基于DSP的一體化雙絲脈沖MIG焊機軟件設計

陳曉東，馬前進，姚 屏，陳 輝，薛家祥

(華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640)

基于DSP的一體化雙絲脈沖MIG焊機軟件設計

陳曉東，馬前進，姚 屏，陳 輝，薛家祥

(華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640)

雙絲焊具有單絲焊無法比擬的優勢，焊接效率高，熱輸入小，能夠滿足大電流焊接的需要，但其技術復雜，在國內的研究才剛起步。基于DSP芯片TMS320F2808設計了雙絲脈沖MIG焊接核心控制系統，實現了雙絲的協同工作，采用增量式數字PI算法實現對焊接電流的控制。對雙絲電源進行了硬件調試、軟件調試和整機聯調，調試結果表明電源的靜態特性和動態特性良好，滿足雙絲系統要求。針對8mm厚的45號鋼進行了雙絲脈沖MIG焊的雙絲脈沖不同相位對比實驗。在兩路脈沖試驗參數匹配合適的情況下，進行了若干組試驗，焊接效果良好。

雙絲脈沖；DSP；軟件；PI控制

0 前言

雙弧焊接作為一種高效節能、優質經濟的焊接工藝方法是目前國際焊接界研究和推廣的熱點之一[1-2]。雙絲焊接可以提高熔敷速率一倍以上。此外，雙絲焊接方式還能有效地提高電弧熱效率，在相同熔敷速度的前提下有效減小熱輸入，對于防止焊接變形具有重要意義。

與單電弧焊接技術相比，雙絲焊由于兩個電弧同在一個熔池上燃燒，不僅提高了總的焊接熱輸入，而且改變了熱量分布的特點，在進行高速焊時能夠獲得優質美觀的焊縫質量[3-4]。

軟件設計是實現雙絲焊接過程控制的核心，許多控制方式和思路都可以通過軟件反映出來，通過更改軟件程序和設置就能實現不同的控制方案。由于雙絲脈沖焊接過程的復雜性以及DSP編程的優越性，使得軟件編程嵌入式思想十分明顯，為了滿足快速實時控制的要求，本研究在軟件編程中主要采用了中斷方式。

1 控制電路的總體方案

雙絲焊接電源要具有良好的焊接性能，對控制電路的要求較高，系統要求控制電路除了具有常規的邏輯控制能力外，還需要系統具有非常快的響應速度和精度，同時控制電路應具備足夠的可靠性。根據需要設計了控制電路總體方案如圖1所示[5-6]，該DSP控制系統由四部分組成：DSP最小系統、電流電壓反饋電路、送絲機調速電路、保護電路。

圖1 一體化雙絲焊接電源系統結構框圖

2 控制系統軟件總體設計

雙絲脈沖MIG弧焊電源控制系統的軟件采用模塊化設計理念，根據控制系統所要完成的功能，分為不同的功能模塊。整個控制系統分為系統初始化模塊、主程序、中斷子程序模塊、功能子程序模塊等。控制系統軟件總體設計結構如圖2所示。

圖2 控制系統軟件總體設計結構

2.1 主程序設計

主程序要實現焊接過程的時序控制，其具體流程為：兩臺弧焊逆變電源在上電時，系統先進行初始化處理，主要完成變量聲明、存儲空間分配、時鐘設置、看門狗時鐘設置、中斷設置等；其次進行A／D轉換寄存器的設置、PWM寄存器的設置等。再次判斷焊槍開關是否閉合，若閉合，說明焊前準備工作已經做完，進入焊接狀態。引弧開始后，開始提前送氣，送絲進入焊接輸出波形控制階段，DSP實時采樣電流電壓值，并與給定的基值電流進行比較，根據誤差進行PI控制，輸出PWM控制信號，使輸出電流與給定基值電流趨向一致。同理，當基值時間結束后，再進行峰值電流的控制，使輸出電流與給定峰值電流趨向一致，峰值時間結束后，再切換到基值，這樣循環往復，最后輸出脈沖電流。流程如圖3所示。

2.2 功能模塊子程序設計

功能模塊子程序主要包括A／D模塊、PWM模塊、數字PI算法子程序、SCI模塊四部分，各子程序以函數方式調用，對于實時性要求較高的部分放在中斷服務子程序中進行。在此主要介紹A／D模塊、PWM模塊、PI算法。

2.2.1 A／D采樣程序設計

雙絲脈沖MIG焊接電源需要采集8路數據，因而選擇了16路級聯順序采樣模式，而A／D采樣以函數的形式放在中斷服務子程序中調用，采用軟件觸發方式。為了保證轉換的準確度，對A／D進行了軟件校正。本程序中運用到一個很重要且常見的數字濾波算法，稱之為算術平均值濾波。具體操作是將采樣值取N個點存儲在數組中，再求和取N個值的平均值。經過調試，證明此種方案可行，效果不錯。

圖3 一體化雙絲弧焊總體焊接功能流程

所用TMS320F2808中有12位精度的ADC，所以A／D輸出值與實際電壓的關系如下

式中 y為A／D采樣的輸出值；Uin為實際輸入電壓。

實測電壓輸入與A／D輸出值關系如表1、圖4所示。由圖可知，A／D采樣值與實際電壓具有良好的線性關系，保證了焊接電源控制的精確性。

2.2.2 PWM模塊設計

采用四路獨立的PWM，功能均不相同，其中兩組當作DA用。另外兩組PWM有兩個功能：一是當DA用，二是給驅動板輸入控制信號。下面重點介紹后面兩路PWM模塊，即PWM3和PWM4。

系統設計逆變頻率是20 kHz，要求輸入信號頻率至少為50kHz以上，且考慮到輸出脈沖頻率為50～200 Hz，為了便于有源低通濾波器的設計，PWM頻率定為80 kHz。

編程時，TMS320F2808的EPWM模塊中定時器工作方式設置為：連續增計數模式；PWM觸發脈沖的周期值存放在周期寄存器TBPRD中；PWM觸發脈沖的寬度存放在比較寄存器CMPA中。由于本軟件中斷采用PWM3中斷，故寄存器配置較為復雜。

表1 調試時實際所測電壓輸入與A／D輸出值

圖4 實測電壓輸入與A／D輸出值的關系

void InitEPwm3Example()

｛EPwm3Regs.TBPRD＝1200；／計數周期值1200

EPwm3Regs.TBPHS.half.TBPHS＝0；／相位為零

EPwm3Regs.TBCTL.bit.CTRMODE＝0；／計數模式為連續增模式

EPwm3Regs.TBCTL.bit.PHSEN＝0；／主模塊

EPwm3Regs.TBCTL.bit.PRDLD＝0； ／周期值從陰影寄存器處重載

EPwm3Regs.TBCTL.bit.HSPCLKDIV＝0； ／高速預定標因子為1

EPwm3Regs.TBCTL.bit.CLKDIV＝0；／定時器輸入時鐘預定標因子為1

EPwm3Regs.CMPCTL.bit.SHDWAMODE＝0；／陰影模式

EPwm3Regs.CMPCTL.bit.LOADAMODE＝0；／在計數器的值為0時重載

EPwm3Regs.AQCTLA.bit.PRD＝2；／低有效

EPwm3Regs.AQCTLA.bit.CAU＝1；／高有效

EPwm3Regs.CMPA.half.CMPA＝c；／更新比較值

EPwm3Regs.ETSEL.bit.INTEN＝1；／PWM3中斷使能

EPwm3Regs.ETSEL.bit.INTSEL＝ET_CTR_PRD；／在周期處產生事件

EPwm3Regs.ETCLR.bit.INT＝1；／中斷標志為清零

EPwm3Regs.ETPS.bit.INTPRD＝3； ／PWM中斷產生前需發生三次事件｝

調試PWM模塊過程中采集的PWM波形如圖5所示，可以隨意改變占空比，波形干凈。經驗證，PWM模塊的寄存器配置正確，達到了預期效果。

圖5 PWM模塊調試波形

2.2.3 PI控制算法

設計的雙絲脈沖MIG焊接電源是基于恒電流的外特性。恒電流外特性的實現是通過電流反饋形成閉環控制；數字PI控制運算過程的實現是利用編寫的軟件來實現的。

給定量是數字化面板通過RS232總線發送過來的數字量，變化范圍0～500 A。反饋量是通過自帶的12Bit A／D轉換器采樣的，變化范圍0～4 095，參考電壓3 V，電流500 A。本研究選擇將給定量的變化范圍擴展到反饋量的變化范圍。

控制算法的運算結果作為PWM外設的輸入，轉換成相應的PWM的占空比輸出給逆變主電路，實現對焊接電流的控制。選用的DSP的PWM外設要求輸入量為整型變量，變化范圍0～1 200。

通過測量電源輸出電流對階躍輸入的響應曲線來確定數字PI控制算法的比例系數Kp和積分系數KI。設計電源的輸出為0～500 A，因此選擇0～240 A的階躍曲線作為輸入，通過采集到的波形(見圖6)來觀察系統的階躍響應，從而確定合適的PI系數(圖6中的PI值是軟件PI里的值，不代表真實的系統傳遞函數的PI值，但它的倒數大小能夠反映PI系數的大小和走向)。經過反復比較后，最終確定在本試驗條件下系統的PI參數為Kp＝9，KI＝150，通過后續的大量試驗波形可以證明，此組PI參數控制效果良好。

3 雙絲脈沖MIG焊相位對比試驗

本研究進行了三組脈沖相位關系對比實驗，分別是同相、反相、隨機三種情況，其他焊接規范完全相同，雙絲脈沖焊鋼試驗條件和參數：采用絲杠導軌行走機構，焊接速度150 cm／min，用兩根φ 1.2 mm的碳鋼焊絲ER50-6，在8 mm厚普通碳鋼板上進行雙絲平板堆焊。采用兩瓶純氬氣作保護氣，氣體流量15L／min。具體的波形和焊縫形貌如圖7～9所示[7-9]。

從試驗結果來看，基于DSP的數字一體化脈沖雙絲MIG弧焊電源裝備既能實現單絲脈沖焊鋼，又能實現雙絲脈沖焊鋼。在碳鋼、合金鋼等的脈沖MIG焊接方面較CO2明顯優勢，飛濺少；不僅可以實現雙絲焊接，還能實現單絲焊接。

圖6 Kp＝9，KI＝150時的電流波形

圖7 雙絲脈沖同相小波波形與焊縫

圖8 雙絲脈沖反相小波波形與焊縫

圖9 雙絲脈沖隨機小波波形與焊縫

4 結論

在基于DSP芯片TMS320F2808控制下的一體化雙絲脈沖MIG焊接系統的基礎上，通過對其軟件的編程，實現了預期功能，并做了相位的對比試驗工藝，突顯了雙絲MIG焊具有的優勢，為以后雙絲MIG焊的研究提供了參考。

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[2]宋天虎，李敏賢.先進制造技術的發展與焊接技術的未來[A].第八次全國焊接會議論文集(第一冊)[C].北京：機械工業出版社，1997.

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Software design of integrative twin-wire pulsed MIG welding based on DSP

CHEN Xiao-dong，MA Qian-jin，YAO Ping，CHEN Hui，XUE Jia-xiang
(School of Mech.and Auto.Engin.，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China)

Twin-wire welding has much more advantages than single wire welding.Twin-wire is very efficient in welding and has a

small heat input which can suit the big current circumstance.But because of its technical complexity，the research is only just beginning in China.the control system of integrative twin-wire plused power supply based on DSP chip TMS320F2808 was established in this article.Using an incremental digital PI algorithm welding current control.The overall power source testing was done on that platform，including the hardware testing and the software debugging.Then the static characteristics and the instant motive characteristics were both tested，which turned out to be a satisfaction of the Tandem system designed.With twin-wire pulsed MIG welding process for 8mm thick 45 steel，a series of comparative experiments is done，Including twin-wire pulse different phase，Finally good performances and beautiful Tandem welding seams came out，at the premise of the right parameters-matching of the two output pulses.

double pulse welding；DSP；software；PI control

TG434.5

A

1001-2303(2012)04-0023-05

2011-11-21

國家自然科學基金資助項目(50875088)；廣東省科技攻關資助項目(2010B010700001)；廣州市黃埔區科技計劃項目(1021)；廣東高校優秀青年創新人才培養計劃資助項目(LYM09099)

陳曉東(1986—)，男，湖北咸寧人，在讀碩士，主要從事數字化弧焊電源的研究。