基于CAN總線的數字化CO2焊接電源設計

余棉水，謝 宇，溫自力

YU Mian-shui1, XIE Yu1, WEN Zi-li2

（1.廣東工貿職業技術學院，廣州 510510；2.廣州長勝焊接設備有限公司，廣州 510630）

0 引言

CO2氣體保護焊具有高效、節能、低氫、低成本以及便于實現自動化等突出優點，在低碳鋼、低合金鋼、薄板鋼結構及全位置焊接等場合得到廣泛應用。典型的CO2焊接系統一般分為主機和送絲機兩部分。主機由逆變主電路和PWM控制驅動電路組成；送絲機則由送絲機構，焊接電流（送絲速度）和焊接電壓設置電路組成，他們之間通過多芯電纜連接。目前，國內主流的CO2焊接電源設計中，焊接電流和焊接電壓的設置仍然采用模擬控制方式，即，通過送絲機上的兩個電位器進行調節。這種調節方式容易受到環境溫度、震動、磨損等因素的影響，無論是調節精度、穩定性、可靠性和靈活性均不夠理想，不能保證焊接參數的一致性，從而直接影響著焊接效果，因此，實現焊接參數調節的數字化，使其具有良好的控制性能，是保證CO2氣體保護焊焊接性能的重要因素。鑒于上述原因，設計開發了一種基于CAN總線的數字化CO2焊接控制系統。

本設計分別采用DSP和MCU作為主機和送絲機的控制器，實現焊接過程的數字化控制及參數的數字化調節與存儲，同時采用先進的現場總線技術——CAN總線實現主機與送絲機之間的遠距離數據通信。實踐證明，該系統克服了傳統控制系統的缺點，具有穩定、可靠、抗干擾能力強、便于實現網絡化及自動化控制等特點，更好的滿足了先進制造技術的要求。

1 系統硬件設計

1.1 數字化逆變電源主機的設計

數字化逆變電源主機包括主電路、DSP控制電路和CAN通信三部分，如圖1所示。主電路采用全橋式IGBT逆變結構，主要包括整流濾波單元、IGBT逆變單元、中頻變壓器和二次整流單元。DSP控制電路以TI（德州儀器）公司的DSP芯片TMS320LF2407A為控制核心，主要由電流電壓采樣電路、短路檢測電路、保護電路以及人機交互界面等部分組成。CAN通信主要由光電隔離及CAN驅動電路組成。由于主電路部分為傳統的全橋逆變結構，在此就不加以闡述。

DSP控制電路中TMS320LF2407A是TI公司專門為數字化控制而推出的一款l6位、定點、低功耗的DSP控制芯片。該芯片包括兩個專用于電機控制的事件管理器（EV），每一個都包含：2個16位通用定時器，8個16位脈寬調制（PWM）輸出通道，1個能夠快速封鎖輸出的外部引腳（PDPINTx），可防止上下橋臂直通的可編程死區功能，3個捕捉單元，1個增量式光電位置編碼器接口。芯片還包含16通道10位A／D轉換器及控制器局域網（CAN）2.0B模塊。應用DSP內部集成的PWM模塊和A／D轉換模塊，進行編程實現軟件PI算法，即可實現PWM信號的數字化調制，從而實現CO2氣體保護焊接的過程控制。

CAN通信接口電路如圖2所示。由于DSP芯片內部集成了一個CAN模塊，該模塊完全支持CAN2.0B協議，因此，外圍電路只需一個CAN收發器即可，這里采用Philips的CAN收發器芯片PCA82C250，其通訊速率可高達1Mbps。為了保護系統電路、提高抗干擾能力，在DSP與CAN收發器之間采用了高速光電隔離器件6N137進行隔離。

圖1 數字化逆變電源主機結構圖

圖2 CAN通信接口電路

1.2 數字化送絲系統的設計

數字化送絲系統包括開關電源模塊、MCU控制電路、送絲機驅動電路和CAN通信四部分，如圖3所示。為了減少主機與送絲機間的連線，主機只提供一組交流36V電源，整流后一路經開關電源變換為MCU需要的5V電源及CAN通信隔離需要的5V電源；一路經PWM調制電路驅動送絲機；一路作為氣閥的電源。MCU控制電路以Microchip公司的MCU芯片PIC18F4580為控制核心，主要由PWM輸出驅動電路、數字編碼盤接口電路、數字顯示接口電路、功能鍵盤接口電路、焊槍開關檢測電路以及保護電路等部分組成。CAN通信主要由光電隔離及CAN驅動電路組成，與主控制模塊相同。

MCU控制電路中PIC18F4580是Microchip公司生產的一款8位中檔單片機。該芯片具有40MHz的最大總線頻率，輸入捕捉／輸出比較／脈寬調制(CCP)模塊，8通道10位A／D，通過編程實現軟件PI算法，可以滿足電機PWM控制的需要。該芯片還內置有CAN控制器模塊，支持CAN2.0B協議，32K的用戶FLASH，1536BRAM，256BData EEPROM，4個8位／16位定時器／計數器，主同步串行端口(MSSP)模塊，同步／異步串行接口USART等功能模塊，完全滿足系統其他各種接口的需要。

圖3 數字化送絲系統結構圖

2 系統軟件設計

本系統的所有控制軟件采用C語言編程、模塊化管理，具有良好的通用性、移植性和擴展性。主控制模塊軟件主要包括數字化波形控制、CAN通信管理等，而送絲機模塊軟件主要由電機PI控制、人機交互和CAN通信管理等組成。

2.1 數字化波形控制

CO2焊熔滴短路過渡是一個“燃弧一短路”交替變化的動態過程，其中，短路過渡中的短路電流和瞬時短路是造成飛濺的兩個主要因素，為此，研究人員開展了波形控制技術的研究，主要包括外特性控制、波形參數控制、表面張力過渡控制（STT）等，其基本思想是在燃弧末期和短路初期減小電流以減少瞬時短路能量，在短路末期將其電流降低以減少短路液橋爆斷引起的飛濺，燃弧中期施加電流脈沖以增加熔深，通過對短路過渡過程各階段電流波形快速而精確的控制可以有效地降低飛濺，改善焊縫成形[1～4]。

可是媼婦譜跟武功有什么關系呢？琴棋書畫再好，也不能幫星雨趕跑夏天里越來越多的蚊子啊。花間游，花間游，離經易道，離經易道，內功，內功，一定要打勞么子坐，調勞么子息，什么太素九針養心訣，點穴截脈拂穴手，什么無根樹花正明，月魄天心逼日魂，什么金烏髓玉兔精，二物擒來一處烹，什么先賢明露丹臺旨，幾度靈烏宿桂柯，唉！

根據以上分析，本系統采用雙閉環控制策略，不僅能獲得較硬的平外特性，而且能獲得較大的動特性調節范圍，使焊接電源的適應性更強。雙閉環控制系統傳遞函數框圖如圖4所示，內環為電流反饋環，外環為電壓反饋環，電壓反饋環經過數字PI控制后，將結果疊加到電流反饋環上，再通過電流反饋環的數字PI控制，實現整個燃弧階段的恒電壓控制。圖中Ug，Ig分別為電壓、電流反饋環的給定值；Uo，Io分別為輸出電壓和電流。Gu(S)和Gi(S)分別為電壓和電流PI控制器傳遞函數，n為電流環反饋系數，m為電壓反饋傳遞函數，R為電弧等效阻抗[5]。

圖4 雙閉環控制系統框圖

數字PI控制系統的基本算法通常分為位置式和增量式兩種。位置式算法在計算時輸出控制量的值從初始狀態開始不斷累加，導致計算量很大、占用存儲空間大、花費時間多，變量容易出現溢出。而增量式算法無需累加偏差，控制增量只與最近K次采樣有關，所以誤動作時影響小，不會產生積分飽和失控現象，避免了系統超調和振蕩的產生，而且容易通過加權處理獲得較好的控制效果。因此，本系統的PI控制采用了增量式算法，其離散化方程如下：

其中，Kp為比例系數，Ti為積分時間常數，T為采樣時間。在整個數字PI控制過程中，通過短路檢測電路隨時檢測燃弧與短路狀態，并根據數字化波形控制要求對短路過渡過程各階段電流波形進行快速而精確的控制，詳細過程可見參考文獻[3]。

2.2 數字化送絲系統

送絲系統是CO2氣體保護焊的重要組成部分，送絲系統的穩定性和可靠性直接影響著CO2氣體保護焊焊接工藝的穩定性、焊縫成形和焊接質量。只有保證焊絲均勻穩定的送進，才能使熔滴過渡穩定而有規律的進行，從而獲得良好的焊接性能。為此，本系統采用轉速負反饋結合電流負反饋的雙閉環控制策略，并采用數字PI與PWM脈寬調制實現電機轉速控制，以達到良好的送絲效果，其控制系統框圖如圖5所示。

圖5 雙閉環控制調速系統框圖

雙閉環控制調速系統的特點是電動機的轉速和電流分別由兩個獨立的調節器控制。其中，Ug為轉速給定信號，Uf為轉速反饋信號，此處采用光電式編碼盤進行速度采樣，采樣信號送人CPU進行精確計數，從而得到電機轉速，并與轉速給定值進行數字PI運算。轉速調節器的輸出就是電流調節器的給定Ig，電流環能夠隨轉速的偏差調節電動機電樞的電流Id。當實際轉速低于給定轉速時，轉速調節器的積分作用使輸出增加，電流給定上升，通過電流環調節使電樞電流Id增加，電動機獲得加速轉矩，電動機轉速上升；當實際轉速高于給定轉速時，轉速調節器的輸出減小，即電流給定減小，通過電流環調節使電樞電流下降，電動機的電磁轉矩減小，從而轉速下降。

數字PI控制算法采用式(1)類似的算法，在此就不再贅述了。

2.3 CAN通信程序設計

由于CAN2.0B技術規范只規定了模型的物理層和數據鏈路層協議，應用層協議需要用戶自己去開發。因此，CAN通訊程序設計應包括CAN通訊協議制定、CAN初始化及CAN報文發送與接收程序設計。

2.3.1 CAN通訊協議

CAN2.0B技術規范具有兩種不同的幀格式，標準幀和擴展幀，前者有11位標識符，后者有29位標識符。由于本系統節點比較少，采用標準幀即可以滿足系統設計要求，而且還可以提高數據傳輸速度。標準幀結構如圖6所示。包括幀起始，仲裁域，控制域，數據域，校驗域，應答域和幀結尾等7個部分組成，一個標準幀最多可發送8個字節的數據。

圖6 標準幀格式

在CAN2.0B技術規范中只定義了幀的結構，沒有定義發送和接收數據的相關信息，因此可以根據系統自身的需求，重新定義標識符的含義[6]。本系統中標識符的定義如圖7所示。其中，標識符的ID(10：8)定義為幀類型，分別表示控制命令、配置命令、狀態信息和數據信息，并預留了部分擴展功能。對不同的幀類型分配不同的優先級，數據發送時采用幀優先原則，這樣可以有效的滿足系統的實時性要求。標識符的ID(7：4)定義為源地址，ID(3：0)定義為目的地址，這樣系統中最多可以有15個節點。在這里，逆變電源主機的地址設置為0，送絲機的地址設置為1，其他節點作為以后擴展，如遙控盒等。當目的地址為F時規定為廣播通信，即所有子設備都可以接收。

圖7 標識符的定義

2.3.2 CAN初始化

當系統上電后，首先要對DSP或MCU內置的CAN控制器進行初始化設置，主要包括波特率參數的設置、接收濾波寄存器的設置和接收屏蔽寄存器的設置等，初始化過程只能在配置模式下進行。完成初始化設置后要重新設置工作模式為正常工作模式，并使能中斷，開始監聽CAN總線上的信息。報文的接收采取中斷方式，以便系統的實時響應。

2.3.3 CAN報文發送程序設計

CAN報文發送過程由CAN控制器自動完成。發送時只需將待發送的數據按照自定義的格式組合成一幀報文，并寫入CAN控制器的發送緩沖區中，然后啟動CAN控制器發送數據。在向發送緩沖區寫入數據之前還需檢查CAN控制器中狀態寄存器的“發送緩沖器狀態標志”，只有當緩沖器空閑時才可以寫入數據并啟動發送功能，否則，必須等待。

2.3.4 CAN報文接收程序設計

CAN報文的接收與發送一樣，也由CAN控制器自動完成。當檢測到有等待接收的報文時，CAN控制器接收來自總線的報文并進行組合，并通過接收過濾器匹配比較，將滿足過濾器條件的報文傳送到相應的接收緩沖器中，同時會產生一個接收中斷，通知處理器有報文已接收，接收子程序則響應這個中斷，將接收的數據傳送到數據緩沖區并進行相應的處理。中斷處理完后，清零中斷標志位，返回并等待下一個報文的接收。

2.4 人機交互接口程序

人機交互接口主要完成參數的預置、顯示、存儲、檢絲、檢氣、啟動及停止等任務，所有這些功能都在送絲機端完成，設置的參數及啟停信號通過CAN總線傳送到主機以執行相應的操作，而焊接過程中的電流、電壓等數據則由主機定時發送到送絲機進行顯示。

3 試驗結果分析

按照上述方法設計了基于CAN總線的數字化CO2焊接電源，并進行了焊接試驗，采用的試驗條件如下：焊接電壓U=20V；焊接電流I=110A；保護氣體為CO2；焊絲直徑為φ1.0mm；實驗材料為低碳鋼板。

焊接過程中的電壓、電流波形如圖8所示。可以看出，焊接過程中的短路、燃弧狀態判斷準確，短路過渡過程穩定，頻率基本恒定。從實際焊接效果看，焊接過程飛濺小，焊縫成形良好，達到滿意的控制效果。同時，焊接過程中利用CAN總線實現主機與送絲機之間的數據通信，數據傳輸穩定、準確、實時，證明CAN總線具有強的抗干擾能力，適合應用于數字化CO2焊接電源中。

圖8 CO2焊接電壓、電流波形（CH1為電壓波形，CH2為電流波形）

4 結論

采用DSP和MCU分別作為逆變主機和送絲機的核心控制器，實現焊接過程的數字化控制及參數的數字化調節與存儲，具有系統電路簡單、功能完備、性能穩定、控制精度高、焊接參數的一致性好及良好的人機交互等特點。通過軟件升級，可方便地實現其他外特性的輸出，以滿足不同焊接工藝的需要，充分體現了數字化控制的靈活性與優越性。同時，系統采用先進的CAN總線實現主機與送絲機之間的遠距離數據通信，簡化了電路，克服了傳統控制系統的缺點，具有穩定、可靠、抗干擾能力強、便于實現網絡化及自動化控制等特點，更好的滿足了先進制造技術的要求。

[1]張光先,鄒增大,尹海.CO2氣體保護焊表面張力的過渡[J].焊接學報,2003,24(1)：80-84.

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[3]孫廣,何建萍,等.DSP 波控逆變CO2焊接電源[J].焊接學報,2004,25(4)：85-88.

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[6]張穎超.楊寧峰,等.基于CAN 總線的溫室監測系統的通設計[J].控制工程,2009,16(1)：103-106.