電壓、電流（包括零序電流）、功率因數(shù)、無功功率、有功功率、電壓電流、1～64次諧波等負(fù)荷參數(shù)值，存儲并送參量到顯示單元顯示，同時根據(jù)現(xiàn)場的實際情況通過控制器鍵盤設(shè)置參數(shù)來控制電容投切。實現(xiàn)分補、共補同時控制。在被諧波污染的電網(wǎng)中，一般在電容器上串聯(lián)電抗，以抑制和防止諧波放大。本系統(tǒng)采用實時跟蹤監(jiān)測電網(wǎng)中的諧波量的方法，在電網(wǎng)中的諧波量超出設(shè)定值時，停止投入電容器，并報警信號。

4 結(jié)論

DSP在電阻焊控制器的應(yīng)用極大地推進(jìn)了點焊過程的發(fā)展，DSP的高速運算和通信能力適應(yīng)了汽車點焊生產(chǎn)控制信息化、智能化的發(fā)展需求，有效的提高焊點質(zhì)量，強(qiáng)化了電阻電焊過程的監(jiān)控管理，對提高車身質(zhì)量有著重要意義?；贒SP的低壓動態(tài)無功功率補償控制器為汽車焊接供電電源的無功補償提供了有利的核心設(shè)備，為安全精確補償、有效節(jié)能生產(chǎn)提供了保障。DSP的應(yīng)用為精細(xì)點焊控制、改善焊接質(zhì)量、提高信息化管理水平提供了一系列全面的解決方案。

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