1、 摘要 : 為了提高逆變電 阻 點(diǎn)焊的控制 精 度 , 完善 電源的 功 能 , 設(shè)計(jì) 了一 種基 于 DSP 的逆變電 阻 點(diǎn)焊的控制電 路 。 該 控制電 路以 DSP 芯片 dsPIC30F6010 為 核 心 , 包括多 信 息 檢 測(cè) 、 D / A 輸 出控制 、 鍵 盤 與 LCD 顯 示 、 I / O 接 口 、 故障 檢 測(cè) 、 串 行 通 訊 接 口等 電 路 。 試 驗(yàn)表明 , 該 系統(tǒng) 響 應(yīng)速 度快 、 控制 精 度 高 , 實(shí)現(xiàn) 了 多 參 數(shù)的 監(jiān) 控 和 故障 診斷 。關(guān)鍵詞 : DSP ; 逆變電 阻 點(diǎn)焊 ; 控制電 路 中圖分類號(hào) : TG409 文獻(xiàn)標(biāo)

2、識(shí)碼 : A文章編號(hào) : 1001-2303穴2006雪06-0041-04 曹 彪 , 陳 志宏 , 譚 偉 峰 , 黃 增好穴華南理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 , 廣東 廣州 510640雪Control circuit based on DSP for high precision resistance spot welding inverterCAO Biao,CHEN Zhihong,TAN Weifeng,HUANG Zenghao穴Collegeof Mechanical Engineering , South China University of Technology , Guan

3、gzhou 510640 , China雪In order to enhance the control precision of Resistance Spot Welding and improve its functions,a control system based ondsPIC30F6010 for high precision RSW inverter is designed.The control system includes the multiinformation detecting,D / A outputcontrolling,keyboard inputting

4、and LCD displaying,I / O operating,fault checking,serial communicating circuits and so on.The testthat the system can control the inverter exactly and rapidly,and realize the multiparameter monitoring and fault diagnosis.DSP ; resistance spot welding inverter ; control circuit收稿日期 : 2005-11-18; 修回 日

5、期 : 2006-05-12基金項(xiàng)目 : 廣東省科技 攻 關(guān) 資助項(xiàng)目 穴2005B10201008雪作者簡(jiǎn)介 : 曹 彪 穴1963雪,男 , 貴 州 盤縣 人 , 副 教授 , 主要從事焊接逆變電源及智能控制 方 面 的研究工 作 。0 前言逆變電 阻 點(diǎn)焊 機(jī) 問 世 以 來 , 與傳統(tǒng) 的電 阻 點(diǎn)焊 電源 相 比 , 具 有 良 好 的工藝性能 與 動(dòng) 態(tài) 響 應(yīng) , 焊接 過程精 密 可控 , 點(diǎn)焊質(zhì) 量 高 , 近 年 來 受 到 了 越來越 廣 泛 的 重視 眼1-2演。 隨著大 功 率 電力電子 器件 、 集 成 電 路 以 及高性能 磁 性 材料 的 進(jìn)步 , 現(xiàn)代 計(jì) 算

6、 機(jī) 技術(shù)和 數(shù) 字信 號(hào) 處理 技術(shù)的 發(fā) 展 , 這 類 設(shè)備 的技術(shù) 有 待 進(jìn) 一 步 得到 改 進(jìn) 眼3演。 傳統(tǒng) 的 單 片 機(jī)如 MCS-51、MCS-96、 8088 / 86 等 芯片 的 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 、 功 能 單 一 , 已 不 能 滿足 現(xiàn)代 焊接逆變電源 實(shí)時(shí) 控制的要 求 ,DSP 用于 檢測(cè) 與 分 析 交 流電 阻 焊的電流 已 經(jīng) 進(jìn) 行 了 嘗 試 眼4演。數(shù)字信 號(hào) 處理 器 DSP 速 度 快 、 可 靠 性 好 , 由 于 其自 身 的 結(jié) 構(gòu) 特點(diǎn) , 是 一 種 比 單 片 機(jī)更 優(yōu)的 具 備密 集 運(yùn) 算 功 能的控制 芯片 , 適 合于 信

7、 號(hào) 的 實(shí)時(shí) 采 集 、 處 理與 控制 等方 面 的 應(yīng) 用 , 近 年 來 在電 機(jī) 控制 中 獲得 了 較廣 泛 的 應(yīng) 用 。 本 研究 采 用 DSP 以 提 高電 阻 焊逆 變電源的控制 精度 、 響 應(yīng) 速 度 和 抗干擾 能力 , 同 時(shí)簡(jiǎn) 化電 路 設(shè) 計(jì) 、 改 進(jìn) 工藝控制 , 有 利于 實(shí)現(xiàn) 焊接質(zhì) 量 的智能化控制 。1硬 件 電 路 設(shè) 計(jì)1.1控制系統(tǒng) 組成如 圖 1 所 示 , 逆變電 阻 點(diǎn)焊 機(jī) 的控制 系統(tǒng) 包括 信 號(hào) 采 集 與 保 護(hù) 電 路 、 人 機(jī) 接 口 電 路 、 控制 信 號(hào) 電 路 及 DSP 基本系統(tǒng) 電 路 4 部 分 。DSP

8、接 收 由 鍵 盤 輸入 的電流 、 電 壓 、 時(shí)間 等 設(shè) 定 參 數(shù) ; 工 作中 控制 氣 閥 動(dòng) 作 , 按 時(shí) 序 進(jìn) 行各 階段 延 時(shí) , 在 各 加熱 階段 根據(jù) 電流和 波形 設(shè)定 輸 出 相應(yīng) 的 PWM 信 號(hào) 穴4路 雪,并 通 過 反 饋 信息 調(diào) 整 輸 出 , 達(dá) 到 控制 輸 出能 量 的目的 ; 系統(tǒng) 還 能 夠 隨時(shí) 檢測(cè) 電源 的 過熱 、 一 次 過 / 欠 電流 輸 出 、 網(wǎng) 壓 等 大量信息 , 并 進(jìn) 行 實(shí)時(shí)保 護(hù) ;DSP 記錄 各 種 信息 并 與 其 他 計(jì) 算 機(jī) 進(jìn) 行 數(shù) 據(jù) 交 換 。 信 號(hào) 采 樣 與 檢測(cè) 電 路 用于 對(duì)

9、 焊接變 壓 器 的 初 級(jí) 電流 、 電 壓 , 二 次 側(cè) 輸 出電流 、 電 壓 進(jìn) 行 采 樣 , 以 實(shí)現(xiàn) 多 參 數(shù) 控制 與 保 護(hù) 。1.2 DSP 的 選型傳統(tǒng) 的焊 機(jī) 主要 是 用 硬 件 電 路 或 單 片 機(jī)來實(shí) 現(xiàn) 其控制的 , 其 靈活 性和 實(shí)時(shí) 性 差 , 單 片 機(jī) 運(yùn) 算速精密 逆變電 阻點(diǎn) 焊電源 DSP 控制系統(tǒng) 度 較 慢 。 現(xiàn) 在的 數(shù)字 化焊 機(jī) 的控制 系統(tǒng) 主要 是 基 于 TI 公司 的 DSP 芯片 TMS320LF2407 設(shè) 計(jì)的 , 其 FLASH 程 序存儲(chǔ) 器 和 數(shù) 據(jù) 存儲(chǔ) 器 都 比較小 , 而 且 FLASH 程 序存

10、儲(chǔ) 器 很 容 易 損 壞 導(dǎo) 致 無 法 燒 寫 程 序 ; 芯片 引 腳 供 電電 壓 為 3.3 V, 在 進(jìn) 行 控制電 路 設(shè) 計(jì)和其 他 5 V 芯片 連 接 時(shí) , 要 進(jìn) 行 電 壓 轉(zhuǎn) 換 , 帶 來 很 大 的 不 便 。 為 了 避免 這 些 不 足 , 本 設(shè) 計(jì) 采 用 Microchip 公司 的 芯片 dsPIC30F6010, 它 不 但 克 服 了 上 述 的 不 足 , 而 且還 有 很 多其 他 的優(yōu)點(diǎn) , 如 C 語 言 在 同 類 產(chǎn)品 中 編 譯 效 率 最 高 , 快 速 、 準(zhǔn) 確 、 靈活 的 中 斷 系統(tǒng) , 支 持 RTOS 等 。 該 芯

11、片 的工 作 可 達(dá) 30 M IPS, 可 使 目 前 的 數(shù) 千赫 的電 阻 焊逆變 頻 率 進(jìn) 一 步 提 高 。1.3 各部 分電 路 介 紹本 電 路是 利用 羅 氏 線 圈 測(cè) 量 電流的 原 理 設(shè) 計(jì)的 一 個(gè) 測(cè) 量 電 路 。 電 阻 焊的工 作 電流 穴也 稱 為變 壓 器 二 次 回 路 電流 雪通常 較 大 , 達(dá) 數(shù) 千 安 培 , 直 接 對(duì) 二 次 電流 采 樣 比較 困難 , 而 羅 氏 線 圈 的 靈 敏 度 高 、 精度 好 , 適用于 大 電流 測(cè) 量 的場(chǎng)合 。 在電 阻 點(diǎn)焊 中 , 二 次 電流的 采 集 是 非 常 的 重 要的 , 它 直 接

12、影響 焊接質(zhì) 量 和 反 映 焊接的 穩(wěn)定 性 , 是 進(jìn) 行 質(zhì) 量實(shí)時(shí) 控制的 重 要 參 數(shù) , 需 要 對(duì) 其 進(jìn) 行 較 準(zhǔn) 確 的 測(cè) 量 。 測(cè) 量 電 路如 圖 2 所 示 。圖 2 二 次 電 流 測(cè) 量 電 路Fig.2 Circuit for detecting welding current因 為電 阻 焊的 二 次 側(cè) 與 機(jī) 體 相 連 , 容 易 帶 感 應(yīng) 電 壓 或 其 他 干擾 , 直 接 測(cè) 量 會(huì) 影響 控制電 路 尤 其 是 DSP 的 正常 工 作 , 在 設(shè) 計(jì) 中 考慮 了 隔離 。 實(shí) 際測(cè) 量 中采 用 了線 性 光 耦 PC827 組 成

13、的 帶 補(bǔ) 償 的 隔離 電 路 , 進(jìn) 一 步 提 高 測(cè) 量 的 線 性 度 , 電 路 原 理 如 圖 3 所 示 。 逆變電 阻 焊的 二 次 電 壓 呈 脈動(dòng) 狀態(tài) , 其 幅 值比較 低 , 而 且 與 測(cè) 試 點(diǎn) 密 切 相 關(guān) , 測(cè) 量 結(jié) 果 后 續(xù) 還 經(jīng) 過 放 大 和 有 效 值 轉(zhuǎn) 換 , 再 連 接 到 DSP 的 A 轅 D 輸入 端 口 。 在 隔離 電 路 的 設(shè) 計(jì) 中 , 為 簡(jiǎn) 化 供 電電源的 設(shè) 計(jì) , 采 用 IAP-2W 系 列 的電源 隔離 模 塊 , 將 5 V 轉(zhuǎn) 換 為 地 線 隔離 的 依 15 V, 直 接 給 圖 3 中 的 運(yùn)

14、放 U 1 ,U 2 和 相應(yīng) 的電 路 供 電 。圖 3 二 次側(cè) 電 壓 測(cè) 量 電 路Fig.3Circuit for detecting voltage between electrodes該 電 壓 信 號(hào) 通常 從電 極 兩 端 取 信 號(hào) , 與 焊接 區(qū) 電 阻 有 關(guān) , 可用于計(jì) 算 動(dòng) 態(tài) 電 阻或 與 焊接電流一 起 表 征 焊接 區(qū) 的能 量 。 電 極 間 電 壓 曾 經(jīng) 作 為焊接質(zhì) 量圖 1 控制系統(tǒng) 硬 件框 圖Fig.1Schematic diagram of the controller研究 與 設(shè) 計(jì)第 卷實(shí)時(shí) 控制的 重 要 參 數(shù) 進(jìn) 行 過 探索

15、, 在 此 設(shè) 計(jì)的 采 用 多 參 數(shù) 綜 合控制的 方 案 中 , 也作 為一 個(gè) 重 要 參 數(shù) 之 一 , 它的 測(cè) 量 必須 準(zhǔn) 確 可 靠 。由 于主要 信 號(hào) 的 采 集 都 是 直 接在逆變電源的 主電 路上 進(jìn) 行 的 , 電 阻 焊逆變電源的 輸 出 沒 有 采 用 嚴(yán) 格 的 濾 波處理 , 測(cè) 量對(duì) 象 的 信 號(hào) 是 脈動(dòng)的 或 者 是 呈 現(xiàn) 交 流的 信 號(hào) , 脈動(dòng) 頻 率 與采 用的逆變 頻 率有 關(guān) 。 在變 壓 器 一 次 電流的 測(cè) 量上 , 電流 是 中 頻或 高 頻 交 流 信 號(hào) 。 對(duì) 于電 網(wǎng) 電 壓 的 測(cè) 試 , 由 于 使 用變 頻 電

16、路 等 , 使 電力 系統(tǒng)也 不 再 是 純 正 的 正 弦 電 路 , 一 定 要 將采 樣 獲得 的 信 號(hào) 進(jìn) 行 有 效值 處理 。 這樣 不 但 可 以使 輸入 的 信 號(hào) 更加 可 靠 , 而 且 大大 減 低 了 CPU 的計(jì) 算 時(shí)間 。 本 設(shè) 計(jì) 采 用 了 美 國(guó) AD 公司 的 AD536A 芯片 , 電 路 原 理 如 圖 4 所 示 。AD536A 嵌 入 了 有 效值 隱含 解方 程 式 電 路 , 從 而 克 服 了 動(dòng) 態(tài) 范圍較 窄 以 及其 他 直 接計(jì) 算 有 效值 時(shí) 固 有 的 限 制 。AD536A 的 實(shí) 際 執(zhí) 行 原 理 為U rms =av

17、g 2 rms , 穴1雪式 中 U rm s 是有 效電 壓 值 。圖 4 有 效 值 轉(zhuǎn)換 電 路Fig.4 Circuit for calculating the effective value of measured signal這 部 分 電 路 主要 包括 了 鍵 盤 輸入 、 彩 色 LCD 顯 示 和 串 行 通 訊 接 口 。鍵 盤 根據(jù) 系統(tǒng) 參 數(shù)輸入 的 需 要 , 設(shè) 計(jì) 成 一 個(gè) 由 8 鍵 和 2 個(gè) 狀態(tài)指 示 穴LED雪燈 組 成 的 鍵 盤 。 LCD 顯 示部 分 , 由 于 傳統(tǒng) 的逆變電 阻 點(diǎn)焊 機(jī) 都 是 采 用 普 通 的 單 色 屏 幕 進(jìn)

18、行 數(shù) 據(jù) 和 圖 像 的 顯 示 , 但 是 很 多的 數(shù) 據(jù) 穴尤 其 是 圖 像 雪都 不 能在 單 色 的 情況 下 實(shí)現(xiàn) 豐富 美觀 的 表達(dá) 。 在 本 設(shè) 計(jì) 中 , 選 用 了 彩 色 屏 幕 作 為 LCD 液 晶 顯 示 。 彩 色 LCD 選 用 KCS057QV1AJ- G23, 由 于其 驅(qū) 動(dòng)電源 是 +25 V 的高電 壓 , 本系統(tǒng)采 用 DC-DC 電源變 換 元 件 MC34063A 組 成 的電 路 直 接 將 5 V 提 升 為 25 V, 簡(jiǎn) 化電源 輸入 。 MC34063 是 專 門 用于電 壓 的 升 壓 、 降 壓 及 極 性 反 轉(zhuǎn) 的 元

19、件 。 2 調(diào)試 分 析2.1 D 轅 A 輸 出 調(diào)試DA7625P 的 輸入 為 標(biāo) 準(zhǔn) 的 二進(jìn) 制 模 式 的 數(shù) 據(jù) , 由 程 序 控制 dsPIC30F6010 進(jìn) 行 輸 出 , 并且 持續(xù) 片 選 其 A 口 為 輸 出 。 輸 出電 壓按 式 穴2雪計(jì) 算 。U out = U REFL + , 穴2雪式 中 N 為 數(shù)字輸入 碼 ; U REFL 為 參 考 低 電 壓 ; U REFH 為 參 考 高電 壓 。測(cè) 量時(shí) 分 別 測(cè) 量 DAC7625P 輸 出的電 壓 和 經(jīng) 過 TLC2274 放 大 的電 壓 值 , 然 后 對(duì) 比 數(shù) 據(jù) , 得到 理 論 值 與

20、 輸 出值的 關(guān)系 。 程 序 的控制 是 將 數(shù)字輸 出從 最 大 值 逐 次 減少 到 0, 然 后 采 集 過程 中 的 模擬 量輸 出 , 并且 與理 論 值 作 對(duì) 比 , 結(jié) 果 如 圖 5 所 示 。 圖 5 D / A 輸 出 調(diào)試 結(jié) 果Fig.5 Result of D / A conversion結(jié) 果 表 明 DAC7625P 的 轉(zhuǎn) 換 線 性 度 非 常 好 , 只 在 開始 的 時(shí) 候 出 現(xiàn) 非 常 小一 段非 線 性的 區(qū)域 , 而 且 數(shù) 據(jù) 與理想 值 非 常 接 近 , 誤 差 只 有 0.039 1%。 而 TLC2274 的 放 大 系 數(shù) 也 保

21、持 在 2 倍 , 誤 差很 小 。2.2 有 效 值處 理 電 路 的 調(diào)試 AD536A 的 有 效值 測(cè) 量 利用 了波形 頻 率發(fā)生 器 作 為 輸入 , 同 時(shí) 利用 TDS2012 型 數(shù)字 示 波 器 捕捉 其 輸 出 波形 。 輸入 選擇 多 種 頻 率下 的 三 種 不 同波形 , 分 別是 正 弦 波 、 鋸齒 波 、 方波 , 考 察 有 效值電 路對(duì)不 同波形 和 不 同 頻 率 條 件下 的變 換 情況 。 由 于控制 系統(tǒng) 的 初 步 調(diào) 試 是 利用 現(xiàn)有 的 1 kHz 的逆變主電 路 , 所 以 在調(diào) 試 的 時(shí) 候 使 有 效值的 截 止 頻 率 小于 1

22、kHz, 但 又不 能 太 小 , 以 免 信 號(hào) 失真 太 大 。 圖 6 為 500 Hz 時(shí) 候 的 正 弦 波 輸入 穴波形 1雪 與 輸 出 波形 穴波形 2雪, 在 500 Hz 時(shí)輸 出 信 號(hào) 的 紋 波已 經(jīng) 比較小 了 。圖 6 500 Hz 正 弦 波 的 有 效 值處 理 結(jié) 果Fig.6 Result of effectiv value detection for 500 Hz sinusoidal voltage2.3 二 次 電 壓 采集 隔 離 電 路調(diào)試 由 于電 阻 點(diǎn)焊的 固 有 特點(diǎn) , 二 次 電 壓 一 般 不 會(huì) 超 過 10 V, 所 以 在調(diào)

23、試 的 時(shí) 候 , 為 了 保證數(shù) 據(jù) 的 有 效 采 集 , 在電 路 的 輸入 端 輸入 了 010 V 的 直 流電 壓 , 然 后測(cè) 量 經(jīng) 過 PC827 隔離 后 的電 壓 值 。 通 過 測(cè) 量 , 輸 出的電 壓 值在 05 V 間 變化 , 當(dāng) 10 V 輸入時(shí) 達(dá) 到 最 大 的 輸 出 5 V。 但 是 在 微 小 信 號(hào) 穴01V雪 輸入時(shí) , PC827 仍 然 有 一小 段非 線 性的 區(qū)域 。 2.4 羅氏 線 圈 采 樣 信 號(hào) 積 分 處 理 結(jié) 果 分 析 試 驗(yàn) 在 6 000 A 輸 出的逆變電 阻 點(diǎn)焊主電 路 上 進(jìn) 行 。 設(shè) 計(jì) 相應(yīng) 的控制 軟

24、 件 , 并 將 控制 器 的逆變控 制 頻 率 調(diào) 整 為 1 kHz。 試 驗(yàn) 中 焊接 參 數(shù) 的 設(shè) 置 為 : 電 流 緩 升 時(shí)間 2 ms、 通 電 時(shí)間 10 ms, 電流 參 數(shù) 通 過 PWM 脈寬調(diào)節(jié) , 本 試 驗(yàn) 采 用脈寬 占空 比為 60%。 羅 氏 線 圈 的 采 樣 信 號(hào) 和 經(jīng) 過積 分 電 路 處理 后 的 信 號(hào) 相 比較 如 圖 7 所 示 。 圖 7 脈寬 設(shè) 置 為 60% 的 波形 , 其 中 曲 線 1 為 羅 氏 線 圈 的 采 樣 波形 ; 曲 線 2 為 積 分 還原 后 的電流 波形 。 從 圖 中 可 以 看 出 , 從 羅 氏 線 圈 出 來 的 信 號(hào) 是有 正 負(fù) 的 , 是 焊接電流的 微 分 信 號(hào) , 而 經(jīng) 過積 分 電 路 處理 后 可 以 把 它 還原 成 逆變電 阻 點(diǎn)焊電源的 實(shí) 際 電流 信 號(hào) 。 該 實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 的電流 、 時(shí) 間 反 映 了 實(shí) 際 逆變電 阻 焊的 情況 ,進(jìn) 一 步 的工 作 包括 在 軟 件 方 面 加