畢業(yè)設(shè)計（論文）數(shù)字化電焊機研究與設(shè)計

1、一、 緒論 電焊機是一種利用電能產(chǎn)生熱量使金屬熔化從而實現(xiàn)焊接的設(shè)備。常用的有電弧焊機和電阻焊機兩種基本類型。電阻焊機是將大電流通過被焊金屬結(jié)合處，利用接觸電阻產(chǎn)生熱量將金屬熔化，加壓從而實現(xiàn)焊接；電弧焊機則是通過電弧產(chǎn)生熱量熔化金屬而實現(xiàn)焊接?；『鸽娫吹暮附与娀∈墙釉诤附与娫瓷系膬蓚€電極(焊條或焊絲為一極，工件為另一極)之間產(chǎn)生的氣體介質(zhì)強烈放電現(xiàn)象。在焊接過程中電弧及熔滴過渡具有很強的動態(tài)特性，易受干擾。老式焊機熔滴短路過渡穩(wěn)定性差、成形差、飛濺大，而反映在設(shè)備控制上，則是熔滴過渡可控性差等問題。隨著電力電子技術(shù)、智能控制技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，為電子弧焊電源提供了廣闊的發(fā)展空間，igbt

2、逆變電焊機就是目前發(fā)展最迅速、應(yīng)用最廣的焊接電源之一。本文僅就co2氣體保護igbt逆變半自動電弧焊機的數(shù)字化進行了研究與設(shè)計。（一）問題的提出及主要研究工作1.國內(nèi)外逆變焊機發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢現(xiàn)代焊接設(shè)備的發(fā)展與電力電子技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。igbt式逆變焊機出現(xiàn)于80年代末，主要應(yīng)用于各種電弧焊和切割。已小僅具有一高效節(jié)能、體積小、重量輕、多功能、多用途等優(yōu)點，而且具有良好的動、靜態(tài)特性和工藝特性。因此受到廣泛的重視，發(fā)展迅猛。據(jù)國際焊接學(xué)會(iiw, international institute of welding ) 1993年11月所作的調(diào)查，逆變式焊機在日、美、歐等地使用的焊機中占1

3、7%，其中在氣體保護焊和tig焊中占30%以上。到了1996年，日本日立公司的igbt逆變焊機已占mig/mag焊機的70%，占tig焊機的95%以上，占切割機的100%，日木松下和大阪變壓器公司的逆變式焊機都超過50%。以igbt, mosfet等為開關(guān)器件的弧焊逆變器，有一著廣泛的應(yīng)用前景，是當(dāng)前國際焊接電源設(shè)各發(fā)展的主流和方向。在我國逆變式焊機的研究工作始于80年代初，第一代是以scr為主開關(guān)器件的弧焊逆變器，其逆變頻率為2000-5000hz。第二代是以gtr或mosfet為主開關(guān)器件的弧焊逆變器，其逆變頻率為20khz-50khz。第三代為igbt弧焊逆變器，逆變頻20km30km。

4、 隨著電力電子技術(shù)、智能控制技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，逆變焊機將朝著結(jié)構(gòu)簡單、易操作、易維修、適應(yīng)性強、焊接性能穩(wěn)定優(yōu)良、高度自動化、通用化的方向發(fā)展。目前一個重要的研究方向就是逆變焊機控制的數(shù)字化、智能化和傻瓜化。一元化單旋鈕調(diào)節(jié)功能也是一個重要的發(fā)展方向，即由一個旋鈕對電弧電壓、焊接電流和短路電流上升率等同時調(diào)節(jié)，達到最佳組合。就我國的國情而言，對傳統(tǒng)焊機的低成本改造和性能提升是非常有意義的。波形控制是當(dāng)前比較活躍的研究和發(fā)展方向之一。它可通過控制短路過渡時的電流、電壓波形，使熔滴順利地進入熔池，從而減少飛濺，增加燃弧能量，改善焊縫成形。另外，逆變技術(shù)也仍然是目前研究和發(fā)展的重要方向。 2.

5、研究中主要需要解決的問題 數(shù)字化焊機出現(xiàn)的比較晚，其中需要解決的主要問題有兩方面:其一是控制算法，雖然國內(nèi)外關(guān)于氣體保護焊的控制方法有很多研究，但是具體實現(xiàn)跟電源固有特性相關(guān)，不能直接參考，必須通過現(xiàn)場焊接試驗總結(jié)摸索。其二是數(shù)字化電焊機的硬件設(shè)計，包括數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計以及硬件系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計等。國內(nèi)有文獻直接使用單片機實現(xiàn)電弧控制，但課題在最初采用的51單片機和196單片機方案的現(xiàn)場焊接過程中發(fā)現(xiàn)，單片機的處理速度滿足小了電弧動態(tài)特性的要求，經(jīng)過反復(fù)的試驗和方案論證，最終選擇了使用dsp進行控制算法運算。3.主要研究工作 焊接技術(shù)是一個多學(xué)科交叉結(jié)合的一個應(yīng)用性技術(shù)。首先研究分析

6、了電弧特性，然后提出了自己的控制算法，對電焊機的電源主控電路、控制而板以及部分送絲機構(gòu)進行了數(shù)字化設(shè)計和開發(fā)，在此基礎(chǔ)上進行了現(xiàn)場焊接試驗，對相關(guān)參數(shù)以及控制算法進行調(diào)整，最終基本實現(xiàn)了預(yù)期的目標。主要研究工作如下:1）電弧特性的研究分析及實踐認識:包括相關(guān)專業(yè)書籍閱讀、模擬電焊機特性現(xiàn)場測試，現(xiàn)場焊接試驗、波形分析等工作。 2）控制算法研究及軟件實現(xiàn):通過對co2氣體保護焊的熔滴過渡過程的分析，在現(xiàn)場焊接試驗中提出和完善了基于經(jīng)典pid控制的co2氣體保護焊電源控制算法。先后在單片機和dsp上編程實現(xiàn)。3電源主控電路設(shè)計:電源主控電路的設(shè)計以及相應(yīng)控制算法的研究實現(xiàn)是木課題的重點和難點，這一

7、環(huán)節(jié)也是焊機直接數(shù)字化的核心部分。4)基于51單片機的控制而板軟硬件設(shè)計:該部分使用51系列單片機設(shè)計實現(xiàn)了參數(shù)設(shè)定、工作方式選擇、工作狀態(tài)及工作電壓、電流顯示等的數(shù)字化。5送絲機構(gòu)控制:通過控制面板的送絲機構(gòu)控制接口，直接山單片機控制輸出送絲速度參考電壓，山現(xiàn)有送絲機構(gòu)控制電路實現(xiàn)對送速度的控制。6)現(xiàn)場調(diào)試及控制參數(shù)整定:現(xiàn)場調(diào)試貫穿課題設(shè)計的始終，從最初對焊機特性數(shù)據(jù)的采集，到電路設(shè)計的硬件性能檢測、控制算法的 修正以及控制參數(shù)的整定都必須進行現(xiàn)場焊接試驗。（二）本論文的目的與意義 數(shù)字化電焊機的研發(fā)將是電焊機行業(yè)未來發(fā)展的主流方向之一，隨著更快速微處理器、數(shù)字信號處理器和更先進的智能控

8、制算法的研究，未來的焊接設(shè)備將是數(shù)字化的世界。因此，數(shù)字化電焊機的研究開發(fā)具有一舉足輕重的作用。目前，國內(nèi)在技術(shù)水平上落后國外先進水平很多，只要我們共同努力，相信在焊接設(shè)各這個領(lǐng)域里而定能創(chuàng)造出領(lǐng)先世界的知名品牌。同時真心希望能有更多的企業(yè)和高校聯(lián)合，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，為民族工業(yè)的復(fù)興盡一份力!二、數(shù)字化igbt逆變焊機結(jié)構(gòu)概述 igbt逆變焊機主要由焊接電源、送絲機、焊槍等部件組成。其中焊接電源部分是其中最主要的部件，也就是我們通常所說的電焊機。從功能上來講，焊接電源部分為焊接機構(gòu)提供能量，其中包括，焊接能源，送絲機構(gòu)能源等。焊接電源質(zhì)量性能的好壞，直接影響焊接質(zhì)量。 圖3-1為nb500系列

9、igbt逆變焊機的電源控制系統(tǒng)框圖nb500系列逆變焊機通過調(diào)節(jié)阻容值來設(shè)定焊接參數(shù)(電壓、電流等)，然后和傳感器反饋的電弧電壓和電流作比較(模擬比較器)，將偏差送給模擬pi運算器，運算出的結(jié)果作為pwm的輸入，控制igbt模塊通斷時間，從而實現(xiàn)對焊接過程的控制。顯然，使用模擬分離阻容器件構(gòu)成的pi運算器靈活性差，一組參數(shù)小能適應(yīng)所有一的焊接規(guī)范，難以實現(xiàn)全范圍內(nèi)的最優(yōu)控制，目參數(shù)調(diào)節(jié)調(diào)整復(fù)雜困難，開發(fā)難度大。在參數(shù)設(shè)定環(huán)節(jié)，也由于阻容值的離散性使得小能夠準確設(shè)定焊接規(guī)范，不同焊機對同一組焊接規(guī)范設(shè)定量具有一相當(dāng)?shù)碾x散性，可靠性差。在硬件方面，設(shè)計主要工作是將電源的主控部分采用數(shù)字電路控制替代

10、原有一的模擬電路控制，對控制面板等電路進行數(shù)字化改造。課題設(shè)計了以ti公司tms320lf2407a數(shù)字信號處理器為檢測控制核心，51單片機為面板控制等事務(wù)管理核心的igbt逆變焊接數(shù)字化控制硬件系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)框圖如圖3-2所示。在課題設(shè)計硬件中，按照功能將其分為電源主控電路設(shè)計、控制面板電路設(shè)計、送絲機構(gòu)主控電路設(shè)計三個部分，其中基于dsp的電源主控電路設(shè)計是課題的重點和難點。下面將分別加以介紹討論。三、 數(shù)字化igbt逆變焊機電源主控板設(shè)計 電源主控板對電源特性控制的性能，直接影響到焊接質(zhì)量的好壞。數(shù)字電源主控板的性能不僅決定于所采用的控制算法，也決定于包括對間接焊接質(zhì)量信號的采樣精度、速度，

11、控制的實時性，以及控制精度、穩(wěn)定性和抗干擾性等在內(nèi)的硬件性能。圖3-3為igbt逆變電源數(shù)字主控電路框圖。如圖所示，電源主控板有dsp最不系統(tǒng)(含a/d功能)、信號調(diào)理/隔離、d/a、通信接口(rs232/rs485 、行通信接口)、電源管理等幾部分組成。 焊接電壓和焊接電流通過傳感器饋入信號調(diào)理通道，經(jīng)過隔離、濾波、衰減/放大和限幅等處理后，送入dsp器件自帶的a/d轉(zhuǎn)換器，由程序控制adc模塊進行數(shù)據(jù)采集。dsp按照預(yù)先設(shè)定的焊接規(guī)范及控制算法，對采集到的數(shù)據(jù)進行運算，產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字量控制輸出，驅(qū)動d/a芯片輸出模擬量控制電壓，經(jīng)信號調(diào)理/隔離后控制pwm輸入，從而控制igbt逆變電源的輸

12、出特性。以焊接電壓、電流等參數(shù)由控制面板通過行數(shù)據(jù)總線對dsp進行設(shè)置，它們之間采用八根數(shù)據(jù)線，四根握手信號線進行通信，其硬件電路由acpld輔助實現(xiàn)。另外，電源主控板還設(shè)計了rs232/rs485接口用成下載、調(diào)試等功能。(二)數(shù)字電源主控面板電源管理設(shè)計電焊機是一個大功率設(shè)備，在焊接過程中焊機輸出動態(tài)變化快，常常會干擾電網(wǎng)電壓，造成電網(wǎng)電壓波動，同時產(chǎn)生大量的電磁輻射干擾周圍的電子設(shè)備。電源主控板位于電焊機內(nèi)，本板電源不可避免地受到了嚴重的干擾。工作電源的穩(wěn)定是系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提，必須對本板電源進行抗干擾設(shè)計。 數(shù)字電源主控板是個多電源的系統(tǒng)。其中dsp為3. 3v cmos電平，d/a以

13、及本板同控制面板的接口數(shù)字電路均為5v ttl電平，此二者共用一個數(shù)字地gnd;同時本板為模數(shù)混合信號板，對傳感器輸出的模擬信號調(diào)理電路采用士15v供電，為了避免傳感器電源的紋波干擾，該傳感器輸出信號采用單獨的模擬地fgnd隔離,隔離后的信號調(diào)理部分模擬器件均采用士12v供電，模擬地為agnd,另外d/a轉(zhuǎn)換器需要一個5v的模擬電源，為了減少數(shù)字電路電源對模擬電路的干擾，此處也分出了一個模擬的5v電平vcca。 除dsp系統(tǒng)的3. 3v cmos電平外，其他的士15v、士12v, 5v電源均來自電焊機內(nèi)專門的電源模塊。在接入數(shù)字電源主控板后，分別對其進行濾波，以獲得較為穩(wěn)定的土作電平?？紤]到電

14、焊機對電網(wǎng)造成的嚴重干擾，在設(shè)計中對每一組電源的輸入端均采用了二型濾波電路。如圖3-4、圖3-5所示。為 dsp 供電的電源芯片為 tps73hd318，它是 ti 公司專門為 tms320 系列 dsp供電的電源管理芯片，它具有極低的壓（dropout voltage 80 mv max atio = 100 ma，io 為輸出電流）、低靜態(tài)電流（low quiescent current）、極低的睡眠狀態(tài)電流（ultra-low-current sleep state）、雙低有效 200ms 復(fù)位脈輸出、雙 3.3v/1.8v 輸出，其中，調(diào)節(jié)器 1 輸出 1.8v，調(diào)節(jié)器 2 輸出 3.

15、3v。設(shè)計中僅用到了 3.3v，其外圍電路如圖 3-6 所示。圖中，3.3v 為 dsp 系統(tǒng)數(shù)字電源，3.3va 為 dsp 自帶 a/d 轉(zhuǎn)換器等模擬部分供電電源，pllvcca 為 dsp 內(nèi)部鎖相環(huán)工作供電電源。將 tps73hd318 的調(diào)節(jié)器 2 的復(fù)位輸出 poweron_reset 信號與按鍵復(fù)位信號 swrest 信號共同構(gòu)成 dsp芯片的復(fù)位輸入（經(jīng)過 74lvc245 緩沖）。 其中，poweron_reset 信號直接接到d/a 芯片的復(fù)位引腳作 d/a 上電復(fù)位用。如圖 3-7 所示。(三) 數(shù)字電源主控板 dsp 系統(tǒng)設(shè)計數(shù)字信號處理（digital signal

16、processing，簡稱 dsp）是基于 tms320c2xx dsp 的 cpu 內(nèi)核，程序代碼與 f243/f241/c242兼容，指令集與 f240/c240 兼容。片內(nèi)高達 32k 字的 flash 程序存儲器和 2.5k 字的數(shù)據(jù)/程序存儲器，其中 544 字雙口 ram（dram）和 2k 字的單口 ram（sram）。片上 flash/rom 可編程代碼安全保護。外部存儲器接口共 192k 字：64k 字程序存儲器；64k 字數(shù)據(jù)存儲器；64k 字 i/o 存儲空間。多路 10bit a/d 轉(zhuǎn)換器，可選擇為單 16 通道或雙 8 通道，最不轉(zhuǎn)換時間為 375ns。控制器局域網(wǎng)

17、絡(luò)（controllerarea network 簡稱 can）2.0b 模塊。串行通信接口（serial communications interface 簡稱 sci）。16bit 串行外設(shè)接口模塊 （serial peripheral interface 簡稱 spi）。雙事件管理器模塊 eva 和 evb，每個包括：兩個 16bit 通用定時器；8個 16bit 脈寬調(diào)制（pwm）通道，可實現(xiàn)三相反向器控制；pwm 對稱和非對稱波形；外部/pdpintx 引腳出現(xiàn)低電平時快速關(guān)閉 pwm 通道；可編程 pwm 死區(qū)控制，防止上下橋臂同時輸出觸發(fā)脈沖；3 個捕獲器等?；阪i相環(huán)的時鐘發(fā)生

18、器。40 個獨立可編程的復(fù)用的通用 i/o 管腳（gpio）。5 個外部中斷（電機驅(qū)動保護、復(fù)位、兩個可屏蔽中斷）。電源管理包括 3 種低功耗模式，并可獨立將外設(shè)器件轉(zhuǎn)入低功耗模式tag 接口,且其開發(fā)環(huán)境 cc（code composer）支持 c 語言開發(fā)編程，界面友好，容易掌握和使用，可以大大縮短開發(fā)周期，因此本課題在確定 dsp 芯片的時候考慮采用了 ti 公司tms320c2000 系列芯片中的tms320lf2407a。其主要技術(shù)參數(shù)為：l 高性能靜態(tài) cmos 技術(shù)，供電電壓降為 3.3v，減不了控制器的功耗40mips的執(zhí)行速度（指令周期縮25ns），具有很高的實時控制能力。l

19、 基于tms320c2xx dsp的cpu內(nèi)核，程序代碼與f243/f241/c242兼容，指令集與f240/c240兼容。l 片內(nèi)高達32k字的flash程序存儲器和2.5k字的數(shù)據(jù)/程序存儲器，其中544字雙口ram（dram）和2k字的單口ram（sram）。l 片上flash/rom可編程代碼安全保護。l 外部存儲器接口共192k字：64k字程序存儲器；64k字數(shù)據(jù)存儲器；64k字i/o存儲空間。l 看門狗定時器模塊（wdt）。l 多路10bit a/d轉(zhuǎn)換器，可選擇為單16通道或雙8通道，最小轉(zhuǎn)換時間為375ns。l 控制器局域網(wǎng)絡(luò)（controllerarea network簡稱c

20、an）2.0b模塊。l 串行通信接口（serial communications interface簡sci）。l 基于鎖相環(huán)的時鐘發(fā)生器。l 40個獨立可編程的復(fù)用的通用i/o管腳（gpio）。l 5個外部中斷（電機驅(qū)動保護、復(fù)位、兩個可屏蔽中斷）。l 電源管理包括3種低功耗模式，并可獨立將外設(shè)入低功耗模式。l jtag接口。其dsp電源主控板就是基于這款芯片設(shè)計開發(fā)的，晶振10mhz，經(jīng)過芯片內(nèi)部設(shè)定后，芯片工作在4clk模式下，即單指令執(zhí)行速度40mips。在dsp的硬件設(shè)計上需要注意的幾點是：1）為保證可靠性，中斷輸入腳需接上拉電阻（10k）。2）適當(dāng)選擇鎖相環(huán)濾波器引腳外接阻容值。3

21、）晶振盡量靠近主芯片，且選擇精度高、穩(wěn)定性好的有源晶振。4）為調(diào)試方便，在初版設(shè)計時保留了外部sram電路。5）對所有的輸入信號有明確的處理，對不用的引腳根據(jù)要求接地或上拉到電源，不能懸浮。6）對dsp、片外程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，應(yīng)加0.1uf左右的去耦電容并使其盡量靠近芯片電源引腳，以濾除電源噪聲。另外，在dsp與片外程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器等關(guān)鍵部分最好鋪地處理，以減少外界干擾。7）片外程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器應(yīng)盡量靠近dsp芯片放置，同時要合理布局，使數(shù)據(jù)線和地址線長短基本保持一致。8）復(fù)位電路。應(yīng)同時設(shè)計上電復(fù)位電路和手動復(fù)位電路，在運行中出現(xiàn)故障時可方便地人工復(fù)位。對于復(fù)位電路，一方面

22、應(yīng)確保復(fù)位低電平時間足夠長，保證dsp可靠復(fù)位；另一方面應(yīng)保證穩(wěn)定性良好，防止dsp誤復(fù)位。dsp需通過jtag接口下載并調(diào)試程序，jtag接口電路如圖3-9所示，設(shè)計中，emu0和emu1引腳需要接上拉電阻（10k）。(四) 數(shù)字電源主控板a/d轉(zhuǎn)換及輸入信號調(diào)理電路設(shè)計1. tms320lf2407a的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊tms320lf2407a是專門為控制系統(tǒng)設(shè)計的dsp芯片，它具有內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。如圖3-10所示，該模塊由輸入模擬通道、采樣保持器、10bit模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、排序器、adc控制寄存器、轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器等部分組成。其主要特性如下：l 帶采樣和保持器（s/h）的10bit模數(shù)轉(zhuǎn)換模

23、塊，最小轉(zhuǎn)換時間375ns。l 16個模擬輸入通道（adcin0adcin15）。l 自動排序能力。一次可執(zhí)行最多16個通道的自動轉(zhuǎn)換，每次要轉(zhuǎn)換的通道由編程決定。l 兩個獨立的最多可選擇8個模擬轉(zhuǎn)換通道的排序器（seq1和seq2）可以獨立工作在雙排序器模式，或者級連后工作在一個可最多選擇16個模擬轉(zhuǎn)換通道的排序器模式。l 在給定排序方式下，4個排序控制器（chselseqn）決定模擬通道轉(zhuǎn)換順序。l 多個觸發(fā)源可以啟動a/d轉(zhuǎn)換：軟件立即啟動，事件管理器eva/evb中的事件源，外部adsoc引腳。l 靈活的中斷控制允許在每一個或每隔一個序列結(jié)束時產(chǎn)生中斷請求。l 內(nèi)置校驗?zāi)Ｊ健 內(nèi)置自

24、測試模式。當(dāng)滿量程電壓fsr=3.3v時，該adc模塊分辨力=3.3/2100.00322 v=3.22mv。該adc模塊的分辨力和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率（375ns）完全能夠滿足課題對焊接電壓、電流的采樣要求，且通過設(shè)置最大轉(zhuǎn)換通道數(shù)寄存器（maxconv）和通道選擇排序控制寄存器（chselsen）可以控制adc模塊連續(xù)對焊接電壓、電流進行n次采樣，方便程序?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進行數(shù)字濾波處理。因此，課題在設(shè)計中沒有用單獨的a/d轉(zhuǎn)換器芯片。2.a/d輸入信號調(diào)理電路設(shè)計實時準確的檢測間接焊接質(zhì)量（電弧電壓、電流等）是實現(xiàn)焊接過程穩(wěn)定控制的前提。在本課題中，電弧電壓和焊接電流是焊接過程中主要的檢測及控制對

25、象。它們分別通過弧壓傳感器和電流傳感器饋入控制回路，經(jīng)過信號調(diào)理后輸入a/d轉(zhuǎn)換器。其中信號調(diào)理電路主要由隔離、濾波、衰減/放大和限幅電路構(gòu)成。1、隔離電路is0122是采用滯回由于傳感器部分受電焊機干擾嚴重，電源和地都存在很大的紋波，故在傳感器信號的輸入端加了隔離電路，對傳感器板的電源和地進行隔離。本課題使用了bb公司的電容耦合型精密隔離放大器iso122。調(diào)制解調(diào)技術(shù)設(shè)計的電容耦合精密隔離放大器。價格低，使用方便。從該芯片的功能圖13可知，它的輸入部分和輸出部分分別放在殼體兩邊，中間用兩個匹配的1pf電容形成模擬信號的電氣隔離。輸入部分由輸入積分器al、檢測放大器所控制的100a電流源、滯

26、回比較器等組成滯回調(diào)制電路。因為輸入部分和輸出部分是完全對稱的，制造時又采用激光調(diào)整工藝使兩部分完全匹配，因此在輸出端能得到高精度重現(xiàn)vin的輸出信號。 is0122使用非常方便，只須在器件的輸入和輸出部分分別接入4.5v-18v的隔離電源，不用任何外部元件即可正常工作。這時隔離放大器將1：1地傳輸信號，其增益誤差小于0.5。對is0122pu，其非線性誤差小于等于0.02，信號帶寬可達50khz。2、濾波電路設(shè)計為去除傳感器輸出信號中的高頻干擾，需在信號輸入調(diào)理通道中設(shè)計抗混疊低通濾波器?？够殳B低通濾波器一般為有源低通濾波器，按通帶濾波特性可分為最大平坦型濾波器、等紋波型濾波器、線性相移型濾

27、波器等。在實際設(shè)計中通常對應(yīng)采用的有三種形式：（1）巴特沃茲（butterworth）型低通濾波器巴特沃茲型低通濾波器在通帶內(nèi)具有接近理想低通濾波器的平坦特性，所以又稱最大平坦型濾波器。各種階數(shù)的巴特沃茲濾波器均具有單調(diào)下降的幅頻特性，階數(shù)越高，下降越陡，下降斜率為20ndb/10倍頻，具有較好的沖擊響應(yīng)特性。(n為濾波器階數(shù))（2）切比雪夫（chebyshev）型低通濾波器切比雪夫型低通濾波器，階數(shù)n越高，幅頻特性下降的越陡，由于通帶內(nèi)有等紋波起伏，所以又稱等紋波型濾波器。它的通帶特性不如最大平坦型的好，但是就過渡帶內(nèi)幅頻特性下降陡度來說，它比最大平坦型的陡得多。且通帶內(nèi)紋波幅度越大，其過渡

28、帶內(nèi)幅頻特性下降越陡。（3）貝塞爾（bessel）型低通濾波器貝塞爾型低通濾波器是線性相移型濾波器，它具有最大平坦群時延，具有很好的階躍響應(yīng)特性。通常用于對信號響應(yīng)速度要求高的場合。課題設(shè)計要求濾波器通帶內(nèi)具有平坦的低通濾波器特性且過渡帶較陡，綜合考慮后選用了有源四階巴特沃茲型低通濾波器作為抗混疊濾波器。它由兩個二階濾波器串聯(lián)組成。其傳遞函數(shù)如下式：圖中電容參數(shù)值計算公式如下：式（3-2）（3-5）中，fc為低通濾波器的3db頻率，單位為赫茲（hz），電容單位為法拉（f），電阻單位為歐姆。本課題中，考慮截止頻率為fc=20khz，選擇r=5.1km，由式（3-2）（3-5）計算匹配電容值得：c

29、a=1.69nf，cb=1.44nf，cc=4.08nf，cd=597pf。課題設(shè)計實際使用的電容值為：ca=1.5nf，cb=1.5nf，cc=4.4nf，cd=510pf?，F(xiàn)場焊接試驗證明，該濾波器設(shè)計可以較好的濾除傳感器輸出信號中的高頻干擾，保證了數(shù)據(jù)采集的可靠性，并可明顯減少由于干擾造成的算法誤判斷。3、衰減/放大及限幅保護電壓和電流傳感器在焊機正常工作狀態(tài)下基本滿足線性關(guān)系。對于弧壓傳感器，有如下關(guān)系： =11vuo-1式中：電弧電壓（v）；vuo弧壓傳感器輸出電壓。nb500焊機空載時，最高輸出為85v，實踐發(fā)現(xiàn)，焊接過程中弧壓高于56v的時候都可認為電弧未建立，當(dāng)弧壓為1540v

30、之間時為燃弧階段，而短路過程中電壓一般低于12v。由式3-6得弧壓傳感器輸出和電弧狀態(tài)對應(yīng)有表一：對電流傳感器，有如下公式：i電弧=200v io （3-7）式中：i電弧焊接電流（i）；v io電流傳感器輸出電壓（v）。正常的焊接電流范圍為0650a，當(dāng)電流小于20a時，電弧未建立，焊絲同工件之間為開路狀態(tài)；當(dāng)電流在20550a之間時，為正常工作電流；當(dāng)電流值高于650a時，為過流狀態(tài)，應(yīng)啟動保護電路。由3-7式，得電流傳感器輸出和電焊機工作狀態(tài)對應(yīng)有表二：tms320lf2407a的a/d模塊refhiv最大輸入值為3.3v，實際設(shè)計中該引腳接3.3v，此時a/d滿量程為3.3v故傳感器輸出

31、的信號在輸入adc前必須進行衰減限幅。由表一，當(dāng)電壓高于3.72v時電弧未建立，不需要進行專門的算法控制故不需要精確獲得采樣值，可采用大比例衰減，以保證在傳感器最大輸出時，通過信號調(diào)理電路能夠衰減到3.3v以下，在電壓小于3.72v時采用小比例衰減，保證采樣分辨力。由表二，電流傳感器輸出只在過流狀態(tài)下可能超過3.3v，故只需限幅即可。課題在設(shè)計上采用軟硬件結(jié)合的方式，通過程序控制多路選擇器（adg408）進行不同增益檔選擇。adg408是ad公司的高性能模擬多路開關(guān)。它具有功耗低、開關(guān)速度快、開關(guān)接通阻抗低（100歐姆）等特點38。當(dāng)弧壓超過56v（空載）時，選擇1/3衰減（此時，允許最大弧壓

32、90v，adc對弧壓的分辨力為1lsb=90v/2100.09v）；當(dāng)弧壓低于47v（燃?。r，選擇3/4衰減（此時，adc對弧壓的分辨力有1lsb=47v/2100.05v）。為了保證adc輸入信號電壓不超過3.3v損壞器件，在信號調(diào)理通路末端采用3.3v穩(wěn)壓二極管限幅。電壓傳感器信號調(diào)理電路設(shè)計圖如圖3-13所示。(五) 數(shù)字電源主控板d/a轉(zhuǎn)換及輸出信號調(diào)理電路設(shè)計1. d/a轉(zhuǎn)換器dac7625課題設(shè)計中采用了bb公司的4路12 bit雙緩沖數(shù)模轉(zhuǎn)換器件dac7625，可實現(xiàn)4路地址裝載的全部內(nèi)容在同一時間轉(zhuǎn)化為模擬輸出。該芯片具有如下特點：l 低功耗（20 mw）；l 可工作在單極性

33、或者雙極性模式下；l 還原時間短10us to 0.012%；l 在-45+85范圍內(nèi)單調(diào)線性；l 數(shù)據(jù)可回讀；l 雙緩沖數(shù)據(jù)輸入。dac7625可工作在+5v的單電源供電模式下，也可以工作在5v的雙電源模式下。其每一路輸出的最大電壓和最小電壓由外部參考電壓refhv和reflv設(shè)定。數(shù)字輸入端為12bit并行輸入。dac7625的輸入輸出關(guān)系可用下式表示： （39）式中：n數(shù)字輸入值。在課題中dac7625工作在單極性模式下，參考電壓由2.5v的電壓基準源mc1403提供，則dac7625的refhv=2.5v， reflv=0v，此時，輸出電壓范圍為：outv=02.5v。設(shè)計中，參考電壓

34、和供電電壓管腳處加0.1uf的旁路電容。電路如圖3-14所示。2. d/a輸出信號調(diào)理通道在本課題的設(shè)計中，d/a的控制輸出作為pwm脈寬調(diào)制的最主要的控制量輸入，并沒有直接用來驅(qū)動pwm，而是和另外一個電流反饋信號進行加法運算后作為最終控制量輸入。因此，根據(jù)原有電路要求，d/a的輸出量在參與運算前必須進行調(diào)理，將0+2.5v的輸出值反向放大為0-10v，并對輸出作隔離，防止pwm模塊的干擾信號干擾主控板電路。隔離運放仍然是采用iso122芯片。該信號調(diào)理通路設(shè)計如圖3-15所示。為了平滑d/a的輸出，在反饋回路加濾波電容。在本課題中所有模擬信號調(diào)理電路中的有源運放為tl084。(六) 主控板

35、與控制面板的通信接口及其他譯碼電路的cpld實現(xiàn)在電源主控板的dsp系統(tǒng)中，主控板與控制面板（單片機系統(tǒng)）的通信接口、dac以及狀態(tài)指示等都是作為tms320lf2407a的i/o空間數(shù)據(jù)端口來進行訪問操作的。課題中，各i/o空間地址分配見表三示：注：1、*代表為dsp讀信號有效，其他為寫信號有效2、表示通過a1、a0選擇dac轉(zhuǎn)換通道及寄存器3、譯碼時tms320lf2407a的/is信號有效，對外部i/o空間1 、cpld簡介隨著半導(dǎo)體技術(shù)、集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了fpga（fieldprogrammable gates array，現(xiàn)場可編程門陣列）和cpld(complex pr

36、ogrammablelogic device，復(fù)雜可編程邏輯器件)器件，可編程器件不僅使設(shè)計的系統(tǒng)達到小型化、集成化和高可靠性，而且器件可編程的特點大大縮短了設(shè)計周期、減少了設(shè)計費用、降低了設(shè)計風(fēng)險。與fpga（field programmable gates array，現(xiàn)場可編程門陣列）相比cpld器件邏輯塊扇入較大，通常有數(shù)十個輸入輸出端；cpld的邏輯塊采用集總式開關(guān)元件，特點是等延時，而fpga的互聯(lián)是分布式的，其時延與芯片內(nèi)部布局有關(guān)。而cpld器件比fpga器件的邏輯能力強，但是寄存器少，正好對應(yīng)控制密集型電路的需要。因此，課題中選用了altera公司的max7000s系列cpl

37、d器件。它屬于max7000s系列，具有2500個可用門、128個宏單元、最大用戶i/o數(shù)為68個、計數(shù)器工作頻率可達151.5mhz，可通過jtag(joint testaction group，聯(lián)合測試行動小組)接口實現(xiàn)在線編程。標準jtag采用個基本信號：tck，tms，tdi，tdo。其中，tck為同步時鐘，tms為jtag方式選擇，tdi、tdo分別為串行數(shù)據(jù)輸入和串行數(shù)據(jù)輸出。jtag接口硬件電路設(shè)計如圖3-16所示。2、cpld電路設(shè)計課題cpld內(nèi)部電路框圖如圖3-17所示。它主要完成電源主控板與控制面板的并行數(shù)據(jù)通信，包括八位并行數(shù)據(jù)線和四根握手信號線，以及主控板上的譯碼電路

38、。在外圍硬件電路設(shè)計中，由于cpld芯片提供了很多個電源引腳，為了減少芯片內(nèi)部的干擾，盡量在每個電源引腳處加一個0.1uf的去耦電容。另外，設(shè)計中應(yīng)盡量使用cpld所提供的全局變量，如全局時鐘clk。對于未用到的全局變量，應(yīng)將其引腳連接到地。（七) 電源主控板串行通信接口設(shè)計tms320lf2407a器件內(nèi)部有串行通信接口sci模塊。sci模塊支持dsp與其他使用標準格式的異步外設(shè)之間的數(shù)據(jù)通信。sci模塊的發(fā)送器和接收器都是雙緩沖的，每一個都有其自己獨立的使能和中斷標志位，二者既可以獨立工作，也可工作在全雙工模式下。通過16bit的波特率選擇寄存器，數(shù)據(jù)傳輸速度可以被編程為65535種不同方

39、式。該模塊主要特性如下：l scitxd(數(shù)據(jù)發(fā)送引腳)、scirxd(數(shù)據(jù)接收引腳)，在非sci模式下可作為通用i/o引腳；l 通過16bit的波特率選擇寄存器scihbaud和scilbaud，可編程為64k中不同波特率；l 數(shù)據(jù)格式：一個起始位，18位可編程數(shù)據(jù)字長度，可選擇的奇/偶/無校驗位，一個或兩個停止位；l 半雙工或全雙工操作；l 雙緩沖的接收和發(fā)送。當(dāng)波特率選擇寄存器brr值不為零時：sci異步波特率=sysclk/(brr+1)8 （3-10）當(dāng)波特率選擇寄存器brr=0時，sci異步波特率=sysclk/16式中sysclk系統(tǒng)時鐘頻率。課題設(shè)計中，系統(tǒng)時鐘頻率為40mhz

40、，設(shè)定波特率為9600bps進行rs232通信，此時有：brr=40 106/(96008)-1=519.8207h波特率選擇寄存器設(shè)置為：scihbaud=02h，scilbaud=07h。由于本課題在設(shè)計串行通信接口時，使用的rs232串行通信驅(qū)動接口芯片是max232，其邏輯電平為5v，故在其與tms320lf2407a串行通信模塊接口時需要進行電平轉(zhuǎn)換，硬件設(shè)計時需要注意。四、數(shù)字化igbt逆變焊機控制面板電路設(shè)計(一) 控制面板功能需求分析在本課題硬件設(shè)計中，控制面板不僅是數(shù)字化電焊機的人機操作界面的控制管理板，也是整個數(shù)字化電焊機系統(tǒng)事務(wù)處理的核心板，電源主控板在硬件設(shè)計的地位上是

41、控制面板的一個外設(shè)板，同時也是整個數(shù)字化控制系統(tǒng)核心部件，它是igbt逆變焊機數(shù)字化研究成功與否的關(guān)鍵硬件設(shè)計部分?？刂泼姘逶诠δ苌蟿t完成了人機界面的管理以及為電源主控板提供相應(yīng)的焊接參數(shù)等事務(wù)性處理功能。它所應(yīng)該具有的主要功能如下：l 參數(shù)設(shè)置、顯示。需通過控制面板實現(xiàn)焊接要設(shè)置的焊接參數(shù)有：焊接電壓、焊接電流（送絲速度）、波控參數(shù)。l 通過控制面板實現(xiàn)長、短焊縫的選擇。l 通過控制面板實現(xiàn)焊絲規(guī)格選擇。l 顯示當(dāng)前工作電壓、電流及波控參數(shù)。l 用戶工作參數(shù)保存。l 與電源主控板進行通信，完成焊接參數(shù)的設(shè)置。l 與送絲機構(gòu)通信，完成送絲速度的設(shè)定。 (二)控制面板硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖按照控制面板

42、的功能需求，本課題將控制面板的硬件設(shè)計分為單片機系統(tǒng)部分、七段led顯示、鍵盤控制、與電源主控板通信接口、與送絲機構(gòu)通信接口、rs232/rs485總線接口等幾部分。具體機構(gòu)框圖如圖3-18所示。(三)控制面板單片機系統(tǒng)設(shè)計控制面板采用mcs51單片機構(gòu)成事務(wù)管理控制系統(tǒng)。mcs51系列單片機是目前應(yīng)用最為廣泛的一種微控制器，它具有接口電路簡單，功能豐富等特點，在生產(chǎn)生活中有著廣泛的應(yīng)用。在本課題中，使用了89c52單片機。下面將從以下幾個方面加以介紹。1.外設(shè)地址譯碼在本課題的單片機硬件系統(tǒng)設(shè)計中，顯示、鍵盤、與電源主控板的通信接口以及與送絲機構(gòu)的通信接口的訪問都是通過地址譯碼實現(xiàn)的，即給各

43、部分分配一個唯一的端口地址，把這些外設(shè)端口當(dāng)作外部數(shù)據(jù)存儲器的一個地址單元來訪問。譯碼電路如圖3-19所示： 根據(jù)讀寫功能的不同，控制面板的具體譯碼及對應(yīng)端口映射關(guān)系見表四：2.串行接口的非易失性存儲器單片機外部擴展了一個串行接口的eeprom at24c16，用以存儲部分焊接規(guī)范參數(shù)。at24c16是一個具有i2 c接口規(guī)范的eeprom，存儲容量為16k bit，按2k8組織，可重復(fù)擦寫一百萬次，數(shù)據(jù)保存時間為100年。at24c16接口簡單，占用資源少，但需要軟件編程完成數(shù)據(jù)讀寫操作。電路如圖3-20所示，采用89c52單片機的p1.3和p1.4口作串行時鐘和串行數(shù)據(jù)線。單片機的p1.2

44、口接wp引腳，控制at24c16的寫入使能。3. rs232/485接口及上電復(fù)位電路設(shè)計89c52單片機具有一個全雙工串行接口，通過max232驅(qū)動/接收器芯片可同具有標準異步串口的設(shè)備進行通信。這里預(yù)留該功能，可通過該串行接口同電源主控板或外接pc進行通信，方便調(diào)試。為了提高可靠性，采用了復(fù)位兼看門狗電路max813l，對單片機進行上電復(fù)位和定時復(fù)位，以防止軟件運行失控。用單片機的一個i/o口（p1.7）對定時器進行清零，當(dāng)程序在執(zhí)行過程中跳飛或進入死循環(huán)時，程序不能在定時溢出前對其進行清零，就會使max813l定時溢出而產(chǎn)生復(fù)位信號，使單片機重新啟動。(四) 控制面板顯示及鍵盤接口電路設(shè)

45、計在本課題設(shè)計中，控制面板是焊接人員使用電焊機最直接也是唯一的操作接口。作為人機操作界面，該部分的設(shè)計要求操作界面友好，指示簡單明了，使用方便、簡潔，使焊機使用人員能夠快速掌握面板的使用技巧。在參考國外同類產(chǎn)品的面板功能設(shè)計的基礎(chǔ)上，結(jié)合本課題具體實現(xiàn)的功能設(shè)計了數(shù)字顯示、功能指示和鍵盤響應(yīng)三部分硬件功能，并配合相應(yīng)的軟件實現(xiàn)。1.顯示電路如前所述，電焊機在使用中要求能夠反映出當(dāng)前設(shè)定和工作的電壓、電流等參數(shù)。在傳統(tǒng)模擬焊機的設(shè)計中一般采用指針式電壓表，焊接人員需要從表盤上估讀出當(dāng)前工作參數(shù)，界面不直觀，且容易出現(xiàn)誤讀。在本課題中采用七段led數(shù)碼顯示，將當(dāng)前工作參數(shù)，以及設(shè)定時的數(shù)值直接顯示

46、出來，直觀明了。在硬件設(shè)計上，使用cd4511靜態(tài)驅(qū)動七段led數(shù)碼管。cd4511是bcd7段譯碼/驅(qū)動/鎖存器。cd4511從a、b、c、d輸入待顯示的bcd碼，當(dāng)le=0時輸入數(shù)據(jù)（bcd碼），當(dāng)le=1時數(shù)據(jù)鎖存。數(shù)據(jù)輸入后，立即在引腳ag輸出用于驅(qū)動共陰極led顯示器的字段的信號。當(dāng)lt=0，進行燈測試，使led顯示器顯示“8”，當(dāng)bi=0時，顯示器消隱顯示。七段led數(shù)碼管顯示靜態(tài)接口設(shè)計如圖3-21所示。 在a、b、c、d四個bcd碼輸入端應(yīng)接4個5.1k上拉電阻，使單片機的輸出電平與cd4511的cmos輸入電平相容，同時，在cd4511七段輸出與數(shù)碼管七段輸入之間應(yīng)接七個25

47、0歐左右的限流電阻。另外，課題設(shè)計了發(fā)光二極管電路用來指示當(dāng)前焊機工作的其他一些參數(shù)，如長短焊縫的選擇顯示，焊絲直徑的選擇顯示等。2.鍵盤接口電路鍵盤設(shè)計包括了09十個數(shù)字鍵、電壓設(shè)定選擇鍵、電流設(shè)定選擇鍵、波控參數(shù)設(shè)定選擇鍵、窗口選擇鍵、單增計數(shù)鍵、確認鍵共16個按鍵。單片機通過對預(yù)先譯碼設(shè)定的鍵值端口定時讀取操作完成對按鍵的掃描。該方式下軟硬件設(shè)計簡單，不足之處是需要不斷的掃描鍵值端口，一定程度上占用了系統(tǒng)資源。鍵盤接口電路如圖3-22所示。(五)控制面板與電源主控板和送絲機的通信接口1.控制面板與電源主控板通信接口如前所述，控制面板與電源主控板之間通過并行數(shù)據(jù)總線和握手信號線進行通信，傳

48、遞焊接參數(shù)，以及焊接過程中的間接焊接質(zhì)量（焊接電壓和電流）以及其他的控制信息。該部分電路的關(guān)鍵是如何設(shè)計硬件握手信號，在本課題設(shè)計中使用了中斷響應(yīng)和讀寫信號線相結(jié)合的辦法。當(dāng)電源主控板要寫數(shù)據(jù)給單片機時，dsp將數(shù)據(jù)寫入通信端口鎖存，同時，dsp的寫信號作為一個請求信號送給單片機的中斷引腳。當(dāng)單片機收到中斷請求后，將數(shù)據(jù)從通信端口讀出，同時，單片機的讀信號產(chǎn)生一個應(yīng)答信號通知dsp，數(shù)據(jù)已經(jīng)取走，可以進行下一步操作。同理，當(dāng)單片機要寫數(shù)據(jù)給電源主控板時，單片機將數(shù)據(jù)寫入通信端口鎖存，同時，單片機的寫信號產(chǎn)生一個中斷請求送給dsp，當(dāng)dsp收到中斷請求后，將數(shù)據(jù)從通信端口讀出，同時，dsp的讀信

49、號產(chǎn)生一個應(yīng)答信號通知單片機，數(shù)據(jù)已經(jīng)取走，可以進行下一步操作。通過這種軟硬件結(jié)合的通信機制完成數(shù)據(jù)通信。該部分電路主要在電源主控板端由cpld實現(xiàn)，在控制面板上僅使用標準通用數(shù)字集成電路設(shè)計了一個接口。2.控制面板與送絲機的通信接口與電源主控板的通信不同，在本課題設(shè)計中，控制面板同送絲機的通信是單向的。單片機處理程序根據(jù)當(dāng)前設(shè)定參數(shù)的不同，通過該通信接口向送絲機發(fā)送送絲速度的控制信號。因此，對單片機而言，僅需要對該端口進行數(shù)據(jù)的寫操作即可?？紤]到傳輸距離等問題，在接口設(shè)計上使用74ls07做端口驅(qū)動。74ls07是集電極開路的高電壓驅(qū)動芯片，其輸出需接上拉電阻。五 、數(shù)字化igbt逆變焊機送

50、絲機部分電路本課題研究中使用的送絲方式為勻速送絲，即當(dāng)焊接參數(shù)設(shè)定后，送絲速度恒定，又在設(shè)計初期沒有考慮在送絲機構(gòu)上擴展對焊接參數(shù)的調(diào)整功能，因此送絲機部分電路設(shè)計較為簡單。(一)送絲機功能分析送絲機構(gòu)為勻速送絲，在本課題研究中該部分僅需實現(xiàn)和控制面板電路的通信接口，通過控制面板所傳遞的數(shù)據(jù)輸出恒定的模擬控制電壓，使送絲機構(gòu)勻速動作，焊絲勻速送出。(二)送絲機控制電路由于nb500系列焊機已有送絲機的驅(qū)動電路，設(shè)計送絲機控制電路方案時，采用了用控制面板控制d/a輸出，從而為現(xiàn)有驅(qū)動電路提供參考電壓的控制方式，以軟件設(shè)定代替電位器調(diào)節(jié)。該部分電路簡單不再贅述。六、現(xiàn)場焊接調(diào)試電焊機的數(shù)字化研究設(shè)

51、計是一個應(yīng)用型的課題，研究設(shè)計出的控制系統(tǒng)能否達到實際焊接過程對控制精度、控制動態(tài)特性等要求必須經(jīng)過現(xiàn)場焊接試驗進行驗證，并通過試驗不斷修正控制算法和控制參數(shù)。本課題提出的控制算法，以及數(shù)字化控制系統(tǒng)的設(shè)計都是在現(xiàn)場試驗中不斷完善改進的結(jié)果。當(dāng)然，目前該系統(tǒng)還不夠完善，功能上跟國外產(chǎn)品還有很大的差距，這些都有待于在以后的研究中不斷的完善。下面是針對在設(shè)計以及現(xiàn)場試驗中的一些問題和結(jié)論加以介紹。（一） nb500焊機特性測試本課題以熊谷公司nb500系列逆變焊機的數(shù)字化為設(shè)計對象，因此在設(shè)計、系統(tǒng)調(diào)試之前必須對現(xiàn)有的nb500焊機的輸出特性，傳感器工作特性進行測定。在現(xiàn)場，利用電阻箱做恒定負載，

52、對現(xiàn)有nb500系列逆變焊機的電壓傳感器和電流傳感器電路進行了測試，測試結(jié)果如表八和表九所示：由表八和表九可得電壓傳感器和電流傳感器的輸入輸出關(guān)系如下：v=11u_i1 （5-1）i=200i_i （5-2）在燃弧階段，焊接電壓和電流滿足如下經(jīng)驗公式：v =14+0.05i （5-3）課題在設(shè)計焊接過程跳轉(zhuǎn)參數(shù)及焊接參數(shù)時，均以以上公式及表格為參考結(jié)合現(xiàn)場焊接試驗對參數(shù)進行調(diào)整。（二）參數(shù)整定在對焊機基本參數(shù)進行測定后可大致估算出一些焊接過程中使用到的參數(shù)取值。但在實際焊接中這些參數(shù)值必須通過不斷的實驗進行整定。且在實際控制系統(tǒng)中，難以對電焊機建立有效的數(shù)學(xué)模型，因而各個控制階段的pid控制參

53、數(shù)必須通過湊試法獲得。1 .pid參數(shù)整定如上所述，電弧熔滴過渡控制采用分段pid控制，對不同的焊接參數(shù)和熔滴過渡階段采用不同的pid控制參數(shù)進行優(yōu)化，控制熔滴平穩(wěn)過渡。為獲得理想的焊接過渡狀態(tài)必須通過多次試驗對同一組參數(shù)進行反復(fù)整定優(yōu)化。由于焊接過程是一個多參數(shù)互相耦合、時變的、不確定的非線性系統(tǒng)，難以建立焊接過程的數(shù)學(xué)模型并給出pid控制參數(shù)。在現(xiàn)場調(diào)試時，采用湊試的方法對pid參數(shù)進行整定。對于pid控制，增大比例系數(shù)，有利于加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，減小靜差，但是過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使系統(tǒng)穩(wěn)定性變壞。增大積分系數(shù)，有利于減小系統(tǒng)超調(diào)，減小振蕩，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，但是系

54、統(tǒng)的靜差消除隨之減慢。而增大微分系數(shù)，有利于加快系統(tǒng)響應(yīng)，減小超調(diào)，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，但是系統(tǒng)對擾動的抑制力將減弱，易受干擾?？紤]到以上參數(shù)對系統(tǒng)控制過程的影響，對參數(shù)實行先比例、后積分、再微分的整定步驟。（1）比例系數(shù)整定將比例系數(shù)從小慢慢變大，觀察系統(tǒng)響應(yīng)，直到得到反應(yīng)快，超調(diào)小的響應(yīng)效果。（2）積分系數(shù)整定在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上加上積分環(huán)節(jié)，并減小第一步設(shè)定的比例系數(shù)為原來的80%。將積分常數(shù)由小到大不斷調(diào)整，以期在保證系統(tǒng)良好動態(tài)特性的基礎(chǔ)上得到較小的靜差。（3）微分系數(shù)整定微分環(huán)節(jié)用以調(diào)整系統(tǒng)的動態(tài)特性，在pi環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)好的基礎(chǔ)上，適當(dāng)加入微分環(huán)節(jié)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)能力（主要用在短路階段的

55、控制）。為避免資源浪費，首先以電阻箱為恒定負載，在焊機負載恒定的情況下，在控制算法中僅運行pid算法部分，進行恒壓控制，然后改變電阻箱阻值，通過示波器觀察動態(tài)響應(yīng)速度以及穩(wěn)態(tài)性能。待pid參數(shù)基本范圍確定后，代入控制算法，對不同的焊接規(guī)范分別加以控制，并根據(jù)焊接效果，以及反饋的電壓電流波形調(diào)整控制參數(shù)。記錄各系數(shù)調(diào)整趨勢對波形及焊接效果的影響，方便以后對其他參數(shù)的調(diào)整。2.其他參數(shù)整定在控制算法中，除pid運算的比例、積分、微分系數(shù)需要整定外，對當(dāng)前狀態(tài)判斷的界定值也需要根據(jù)不同的焊接規(guī)范進行整定。其中包括：起弧段電壓d/a輸出值、最大空載電流界定值、最小起弧電壓界定值、最小起弧電流界定值、最

56、小燃弧工作電壓界定值、最大燃弧工作電流界定值、最大短路電壓界定值、最大短路電流界定值。這些值只有通過估算并在此基礎(chǔ)上通過現(xiàn)場的焊接試驗獲得。(三)實際焊接效果及工作參數(shù)1.現(xiàn)場焊接效果通過焊接試驗，在課題設(shè)計過程中不斷完善了硬件設(shè)計和軟件算法設(shè)計，并在現(xiàn)場試驗中修正了pid等相關(guān)控制參數(shù)，取得了良好的焊接效果。由于時間等原因，課題尚未完成對所有焊機規(guī)范參數(shù)的整定調(diào)節(jié)。本節(jié)僅以課題實踐焊接中的一組參數(shù)為例，對現(xiàn)場焊接效果加以介紹。焊接參數(shù)如下：選定焊絲規(guī)格為1.2mm實心焊絲；焊接電壓為24v；焊接電流在180220a之間均可穩(wěn)定焊接；波控參數(shù)可在032之間調(diào)整。與模擬焊機相比，在焊接過程中，電弧穩(wěn)定燃燒，飛濺較模擬焊機小，同一電壓下焊接電流調(diào)節(jié)范圍寬，人為改變電弧長度時焊接過程穩(wěn)定，動態(tài)響應(yīng)滿足要求。通過改變波控參數(shù)，電弧推力可得到調(diào)節(jié)。焊縫成型好，熔寬、熔深、余高等滿足焊接要求。在大電壓（40v）焊接下，飛濺明顯小于模擬焊機，但此時熔滴過渡方式已不是單純的短路過