專利名稱：基于dsp的數(shù)字化逆變式焊接電源控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種逆變式焊接電源領(lǐng)域的控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
逆變式焊接電源具有高效節(jié)能、輕巧省料和控制性能好等特點，在波形控制和提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能方面有很大發(fā)展，已成為現(xiàn)代焊接電源發(fā)展的主流之一。在弧焊逆變電源中，其控制部分對整機性能的優(yōu)劣關(guān)系重大。精確控制電流波形可以保證電流波形和焊接過程的一致性和可重復(fù)性，同時這也是實現(xiàn)弧電壓精確控制的前提。為了獲得滿意的焊縫質(zhì)量，在脈沖焊波形控制在各個階段對控制系統(tǒng)性能的要求是不一樣的，在脈沖電流期間需要保證合適的脈沖上升沿和下降沿，在基值電流期間要保證控制系統(tǒng)有合適的穩(wěn)態(tài)精度，以有利于基值電流穩(wěn)定。目前弧焊逆變電源大都以集成運放為核心的模擬電路組成控制系統(tǒng)。由于脈沖焊的波形復(fù)雜，焊接參數(shù)多，采用模擬控制方式對其進(jìn)行控制需要大量的操作旋鈕，操作很不方便，因此這種控制系統(tǒng)對于被控對象特別難以控制而控制要求又特別高的情況就難以達(dá)到控制目的，很難兼顧控制系統(tǒng)在脈沖電流和基值電流兩個階段的靜、動態(tài)性能指標(biāo)。從而使得采用傳統(tǒng)方法的控制系統(tǒng)在調(diào)節(jié)精度、實時性和可靠性等方面都有較大的局限，難以避免動態(tài)特性不夠理想、缺乏柔性等缺點。上述弊端很大程度上限制了弧焊逆變電源的進(jìn)一步發(fā)展，而數(shù)字化焊接電源的出現(xiàn)就很好地解決了這一問題。數(shù)字化焊接電源是數(shù)字信號處理技術(shù)與弧焊工藝相結(jié)合的產(chǎn)物，具有穩(wěn)定性高、系統(tǒng)靈活性好、控制精度高、容易實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化控制等巨大的優(yōu)越性。它采用計算機技術(shù)來完成對弧焊工藝過程的閉環(huán)控制，其中包括主電路的數(shù)字化和控制電路的數(shù)字化。目前，在焊機中常用的數(shù)字控制器件有DSP和MCU等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)合理，通用性強、抗干擾能力強、可靠性高的基于 DSP的數(shù)字化逆變式焊接電源控制系統(tǒng)。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是
一種基于DSP的數(shù)字化逆變式焊接電源控制系統(tǒng)，其特征是包括人機接口模塊，人機接口模塊與微控制器核心模塊通過SCI進(jìn)行通信，通信協(xié)議采用Modbus協(xié)議；人機接口模塊包括單片機，單片機與進(jìn)行參數(shù)設(shè)置的按鈕及編碼器連接，單片機與進(jìn)行狀態(tài)顯示的LED 數(shù)碼管連接；所述微處理器核心模塊，采用了 DSP芯片TMS320F2802作為CPU，DSP芯片自帶接收經(jīng)過硬件調(diào)理電路調(diào)理的電壓反饋信號及按比例轉(zhuǎn)換成電壓信號的電流反饋值的 12位A/D轉(zhuǎn)換器，DSP芯片通過IO 口與接收實時監(jiān)控各種故障信號的多路數(shù)據(jù)緩沖芯片連接，DSP芯片有電流通道和電壓通道兩個輸出通道，分別作為功率模塊的控制信號來控制系統(tǒng)的電流輸出和電壓輸出，當(dāng)控制器對其中一個通道輸出量進(jìn)行控制時另外一個通道的輸出保持恒定；所述硬件調(diào)理電路包括電流環(huán)、電壓環(huán)兩個并聯(lián)結(jié)構(gòu)的閉環(huán)，其中，電流環(huán)通過電流采樣調(diào)理整形電路利用霍爾電流傳感器將檢測到的焊接電流信號轉(zhuǎn)化為成比例的電壓信號，此電壓信號經(jīng)信號濾波后送入DSP芯片內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換通道，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，此數(shù)字量即為電流的反饋值Rf ；電壓環(huán)中，通過電壓采樣調(diào)理整形電路利用霍爾電壓傳感器將檢測到的焊接電壓信號轉(zhuǎn)化為成比例的電壓信號，此電壓信號經(jīng)信號濾波后送入DSP內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換通道，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，此數(shù)字量即為電壓瞬時的反饋值，經(jīng)過計算得到電壓反饋值Uuf0本發(fā)明以高性能的DSP芯片TMS320F2802為核心，系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)較簡單，控制精度高；抗干擾能力強，對電磁環(huán)境的較好的適應(yīng)能力；人機接口簡單清楚，操作方便，工作穩(wěn)定可靠；系統(tǒng)的主要控制過程通過軟件方式實現(xiàn)，從而可以很方便地實現(xiàn)其他外特性的輸出，以滿足不同焊接工藝的需要，真正體現(xiàn)了數(shù)字化控制的靈活性與優(yōu)越性。與傳統(tǒng)由模擬電路組成的逆變式焊接電源相比，本發(fā)明實現(xiàn)了真正意義上的全數(shù)字化控制，從而具有了 更大的靈活性、更好的穩(wěn)定性、更高的控制精度等特性，并且易于實現(xiàn)柔性化控制。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。圖1是本發(fā)明一個實施例的系統(tǒng)控制策略原理框圖。圖2控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖。圖3是系統(tǒng)軟件流程圖。圖4是手工焊流程圖。圖5是氬弧焊流程圖。
具體實施例方式一種基于DSP的數(shù)字化逆變式焊接電源控制系統(tǒng)，包括人機接口模塊1，人機接口模塊與微控制器核心模塊2通過SCI進(jìn)行通信，通信協(xié)議采用Modbus協(xié)議；人機接口模塊包括單片機3，單片機與進(jìn)行參數(shù)設(shè)置的按鈕及編碼器4連接，單片機與進(jìn)行狀態(tài)顯示的 LED數(shù)碼管5連接；所述微處理器核心模塊，采用了 DSP芯片TMS320F2802作為CPU，DSP芯片6自帶接收經(jīng)過硬件調(diào)理電路調(diào)理7的電壓反饋信號及按比例轉(zhuǎn)換成電壓信號的電流反饋值的12位A/D轉(zhuǎn)換器8，DSP芯片通過IO 口與接收實時監(jiān)控各種故障信號的多路數(shù)據(jù)緩沖芯片9連接，DSP芯片有電流通道和電壓通道兩個輸出通道10、11，分別作為功率模塊的控制信號來控制系統(tǒng)的電流輸出和電壓輸出，當(dāng)控制器對其中一個通道輸出量進(jìn)行控制時另外一個通道的輸出保持恒定；所述硬件調(diào)理電路包括電流環(huán)、電壓環(huán)兩個并聯(lián)結(jié)構(gòu)的閉環(huán)，其中，電流環(huán)通過電流采樣調(diào)理整形電路利用霍爾電流傳感器將檢測到的焊接電流信號轉(zhuǎn)化為成比例的電壓信號，此電壓信號經(jīng)信號濾波后送入DSP芯片內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換通道，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，此數(shù)字量即為電流的反饋值Uif ；電壓環(huán)中，通過電壓采樣調(diào)理整形電路利用霍爾電壓傳感器將檢測到的焊接電壓信號轉(zhuǎn)化為成比例的電壓信號，此電壓信號經(jīng)信號濾波后送入DSP內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換通道，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，此數(shù)字量即為電壓瞬時的反饋值， 經(jīng)過計算得到電壓反饋值Uuf。為了保證工作的可靠穩(wěn)定，系統(tǒng)設(shè)置了過壓、欠壓、過熱、急停等信號通道，從而可以對各種意外情況及時進(jìn)行相應(yīng)的處理?？刂葡到y(tǒng)有多種工作模式可供選擇，包括帶防觸電保護的手動模式、氬弧焊短焊模式、氬弧焊長焊模式、脈沖模式和恒流模式等。在所述的數(shù)字化人機接口模塊中，可以通過按鍵和編碼器發(fā)出工作指令或者設(shè)置存儲需要的焊機工作參數(shù)，如急停操作、焊接模式，預(yù)、滯氣時間，引弧、收弧電流，脈沖頻率及占空比等。人機接口模塊采用了 51單片機作CPU，實現(xiàn)了對外部參數(shù)設(shè)置和控制命令的數(shù)字化處理，提高了信號采集、傳輸?shù)木_度和可靠性，同時面板上的LED數(shù)碼管可以實時顯示當(dāng)前系統(tǒng)的工作狀態(tài)。如圖2所示?；趯崟r采集的電流、電壓反饋值，再根據(jù)已選定的輸出通道(電流通道、電壓通道)，DSP可以迅速通過電流目標(biāo)值給定算法求出相應(yīng)的控制量最后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換芯片輸出，進(jìn)而可以實現(xiàn)對電流、電壓恒流輸出和脈沖輸出的精確控制。控制器對于脈沖電流和基值電流的控制在焊接過程中始終進(jìn)行。在所述系統(tǒng)軟件中，主要分為手工焊和氬弧焊兩種模式。開始工作后，系統(tǒng)首先要檢測是否有異常中斷或者串口通信異常，若有異常出現(xiàn)則關(guān)閉所有輸出，進(jìn)行錯誤處理并發(fā)出相應(yīng)的報錯信號，反之則根據(jù)設(shè)定的恒流或恒壓模式選擇電流或者電壓通道中的一條進(jìn)行控制，另一條通道則輸出恒定的值，最后根據(jù)選擇的焊接模式(手工焊、氬弧焊)進(jìn)入正常工作狀態(tài)，如圖3所示。以恒流模式為例說明系統(tǒng)的工作過程，在這種模式下系統(tǒng)將對電流通道進(jìn)行控制，電壓通道輸出恒定值。手工焊模式分為無防觸電保護模式和帶防觸電保護模式無防觸電保護模式下，系統(tǒng)開啟逆變器后檢測反饋電流，若電流反饋值低于閾值， 則需要在電流通道輸出基值的基礎(chǔ)上加上推力值以增大輸出電流，反之則輸出電流基值； 帶防觸電保護模式在工作過程為防止觸電發(fā)生還需根據(jù)反饋電流的大小開關(guān)逆變器，當(dāng)電流反饋值小于下限值時說明系統(tǒng)未處于焊接狀態(tài)，此時需關(guān)閉逆變器，如圖4所示。氬弧焊模式的工作過程如下當(dāng)焊槍開關(guān)按下后，系統(tǒng)判斷冷卻方式，氣冷模式下，直接開始預(yù)氣， 水冷模式下，需判斷水流閥是否打開，若已經(jīng)打開則開始預(yù)氣，否則關(guān)閉所有輸出并報錯。 預(yù)氣時間結(jié)束后，控制器開啟逆變器并開始起弧，高頻起弧模式下，若規(guī)定時限內(nèi)起弧不成功，則關(guān)閉高頻輸出切換為接觸起弧模式，而接觸起弧模式下，則直接等待手動起弧成功。 起弧成功后，若系統(tǒng)為長焊模式，則等焊槍開關(guān)松開，然后再根據(jù)要求令電流通道輸出脈沖或恒流基值，當(dāng)焊槍開關(guān)再次按下后關(guān)閉所有控制信號輸出、將電流通道輸出置零并且進(jìn)行滯氣；若控制器選擇短焊模式，則在焊槍開關(guān)按下的情況下令電流通道輸出脈沖或恒流基值，當(dāng)焊槍開關(guān)松開后關(guān)閉所有控制信號輸出、將電流通道輸出置零并且進(jìn)行滯氣，如圖 5所示。
權(quán)利要求
1. 一種基于DSP的數(shù)字化逆變式焊接電源控制系統(tǒng)，其特征是包括人機接口模塊， 人機接口模塊與微控制器核心模塊通過SCI進(jìn)行通信，通信協(xié)議采用Modbus協(xié)議；人機接口模塊包括單片機，單片機與進(jìn)行參數(shù)設(shè)置的按鈕及編碼器連接，單片機與進(jìn)行狀態(tài)顯示的LED數(shù)碼管連接；所述微處理器核心模塊，采用了 DSP芯片TMS320F2802作為CPU，DSP芯片自帶接收經(jīng)過硬件調(diào)理電路調(diào)理的電壓反饋信號及按比例轉(zhuǎn)換成電壓信號的電流反饋值的12位A/D轉(zhuǎn)換器，DSP芯片通過IO 口與接收實時監(jiān)控各種故障信號的多路數(shù)據(jù)緩沖芯片連接，DSP芯片有電流通道和電壓通道兩個輸出通道，分別作為功率模塊的控制信號來控制系統(tǒng)的電流輸出和電壓輸出，當(dāng)控制器對其中一個通道輸出量進(jìn)行控制時另外一個通道的輸出保持恒定；所述硬件調(diào)理電路包括電流環(huán)、電壓環(huán)兩個并聯(lián)結(jié)構(gòu)的閉環(huán)，其中，電流環(huán)通過電流采樣調(diào)理整形電路利用霍爾電流傳感器將檢測到的焊接電流信號轉(zhuǎn)化為成比例的電壓信號，此電壓信號經(jīng)信號濾波后送入DSP芯片內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換通道，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，此數(shù)字量即為電流的反饋值Rf ；電壓環(huán)中，通過電壓采樣調(diào)理整形電路利用霍爾電壓傳感器將檢測到的焊接電壓信號轉(zhuǎn)化為成比例的電壓信號，此電壓信號經(jīng)信號濾波后送入 DSP內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換通道，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，此數(shù)字量即為電壓瞬時的反饋值，經(jīng)過計算得到電壓反饋值Uuf。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于DSP的數(shù)字化逆變式焊接電源控制系統(tǒng)，包括人機接口模塊，人機接口模塊與微控制器核心模塊通過SCI進(jìn)行通信，通信協(xié)議采用Modbus協(xié)議；人機接口模塊包括單片機，單片機與進(jìn)行參數(shù)設(shè)置的按鈕及編碼器連接，單片機與進(jìn)行狀態(tài)顯示的LED數(shù)碼管連接；所述微處理器核心模塊，采用了DSP芯片TMS320F2802作為CPU。本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理，通用性強、抗干擾能力強、可靠性高。
文檔編號B23K9/10GK102211239SQ20111009517
公開日2011年10月12日 申請日期2011年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月15日
發(fā)明者劉偉, 方波, 朱健進(jìn), 朱建良, 朱芳, 耿忠慶, 陳孟馳, 陳怡彬 申請人:南通三九焊接機器制造有限公司