專利名稱：高頻電弧信號錯時采集系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明提出了一種高頻電弧信號錯時采集系統(tǒng)及方法，涉及焊接控制領域。
背景技術：
脈沖TIG焊在提高能量密度、熱輸入控制、焊縫成形記憶焊接質量等方面具有獨特的優(yōu)點，近年來在制造業(yè)中的應用日益廣泛。但目前脈沖電弧的應用頻率一般在30KHz以下。頻率的進一步提高將影響對電弧信號的采集真實性造成很大的困難。

發(fā)明內容
為了能夠實現高頻信號的采集問題，本發(fā)明采用了錯時采集的方法，在多個周期 中采集多個點，然后整合為一個完整周期，用以反映真實情況。具體實施方案如下 高頻電弧信號錯時采集系統(tǒng)包括光譜儀、高速攝像、電壓傳感器、電流傳感器、觸摸屏、串口通訊電路、MCU控制器、隔離電路、信號放大電路、電源電路、信號采集電路.其中MCU控制器作為主控設備通過串口通訊電路與HMI通信設置每周期采樣點數N，電流傳感器、電壓傳感器采集到的電弧信號則通過信號采集電路輸入MCU控制器進行分析處理。MCU控制器發(fā)出的PWM信號通過隔離電路與信號放大輸出控制光譜儀和高速攝像機。信號采集電路信號采集電路的輸入端輸入由霍爾電流傳感器從焊接設備采集的高頻信號，然后經過比較器U6后輸入到MUC控制器。隔離電路，MCU控制器發(fā)出的4路P麗信號，分別經高速光耦01、高速光耦02、高速光耦03、高速光耦04后輸出。隔離電路的獨立電源由電源電路的電源芯片7805的輸出口連接DC-DC芯片U8后再連接整流芯片U7和電容組成的電流電路構成。信號放大電路，經所述高速光耦01、高速光耦02、高速光耦03、高速光耦04后輸出的PWM信號接入比較器U9進行信號放大后輸出。電源電路，電源電路由外部電源和整流芯片Ul和整流芯片U2以及電阻電容組成。串口通訊電路，MCU控制器輸出的串口通信信號經RS232通信接口芯片U4后連接到串口接頭輸出。MCU控制器，采用型號為STM32F103RBT6的32位基于ARM內核的Cortex M3微處理器。一種高頻電弧信號錯時采集方法，示意如圖I :第一步電壓傳感器和電流傳感器將采集得到的電弧信號輸入信號采集電路作為電壓比較器U6的輸入信號，電壓比較器U6的輸出信號為與輸入信號同步同周期為Tl的方波信號，獲得待測信號的周期。以電壓比較器U6的輸出信號作為基頻信號輸入MCU控制器。第二步通過觸摸屏設置程序中每周期采樣點數N，則有At=Tl/N，并通過串口通訊電路輸入到MCU控制器。第三步MCU控制器得到電壓比較器U6輸出的方波信號的周期Tl后輸出周期為T2的PWM信號，二者關系為T2=nXTl+At。MCU控制器輸出的PWM信號通過隔離電路與放大電路輸出作為光譜儀和高速攝像機的驅動信號。光譜儀、高速攝像機在PWM信號的上升沿采集電弧信號。將采集所得的圖像信息進行疊加，就可以得到待測信號的完整周期信息。其中T1為輸入信號周期，N為信號每周期的采樣點數，T2為MCU控制器所輸出的PWM信號周期，At為每兩個相鄰的采樣點間隔時間。本發(fā)明利用電壓比較器實現對待測信號的頻率采集，將與待測信號同周期Tl的方波信號輸入MCU后。由軟件周期為T2的目標PWM并作為采集觸發(fā)信號。采用電壓比較器來直接將目標信號轉化成方波等于直接獲得了其信號頻率，可以用來采集高頻率的電弧信號，避免了測量采集所造成的誤差，準確性高。


圖I.錯時采集法示意圖；
圖2.本發(fā)明的示意框圖；圖3.本發(fā)明的MCU控制電路；圖4.本發(fā)明的串口通訊電路；圖5.信號采集電路；圖6.隔離電路；圖7.信號放大電路；圖8.供電電路；圖9.隔離部分供電電路；圖10.本發(fā)明的方法流程具體實施例方式本發(fā)明的具體實施方式
將結合附圖對本發(fā)明進行詳細說明。本系統(tǒng)主要由HMI、串口通訊電路、MCU控制器、隔離電路、運算放大電路、電源電路、光譜儀、高速攝像、電壓傳感器、電流傳感器組成。如圖2所示電源電路為整個電路板供電，MCU的控制信號與信號放大與濾波電路之間，輸入信號與MCU之間的信號隔離通過隔離電路實現。系統(tǒng)工作時，輸入信號與電壓比較器參考電壓比較輸出頻率與輸入信號相同切同步的脈沖信號，并輸入到MCU中。操作者通過HMI設定信號采集系統(tǒng)工作需要的PWM占空比和頻率，HMI與MCU控制器通過串口通訊電路連接，MCU接收到串口通訊電路發(fā)送來的占空比和頻率信息，并在HMI設定的頻率基礎上增加一段時間延時再輸出相應占空比和頻率的PWM信號，用來驅動光譜儀等信號采集設備。則相當于在同一周期的不同位置采集信號。達到了對高頻信號錯時采集的目的。圖3為本發(fā)明的MCU部分，USART_TX、USART_RX為串口通訊引腳，分別于U4相連接實現串口通訊。PWM1-4為PWM信號輸出引腳，分別與U8的1-4號引腳相連接，晶振Yl以及兩端起振電容的配合使用，為系統(tǒng)提供了時鐘源。MCU的37腳為方波信號輸入引腳。圖4為本發(fā)明的串口通訊電路，由HMI輸入需要的PWM頻率和采樣點個數，通過串口通訊發(fā)送到MCU，完成目標PWM的設定。U4( 232芯片)連接HMI和MCU。U4通過基于232標準的電平轉換實現HMI和MCU的串口通訊。圖5為信號采集部分電路圖，如圖中所示，外部信號通過接線端子P2接入U6A，U6A和R4組成電壓跟隨器，電壓跟隨器輸出電壓近似輸入電壓幅度，并對前級電路呈高阻狀態(tài)，對后級電路呈低阻狀態(tài)，因而對前后級電路起到隔離作用。U6B和R5、R6組成過零比較器，將不規(guī)則電弧信號轉化為同頻率的方波信號。圖6為隔離電路，控制信號的輸出部分采用高速光耦輸出。PWM信號經U8分別輸入到各PWM輸出通道光耦的輸入端，其中U8起到對PWM信號的放大作用，提高了信號的驅動能力，使能更好的驅動光耦，而光耦的使用實現了信號的隔離輸出。圖7為運算放大電路，如圖所示，U9的A，B，C，D四路運放正相輸入端分別連接控制信號PWM1-4的輸出，PWM信號經運放放大3倍后輸出到各自端子引腳。U9供電電源來自DC-DC,(在電源部分做說明)。圖8為系統(tǒng)供電部分電路圖，在端子Pl由外部輸入9V直流電源，經電容濾波，到限流電阻Rl輸入到電源轉換芯片U1，輸出5V電源，同樣由電源轉換芯片U2輸出3. 3V電源，為系統(tǒng)各部分供電。 圖9，為隔離部分電源示意圖，DC-DC輸入端電源取自Ul,輸出15V電源，為U9供電，U7電源轉換芯片輸入端取自DC-DC輸出端15V電源，U7輸出5V電源，為高速光耦的的集電極供電。這樣外部設備與系統(tǒng)內部運用光耦實現了充分的隔離。光耦與系統(tǒng)連接部分采用系統(tǒng)電源供電，光耦與外部設備連接部分采用DC-DC輸出端電源供電，充分保護了系統(tǒng)的安全。在本發(fā)明中，MCU控制器擴展232總線接口，該接口可以和HMI通信。在HMI上，可以進行PWM占空比和頻率設定并實時顯示接收到的數據。在本實施例中高頻電弧信號錯時采集方法，示意如圖I :第一步電壓傳感器和電流傳感器將采集得到的電弧信號輸入信號采集電路作為電壓比較器U6的輸入信號，電壓比較器U6的輸出信號為與輸入信號同步同周期為Tl的方波信號，獲得待測信號的周期。以電壓比較器U6的輸出信號作為基頻信號輸入MCU控制器。第二步通過觸摸屏設置程序中每周期采樣點數N，則有At=Tl/N，并通過串口通訊電路輸入到MCU控制器。第三步MCU控制器得到電壓比較器U6輸出的方波信號的周期Tl后輸出周期為T2的PWM信號，二者關系為T2=nXTl+At。MCU控制器輸出的PWM信號通過隔離電路與放大電路輸出作為光譜儀和高速攝像機的驅動信號。光譜儀、高速攝像機在PWM信號的上升沿采集電弧信號。將采集所得的圖像信息進行疊加，就可以得到待測信號的完整周期信息。其中T1為輸入信號周期，N為信號每周期的采樣點數，T2為MCU控制器所輸出的PWM信號周期，At為每兩個相鄰的采樣點間隔時間。
權利要求
1.高頻電弧信號錯時采集系統(tǒng)，其特征在于其包括光譜儀、高速攝像、電壓傳感器、電流傳感器、觸摸屏、串口通訊電路、MCU控制器、隔離電路、信號放大電路、電源電路、信號采集電路；其中MCU控制器作為主控設備通過串口通訊電路與HMI通信設置每周期采樣點數N，電流傳感器、電壓傳感器采集到的電弧信號則通過信號采集電路輸入MCU控制器進行分析處理;MCU控制器發(fā)出的PWM信號通過隔離電路與信號放大輸出控制光譜儀和高速攝像機； 信號采集電路信號采集電路的輸入端輸入由霍爾電流傳感器從焊接設備采集的高頻信號，然后經過比較器U6后輸入到MUC控制器； 隔離電路，MCU控制器發(fā)出的4路PWM信號，分別經高速光耦01、高速光耦02、高速光耦03、高速光耦04后輸出；隔離電路的獨立電源由電源電路的電源芯片7805的輸出口連接DC-DC芯片U8后再連接整流芯片U7和電容組成的電流電路構成； 信號放大電路，經所述高速光耦01、高速光耦02、高速光耦03、高速光耦04后輸出的 PWM信號接入比較器U9進行信號放大后輸出； 電源電路，電源電路由外部電源和整流芯片Ul和整流芯片U2以及電阻電容組成； 串口通訊電路，MCU控制器輸出的串口通信信號經RS232通信接口芯片U4后連接到串口接頭輸出。
2.根據權利要求I所述的高頻電弧信號錯時采集系統(tǒng)，其特征在于所述的MCU控制器采用型號為STM32F103RBT6的32位基于ARM內核的Cortex M3微處理器。
3.一種高頻電弧信號錯時采集方法，其特征在于第一步電壓傳感器和電流傳感器將采集得到的電弧信號輸入信號采集電路作為電壓比較器U6的輸入信號，電壓比較器U6的輸出信號為與輸入信號同步同周期為Tl的方波信號，獲得待測信號的周期；以電壓比較器U6的輸出信號作為基頻信號輸入MCU控制器；第二步通過觸摸屏設置程序中每周期采樣點數N，則有At=Tl/N，并通過串口通訊電路輸入到MCU控制器；第三步MCU控制器得到電壓比較器U6輸出的方波信號的周期Tl后輸出周期為T2的PWM信號，二者關系為T2=nXTl+At ;MCU控制器輸出的PWM信號通過隔離電路與放大電路輸出作為光譜儀和高速攝像機的驅動信號；光譜儀、高速攝像機在PWM信號的上升沿采集電弧信號；將采集所得的圖像信息進行疊加，就可以得到待測信號的完整周期信息； 其中=Tl為輸入信號周期，N為信號每周期的采樣點數，T2為MCU控制器所輸出的PWM信號周期，At為每兩個相鄰的采樣點間隔時間。
全文摘要
高頻電弧信號錯時采集系統(tǒng)及方法，涉及焊接控制領域。所述的系統(tǒng)包括光譜儀、高速攝像、電壓傳感器、電流傳感器、觸摸屏、串口通訊電路、MCU控制器、隔離電路、信號放大電路、電源電路、信號采集電路；其中MCU控制器作為主控設備通過串口通訊電路與HMI通信設置每周期采樣點數N，電流傳感器、電壓傳感器采集到的電弧信號則通過信號采集電路輸入MCU控制器進行分析處理；MCU控制器發(fā)出的PWM信號通過隔離電路與信號放大輸出控制光譜儀和高速攝像機；采用電壓比較器來直接將目標信號轉化成方波等于直接獲得了其信號頻率，可以用來采集高頻率的電弧信號，避免了測量采集所造成的誤差，準確性高。
文檔編號G01R23/02GK102721864SQ20121013781
公開日2012年10月10日 申請日期2012年5月4日 優(yōu)先權日2012年5月4日
發(fā)明者宋永倫, 張軍, 梁帥, 白立來, 蘇國火, 閆思博 申請人:北京工業(yè)大學