PMIG弧焊电源数字化控制策略的研究与实现

论文摘要

数字化逆变弧焊电源较传统的模拟式焊接电源能有效地提高焊接效率和焊接质量,因而成为焊接领域的发展趋势。焊接电源实现由模拟式到数字化控制的过程中需要克服众多的技术难题,如数字PWM驱动及保护功能、焊接信号采样及去噪、控制策略的抉择、数据实时处理能力等,而嵌入式技术和EDA技术的发展为这些难点的解决提供了新的方法。通过对焊接电流信号特点和噪声形成机理的分析,认为功率开关器件的高频动作是焊接信号主要的干扰源,并针对此高频噪声干扰设计了高速FIR数字滤波器,对采样后的电流信号进行数字滤波,提高了数字信号的准确度；分析了电流型和电压型PWM的控制原理,结合变压器原边及副边电流特点,设计了以副边电流反馈、峰值电流保护的电流型DPWM控制策略,实现了高精度的PWM脉冲输出及主回路的过流保护。在分析了PMIG焊熔滴过渡方式及脉冲波形对焊接质量影响的基础上,设计了基于分段PI调节的电流环控制策略,实现对焊接输出电流的精确控制,保证一脉一滴的熔滴过渡形式；针对焊接电弧的控制要求,设计了能限制脉冲频率的实时弧长同步脉冲调节策略,可在单周期内完成弧长调节；为了简化焊接参数设置及方便操作,根据各焊接参数间的关系确定了参数一元化调节方案,通过设定焊接电压,系统即可自动给出其他相应的焊接参数；结合当前焊接技术的发展趋势,设计了基于USB和以太网的焊接参数控制、数据存储方案,可利用U盘及以太网实现焊接参数的给定及焊接电流、电压的数据存储。针对所确定的焊接信号提取、控制及驱动策略,主控系统采用FPGA芯片作为主控单元,并嵌入了32位的NiosII处理器。在FPGA内部,通过构建DPRAM来实现各功能模块与NiosII处理器之间的大量数据交互；基于Verilog硬件描述语言实现的功能模块负责焊接过程中所有的算法及数据处理,包括电压电流双闭环控制、数据采样滤波处理、DPWM驱动及焊接工艺控制等,实现了信号控制速度快、数据吞吐量大的控制优势；基于C语言开发的NiosII嵌入式处理器则负责FPGA与外部的数据通信及焊接时序控制,使主控系统的通信和控制方式更为灵活。显示面板硬件上采用“数码管+LED”的显示方式,输入则采用旋转编码器结合按键的方式,实现了焊接数据的远距离显示及参数的快速调节。而对于通信方案的硬件实现平台,选用了集成USB和以太网模块的MCF52259芯片,使电路设计简单化、可靠化。对设计的数字化PMIG焊接电源控制系统进行了模块功能测试,在确保各模块可靠稳定的前提下进行了相关的焊接试验。试验结果表明,在设计的数字化弧焊电源系统控制下,焊接电弧燃烧稳定,熔滴过渡一致,焊缝致密均匀。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 脉冲弧焊电源概况
• 1.2.1 逆变弧焊电源的发展
• 1.2.2 PMIG焊概况
• 1.3 数字化焊机概况
• 1.3.1 国内外研究现状
• 1.3.2 数字化焊机特点
• 1.4 本文主要工作及章节结构
• 第二章 系统控制策略及算法研究
• 2.1 逆变弧焊电源结构及工作原理
• 2.2 焊接信号提取策略
• 2.2.1 信号提取方法分析
• 2.2.2 数字滤波基础
• 2.2.3 FIR数字滤波器原理
• 2.2.4 窗函数设计方法
• 2.2.5 系数确定
• 2.3 焊接过程控制策略
• 2.3.1 PMIG焊熔滴过渡
• 2.3.2 焊接电流控制策略
• 2.3.3 电弧电压控制策略
• 2.3.4 DPWM控制策略
• 2.4 焊接参数调节及通信策略
• 2.4.1 参数一元化调节策略
• 2.4.2 数据通信策略
• 2.5 本章小结
• 第三章 PMIG焊接电源系统硬件电路设计
• 3.1 系统硬件结构方案
• 3.2 通信电路设计
• 3.2.1 MCU工作电路
• 3.2.2 网络通信接口电路
• 3.2.3 USB存储接口电路
• 3.2.4 串行通信接口电路
• 3.3 主控电路设计
• 3.3.1 FPGA主控单元电路
• 3.3.2 焊接信号采样电路
• 3.3.3 IGBT驱动及保护电路
• 3.4 显示面板设计
• 3.4.1 面板布局
• 3.4.2 输入及显示电路
• 3.4.3 通信电路
• 3.5 本章小结
• 第四章 PMIG焊接电源系统功能的实现
• 4.1 系统模块功能及开发方法
• 4.1.1 模块功能划分
• 4.1.2 软件开发方法
• 4.2 焊接信号提取模块设计
• 4.2.1 A/D控制器模块的实现
• 4.2.2 FIR数字滤波器模块的实现
• 4.3 焊接过程控制模块设计
• 4.3.1 焊接电流控制器模块的实现
• 4.3.2 弧长调节器模块的实现
• 4.3.3 DPWM控制器模块的实现
• 4.4 数据通信功能设计
• 4.4.1 串行通信策略的实现
• 4.4.2 并行通信策略的实现
• 4.5 扩展通信程序设计
• 4.5.1 USB存储功能的软件实现
• 4.5.2 以太网通信功能的软件实现
• 4.6 本章小结
• 第五章 系统调试与焊接试验
• 5.1 调试内容
• 5.2 DPWM驱动功能测试
• 5.3 电流环测试
• 5.4 电压环测试
• 5.5 焊接试验
• 5.6 扩展通信功能测试
• 5.6.1 USB存储功能测试
• 5.6.2 以太网通信功能测试
• 5.7 本章小结
• 第六章 总结及展望
• 附录
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的研究成果及奖励
• 学位论文评阅及答辩情况表