周美蓉

（永州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 永州 425000）

磁控埋弧焊焊縫系統(tǒng)勵(lì)磁電源和信號(hào)采集與處理系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

周美蓉

（永州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 永州 425000）

勵(lì)磁電源和信號(hào)采集與處理系統(tǒng)是研究磁控埋弧焊焊縫跟蹤過(guò)程中非常重要的部分，直接關(guān)系到研究的成敗。本文在前人的研究基礎(chǔ)上，對(duì)原有的勵(lì)磁電源和信號(hào)與采集處理系統(tǒng)作了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高試驗(yàn)的精準(zhǔn)度，具有一定的借鑒價(jià)值。

磁控埋弧焊；焊縫跟蹤；勵(lì)磁電源；信號(hào)處理；優(yōu)化設(shè)計(jì)

磁控埋弧焊是把磁控技術(shù)運(yùn)用到埋弧焊領(lǐng)域的一種技術(shù)。磁控技術(shù)具有很好的焊縫跟蹤效果，埋弧焊由于是在焊劑底下焊接，具有其他焊接方式不具備的優(yōu)點(diǎn)，所以磁控埋弧焊焊縫跟蹤系統(tǒng)的研究是一個(gè)非常具有前景的研究方向。其中，磁控埋弧焊焊縫系統(tǒng)勵(lì)磁電源和信號(hào)采集與處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尤為重要，本文在前人的研究基礎(chǔ)上，對(duì)磁控埋弧焊焊縫系統(tǒng)勵(lì)磁電源和信號(hào)采集與處理系統(tǒng)做了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 勵(lì)磁電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)

勵(lì)磁電源提供整個(gè)試驗(yàn)所需的按照一定規(guī)律變化的電流，研究中常用的有矩形波、三角波和正弦波等三種波形。前期的研究者一般采用的是矩形波。矩形波有一個(gè)非常大的優(yōu)點(diǎn)，就是在一定時(shí)期內(nèi)，其變化的規(guī)律性非常適合試驗(yàn)研究和后期的數(shù)據(jù)處理；但是該電源也有一個(gè)非常明顯的局限性，就是突變性，勵(lì)磁線圈中產(chǎn)生的突變的感應(yīng)電勢(shì)，會(huì)使得試驗(yàn)磁場(chǎng)也發(fā)生突變，不符合試驗(yàn)要求。比較三角波和正弦波，正弦波的變化更為平緩，對(duì)于后期的信號(hào)采集和處理更加有利，所以本試驗(yàn)舍棄矩形波而采用正弦波方案。

1.1 波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)

試驗(yàn)室前期采用的波形發(fā)生器是利用晶體管、運(yùn)放IC等通用器件制作的，多用專門的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生信號(hào)，前期的信號(hào)發(fā)生器芯片通常采用8038，該芯片一般可同時(shí)產(chǎn)生矩形波、三角波和正弦波，但是隨著研究的進(jìn)一步進(jìn)行，逐漸發(fā)現(xiàn)該芯片功能少、精度比較低、頻率和占空比不能獨(dú)立調(diào)節(jié)，且互相影響，調(diào)節(jié)方式也不靈活，制約了研究的進(jìn)一步進(jìn)行。

本試驗(yàn)選用DDS芯片中的AD7008。目前DDS芯片由于其頻率分體積小、辨率高、轉(zhuǎn)換速度快、性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。DDS是直接利用數(shù)字頻率合成的，是把一系列數(shù)字形式信號(hào)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量形式的新的全數(shù)字的合成技術(shù)。其使信號(hào)的產(chǎn)生和調(diào)制變得簡(jiǎn)單。

AD7008的功能框圖如圖1所示。由圖可得該芯片的功能主要分為三大部分：第一部分為基于DDS芯片的可編程的數(shù)字合成系統(tǒng)。從圖1可以看出其主要包括的零器件有：正/余弦查詢表、相位寄存器（12位）、D/A轉(zhuǎn)換器（10位）、正交幅度調(diào)制寄存器（20位）、相位累加器（32位），這部分是該芯片的核心部分，包含的零部件最多，很大程度上決定了該芯片的優(yōu)劣；第二部分包括命令寄存器、頻率寄存器（32位）、幅度調(diào)制單元；第三部分包括串行寄存器（32位）和并行寄存器（32位），其主要作用是用來(lái)接口微機(jī)。一般情況下，在試驗(yàn)中串行和并行接口可根據(jù)試驗(yàn)需要設(shè)置為同時(shí)或單獨(dú)使用，但本試驗(yàn)采用的是并行接口。試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)的參考時(shí)鐘CLOCK為 DDS提供試驗(yàn)所需的精確時(shí)鐘，TC0、TC1、TC2、TC3和LOAD在試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)上述設(shè)置的并行方式輸入相位、頻率和幅度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，使試驗(yàn)芯片輸出試驗(yàn)所需的調(diào)制試驗(yàn)信號(hào)。由于設(shè)置了并行方式，所以試驗(yàn)也只能通過(guò)并行寄存器把數(shù)據(jù)寫入到命令寄存器中。但命令寄存器一般由4位組成，即CR0、CR1、CR2、CR3，不同的數(shù)值代表著不同的功能。試驗(yàn)中，當(dāng)引腳FSELECT為0時(shí)，試驗(yàn)輸出信號(hào)頻率由FREQ0中的控制字來(lái)確定；當(dāng)FSELECT為1時(shí)，試驗(yàn)輸出信號(hào)頻率由FREQ1中的控制字來(lái)確定。

圖1 AD7008功能模塊圖

研究中，所選試驗(yàn)芯片（AD7008）采用的時(shí)鐘為50MHz，試驗(yàn)中加載數(shù)據(jù)所采用的并行方式為8位。圖中IOUT端輸出的正弦波頻率大小一般是由DDS芯片中設(shè)置的數(shù)值來(lái)確定的。在后邊的試驗(yàn)過(guò)程中，單片機(jī)與AD7008采用的電源均為+5V，而且本設(shè)計(jì)用單片機(jī) P1.0來(lái)對(duì)AD7008進(jìn)行復(fù)位，CS片選擇信號(hào)接地，并且始終有效。因本設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)加載方式為8位并行方式，所以試驗(yàn)中分4次將數(shù)值寫入32位頻率寄存器。通過(guò)寄存器控制線TC3、TC2、TC1、TC0和加載控制線LOAD來(lái)完成數(shù)據(jù)的傳送過(guò)程，TC3、TC2、TC1、TC0是用于確定數(shù)據(jù)傳送期間所用的輸入緩沖寄存器。

試驗(yàn)過(guò)程中，數(shù)據(jù)首先輸入緩沖寄存器，然后，緩沖寄存器中的數(shù)據(jù)再被輸入到目標(biāo)寄存器。LOAD控制腳和控制線TC3、TC2、TC1和TC0的數(shù)據(jù)一般必須滿足兩個(gè)條件：一是這些數(shù)據(jù)要在LOAD的上升沿到來(lái)前建立并且穩(wěn)定下來(lái)；二是這些數(shù)據(jù)還需維持到LOAD的下降沿到來(lái)之后。具體時(shí)序如圖2、3所示。

圖2 并行口時(shí)序

圖3 寄存器傳遞時(shí)序

為使頻率能夠快速實(shí)現(xiàn)切換，試驗(yàn)中通常在AD7008的內(nèi)部設(shè)置FREQ0和FREQ1兩個(gè)頻率寄存器，具體選擇哪個(gè)頻率寄存器來(lái)控制輸出信號(hào)頻率，由控制腳FSELECT來(lái)確定，其控制過(guò)程一般僅需一個(gè)時(shí)鐘周期。

1.2 放大電路設(shè)計(jì)

AD7008波形輸出電壓為±5V左右，產(chǎn)生的波形的幅值均為2V，必須要加上一個(gè)放大電路來(lái)提高電壓和負(fù)載能力。放大電路如圖4所示，采用LM1876進(jìn)行功率放大。LM1876是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體器件公司生產(chǎn)的一種音頻功放電路，其優(yōu)點(diǎn)為輸出功率大、失真小、體積小。在試驗(yàn)中，調(diào)節(jié)電路的電位器R14即可調(diào)節(jié)輸出電流幅值。調(diào)試效果非常好，而且在其一定范圍內(nèi)波形失真少，其波形如圖5所示，輸出電壓幅值可達(dá)±6V。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)量，在保證波形失真較小的情況下，輸出幅值可達(dá)±10V左右。

圖4 功率放大電路電路圖

圖5 功率放大后輸出的波形

2 信號(hào)采集和處理系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

電弧信號(hào)的采集和處理系統(tǒng)是整個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)的關(guān)鍵部分。在對(duì)已有研究試驗(yàn)平臺(tái)整理研究基礎(chǔ)上，進(jìn)行了一定的改進(jìn)設(shè)計(jì)。

2.1 信號(hào)的采集

該試驗(yàn)中，主要是采用電流傳感器來(lái)獲取焊接電流的信號(hào)。前期研究者主要是采用電流互感器，在研究初期，電流互感器確實(shí)對(duì)研究起了很大作用，但隨著研究的深入，電流互感器的一些缺點(diǎn)越來(lái)越對(duì)研究產(chǎn)生制約。后來(lái)，一些研究者開始使用霍爾傳感器，霍爾傳感器具有很多電流互感器不具備的優(yōu)勢(shì)。但是隨著設(shè)備的開發(fā)，霍爾傳感器的一些劣勢(shì)又開始顯現(xiàn)，例如體積較大，功耗較大，所以在本試驗(yàn)中，采用無(wú)磁芯電流傳感器。

無(wú)磁芯電流傳感器相比電流互感器有以下優(yōu)點(diǎn)：①無(wú)磁芯電流傳感器工作原理是利用霍爾效應(yīng)來(lái)測(cè)量試驗(yàn)電流，它不但可測(cè)直流電流，也可以測(cè)交流電流。而原試驗(yàn)所選電流互感器只能測(cè)量交流電流；②無(wú)磁芯電流傳感器的測(cè)量精度遠(yuǎn)高于原試驗(yàn)所選電流互感器；③無(wú)磁芯電流傳感器比較大，且不會(huì)產(chǎn)生電流過(guò)載，克服了電流互感器的一些缺陷；④無(wú)磁芯電流傳感器功耗非常低，這是互感器遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到的；⑤無(wú)磁芯電流傳感器允許工作溫度范圍大，而且溫度特性保持良好，而電流互感器受溫度影響大，溫度特性很不理想。

無(wú)磁芯電流傳感器相比霍爾傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：①無(wú)磁芯電流傳感器的尺寸和重量大約只有霍爾傳感器的一半；②無(wú)磁芯電流傳感器的功耗比相應(yīng)閉環(huán)器件的功耗節(jié)省33%；③無(wú)磁芯電流傳感器是采用無(wú)磁芯的匯流條導(dǎo)體代替?zhèn)鞲衅鞔判?，降低封裝厚度。電流流過(guò)匯流條并由幾何網(wǎng)絡(luò)感知，然后測(cè)量出絕對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)梯度。

試驗(yàn)時(shí)，埋弧焊的焊機(jī)地線是從無(wú)磁芯電流傳感器中的孔中穿過(guò)，傳感器上一般設(shè)置有4個(gè)接線柱，其中兩個(gè)接電源用來(lái)給傳感器供電，另外兩個(gè)為測(cè)得的電流信號(hào)，通過(guò)該兩個(gè)接線柱上的電壓即可顯示出來(lái)。所以在試驗(yàn)中，無(wú)磁芯電流傳感器得到的信號(hào)主要是反映焊接電流變化的電壓信號(hào)。

2.2 信號(hào)的濾波

對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波是信號(hào)處理中的一個(gè)極其重要的環(huán)節(jié)，因?yàn)樵诤附舆^(guò)程中，焊接電弧的信號(hào)是不斷變化的，這就使電弧傳感信號(hào)受到嚴(yán)重干擾，大大降低了信號(hào)質(zhì)量。為此，需要添加濾波裝置。濾波的主要目的就是為了在試驗(yàn)信號(hào)中提取電弧信號(hào)中有用的信息為試驗(yàn)系統(tǒng)所用，而且濾波系統(tǒng)還可以把信號(hào)中的低頻和高頻干擾抑制住，從而很好的改善了信號(hào)的質(zhì)量，使的后期對(duì)信號(hào)的分析和處理更加的方便快捷。

目前，常用的濾波器有數(shù)字濾波器和模擬濾波器，后者又常分為有源和無(wú)源兩種類型。濾波器性能的常用參數(shù)為傳遞函數(shù)。根據(jù)濾波器的傳遞函數(shù)的分類，濾波器可分為：巴特沃斯濾波器、切比雪夫?yàn)V波器和橢圓濾波器等等。

衡量濾波器的一個(gè)重要參數(shù)是濾波器的幅頻特性，上述三種濾波器的幅頻特性比較分別如圖6和表1所示。

圖6 三種濾波器的比較

由上述可知橢圓濾波器性能較好。在設(shè)計(jì)橢圓濾波器時(shí)需考慮幅頻特性、截止頻率、阻抗匹配、電路輸入等參數(shù)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)確定歸一化的元件值，進(jìn)而得到實(shí)際的元件值。

3 小結(jié)

本研究對(duì)勵(lì)磁電源和信號(hào)采集與處理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，試驗(yàn)取得的數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)，具有一定的借鑒價(jià)值。

表1 三種濾波器的特性比較

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Optimized design of excitation power and signal acquisition&processing system for magnetic submerged arc weld seam system

ZHOU Meirong
（Yongzhou Vocational Technical College,Yongzhou 425000,Hunan China）

The excitation power supply and signal acquisition&processing system is very important during the study of magnetic submerged arc welding seam tracking process,which directly relates to the success or failure of the study.On the basis of previous studies,the optimized design has been conducted to the original excitation power and signal data acquisition&processing system.The test precision has been improved,which provides certain reference.

Magnetic submerged arc welding;Seam tracking;Excitation power;Signal processing;Optimized design

TG409

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.01.022

1672-0121（2016）01-0076-04

2015－05－09；

2015－06－28

湖南省科技廳資助項(xiàng)目（2013GK3179）

周美蓉（1971-），女，副教授，主修機(jī)械工程與職業(yè)教育。E-mail：shenyanjin3@sina.com