劉曉光 蔣曉明 黃丹 曹立超 王攀

摘? 要： 文中設(shè)計(jì)一種基于DSP和ARM9雙處理器控制的超聲波焊接電源并介紹了雙處理超聲波焊接電源的硬件組成和軟件設(shè)計(jì)流程。采用DSP控制器對(duì)超聲波焊接電源外設(shè)工作狀態(tài)以及焊接工藝過程控制。采用ARM9控制器設(shè)計(jì)了基于Linux系統(tǒng)的人機(jī)界面控制系統(tǒng)。采用雙口RAM技術(shù)實(shí)現(xiàn)雙處理器的數(shù)據(jù)共享，確保超聲波焊接電源工藝參數(shù)、狀態(tài)信息等數(shù)據(jù)的快速、實(shí)時(shí)、可靠傳輸，以適應(yīng)用戶對(duì)超聲波焊接電源遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障診斷等大量數(shù)據(jù)處理的需要。搭建超聲波金屬焊接試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行焊接測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研制的超聲波電源具有良好的人機(jī)交互性并能得到較好的焊接效果。

關(guān)鍵詞： 超聲波電源設(shè)計(jì); 金屬焊接; 過程控制; 數(shù)據(jù)共享; 數(shù)據(jù)傳輸; 焊接測(cè)試

中圖分類號(hào)： TN752.6?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）08?0109?04

Design of ultrasonic welding power supply based on dual processor

LIU Xiaoguang1， JIANG Xiaoming1，2， HUANG Dan1， CAO Lichao1， WANG Pan1

（1. Guangdong Key Laboratory of Modern Control Technology， Guangdong Institute of Intelligent Manufacturing， Guangzhou 510070， China;

2. Guangdong Institute of Ocean Engineering Equipment & Technology， Zhuhai 519055， China）

Abstract： An ultrasonic welding power supply based on dual processor control of DSP and ARM9 is designed in this paper， whose hardware composition and software design process are introduced. The peripheral working state and welding procedure process of the ultrasonic welding power supply are controlled with the DSP controller. The human?machine interface control system based on Linux system is designed by means of ARM9 controller. The data sharing of dual processors is realized by means of the dual?port RAM technology， which ensures the fast， real?time and reliable transmission of data such as process parameters and status information of the ultrasonic welding power supply， so as to meet the needs of users for large amount of data processing such as remote monitoring and fault diagnosis of the ultrasonic welding power supply. The testing platform of ultrasonic metal welding was built for welding test. The experiment results show that the developed ultrasonic power supply has a good human?computer interaction performance and welding effect.

Keywords： ultrasonic power supply design; metal welding; process control; data sharing; data transmission; welding test

0? 引? 言

隨著社會(huì)數(shù)字化程度越來越高，人們對(duì)工業(yè)產(chǎn)品功能和性能的需求也越來越高，嵌入式系統(tǒng)設(shè)備逐漸成為工業(yè)領(lǐng)域的主角。超聲波金屬焊接電源作為動(dòng)力電池制造行業(yè)中的重要設(shè)備，為適應(yīng)焊接生產(chǎn)線的需要，超聲波焊接電源本身具有易操作性、智能化監(jiān)測(cè)和故障診斷功能、可靠性等特征。目前，工業(yè)應(yīng)用中的超聲波焊接電源主要為以下兩種：

1） 以模擬電路為主控制器件的超聲波焊接電源[1?2]。這種電源控制結(jié)構(gòu)單一，控制電路較復(fù)雜，控制精度較低，參數(shù)整定不方便[3]，電源的穩(wěn)定性和可靠性不高，適合于較小功率且工藝簡(jiǎn)單的手工或半自動(dòng)焊生產(chǎn)，對(duì)焊接工具頭負(fù)載的適應(yīng)性較差，不易進(jìn)行升級(jí)改造。

2） 以DSP，ARM，F(xiàn)PGA等MCU為主控制器件的數(shù)字化超聲波焊接電源[4?5]。其一般具有豐富的硬件配置資源，外圍控制電路較為簡(jiǎn)單，其核心功能以及工藝過程通過軟件控制實(shí)現(xiàn)，對(duì)負(fù)載的適應(yīng)性較好，易于通過修改軟件程序適應(yīng)不同的工藝需求，容易進(jìn)行改造升級(jí)。目前，大多數(shù)數(shù)字超聲波焊接電源是基于單一處理器的控制架構(gòu)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)設(shè)備復(fù)雜信息傳輸、數(shù)據(jù)交換、遠(yuǎn)程診斷等較困難。

隨著人們對(duì)超聲波焊接電源易操作性的要求，已有研究基于DSP和圖形驅(qū)動(dòng)的DGUS的人機(jī)交互系統(tǒng)的雙處理器超聲波焊接電源[6]，其操作簡(jiǎn)單，界面設(shè)計(jì)容易，但不能適應(yīng)超聲波焊接電源遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線的工藝狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷對(duì)大量數(shù)據(jù)傳輸要求。因此本文設(shè)計(jì)了一種基于DSP和ARM9的雙處理器超聲波金屬焊接電源以適應(yīng)對(duì)數(shù)字化信息和數(shù)據(jù)交換的需求。

1? 電源硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的雙處理器超聲波焊接電源系統(tǒng)框圖如圖1所示。超聲波焊接電源主要包括主電路模塊、主控制模塊和嵌入式控制模塊三大模塊。

主電路模塊包括工頻整流、濾波、逆變、中頻變壓、諧振匹配等電路，實(shí)現(xiàn)將工頻（50 Hz）220 V交流電壓轉(zhuǎn)換成適合于金屬焊接的高頻（15～40 kHz）正弦波形的高壓電信號(hào)（電壓峰值超600 V以上）。主控制模塊通過DSP控制器及其外圍電路實(shí)現(xiàn)對(duì)主電路電壓變換所需的脈寬調(diào)制信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)控制，以及與嵌入式人機(jī)界面模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和通信，同時(shí)對(duì)超聲波金屬焊接的工藝過程進(jìn)行邏輯時(shí)序控制。嵌入式控制模塊主要實(shí)現(xiàn)超聲波焊接電源友好的人機(jī)交互和與外設(shè)通信的擴(kuò)展。

1.1? DSP主控制模塊設(shè)計(jì)

主控制器采用TI公司的TMS320F28335。該控制器是一款高性能的32位CPU，具有32×32位乘法運(yùn)算能力和64位的處理能力，能夠很好地處理高精度的浮點(diǎn)數(shù)值問題，其主頻[7]可達(dá)150 MHz。片內(nèi)包含256K×16的FLASH存儲(chǔ)器，34K×16的SARAM和1K×16的ROM，能很好地滿足焊接過程有關(guān)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和交換的存儲(chǔ);包含8個(gè)外部中斷，具有快速中斷相應(yīng)能力，可以高速處理外設(shè)故障異常、數(shù)據(jù)交換傳輸?shù)犬惒绞录?增強(qiáng)型的PWM外設(shè)支持獨(dú)立/互補(bǔ)的PWM信號(hào)的生成;增強(qiáng)型的捕獲外設(shè)使用32位時(shí)基信號(hào)，能夠快速捕捉反饋電流和電壓波形的相位差;以及多達(dá)88個(gè)通用I/O口，能夠足夠配置對(duì)外部開關(guān)器件、外部指示電路和其他外設(shè)部件的開關(guān)控制。另外該控制器還包含了提高通信功能的2個(gè)eCAN通信模塊、3個(gè)SCI模塊、1個(gè)SPI模塊等豐富的內(nèi)部資源。在設(shè)計(jì)超聲波電源主控制電路時(shí)，主要設(shè)計(jì)供電電路，網(wǎng)壓、熱狀態(tài)、輸出電壓及電流波形檢測(cè)和調(diào)理以及數(shù)據(jù)、傳輸?shù)耐ㄐ沤涌陔娐?，信?hào)隔離和放大電路等，大大簡(jiǎn)化了主控制電路的設(shè)計(jì)工作。文中不對(duì)主控制器的硬件及外圍電路的具體設(shè)計(jì)過程進(jìn)行贅述。

1.2? 嵌入式控制模塊設(shè)計(jì)

嵌入式電路設(shè)計(jì)主要是基于Samsung公司的S3C2440A處理器開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。電路主要包括：內(nèi)核16/32位RISC;實(shí)時(shí)時(shí)鐘，12 MHz外部晶振;4 MB NOR FLASH和256 MB NAND FLASH; USB控制和通信接口[8];四線電阻式觸摸屏;LCD接口外接5.6寸液晶屏?？芍苯佑肗OR FLASH和SDRAM運(yùn)行代碼，通過LCD顯示，同時(shí)還能通過串口、USB口與外部交換信息和數(shù)據(jù)，嵌入式控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。該系統(tǒng)主要包括嵌入式控制器及電源、時(shí)鐘、NAND FLASH存儲(chǔ)器、NOR FLASH存儲(chǔ)器、串口通信、數(shù)據(jù)共享控制、USB接口、液晶和觸摸屏接口控制電路，以及適應(yīng)于遠(yuǎn)程故障診斷的以太網(wǎng)通信接口電路等。

1.3? 雙口RAM接口設(shè)計(jì)

為滿足用戶對(duì)焊接生產(chǎn)過程中振幅、功率、能量等工藝參數(shù)的可追溯性要求，以及對(duì)電源的遠(yuǎn)程監(jiān)控和診斷，需處理大量的數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)獲取及交換是多處理器系統(tǒng)的重要組成部分，且這類系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)交換要求的通信速率往往很高。傳統(tǒng)的并口和串口設(shè)計(jì)無論是在通信速率還是在可靠性方面都不易滿足要求，快速、實(shí)時(shí)、無誤地傳輸數(shù)據(jù)信息是雙處理器系統(tǒng)面臨的一個(gè)較為普遍的問題[9?10]。本設(shè)計(jì)采用IDT70261雙口RAM，DSP和ARM9芯片分別通過兩組端口對(duì)雙口RAM進(jìn)行存取操作，接口電路圖如圖3所示。

2? 電源程序設(shè)計(jì)

超聲波電源的程序是數(shù)字化超聲波電源的核心技術(shù)，是電源能夠完成正常工作的“中樞”。本文設(shè)計(jì)的電源程序包括主控制器的軟件程序和實(shí)現(xiàn)嵌入式控制的人機(jī)界面及數(shù)據(jù)的傳輸和通信的軟件。

2.1? DSP控制程序設(shè)計(jì)

超聲波焊接電源的DSP控制程序主要是實(shí)現(xiàn)主控制系統(tǒng)的初始化，對(duì)焊接工藝時(shí)序的邏輯控制，PWM信號(hào)的產(chǎn)生，電流電壓檢測(cè)信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換，頻率的跟蹤，相位的鎖定，功率的調(diào)節(jié)、故障等中斷信號(hào)的處理，以及其他外設(shè)的控制。由于數(shù)字化的超聲波電源工藝的適應(yīng)性廣，用戶期望超聲波電源能夠在時(shí)間模式、能量模式等多種工作模式下實(shí)現(xiàn)不同焊接件的工藝要求，本文結(jié)合實(shí)際工業(yè)需求，設(shè)計(jì)了能夠適應(yīng)不同焊接工藝需要的DSP控制主程序，流程圖如圖4所示。在DSP的控制程序中的掃頻子程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)換能器及其工具頭的諧振頻率的掃描，從而確定系統(tǒng)焊接工作時(shí)的工作頻率，并在后續(xù)工作模式處理子程序中通過相位檢測(cè)、鎖相、頻率跟蹤、功率調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)電源在焊接過程中的閉環(huán)輸出，確保超聲波焊接電源和換能器系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài)。

2.2? 嵌入式控制程序設(shè)計(jì)

超聲波電源人機(jī)界面的嵌入式控制程序設(shè)計(jì)分為三個(gè)部分，分別是線程類函數(shù)（用于接收數(shù)據(jù)）、繪圖類函數(shù)和主函數(shù)的設(shè)計(jì)。其中線程類函數(shù)繼承Qthread類，功能為打開Linux串口文件，并循環(huán)接收收到的數(shù)據(jù)。線程的好處就是可以一直循環(huán)而不影響主程序。當(dāng)收到某一次全部工作數(shù)據(jù)后發(fā)出指令，繪圖函數(shù)即進(jìn)行繪圖，繪制焊接功率曲線。

本文主要介紹嵌入式控制程序設(shè)計(jì)中的主函數(shù)流程圖，主函數(shù)用于建立人機(jī)界面的所有控件以及實(shí)現(xiàn)必要的功能函數(shù)，如圖5所示。

本文通過嵌入式控制程序設(shè)計(jì)了如圖6所示的一部分人機(jī)交互界面。超聲波焊接電源通過“出廠參數(shù)設(shè)置”界面中設(shè)置的掃頻頻帶范圍的頻率發(fā)送給DSP作為掃頻范圍，操作界面直觀且人性化。

3? 實(shí)? 驗(yàn)

本文通過搭建了如圖7所示焊接實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并對(duì)超聲波電源進(jìn)行焊接測(cè)試。

注：1.全數(shù)字超聲波電源;2.超聲波焊接機(jī)頭;3.示波器

在電源空載階段進(jìn)行掃頻并最終達(dá)到并鎖定在諧振頻率（fs）點(diǎn)附近工作，并且在鎖定的諧振頻率狀態(tài)下，得到較好的焊接質(zhì)量。如圖8所示分別為樣機(jī)在45%和35%振幅設(shè)置下鍍鎳銅（1 mm）與海綿鎳網(wǎng)焊接效果。

4? 結(jié)? 論

本文利用TMS320F28335和S3C2440A設(shè)計(jì)了雙處理器的超聲波焊接電源，并在工業(yè)生產(chǎn)中得到了實(shí)際應(yīng)用。結(jié)果表明，該電源具有良好的操作性、穩(wěn)定性，以及焊接的工藝性，采用的雙口RAM技術(shù)也能滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求。

注：本文通訊作者為蔣曉明。

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