论文摘要
随着工业自动化程度和焊接工艺要求的提高,弧焊电源的数字化控制已成为焊接领域的发展方向。脉冲MIG焊以其轴向性好、飞溅小、焊缝成形美观等特有的优点在焊接领域得到了广泛的应用。全数字化控制的弧焊电源具有灵活性好、控制精度高和响应速度快等特点,能极大提高脉冲MIG焊的控制水平。本文首先对脉冲MIG焊的熔滴过渡行为进行了研究,分析了脉冲电流各参数的作用,并提出了对焊接电流和电压的双闭环控制方案。其中电流环采用变参数的数字PI控制,使得电流快速跟随给定;电压环采用平均电压闭环控制,实现电弧的稳定调节。本文结合当前嵌入式技术和EDA技术发展的最新成果,选用ColdFireV2核微控制器MCF5213CAF80和FPGA EP1C6T144C8设计了脉冲MIG逆变电源的全数字化控制系统,搭建了该系统的硬件平台。其中MCF5213CAF80作为主控制器,负责电压环控制和焊接事务管理;FPGA作为协处理器,负责电流环的控制以及数字PWM模块的设计。两者通过在FPGA内部实现的并行总线接口进行数据的交换。在研究脉宽调制工作机理的基础上,本文采用高速计数器法,利用VHDL语言在FPGA内部实现了数字PWM模块。较之采用专用PWM芯片设计的模拟PWM控制方式,数字PWM简化了控制系统与功率变换电路的接口,提高了系统的响应速度和稳定性。另外,本文将实时嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ移植到MCF5213CAF80中,各个任务可以进行独立设计,使得焊机的事务管理更加方便。本文最后对所设计的全数字控制系统进行了测试,包括A/D转换精度测试、保护电路测试、PWM输出波形测试以及焊接过程波形控制效果测试。实验表明,该系统能够实现精确的电流波形控制和弧压闭环控制,为后续复杂的工艺研究和专家库的建立打下了坚实的基础。
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摘要ABSTRACT缩略词注释表第一章 绪论1.1 课题的研究背景及意义1.2 脉冲MIG焊的研究概况1.2.1 脉冲MIG焊的特点1.2.2 国内外研究现状1.2.3 脉冲MIG焊控制方法的研究现状1.3 本文的主要研究内容及章节安排第二章 控制系统方案设计2.1 控制方案概述2.2 脉冲MIG焊电流环变参数PI控制算法2.2.1 脉冲MIG焊熔滴过渡形式2.2.2 脉冲MIG焊电流波形参数2.2.3 脉冲MIG焊电流变参数PI控制方案2.3 脉冲MIG焊电弧控制方案2.4 脉冲MIG焊控制系统整体方案2.5 控制系统方案实现2.5.1 设计要求与目标2.5.2 系统硬件方案的选择2.5.3 芯片选型2.5.4 整体硬件控制方案设计2.6 本章小结第三章 脉冲MIG焊控制系统硬件设计3.1 32位微控制器的工作电路3.1.1 电源电路3.1.2 模式选择和时钟电路3.1.3 复位电路3.1.4 下载调试电路3.2 FPGA工作电路3.2.1 电源电路3.2.2 FPGA的配置方式3.2.3 FPGA时钟电路3.3 采样及A/D转换电路3.4 PWM驱动电路3.5 保护电路3.6 通信电路3.7 硬件抗干扰设计3.7.1 控制系统电源和地线设计3.7.2 PWM输出信号的抗干扰措施3.7.3 高频电路设计3.8 本章小结第四章 脉冲MIG焊控制系统软件设计4.1 控制系统软件设计总体方案4.2 FPGA控制软件设计4.2.1 FPGA开发设计流程4.2.2 A/D控制器的实现4.2.3 PID运算模块的实现4.2.4 并行总线接口的实现4.2.5 地址解码模块的实现4.3 32位微控制器软件设计4.3.1 实时操作系统的概念及特点4.3.2 操作系统的移植4.3.3 μC/OS-Ⅱ多任务的设计4.4 本章小结第五章 数字PWM模块设计5.1 PWM控制方式及工作原理5.1.1 PWM控制方式5.1.2 PWM工作原理5.2 模块功能构成5.3 数字滤波程序设计5.3.1 干扰产生的原因5.3.2 消除数字电路系统中干扰的方法5.3.3 数字滤波程序设计5.4 PWM保护程序5.5 数字PWM设计5.6 本章小结第六章 控制系统调试6.I A/D功能测试6.2 保护功能测试6.3 PWM模块功能测试6.4 静负载动特性实验6.5 焊接测试6.6 本章小结第七章 结束语附录参考文献致谢攻读硕士学位期间的研究成果学位论文评阅及答辩情况表
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