基于MSP430单片机的埋弧焊电源数字化控制器的研制

论文摘要

埋弧自动焊具有生产效率高、焊接质量好、劳动条件好等优点,其作为最早获得应用的机械化焊接方法在工业中应用非常广泛。随着科技的发展,焊接过程的自动化和智能化是未来焊接技术的发展方向,所以将数字控制技术引入到埋弧自动焊机的控制系统,具有重要的理论意义和实际应用价值。尤其是采用单片机为控制器,配合有效的算法、合适的软件,能够很好的控制整个弧焊过程,提高焊接质量。本论文针对埋弧自动焊过程控制及焊接操作机控制的特点和工艺要求,在MZ-1000A晶闸管式埋弧自动焊机主电路的基础上设计了以单片机MSP430F149为控制核心的埋弧焊数字控制系统。设计了埋弧自动焊机数字控制系统的硬件电路和软件程序。硬件电路主要包括焊接电压、焊接电流采样电路;同步和晶闸管触发电路;焊接操作机控制驱动电路、电机电枢电压采样电路;保护电路等。编写了同步触发脉冲控制程序模块,在引弧程序设计中运用分离式控制思想,采用移相异步触发晶闸管的方法解决同步信号30°相位差的软件补偿问题,使控制角移相范围达0°148°。模块化设计系统软件,根据各个模块功能划分,包括整流电源同步触发控制、焊接过程控制、人机对话、系统参数设置与备份等。焊接电源控制和焊接过程控制算法均采用PI控制算法,利用MATLAB软件中的Simulink模块对系统进行了建模仿真,根据仿真结果和实验确定了PI控制参数。采用异步延时触发晶闸管的方法编写收弧控制程序,使负载波形基本呈线性变化衰减,通过调节延时触发时间来控制收弧时电流衰减时间,能够满足不同的焊接电流和焊速等工艺条件下对焊缝成形的要求。对所设计的控制器与焊机进行脱机与联机、空载与负载调试,经过工艺实验表明,当空载电压为65V、电流反馈控制参数为Kp=-0.055, KI=0.95、焊接速度2.0cm/s的情况下,焊接引弧平稳,焊接过程稳定。最后对电流柔性衰减收弧控制的控制效果进行实验验证,结果表明能够改善焊道收尾处的成型质量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 埋弧焊概述
• 1.2 数字化埋弧焊接电源的特点与研究现状
• 1.2.1 数字化焊接电源
• 1.2.2 数字化埋弧焊接电源的特点
• 1.2.3 数字化埋弧焊接电源研究状况
• 1.3 焊接过程控制技术概述
• 1.3.1 经典控制方法在焊接中的应用
• 1.3.2 现代智能控制方法在焊接中的应用
• 1.4 本文研究的意义和主要内容
• 第二章 系统硬件设计
• 2.1 系统总体设计框架及原理
• 2.2 MZ-1000A 埋弧焊机主电路
• 2.3 单片机系统硬件模块设计
• 2.3.1 单片机系统主控芯片的选择和端口分配
• 2.3.2 输入与显示模块设计
• 2.3.3 外部存储器电路设计
• 2.4 电源控制系统硬件电路设计
• 2.4.1 采样电路设计
• 2.4.2 同步电路设计
• 2.4.3 触发电路设计
• 2.5 过程控制系统硬件电路设计
• 2.5.1 采样电路设计
• 2.5.2 小车行走控制电路设计
• 2.6 系统硬件保护措施
• 2.7 本章小结
• 第三章 数字化埋弧焊控制系统
• 3.1 控制原理
• 3.2 控制系统结构
• 3.2.1 电源控制系统
• 3.2.2 过程控制系统
• 3.3 控制算法
• 3.4 控制系统建模与仿真
• 3.4.1 电流负反馈电源控制过程建模与仿真
• 3.4.2 焊接过程控制系统建模与仿真
• 3.5 本章小结
• 第四章 系统软件设计
• 4.1 控制系统软件功能分析
• 4.2 单片机软件开发环境简介
• 4.3 系统程序模块化设计
• 4.3.1 主程序设计
• 4.3.2 焊接流程控制程序设计
• 4.3.3 同步与触发控制子程序设计
• 4.3.4 焊接过程控制子程序设计
• 4.4 人机交互功能的实现
• 4.5 引弧和收弧控制子程序设计
• 4.5.1 引弧控制子程序
• 4.5.2 电流柔性收弧控制子程序
• 4.6 本章小结
• 第五章 整机调试及实验验证
• 5.1 电源控制系统调试及验证
• 5.1.1 同步触发电路调试
• 5.1.2 人机操作功能验证
• 5.1.3 单独电源模块验证
• 5.2 工艺试验
• 5.2.1 引弧和焊接控制性能验证
• 5.2.2 收弧控制性能验证
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢