磁控埋弧焊焊縫系統勵磁電源和信號采集與處理系統優化設計

周美蓉

（永州職業技術學院，湖南 永州 425000）

磁控埋弧焊焊縫系統勵磁電源和信號采集與處理系統優化設計

周美蓉

（永州職業技術學院，湖南 永州 425000）

勵磁電源和信號采集與處理系統是研究磁控埋弧焊焊縫跟蹤過程中非常重要的部分，直接關系到研究的成敗。本文在前人的研究基礎上，對原有的勵磁電源和信號與采集處理系統作了優化設計，提高試驗的精準度，具有一定的借鑒價值。

磁控埋弧焊；焊縫跟蹤；勵磁電源；信號處理；優化設計

磁控埋弧焊是把磁控技術運用到埋弧焊領域的一種技術。磁控技術具有很好的焊縫跟蹤效果，埋弧焊由于是在焊劑底下焊接，具有其他焊接方式不具備的優點，所以磁控埋弧焊焊縫跟蹤系統的研究是一個非常具有前景的研究方向。其中，磁控埋弧焊焊縫系統勵磁電源和信號采集與處理系統的設計尤為重要，本文在前人的研究基礎上，對磁控埋弧焊焊縫系統勵磁電源和信號采集與處理系統做了優化設計。

1 勵磁電源的優化設計

勵磁電源提供整個試驗所需的按照一定規律變化的電流，研究中常用的有矩形波、三角波和正弦波等三種波形。前期的研究者一般采用的是矩形波。矩形波有一個非常大的優點，就是在一定時期內，其變化的規律性非常適合試驗研究和后期的數據處理；但是該電源也有一個非常明顯的局限性，就是突變性，勵磁線圈中產生的突變的感應電勢，會使得試驗磁場也發生突變，不符合試驗要求。比較三角波和正弦波，正弦波的變化更為平緩，對于后期的信號采集和處理更加有利，所以本試驗舍棄矩形波而采用正弦波方案。

1.1 波形發生器的設計

試驗室前期采用的波形發生器是利用晶體管、運放IC等通用器件制作的，多用專門的函數信號發生器來產生信號，前期的信號發生器芯片通常采用8038，該芯片一般可同時產生矩形波、三角波和正弦波，但是隨著研究的進一步進行，逐漸發現該芯片功能少、精度比較低、頻率和占空比不能獨立調節，且互相影響，調節方式也不靈活，制約了研究的進一步進行。

本試驗選用DDS芯片中的AD7008。目前DDS芯片由于其頻率分體積小、辨率高、轉換速度快、性價比高的優點而得到廣泛應用。DDS是直接利用數字頻率合成的，是把一系列數字形式信號通過D/A轉換器轉換成模擬量形式的新的全數字的合成技術。其使信號的產生和調制變得簡單。

AD7008的功能框圖如圖1所示。由圖可得該芯片的功能主要分為三大部分：第一部分為基于DDS芯片的可編程的數字合成系統。從圖1可以看出其主要包括的零器件有：正/余弦查詢表、相位寄存器（12位）、D/A轉換器（10位）、正交幅度調制寄存器（20位）、相位累加器（32位），這部分是該芯片的核心部分，包含的零部件最多，很大程度上決定了該芯片的優劣；第二部分包括命令寄存器、頻率寄存器（32位）、幅度調制單元；第三部分包括串行寄存器（32位）和并行寄存器（32位），其主要作用是用來接口微機。一般情況下，在試驗中串行和并行接口可根據試驗需要設置為同時或單獨使用，但本試驗采用的是并行接口。試驗時，試驗的參考時鐘CLOCK為 DDS提供試驗所需的精確時鐘，TC0、TC1、TC2、TC3和LOAD在試驗過程中通過上述設置的并行方式輸入相位、頻率和幅度的試驗數據，使試驗芯片輸出試驗所需的調制試驗信號。由于設置了并行方式，所以試驗也只能通過并行寄存器把數據寫入到命令寄存器中。但命令寄存器一般由4位組成，即CR0、CR1、CR2、CR3，不同的數值代表著不同的功能。試驗中，當引腳FSELECT為0時，試驗輸出信號頻率由FREQ0中的控制字來確定；當FSELECT為1時，試驗輸出信號頻率由FREQ1中的控制字來確定。

圖1 AD7008功能模塊圖

研究中，所選試驗芯片（AD7008）采用的時鐘為50MHz，試驗中加載數據所采用的并行方式為8位。圖中IOUT端輸出的正弦波頻率大小一般是由DDS芯片中設置的數值來確定的。在后邊的試驗過程中，單片機與AD7008采用的電源均為+5V，而且本設計用單片機 P1.0來對AD7008進行復位，CS片選擇信號接地，并且始終有效。因本設計中數據加載方式為8位并行方式，所以試驗中分4次將數值寫入32位頻率寄存器。通過寄存器控制線TC3、TC2、TC1、TC0和加載控制線LOAD來完成數據的傳送過程，TC3、TC2、TC1、TC0是用于確定數據傳送期間所用的輸入緩沖寄存器。

試驗過程中，數據首先輸入緩沖寄存器，然后，緩沖寄存器中的數據再被輸入到目標寄存器。LOAD控制腳和控制線TC3、TC2、TC1和TC0的數據一般必須滿足兩個條件：一是這些數據要在LOAD的上升沿到來前建立并且穩定下來；二是這些數據還需維持到LOAD的下降沿到來之后。具體時序如圖2、3所示。

圖2 并行口時序

圖3 寄存器傳遞時序

為使頻率能夠快速實現切換，試驗中通常在AD7008的內部設置FREQ0和FREQ1兩個頻率寄存器，具體選擇哪個頻率寄存器來控制輸出信號頻率，由控制腳FSELECT來確定，其控制過程一般僅需一個時鐘周期。

1.2 放大電路設計

AD7008波形輸出電壓為±5V左右，產生的波形的幅值均為2V，必須要加上一個放大電路來提高電壓和負載能力。放大電路如圖4所示，采用LM1876進行功率放大。LM1876是美國國家半導體器件公司生產的一種音頻功放電路，其優點為輸出功率大、失真小、體積小。在試驗中，調節電路的電位器R14即可調節輸出電流幅值。調試效果非常好，而且在其一定范圍內波形失真少，其波形如圖5所示，輸出電壓幅值可達±6V。經試驗測量，在保證波形失真較小的情況下，輸出幅值可達±10V左右。

圖4 功率放大電路電路圖

圖5 功率放大后輸出的波形

2 信號采集和處理系統優化設計

電弧信號的采集和處理系統是整個試驗平臺的關鍵部分。在對已有研究試驗平臺整理研究基礎上，進行了一定的改進設計。

2.1 信號的采集

該試驗中，主要是采用電流傳感器來獲取焊接電流的信號。前期研究者主要是采用電流互感器，在研究初期，電流互感器確實對研究起了很大作用，但隨著研究的深入，電流互感器的一些缺點越來越對研究產生制約。后來，一些研究者開始使用霍爾傳感器，霍爾傳感器具有很多電流互感器不具備的優勢。但是隨著設備的開發，霍爾傳感器的一些劣勢又開始顯現，例如體積較大，功耗較大，所以在本試驗中，采用無磁芯電流傳感器。

無磁芯電流傳感器相比電流互感器有以下優點：①無磁芯電流傳感器工作原理是利用霍爾效應來測量試驗電流，它不但可測直流電流，也可以測交流電流。而原試驗所選電流互感器只能測量交流電流；②無磁芯電流傳感器的測量精度遠高于原試驗所選電流互感器；③無磁芯電流傳感器比較大，且不會產生電流過載，克服了電流互感器的一些缺陷；④無磁芯電流傳感器功耗非常低，這是互感器遠遠無法達到的；⑤無磁芯電流傳感器允許工作溫度范圍大，而且溫度特性保持良好，而電流互感器受溫度影響大，溫度特性很不理想。

無磁芯電流傳感器相比霍爾傳感器具有以下優點：①無磁芯電流傳感器的尺寸和重量大約只有霍爾傳感器的一半；②無磁芯電流傳感器的功耗比相應閉環器件的功耗節省33%；③無磁芯電流傳感器是采用無磁芯的匯流條導體代替傳感器磁芯，降低封裝厚度。電流流過匯流條并由幾何網絡感知，然后測量出絕對磁場強度和磁場梯度。

試驗時，埋弧焊的焊機地線是從無磁芯電流傳感器中的孔中穿過，傳感器上一般設置有4個接線柱，其中兩個接電源用來給傳感器供電，另外兩個為測得的電流信號，通過該兩個接線柱上的電壓即可顯示出來。所以在試驗中，無磁芯電流傳感器得到的信號主要是反映焊接電流變化的電壓信號。

2.2 信號的濾波

對信號進行濾波是信號處理中的一個極其重要的環節，因為在焊接過程中，焊接電弧的信號是不斷變化的，這就使電弧傳感信號受到嚴重干擾，大大降低了信號質量。為此，需要添加濾波裝置。濾波的主要目的就是為了在試驗信號中提取電弧信號中有用的信息為試驗系統所用，而且濾波系統還可以把信號中的低頻和高頻干擾抑制住，從而很好的改善了信號的質量，使的后期對信號的分析和處理更加的方便快捷。

目前，常用的濾波器有數字濾波器和模擬濾波器，后者又常分為有源和無源兩種類型。濾波器性能的常用參數為傳遞函數。根據濾波器的傳遞函數的分類，濾波器可分為：巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器和橢圓濾波器等等。

衡量濾波器的一個重要參數是濾波器的幅頻特性，上述三種濾波器的幅頻特性比較分別如圖6和表1所示。

圖6 三種濾波器的比較

由上述可知橢圓濾波器性能較好。在設計橢圓濾波器時需考慮幅頻特性、截止頻率、阻抗匹配、電路輸入等參數。在設計過程中，根據設計參數來確定歸一化的元件值，進而得到實際的元件值。

3 小結

本研究對勵磁電源和信號采集與處理系統進行優化設計，試驗取得的數據更加精準，具有一定的借鑒價值。

表1 三種濾波器的特性比較

[1]安藤弘.焊接電弧現象[M].北京：機械工業出版社，1985.

[2]彭俊斐，等.新型旋轉電弧傳感系統的研究[J].傳感器與微系統，2012，26（12）：12-14.

[3]洪 波，等.一種用于焊縫跟蹤的磁控電弧傳感器[J].焊接學報，2011，29（5）：1-4.

[4]來 鑫，等.基于磁控電弧傳感器的焊縫偏差信息檢測與實時跟蹤系統[J].上海交通大學學報，2008，42（11）：50-56.

[5]杜國華.我國電弧焊技術的現狀與21世紀發展趨勢展望[J].電焊機，2002，（1）：1-10.

[6]譚一炯，等.焊接機器人的現狀與技術展望[J].電焊機，2013，36（3）：6-10.

[7]陳樹君，等.磁控電弧旋轉磁場的發生裝置設計 [J].電焊機，2011，36（5）：47-50.

[8]繚曉中.DDS調制芯片AD7008的原理及應用 [J].電子工程師，2013，32（9）：25-28.

Optimized design of excitation power and signal acquisition&processing system for magnetic submerged arc weld seam system

ZHOU Meirong
（Yongzhou Vocational Technical College,Yongzhou 425000,Hunan China）

The excitation power supply and signal acquisition&processing system is very important during the study of magnetic submerged arc welding seam tracking process,which directly relates to the success or failure of the study.On the basis of previous studies,the optimized design has been conducted to the original excitation power and signal data acquisition&processing system.The test precision has been improved,which provides certain reference.

Magnetic submerged arc welding;Seam tracking;Excitation power;Signal processing;Optimized design

TG409

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.01.022

1672-0121（2016）01-0076-04

2015－05－09；

2015－06－28

湖南省科技廳資助項目（2013GK3179）

周美蓉（1971-），女，副教授，主修機械工程與職業教育。E-mail：shenyanjin3@sina.com