基于DSP+MCU数字化焊接电源研究与设计

论文摘要

新型工业化的浪潮推动了先进制造业的飞速发展,对焊接技术提出了更高的要求。而高质量、高效率的焊接则离不开高性能的焊接电源。随着信息化、智能化技术的发展,焊接电源的数字控制技术已经成为该领域科学研究与应用的前沿与热门课题,数字化焊接电源代表了今后焊接电源发展的方向。本研究从完善数字化焊接电源系统以及更充分发挥数字化电源优势的角度出发,通过分析比较数字化焊接电源的控制器结构及功能特点,设计出了一套基于DSP+ MCU双处理器的控制架构,可灵活应用于多种焊接方法的数字化焊接电源控制系统。该架构整合DSP的强大数字信号运算处理能力和MCU多任务管理和流程控制的优势,给DSP和MCU双控制器分配了不同的任务。DSP通常执行波形控制等要求数字信号高速处理,计算密集的任务,而MCU则负责焊接控制系统中人机交互界面、网络通讯等调度控制工作。本文完成了包括基于IGBT的逆变电源主电路、DSP（TMS320LF2407A）和MCU（80C196KC）最小系统和外围电路、送丝电路等硬件电路的设计;数字PID控制算法、人机交互系统、接口通讯等软件设计;并进行了一系列抗干扰设计。为了提高控制系统可靠性,本课题中DSP和MCU之间采用双端口RAM（随机存取存储器）通讯方式;为了方便软件升级和控制,在数字化控制系统和上位机通讯网络建立方面,在MCU与上位机之间采用RS232串行通信。本课题对数字化焊接电源的扩展功能做了相关研究。针对当前焊接电源联网能力弱的实际,为满足信息化制造的需求,本课题开发设计了基于以太网控制器芯片RTL8019AS数字化焊接电源的嵌入式网络接口,可以直接联入局域网和Internet。针对当前数字化焊接电源对外部设备相关控制接口少的现状,为适应自动化生产的需要,开发了基于模数转换器TLC5615的外部通用设备控制接口。对控制系统的仿真实验研究表明,该数字化控制系统可以对焊接电源实现实时、快速、准确的控制。该控制器为今后焊接电源数字化控制的研究提供了一个研究平台。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 弧焊电源发展历程
• 1.2 数字化电源与传统模拟电源的比较
• 1.3 研究现状
• 1.4 课题的提出
• 1.5 课题的研究目的及主要内容
• 1.5.1 课题的研究目的
• 1.5.2 课题的主要研究内容
• 2 数字化焊接电源系统的硬件设计
• 2.1 数字化焊接电源总体的设计
• 2.2 数字化焊接电源主回路的设计
• 2.3 MCU（单片机）介绍
• 2.3.1 单片机的特点
• 2.3.2 单片机的应用
• 2.4 DSP 介绍
• 2.4.1 DSP 特点
• 2.4.2 DSP 的应用
• 2.5 控制系统的总体结构
• 2.5.1 单MCU 结构的讨论
• 2.5.2 单DSP 结构的讨论
• 2.5.3 MCU+DSP 结构
• 2.6 控制系统微处理器的选择
• 2.6.1 单片机的选择
• 2.6.2 DSP 的选择
• 2.7 控制系统的硬件设计
• 2.7.1 单片机最小系统设计
• 2.7.2 单片机系统外围电路设计
• 2.7.3 DSP 最小系统设计
• 2.7.4 DSP 外围电路设计
• 2.8 送丝电路的设计
• 2.9 硬件抗干扰
• 2.9.1 电源抗干扰
• 2.9.2 电路抗干扰
• 2.9.3 空间抗干扰
• 3 软件设计
• 3.1 MCU 与DSP 的编程语言及软件环境
• 3.1.1 MCU 的编程语言
• 3.1.2 DSP 的编程语言及软件环境
• 3.2 控制算法的设计
• 3.2.1 PID 控制
• 3.2.2 数字PID 控制器
• 3.3 系统通信软件的设计
• 3.3.1 MCU 与DSP 之间的通信
• 3.3.2 MCU 与上位机之间的通信
• 3.4 人机交互系统的设计
• 3.4.1 人机交互方式的选择
• 3.4.2 人机交互系统显示界面的设计
• 3.5 软件抗干扰
• 3.5.1 指令冗余
• 3.5.2 软件陷阱
• 3.5.3 程序运行监视系统
• 3.5.4 数字滤波
• 4 扩展功能
• 4.1 嵌入式网络接口
• 4.1.1 接口硬件设计
• 4.1.2 初始化设置
• 4.2 外部设备控制接口
• 4.2.1 D/A 转换芯片TLC5615 简介
• 4.2.2 TLC5615 与TMS320LF2407DSP 接口
• 5 仿真实验与结果
• 5.1 仿真软件简介
• 5.2 数字电压控制器的仿真
• 5.3 数字电流控制器的仿真
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文