基于DSP的斜特性式脈沖CO_2焊逆變電源研究

1、俞建榮等：基于DSP的斜特性式脈沖CO2焊數(shù)字化電源研究基于DSP的斜特性式脈沖CO2焊數(shù)字化電源研究俞建榮 蔣力培 龔永飛 鄒勇 沈若泉 郭云卿（北京石油化工學(xué)院 北京 102617）摘 要：以DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）為主控芯片，設(shè)計(jì)了一種斜特性式脈沖CO2焊數(shù)字化電源。采用新型的斜特性算法在焊接過程中自動(dòng)調(diào)節(jié)電源外特性斜率，實(shí)現(xiàn)了電弧在大范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)方案采用了獨(dú)立的送絲系統(tǒng)和全橋逆變主電路，選擇了燃弧平均電壓作為其他焊接參數(shù)控制的基準(zhǔn)。充分利用了片內(nèi)軟硬件資源，DSP產(chǎn)生一路控制信號(hào)并轉(zhuǎn)換成雙邊沿PWM脈沖輸出。其硬件結(jié)構(gòu)簡單可靠，控制軟件可通過JTAG仿真器并行接口更新算法。焊接

2、試驗(yàn)表明，該斜特性脈沖電源工作穩(wěn)定，可靠性高。關(guān)鍵詞： 脈沖CO2焊, 斜特性式, DSP, 逆變電源近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品焊接對(duì)焊接技術(shù)的要求越來越高。在工程打底焊過程中，由于單面焊雙面成型的需要，往往要求焊接過程嚴(yán)格控制熱量。另一方面，常常由于焊接過程的不穩(wěn)定，造成打底焊的多處接頭，給后續(xù)的打磨和填充焊工序帶來很大的困難。CO2焊接技術(shù)成本低、效率高，具有經(jīng)濟(jì)性很強(qiáng)的特點(diǎn)，在汽車、建筑、石化和航空器制造等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用12。因此，對(duì)傳統(tǒng)CO2焊電源的升級(jí)改造具有很強(qiáng)的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。一直以來人們?cè)噲D得到一種優(yōu)良的電源外特性35，但由于焊接過程的復(fù)雜性，對(duì)于解決弧焊電源的

3、自動(dòng)調(diào)節(jié)及其在適應(yīng)性和穩(wěn)定性方面有了更高的要求并進(jìn)行了探索68。事實(shí)上，焊接過程需要的外特性斜率是不斷變化的。由于熔滴過渡的快速進(jìn)行，預(yù)先設(shè)定斜率來實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧的控制是不現(xiàn)實(shí)的。本文設(shè)計(jì)的外特性調(diào)節(jié)是基于前一焊接周期的焊接狀況，計(jì)算出維弧所需要的外特性斜率，通過電弧電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)，保持電弧穩(wěn)定性。作者利用數(shù)字化焊接電源控制精度高，穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種斜特性式脈沖CO2焊控制系統(tǒng)，可以精確控制焊接過程。滿足精密打底焊的需要。1 斜特性式電弧電壓調(diào)節(jié)1.1 外特性斜率的可調(diào)性弧焊電源輸出電壓與輸出電流之間的關(guān)系稱為弧焊電源的外特性。本文研究的脈沖CO2焊屬于等速送絲電弧控制系統(tǒng)。等速送絲電弧控制

4、系統(tǒng)是指焊接過程中送絲速度不變，弧長調(diào)節(jié)作用是通過弧長變化引起的電流變化來實(shí)現(xiàn)的電弧控制系統(tǒng)。根據(jù)焊絲的熔化是連續(xù)及忽略焊絲干伸長度的假設(shè)，焊接過程可用以下運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行描述。焊接回路電壓方程：Up=L式中 Up-焊機(jī)輸出端電壓；L-焊接回路電感；R -焊接回路電阻； di+Ri+Ua （1） dtUa-電弧電壓；電弧電壓方程： 項(xiàng)目編號(hào)：本文得到北京市教委科技發(fā)展計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（KZ200610017010），863項(xiàng)目“緊湊型靜電聚結(jié)原油脫水的關(guān)鍵技術(shù)研究”（2007AA06Z225），光機(jī)電裝備技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（KF200604），URT項(xiàng)目（2008J00124，2008J00

5、125）的支持。171第五屆全國計(jì)算機(jī)在焊接中的應(yīng)用學(xué)術(shù)與技術(shù)交流會(huì)論文集，2008年10月29日-11月3日，廣西南寧Ua=kaLa+kpI+Uc （2）式中 La-弧長；I-焊接電流有效值；ka、kp、Uc-電弧參數(shù)。焊絲熔化速度方程：Vm=kmI （3）式中 Vm-焊絲熔化速度；km-焊絲熔化系數(shù)?；￠L方程：VmVf=式中 Vf-送絲速度。 dLa (4) dt短路過渡焊時(shí)，在燃弧期加熱和熔化焊絲，而短路時(shí)發(fā)生熔滴過渡，在焊接過程中周期性地改變電弧功率，在一個(gè)周期內(nèi)送絲速度與焊絲熔化速度的積分值是相等的，這也稱為積分自身調(diào)節(jié)作用。焊機(jī)特性方程：Up=(Ru+k1I)k0 (5)式中 Ru

6、-焊接電源電壓給定參考量；k0-焊接電源放大系數(shù)；k1-電流反饋系數(shù)。有上述焊接運(yùn)動(dòng)方程得出電弧控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：La(s)k0km=2 （6） Ru(s)Ls+(R+kpk1k0)s+kakm由式（6）可知，當(dāng)k=k1k0<0時(shí)，電源輸出為下降外特性，也即是說電源外特性可以通過調(diào)節(jié)k值來調(diào)節(jié)。這是本文建立電弧電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)模型的基礎(chǔ)。圖1 斜特性式脈沖CO2焊機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 圖2 焊接過程主程序流程圖2 DSP控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)該控制系統(tǒng)所采用的電源為逆變弧焊電源，工作頻率為20kHz?？刂葡到y(tǒng)的主要功能為：主電源接觸器、送絲機(jī)和送氣的時(shí)序控制；焊接參數(shù)的采集；根據(jù)反饋信號(hào)和相應(yīng)軟件算法輸

7、出控制量。 172俞建榮等：基于DSP的斜特性式脈沖CO2焊數(shù)字化電源研究根據(jù)任務(wù)要求和控制特點(diǎn)，選取了TI公司DSP芯片TMS320LF2407A。DSP芯片具有穩(wěn)定性和易于實(shí)現(xiàn)柔性化編程的特點(diǎn)，非常適合焊接電源的控制芯片。TMS320LF2407A芯片為32位定點(diǎn)運(yùn)算，CPU頻率為40MHz，片上集成了16通道12位的A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為80ns。另外，自行外擴(kuò)了4路12位D/A芯片，D/A的轉(zhuǎn)換時(shí)間為10s，構(gòu)成了硬件電路簡單但功能齊全的系統(tǒng)。TMS320LF2407A芯片在反饋量采集、算法運(yùn)算、控制輸出等方面完全滿足焊接實(shí)時(shí)控制的需要，為實(shí)現(xiàn)斜特性算法，穩(wěn)定焊接過程奠定了基礎(chǔ)

8、。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，TMS320LF2407A為片上系統(tǒng)，圖中包括A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器、INT外部中斷引腳、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（Counter/Timer）和D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器等。在系統(tǒng)中有應(yīng)用但框圖中沒有標(biāo)出的向量中斷控制器（VIC）等也為片內(nèi)外設(shè)。系統(tǒng)的控制采用軟件編程實(shí)現(xiàn)。軟件程序采用可讀性強(qiáng)的C語言編寫，并采用了模塊化管理，具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性。主程序由系統(tǒng)初始化程序、焊機(jī)狀態(tài)檢測(cè)程序和焊接程序三部分組成。其中焊接程序包括引弧程序、過程控制程序、斜特性算法程序和收弧程序四組程序模塊。焊接過程主程序流程如圖2所示。2.1 基于EV的PWM脈沖實(shí)現(xiàn)由于TMS320LF2407A可以直接產(chǎn)生PWM脈

9、沖，無須專門的PWM產(chǎn)生芯片。一般采用兩種方法：一種是基于通用定時(shí)器的PWM脈沖，每個(gè)通用定時(shí)器都可以獨(dú)立地用于提供一個(gè)PWM通道。另一種是基于事件管理器（EV）的PWM脈沖，每個(gè)事件管理器（EV）可以產(chǎn)生6路PWM脈沖。由于后者的PWM脈沖帶有死區(qū)編程單元，減少了IGBT功率管直通的危險(xiǎn)，設(shè)計(jì)中采用了基于事件管理器（EV）的PWM脈沖，靈活插入死區(qū)單元，使系統(tǒng)可靠性大大增加，較好地實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)。首先設(shè)置系統(tǒng)控制和配置寄存器（SCSR1），使能EV模塊（EVA）。通過設(shè)置PWM周期T1和占空比q，死區(qū)單元周期值T2和死區(qū)時(shí)間間隔m，同時(shí)激活比較器和死區(qū)單元。當(dāng)動(dòng)作控制寄存器置位后，比較單元開始工

10、作，采用連續(xù)增模式，通用定時(shí)器的計(jì)數(shù)值不斷地和比較寄存器的值相比較，當(dāng)一個(gè)匹配產(chǎn)生時(shí)，比較單元的兩個(gè)輸出引腳發(fā)生對(duì)稱跳變。當(dāng)死區(qū)單元被使能時(shí)，將比較器產(chǎn)生的對(duì)稱波形分開。同時(shí)，在程序中，要注意以下幾點(diǎn)：（1）保證T1=T2，并且在一個(gè)焊接過程中保持不變。（2）死區(qū)時(shí)間間隔m=5s（3）脈寬和反饋電壓成反比，形成軟件閉環(huán)控制。斜特性算法的實(shí)現(xiàn)是保證斜特性式焊接自動(dòng)調(diào)節(jié)過程實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵；是實(shí)現(xiàn)焊接電弧長期穩(wěn)定的基礎(chǔ)。 在脈沖焊接過程中，電弧負(fù)載變化較大，尤其是燃弧峰值向燃弧基值轉(zhuǎn)化過程中電弧電流存在較大差異。為了使焊接過程保持穩(wěn)定，同時(shí)又能夠定量控制每個(gè)焊接周期的能量，采用了以焊接電流為控制內(nèi)環(huán)，燃

11、弧平均電壓為控制外環(huán)的雙閉環(huán)控制方式，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)外特性斜率，進(jìn)而調(diào)節(jié)燃弧平均電壓，達(dá)到維護(hù)電弧穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)小電流精密焊接的目的。研究發(fā)現(xiàn)，外特性斜率與燃弧占空比存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，即燃弧占空比減小時(shí)，外特性斜率會(huì)相應(yīng)增大。具體可參考圖3，可用下列公式表示。K=Mq （7）其中，K為外特性斜率M為比例系數(shù)q為燃弧占空比。M值會(huì)由于具體機(jī)器配置的不同而略有差異，本試驗(yàn)機(jī)取M=18。由式（7）可知，只要求出q值，就可以計(jì)算出K值。有下述公式：q=TpT0 （8）其中，Tp為燃弧峰值時(shí)間，T0為燃弧周期，在焊接周期基本一致的情況下，通過調(diào)節(jié)燃弧峰值時(shí)間Tp，173第五屆全國計(jì)算機(jī)在焊接中的應(yīng)用學(xué)術(shù)與技術(shù)交流

12、會(huì)論文集，2008年10月29日-11月3日，廣西南寧可以改變?nèi)蓟≌伎毡萹，使得斜特性算法實(shí)現(xiàn)。圖2 斜特性算法示意圖具體過程為：當(dāng)系統(tǒng)將檢測(cè)到的反饋電弧電壓與設(shè)定的初始焊接電壓進(jìn)行比較，檢測(cè)出焊接電壓偏差值；焊接電壓偏差值輸入調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)后產(chǎn)生峰值電流時(shí)間調(diào)整量；峰值電流時(shí)間調(diào)節(jié)量產(chǎn)生焊接電流調(diào)整量；焊接電流調(diào)整量產(chǎn)生焊絲熔化速度變化量；焊絲熔化速度變化量與等速送絲速度共同作用下使焊絲末端與熔池表面距離發(fā)生變化，即電弧長度產(chǎn)生變化量；電弧長度變化量導(dǎo)致電弧電壓偏差減??；上述過程不斷閉環(huán)進(jìn)行，周而復(fù)始，則電弧電壓趨于穩(wěn)定工作點(diǎn)，在穩(wěn)定工作點(diǎn)時(shí)的焊絲熔化速度等于焊絲送進(jìn)速度。圖2為斜特性算法示意圖。

13、3 試驗(yàn)研究3.1 斜特性測(cè)試在電阻箱環(huán)境下對(duì)樣機(jī)進(jìn)行外特性測(cè)試時(shí)，可將需要Tp：Tb值分別輸入到控制系統(tǒng)，然后測(cè)試樣機(jī)相關(guān)斜率。本測(cè)試所輸入的不同燃弧占空比的外特性曲線如圖所示。從上到下依次是Tp：Tb=1：2，Tp：Tb=1：4，Tp：Tb=1：9，其中 Tp：Tb=1：4一組比較接近短路過渡所需要的外特性。事實(shí)上，從圖4中可以看出，較好符合短路過渡的燃弧占空比是Tp：Tb范圍是1：31：6圖3斜特性式脈沖CO2焊機(jī)斜特性曲線 圖4 燃弧占空比與短路頻率的關(guān)系3.2 焊接過程為了研究脈沖CO2焊樣機(jī)的工藝性能，進(jìn)行了下列工藝試驗(yàn)。焊接條件：焊絲為錦泰JM-56，焊絲直徑1.2mm；試件板厚

14、6mm；焊炬與工件距離15mm；保護(hù)氣體成分CO2100%，氣流量15L/min;直流反接；送絲速度3m/min；峰值電流IP=370A，基值電流Ib=55A，得到的電流電壓波形如圖5所示。4 結(jié)語（1）本文設(shè)計(jì)了斜特性式脈沖CO2焊逆變電源，選用全橋逆變電路和TI公司DSP芯片TMS320LF2407A，信號(hào)采集與反饋信號(hào)處理均由片上系統(tǒng)控制，控制系統(tǒng)程序可柔性化調(diào)節(jié)。（2）提出了調(diào)節(jié)燃弧占空比以實(shí)現(xiàn)斜特性自動(dòng)調(diào)節(jié)的控制模型，短路期間實(shí)現(xiàn)雙斜率控制，燃弧期間采用 174俞建榮等：基于DSP的斜特性式脈沖CO2焊數(shù)字化電源研究瞬時(shí)功率控制，并可根據(jù)焊接過程的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)電弧電壓的變化。（3）T

15、MS320LF2407A功耗極低，可有效減少控制板的發(fā)熱量，增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的可靠性。（4）采用JTAG仿真器和標(biāo)準(zhǔn)并行接口，調(diào)試和擴(kuò)展系統(tǒng)功能以及開放性好，便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)升級(jí)。圖5 實(shí)測(cè)焊接電流電壓波形參 考 文 獻(xiàn)潘際鑾現(xiàn)代弧焊控制M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000殷樹言氣體保護(hù)焊基礎(chǔ)M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007楊立軍，李俊岳，李桓等CO2焊短路過程動(dòng)特性與外特性的關(guān)系J焊接學(xué)報(bào)，2003，24（2）：3234盧振洋，黃鵬飛，廖平等U-I模式脈沖MAG焊脈沖參數(shù)對(duì)熔滴過渡影響規(guī)律J焊接學(xué)報(bào)，2006，27（5）：6972 蔣力培，俞建榮，鄒勇，羅建雙恒流式CO2焊逆變電源研究第十一次全國焊接

16、會(huì)議論文集（第2冊(cè)）, 2005：214217：8386 6 俞建榮，蔣力培，陳璐一種智能化CO2弧焊電源的研究J電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2003，18（5）7 俞建榮，蔣力培，史耀武CO2弧焊熔過渡過程的特征及其定量評(píng)價(jià)J機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2002，38（2）：1371408 龔永飛，俞建榮，蔣力培等CO2氣體保護(hù)焊控制系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)J北京石油化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，15（3）：3942 1 2 3 4 5A digital deflecting characteristic power supply based on DSPcontroller for pulsed CO2 weldingBy Yu Ji

17、anrong, Jiang Lipei, Gong Yongfei, Zou Yong , Shen Ruoquan and Guo YunqingBeijing Institute of Petrochemical Technology, 102617, Beijing, ChinaAbstract: A digital deflecting characteristic power supply based on DSP controller for pulsed CO2 welding was developed. This device automatically regulated

18、the slope of external characteristic with predominant slopping characteristic algorithm in welding process, and implemented the welding arc stability with large filed. In this system, the average arc voltage is preset in accordance with the speed of a separate wire feeder, while full-bridge inverted circuitry can be adopted independently. The digital pulse width modulation signals are generated directly at low hardware expense, and control strategy is implemented through s