陳樹君，林 萬，余 旭，白立來

（北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124）

變極性等離子弧焊的嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳樹君，林 萬，余 旭，白立來

（北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124）

采用以Cortex-M4為核心的微控制器STM32F407VGT6，設(shè)計(jì)了變極性等離子弧焊的過程控制及焊接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了焊接過程中對焊接參數(shù)的輸入、顯示、調(diào)用、存儲(chǔ)以及實(shí)際焊接參數(shù)的采集和監(jiān)控功能，并實(shí)現(xiàn)了焊接過程中焊接參數(shù)的PID反饋調(diào)節(jié)。不僅能實(shí)現(xiàn)主站PC對焊機(jī)的遠(yuǎn)程控制，還可將微控制器采集到的焊接數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳進(jìn)行監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測情況，實(shí)時(shí)修正焊接工藝參數(shù)，以達(dá)到更高的焊接工藝要求和獲得更好的焊接質(zhì)量。

Cortex-M4；微控制器STM32F407VGT6；弧焊過程控制；數(shù)據(jù)監(jiān)控

0 前言

變極性等離子弧焊接是采用等離子弧作為高溫?zé)嵩吹暮附臃椒?，它具有良好的調(diào)節(jié)性，等離子弧的電弧能量集中、溫度較高，且等離子弧焊接速度是普通氬弧焊的3～6倍，因此變極性等離子弧焊在現(xiàn)代制造業(yè)中擁有廣闊的應(yīng)用前景[1]。但是，等離子弧焊過程中對焊接工藝參數(shù)的變化比較敏感，導(dǎo)致等離子弧焊過程中小孔的穩(wěn)定性較差，焊接質(zhì)量不夠穩(wěn)定，而這些問題的存在制約了等離子焊接工藝在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用[2]。良好的變極性等離子焊接過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)的實(shí)時(shí)采集與監(jiān)控，并實(shí)時(shí)修正和改進(jìn)焊接過程中的工藝參數(shù)，是增強(qiáng)小孔的穩(wěn)定性和提高等離子弧焊過程穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量的有效手段[3]。

本研究采用以Cortex-M4為核心的微控制器STM32F407VGT6，設(shè)計(jì)了變極性等離子弧焊的過程控制及焊接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)修正焊接工藝參數(shù)，以達(dá)到更高的焊接工藝要求和獲得更好的焊接質(zhì)量。

1 控制系統(tǒng)和控制策略

本套變極性等離子弧焊控制系統(tǒng)以單片機(jī)STM32F407VGT6為控制核心，對焊接電流，變極性頻率、基值電流及變極性電路進(jìn)行控制①STM32F407 http://www.alldatasheet.com.。該控制系統(tǒng)可以通過人機(jī)交互顯示屏和旋轉(zhuǎn)編碼器鍵盤設(shè)置焊接方式，如直流焊接、高頻交流焊接等，并具有焊接參數(shù)設(shè)定及顯示、焊接時(shí)序控制、離子氣流量控制和故障顯示以及焊接數(shù)據(jù)采集和EtherCAT網(wǎng)絡(luò)從站等功能。

單片機(jī)控制系統(tǒng)由STM32F407VGT6單片機(jī)最小系統(tǒng)、A/D采集電路、PID反饋調(diào)節(jié)、SPI轉(zhuǎn)EtherCAT網(wǎng)絡(luò)傳輸、開關(guān)量輸入輸出電路、RS-232串口通訊電路、RS-485通訊電路、LCD人機(jī)界面顯示電路及鍵盤及旋鈕輸入電路組成，如圖1所示。

圖1 基于單片機(jī)的變極性等離子弧焊控制系統(tǒng)

PID控制方法因其結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、魯棒性好、工作可靠以及對于不易建立數(shù)學(xué)模型的控制對象特別適用等優(yōu)點(diǎn)在工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，是目前最成熟的一種控制理論和方法[4]。

控制系統(tǒng)采用內(nèi)外環(huán)PID反饋調(diào)節(jié)的方式以控制焊接參數(shù)的輸出，利用電流互感器采集焊接電流形成PID外環(huán)反饋調(diào)節(jié)，保證恒電流的控制精度。并利用霍爾電流傳感器采集峰值電流實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)反饋，保證控制系統(tǒng)的可靠性?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 恒電流控制系統(tǒng)框圖

2 控制系統(tǒng)工藝和動(dòng)作時(shí)序設(shè)計(jì)

變極性等離子弧焊在STM32F407VGT6單片機(jī)的控制下進(jìn)行，單片機(jī)的控制程序根據(jù)等離子弧焊的工藝和工作時(shí)間設(shè)計(jì)制備。本系列變極性等離子弧焊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)最大焊接參數(shù)為16個(gè)，焊接參數(shù)眾多，工藝時(shí)序設(shè)計(jì)復(fù)雜。工藝流程和時(shí)序動(dòng)作及程序設(shè)計(jì)是否合理對于工藝過程的穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量的影響十分明顯。根據(jù)工藝和時(shí)序要求，對焊接參數(shù)和焊接信號之間的協(xié)調(diào)要求非常嚴(yán)格，因此需要在焊接時(shí)嚴(yán)格控制時(shí)序，具體參數(shù)和時(shí)序參數(shù)則可根據(jù)焊接的具體情況更改調(diào)整[5]。根據(jù)以上要求，工藝和動(dòng)作時(shí)序設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 工藝和動(dòng)作時(shí)序

3 控制及參數(shù)采集監(jiān)測系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

等離子弧焊的數(shù)字化控制和監(jiān)測需要設(shè)計(jì)合適的控制電路和焊接參數(shù)采集電路。控制電路主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、開關(guān)量輸入輸出電路、PWM互補(bǔ)輸出電路、焊接參數(shù)采集電路以及一些外圍接口電路組成。單片機(jī)最小系統(tǒng)由STM32F407、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、外部程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等組成。PWM互補(bǔ)輸出電路主要由高速光耦HCPL2630、數(shù)字驅(qū)動(dòng)芯片雙向收發(fā)器74HC245以及反相器40106等組成。PWM互補(bǔ)輸出電路如圖4所示。

焊接參數(shù)采集電路主要由滿幅度輸出線性放大器OP484以及高速線性光耦[9-25]HCNR200等組成[6]。焊接參數(shù)采集電路如圖5所示。

圖4 PWM互補(bǔ)輸出電路

圖5 焊接參數(shù)采集電路

3.2 軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為下位機(jī)控制系統(tǒng)和上位機(jī)采集與監(jiān)測系統(tǒng)兩部分的設(shè)計(jì)。下位機(jī)控制程序包括串口通訊、SPI轉(zhuǎn)EtherCAT通訊、PID閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)以及互補(bǔ)PWM輸出等多個(gè)子程序。其中PID閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)子程序增量式PID閉環(huán)調(diào)制法對全橋逆變電路的PWM占空比進(jìn)行調(diào)制以控制焊接電流的輸出。增量式PID閉環(huán)是指當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對值而是控制量的增量（例如去驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)）時(shí)，需要采用增量PID算法。增量式PID控制適用于控制變量為增量值的控制。PID控制系統(tǒng)原理如圖6所示。

圖6 PID控制系統(tǒng)原理框圖

該系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對象組成。r（t）是給定值，y（t）是系統(tǒng)的實(shí)際輸出值，給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差e（t），有e（t）=r（t）-y（t）。e（t）作為PID控制器的輸入，u（t）作為PID控制器的輸出和被控對象的輸入。如果只需計(jì)算控制系統(tǒng)的增量e（t），則可以使用增量式PID控制算法。

增量式PID控制器的控制規(guī)律為

式中 KP為比例常數(shù)；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)；u0為PI控制器運(yùn)算初值。

控制器在第k-1個(gè)采樣時(shí)刻的輸出值為

將兩式相減，可得到增量式PID控制算法為

由式（4）可知，如果控制系統(tǒng)使用恒定的采樣周期T，一旦確定A，B，C，則可以通過使用前后三次測量值的偏差來獲得控制增量。在本控制系統(tǒng)的單相全橋逆變電路占空比的控制算法中，控制一次逆變的驅(qū)動(dòng)波形時(shí)序如圖7所示。

圖7 一次逆變驅(qū)動(dòng)波形時(shí)序

逆變頻率設(shè)計(jì)為20 kHz，焊接電流輸出為0～300 A可調(diào)。由于STM32F407單片機(jī)的系統(tǒng)頻率為168 MHz，因此在單片機(jī)的定時(shí)器輸出PWM的配置中應(yīng)將計(jì)數(shù)器寄存器的值設(shè)置為8400，即ARR值為8 400時(shí)單片機(jī)輸出PWM的頻率為20 kHz。在圖7中，滯后臂之間的5 μs時(shí)間為單相全橋逆變電路的一次逆變驅(qū)動(dòng)的死區(qū)時(shí)間，TIM->CCER1和TIM->CCER2分別為單片機(jī)定時(shí)器的輸出比較寄存器值，采用TIM1和TIM8兩組高級定時(shí)器分別產(chǎn)生一組帶死區(qū)時(shí)間的PWM波形。在本控制系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)滯后臂的占空比不變，通過調(diào)節(jié)超前臂的輸出比較寄存器值以調(diào)節(jié)超前臂的占空比輸出，從而調(diào)節(jié)焊機(jī)的輸出電流。

結(jié)合增量式PID閉環(huán)反饋算法，調(diào)節(jié)焊機(jī)電流大小實(shí)際上即采用PID閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)一次逆變驅(qū)動(dòng)超前臂的占空比大小。由此可知，增量式PID閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)的給定即為焊機(jī)電流的輸出，反饋值即為單片機(jī)的AD采集到的通過霍爾電流傳感器測出經(jīng)過換算后的實(shí)際焊接電流值。

與此同時(shí)，由于單片機(jī)采集到的實(shí)際電流值與電流給定值數(shù)制和位數(shù)不同，必然帶來PID閉環(huán)反饋時(shí)的精度誤差問題，從而影響單片機(jī)的實(shí)際電流輸出。為此，本設(shè)計(jì)采用DA輸出對應(yīng)焊接電流給定值的大小，當(dāng)改變DA輸出時(shí)，焊接電流給定值也同時(shí)線性變化，由于STM32F407單片機(jī)的AD和DA輸出都是12位數(shù)制，再利用此單片機(jī)自帶的可進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算的FPU浮點(diǎn)運(yùn)算模塊進(jìn)行閉環(huán)反饋PI運(yùn)算，以解決運(yùn)算過程中的精度誤差問題。最后將通過PI運(yùn)算后輸出的占空比值對定時(shí)器的輸出比較寄存器值進(jìn)行實(shí)時(shí)更新即可。

定時(shí)器進(jìn)入TIM4中斷后的程序流程如圖8所示。為了使單片機(jī)經(jīng)過PI運(yùn)算調(diào)節(jié)后輸出的電流值在一次逆變的下一個(gè)周期能實(shí)時(shí)更新，采用在普通定時(shí)器TIM4中斷中進(jìn)行AD采集和PI運(yùn)算以得到實(shí)時(shí)更新的輸出比較寄存器值。并設(shè)置TIM4的中斷計(jì)數(shù)器值為逆變周期或者逆變周期的整數(shù)倍。PI運(yùn)算程序流程如圖9所示。

圖8 TIM4中斷程序流程

圖9 PI閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)程序流程

基于VS2010搭建的焊接參數(shù)監(jiān)測上位機(jī)軟件，利用串口控件TeeChart圖表控件實(shí)現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)測軟件與控制系統(tǒng)的串口通訊與參數(shù)采集的波形顯示，默認(rèn)串口參為串口COM1、波特率9 600、8位數(shù)據(jù)位、無校驗(yàn)位和1個(gè)停止位?？蓪?shí)現(xiàn)焊接參數(shù)采集的實(shí)時(shí)波形滾動(dòng)顯示。焊接采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)曲線軟件設(shè)計(jì)界面如圖10所示。

圖10 焊接采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)曲線設(shè)計(jì)界面

該控制系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)等離子弧焊接的過程控制，還可實(shí)現(xiàn)焊接過程的參數(shù)采集及監(jiān)測，配備以工控PC機(jī)平臺(tái)的基于VS2010的串口通訊焊接參數(shù)監(jiān)測上位機(jī)軟件，通過自開發(fā)的SPI轉(zhuǎn)EtherCAT的網(wǎng)絡(luò)耦合板與上位機(jī)TWINCAT或CODESYS編寫的自動(dòng)化焊接控制系統(tǒng)進(jìn)行焊接信息的交互，由此建立與上位機(jī)通訊的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)從站[7]。

4 結(jié)論

等離子弧焊過程控制系統(tǒng)和參數(shù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)已用于離線和在線調(diào)試。離線調(diào)試監(jiān)測時(shí)間的合理性動(dòng)作，精確控制時(shí)間和焊接參數(shù)的采集與監(jiān)控系統(tǒng)的可行性，在線調(diào)試系統(tǒng)可靠、工作穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，等離子弧焊接過程控制系統(tǒng)和焊接參數(shù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)過程的時(shí)序動(dòng)作執(zhí)行，系統(tǒng)軟件執(zhí)行效率高、控制精度高。當(dāng)樣品以較快的焊接速度進(jìn)行焊接時(shí)可保證焊接過程的穩(wěn)定性，焊接過程電弧能量集中且不會(huì)斷裂，基本無咬邊氣孔等焊接缺陷，在相同條件下，焊接速度比普通電弧焊的更快，工藝性能更加優(yōu)良。通過良好的焊接過程控制以及參數(shù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了焊接參數(shù)的實(shí)時(shí)反饋和波形顯示，拓寬了變極性等離子弧焊接的工藝參數(shù)區(qū)間，小孔穩(wěn)定性得到一定的提升，焊接工藝美觀，可滿足等離子弧焊工藝的技術(shù)要求。

圖11 EterCAT從站建立程序流程

[1] 殷樹言，劉嘉，丁京柱，等.電焊機(jī)的數(shù)字化[J].焊接學(xué)報(bào)，2002（1）：88-89.

[2]韓永全，陳樹君，殷樹言，等.變極性等離子電弧穩(wěn)定性及其控制[J].焊接學(xué)報(bào)，2008（4）：18-20.

[3]黃石生.弧焊電源及其數(shù)字化控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版杜，2006.

[4]丁京柱，黃鵬飛，殷樹言，等.雙閉環(huán)單片機(jī)波控逆變CO2焊機(jī)系統(tǒng)[J].焊接學(xué)報(bào)，2000，21（3）：47-50.

[5]Liu Yizhang.PC-based arc ignition and arc length control system for gas tung-sten arc welding[J].IEEE Transactions on Industry Applications，1992，28（5）：1160-1165.

[6] 趙希才.隔離放大器及其應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2000（3）：85-86

[7]S R SHAN，Y Q LIU，H Ji.EtherCAT Indu-strial Ethernet Fieldbus and Its Driver Design[J].Manufacturing Automation，2007，29（11）：79-82.

Design of embedded control system for variable polarity plasma welding

CHEN Shujun，LIN Wan，YU Xu，BAI Lilai
（College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

The process control and data acquisition system of plasma arc welding was developed.It adopted microcontroller STM32-F407VGT6 embedded in with Cortex-M4 core.This system realizes the parameters'input，display，call and storage，as well as the actual welding parameters acquisition and monitoring function，and the system can adjust the welding parameters in welding process with the PID feedback.It can not only realize the remote control of the welding station PC，but also monitor the welding parameters collected by microcontroller.And this system can update the welding parameters according to the monitoring to achieve the higher requirements of the welding process and get more optimized quality of welding.

Cortex-M4；microcontroller STM32F407VGT6；arc welding process control；data monitoring

TG439.5

A

1001－2303（2017）05－0043-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.05.09

2017-03-19；

2017-04-05

陳樹君（1971—），男，教授，博士，主要從事電焊機(jī)的電磁兼容設(shè)計(jì)與測試、逆變電源設(shè)計(jì)與開發(fā)、高效焊接工藝、焊接過程質(zhì)量控制的研究工作。E-mail：sjchen@bjut.edu.cn。

本文參考文獻(xiàn)引用格式：陳樹君，林萬，余旭，等.變極性等離子弧焊的嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電焊機(jī)，2017，47（05）：43-47.