专利名称：基于dsp的数字化逆变式焊接电源控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种逆变式焊接电源领域的控制系统。
背景技术：
逆变式焊接电源具有高效节能、轻巧省料和控制性能好等特点，在波形控制和提高系统的动态响应性能方面有很大发展，已成为现代焊接电源发展的主流之一。在弧焊逆变电源中，其控制部分对整机性能的优劣关系重大。精确控制电流波形可以保证电流波形和焊接过程的一致性和可重复性，同时这也是实现弧电压精确控制的前提。为了获得满意的焊缝质量，在脉冲焊波形控制在各个阶段对控制系统性能的要求是不一样的，在脉冲电流期间需要保证合适的脉冲上升沿和下降沿，在基值电流期间要保证控制系统有合适的稳态精度，以有利于基值电流稳定。目前弧焊逆变电源大都以集成运放为核心的模拟电路组成控制系统。由于脉冲焊的波形复杂，焊接参数多，采用模拟控制方式对其进行控制需要大量的操作旋钮，操作很不方便，因此这种控制系统对于被控对象特别难以控制而控制要求又特别高的情况就难以达到控制目的，很难兼顾控制系统在脉冲电流和基值电流两个阶段的静、动态性能指标。从而使得采用传统方法的控制系统在调节精度、实时性和可靠性等方面都有较大的局限，难以避免动态特性不够理想、缺乏柔性等缺点。上述弊端很大程度上限制了弧焊逆变电源的进一步发展，而数字化焊接电源的出现就很好地解决了这一问题。数字化焊接电源是数字信号处理技术与弧焊工艺相结合的产物，具有稳定性高、系统灵活性好、控制精度高、容易实现网络化控制等巨大的优越性。它采用计算机技术来完成对弧焊工艺过程的闭环控制，其中包括主电路的数字化和控制电路的数字化。目前，在焊机中常用的数字控制器件有DSP和MCU等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构合理，通用性强、抗干扰能力强、可靠性高的基于 DSP的数字化逆变式焊接电源控制系统。本发明的技术解决方案是
一种基于DSP的数字化逆变式焊接电源控制系统，其特征是包括人机接口模块，人机接口模块与微控制器核心模块通过SCI进行通信，通信协议采用Modbus协议；人机接口模块包括单片机，单片机与进行参数设置的按钮及编码器连接，单片机与进行状态显示的LED 数码管连接；所述微处理器核心模块，采用了 DSP芯片TMS320F2802作为CPU，DSP芯片自带接收经过硬件调理电路调理的电压反馈信号及按比例转换成电压信号的电流反馈值的 12位A/D转换器，DSP芯片通过IO 口与接收实时监控各种故障信号的多路数据缓冲芯片连接，DSP芯片有电流通道和电压通道两个输出通道，分别作为功率模块的控制信号来控制系统的电流输出和电压输出，当控制器对其中一个通道输出量进行控制时另外一个通道的输出保持恒定；所述硬件调理电路包括电流环、电压环两个并联结构的闭环，其中，电流环通过电流采样调理整形电路利用霍尔电流传感器将检测到的焊接电流信号转化为成比例的电压信号，此电压信号经信号滤波后送入DSP芯片内部的A/D转换通道，转换为数字量，此数字量即为电流的反馈值Rf ；电压环中，通过电压采样调理整形电路利用霍尔电压传感器将检测到的焊接电压信号转化为成比例的电压信号，此电压信号经信号滤波后送入DSP内部的A/D转换通道，转换为数字量，此数字量即为电压瞬时的反馈值，经过计算得到电压反馈值Uuf0本发明以高性能的DSP芯片TMS320F2802为核心，系统硬件电路结构较简单，控制精度高；抗干扰能力强，对电磁环境的较好的适应能力；人机接口简单清楚，操作方便，工作稳定可靠；系统的主要控制过程通过软件方式实现，从而可以很方便地实现其他外特性的输出，以满足不同焊接工艺的需要，真正体现了数字化控制的灵活性与优越性。与传统由模拟电路组成的逆变式焊接电源相比，本发明实现了真正意义上的全数字化控制，从而具有了 更大的灵活性、更好的稳定性、更高的控制精度等特性，并且易于实现柔性化控制。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。图1是本发明一个实施例的系统控制策略原理框图。图2控制系统硬件结构框图。图3是系统软件流程图。图4是手工焊流程图。图5是氩弧焊流程图。
具体实施例方式一种基于DSP的数字化逆变式焊接电源控制系统，包括人机接口模块1，人机接口模块与微控制器核心模块2通过SCI进行通信，通信协议采用Modbus协议；人机接口模块包括单片机3，单片机与进行参数设置的按钮及编码器4连接，单片机与进行状态显示的 LED数码管5连接；所述微处理器核心模块，采用了 DSP芯片TMS320F2802作为CPU，DSP芯片6自带接收经过硬件调理电路调理7的电压反馈信号及按比例转换成电压信号的电流反馈值的12位A/D转换器8，DSP芯片通过IO 口与接收实时监控各种故障信号的多路数据缓冲芯片9连接，DSP芯片有电流通道和电压通道两个输出通道10、11，分别作为功率模块的控制信号来控制系统的电流输出和电压输出，当控制器对其中一个通道输出量进行控制时另外一个通道的输出保持恒定；所述硬件调理电路包括电流环、电压环两个并联结构的闭环，其中，电流环通过电流采样调理整形电路利用霍尔电流传感器将检测到的焊接电流信号转化为成比例的电压信号，此电压信号经信号滤波后送入DSP芯片内部的A/D转换通道，转换为数字量，此数字量即为电流的反馈值Uif ；电压环中，通过电压采样调理整形电路利用霍尔电压传感器将检测到的焊接电压信号转化为成比例的电压信号，此电压信号经信号滤波后送入DSP内部的A/D转换通道，转换为数字量，此数字量即为电压瞬时的反馈值， 经过计算得到电压反馈值Uuf。为了保证工作的可靠稳定，系统设置了过压、欠压、过热、急停等信号通道，从而可以对各种意外情况及时进行相应的处理。控制系统有多种工作模式可供选择，包括带防触电保护的手动模式、氩弧焊短焊模式、氩弧焊长焊模式、脉冲模式和恒流模式等。在所述的数字化人机接口模块中，可以通过按键和编码器发出工作指令或者设置存储需要的焊机工作参数，如急停操作、焊接模式，预、滞气时间，引弧、收弧电流，脉冲频率及占空比等。人机接口模块采用了 51单片机作CPU，实现了对外部参数设置和控制命令的数字化处理，提高了信号采集、传输的精确度和可靠性，同时面板上的LED数码管可以实时显示当前系统的工作状态。如图2所示。基于实时采集的电流、电压反馈值，再根据已选定的输出通道(电流通道、电压通道)，DSP可以迅速通过电流目标值给定算法求出相应的控制量最后经D/A转换芯片输出，进而可以实现对电流、电压恒流输出和脉冲输出的精确控制。控制器对于脉冲电流和基值电流的控制在焊接过程中始终进行。在所述系统软件中，主要分为手工焊和氩弧焊两种模式。开始工作后，系统首先要检测是否有异常中断或者串口通信异常，若有异常出现则关闭所有输出，进行错误处理并发出相应的报错信号，反之则根据设定的恒流或恒压模式选择电流或者电压通道中的一条进行控制，另一条通道则输出恒定的值，最后根据选择的焊接模式(手工焊、氩弧焊)进入正常工作状态，如图3所示。以恒流模式为例说明系统的工作过程，在这种模式下系统将对电流通道进行控制，电压通道输出恒定值。手工焊模式分为无防触电保护模式和带防触电保护模式无防触电保护模式下，系统开启逆变器后检测反馈电流，若电流反馈值低于阈值， 则需要在电流通道输出基值的基础上加上推力值以增大输出电流，反之则输出电流基值； 带防触电保护模式在工作过程为防止触电发生还需根据反馈电流的大小开关逆变器，当电流反馈值小于下限值时说明系统未处于焊接状态，此时需关闭逆变器，如图4所示。氩弧焊模式的工作过程如下当焊枪开关按下后，系统判断冷却方式，气冷模式下，直接开始预气， 水冷模式下，需判断水流阀是否打开，若已经打开则开始预气，否则关闭所有输出并报错。 预气时间结束后，控制器开启逆变器并开始起弧，高频起弧模式下，若规定时限内起弧不成功，则关闭高频输出切换为接触起弧模式，而接触起弧模式下，则直接等待手动起弧成功。 起弧成功后，若系统为长焊模式，则等焊枪开关松开，然后再根据要求令电流通道输出脉冲或恒流基值，当焊枪开关再次按下后关闭所有控制信号输出、将电流通道输出置零并且进行滞气；若控制器选择短焊模式，则在焊枪开关按下的情况下令电流通道输出脉冲或恒流基值，当焊枪开关松开后关闭所有控制信号输出、将电流通道输出置零并且进行滞气，如图 5所示。
权利要求
1. 一种基于DSP的数字化逆变式焊接电源控制系统，其特征是包括人机接口模块， 人机接口模块与微控制器核心模块通过SCI进行通信，通信协议采用Modbus协议；人机接口模块包括单片机，单片机与进行参数设置的按钮及编码器连接，单片机与进行状态显示的LED数码管连接；所述微处理器核心模块，采用了 DSP芯片TMS320F2802作为CPU，DSP芯片自带接收经过硬件调理电路调理的电压反馈信号及按比例转换成电压信号的电流反馈值的12位A/D转换器，DSP芯片通过IO 口与接收实时监控各种故障信号的多路数据缓冲芯片连接，DSP芯片有电流通道和电压通道两个输出通道，分别作为功率模块的控制信号来控制系统的电流输出和电压输出，当控制器对其中一个通道输出量进行控制时另外一个通道的输出保持恒定；所述硬件调理电路包括电流环、电压环两个并联结构的闭环，其中，电流环通过电流采样调理整形电路利用霍尔电流传感器将检测到的焊接电流信号转化为成比例的电压信号，此电压信号经信号滤波后送入DSP芯片内部的A/D转换通道，转换为数字量，此数字量即为电流的反馈值Rf ；电压环中，通过电压采样调理整形电路利用霍尔电压传感器将检测到的焊接电压信号转化为成比例的电压信号，此电压信号经信号滤波后送入 DSP内部的A/D转换通道，转换为数字量，此数字量即为电压瞬时的反馈值，经过计算得到电压反馈值Uuf。
全文摘要
本发明公开了一种基于DSP的数字化逆变式焊接电源控制系统，包括人机接口模块，人机接口模块与微控制器核心模块通过SCI进行通信，通信协议采用Modbus协议；人机接口模块包括单片机，单片机与进行参数设置的按钮及编码器连接，单片机与进行状态显示的LED数码管连接；所述微处理器核心模块，采用了DSP芯片TMS320F2802作为CPU。本发明结构合理，通用性强、抗干扰能力强、可靠性高。
文档编号B23K9/10GK102211239SQ20111009517
公开日2011年10月12日 申请日期2011年4月15日 优先权日2011年4月15日
发明者刘伟, 方波, 朱健进, 朱建良, 朱芳, 耿忠庆, 陈孟驰, 陈怡彬 申请人:南通三九焊接机器制造有限公司