DSP+MCU雙核控制的脈沖MIG焊數字化控制系統

常春梅，陳克選，洪兆林，袁亮文，賴 宇

（蘭州理工大學材料科學與工程學院，甘肅蘭州730050）

DSP+MCU雙核控制的脈沖MIG焊數字化控制系統

常春梅，陳克選，洪兆林，袁亮文，賴 宇

（蘭州理工大學材料科學與工程學院，甘肅蘭州730050）

數字化焊接電源控制系統的發展經歷了從單個MCU控制到雙MCU控制，再到DSP+MCU雙核控制，尤其是數字信號處理器DSP在電源中的廣泛應用，使得焊機控制精度更高、輸出更具柔性化、系統穩定性更好，使焊接電源的整體性能不斷提升。設計的脈沖MIG焊機數字控制系統就采用DSP（TMS320F2812）和MCU（STC89C58RD+）雙核控制，可實現脈沖和非脈沖MIG焊,并且脈沖焊時具有一元化調節功能。

DSP+MCU雙核控制；脈沖MIG；數字化

0 前言

新型工業化的飛速發展，對焊接技術提出了更高的要求。高質量、高效率的焊接技術則離不開高性能的焊接電源。隨著信息化、智能化的發展，焊接電源的數字控制技術已經成為焊接領域發展的方向，數字化焊接電源代表了焊接電源的發展方向。數字系統與模擬系統相比有明顯的優勢，數字控制系統具有系統穩定性好、控制精度高、穩定性與產品一致性好、接口兼容性好及系統功能升級方便等特點[1]。利用數字信號處理器為核心所設計的數字化焊接電源具有節能、輕巧、性能更優、控制更靈活的優點。采用雙MCU、雙DSP、DSP+MCU等雙核控制技術，可實現焊機程序軟件升級、焊接工藝規范優化、多種焊接材料的適用性以及工藝參數的離線處理等[2]。本研究設計了基于DSP+MCU雙核控制的脈沖MIG焊數字控制系統，將MCU和DSP結合運用，充分發揮其各自優勢。DSP作為控制核心，負責數據采樣、控制算法的實現、PWM控制信號的輸出以及電源的輸出特性控制，而MCU則負責人機交互、數據通信、電源狀態監測等事件管理，兩者之間可通過串行接口、CAN總線等途徑進行通信，以保證足夠高的控制精度、速度（實時性）和穩定性。本研究設計完成的DSP+MCU雙核控制的脈沖MIG焊控制系統能夠實現焊機的多功能全數字化控制，并且系統穩定，控制精度高。

1 控制系統硬件

所設計的整個焊接電源的系統框圖如圖1所示，主要由主電路、控制系統、驅動電路、送絲系統等組成。其中主電路為全橋軟開關逆變電路，逆變頻率為30 kHz；控制系統為DSP+MCU雙核控制的數字化控制系統，由DSP控制核心硬件電路和MCU硬件電路組成。驅動電路是以集成驅動光耦HCPL-316J為核心設計的數字驅動電路。在此重點為雙核控制的數字化控制系統，對于其他的將不做詳細介紹。

圖1 焊接電源系統框圖

1.1 DSP控制核心

TI公司的TMS320F2812芯片是一款高性能的32位定點運算DSP控制器，其結構采用改進的哈佛結構，執行速度很快；片上集成有事件管理器EV、A/D轉換模塊、SCI通信口、SPI外設、看門狗、數字通用I/O口等多種功能模塊，硬件和軟件資源豐富，外設功能強大[3]①TMS320F281x Datasheet.Texas Instrument，2003.，TMS320F2812芯片在運算速度、計算精度、數據采集和處理、實時控制等方面完全能滿足復雜過程控制的要求，適用于數字化焊機，故選擇TMS320F2812為DSP主控芯片。

1.2 MCU人機交互系統

人機交互系統要求界面友好、簡潔、性能穩定、易操作，還要能夠實現數字化調節焊接參數。本研究采用STC89C58RD+單片機作為人機交互系統的主控芯片，其具有超強的抗干擾能力、超低功耗、性價比高等優點；尤其是其片內集成有EEPROM，不但方便參數掉電保存，還為實現一元化調節及焊接參數的專家數據庫存儲提供了一個很好的解決方案。

1.3 操作面板設計

本研究設計了簡潔明了的數字化操作面板，如圖2所示，可實現普通MIG焊、脈沖MIG（P_MIG）、一元化脈沖MIG焊（1P_MIG）。面板中焊接參數選擇通過旋鈕開關實現，參數大小由編碼器調節，2T、4T和1P_MIG、P_MIG、MIG分別通過兩個搖桿開關來選擇，減少了按鍵的數量，操作簡單。為使程序更容易識別焊接材料和焊絲直徑，這兩個參數的選擇是通過兩個按鍵觸發中斷，并在中斷服務程序中設置相應變量值代表某一參數而實現的。

圖2 操作面板

2 控制系統軟件設計

對于數字化焊接電源控制系統，軟件是其靈魂，是保證其焊接質量的關鍵[4]?？刂葡到y軟件設計分為DSP控制程序和MCU程序，DSP控制程序主要負責整個焊接過程的控制，而MCU只負責焊接參數的預置及顯示，兩者通過設置通信協議進行數據傳輸。軟件編程均采用模塊化，使程序功能明確，可讀性強，易于維護、升級，也便于功能擴展。C語言編程可讀性強，開發周期短，故采用C語言編程。

2.1 DSP控制程序

一般DSP程序開發的軟件平臺采用CCS（CODE COMPOSER STUDIO），它是TI公司（美國德州儀器公司）開發的專門針對DSP控制系統的集成開發環境，功能十分強大。DSP控制程序主要包括系統初始化程序、外特性控制程序、引弧程序、熄弧程序、中斷服務子程序等，其主流程圖如圖3所示。給DSP硬件系統上電后，先初始化DSP，再根據從MCU處接收到的信息選擇2T或4T焊接，等待焊槍的動作信號，成功引弧后判斷是否選擇脈沖MIG，若選擇脈沖MIG焊則進行恒流外特性控制，否則就進行恒壓外特性控制，焊接結束時進入熄弧程序，熄弧后程序返回到選擇2T或4T的程序處，如此循環不斷重復整個焊接過程。

圖3 DSP控制程序主流程框圖

2.2PWM輸出

真正意義上的數字化焊接電源系統，不僅僅是實現反饋控制環節的數字化和信息輸入和輸出數字化，最主要的是能夠實現PWM控制脈沖數字化，這樣的電源才能稱為全數字化焊接電源[5]。因此本研究采用數字PWM調制，即通過程序調節驅動脈寬，從芯片管腳直接輸出PWM信號，再經過驅動電路的放大隔離得到符合要求的驅動波形。本研究利用TMS320F2812的事件管理器模塊產生PWM信號。

TMS320F2812具有兩個事件管理器模塊（EVA和EVB），每個事件管理器有3個比較單元，每個比較單元可輸出兩路互補的帶死區的PWM信號，死區時間可通過程序調節，并且可通過程序隨時改變PWM信號脈寬。其原理：通過比較通用定時器計數寄存器的值與比較寄存器的值相比較，再設置PWM輸出管腳為低電平有效或高電平有效來輸出PWM信號。因此PWM調制方案：由比較單元1輸出頻率為30 kHz，死區時間為4 μs的PWM信號，設置輸出管腳PWM1、PWM2分別為高電平有效和低電平有效，且PWM1和和PWM2的脈寬固定不變，占空比均為50％；比較單元2輸出PWM3、PWM4分別為高電平有效和低電平有效，且脈寬可調，取PWM4和PWM2相互匹配；設置比較單元3、4與比較單元1完全相同，并使比較單元1、3同步啟動，在定時器計數寄存器的值與比較單元3的比較寄存器的值相同時啟動比較單元4的PWM輸出，取比較單元4輸出的PWM8與PWM1相匹配。比較單元的比較寄存器是陰影寄存器，即寄存器的值可通過程序改變，再結合PI控制就可隨時改變PWM4和PWM8的脈寬，這樣就實現了數字PWM調制。圖4為通過程序編程后所測得的PWM信號，該信號是驅動波形的原始信號，通過驅動電路放大后為所需要的驅動波形。

圖4 DSP輸出PWM信號

2.3 MCU控制程序

控制系統中，MCU主要負責焊接參數的預置及顯示，主要包括參數選擇程序、MAX7219顯示程序、編碼器鑒相程序、掉電保存程序、一元化數據庫存儲程序等，根據要求設計的程序主流程圖如圖5所示。先初始化MCU，選擇2T或4T，再選擇1P_MIG、P_MIG、MIG，選定好焊接方法后對各焊接參數進行調節，若選為1P_MIG焊則可調用一元化焊接參數數據庫。調節好各焊接參數后斷開參數預置開關就可保存數據及與DSP通信，DSP接收正

確后程序將返回到選擇2T或4T處重復上述操作。

圖5 MCU程序主流程框圖

其中，選擇一元化脈沖MIG焊時只需要調節送絲速度，程序會自動匹配其余焊接參數，而參數自動匹配的關鍵在于建立焊接參數專家數據庫。本設計中把專家數據庫中的數據存儲在STC89C58RD+單片機片內一片連續的EEPROM地址區域當中。

其數據的存儲及調用方法如下：三種不同的焊接材料和焊絲直徑，可組成九種不同的組合，每種組合又可調節不同的送絲速度，每一送絲速度又有四個參數與其相匹配。因此，存儲時可將地址分成三種：每種焊接材料和焊絲直徑組合下參數存儲區的首地址addr_mode、每一送絲速度下對應的其余四個焊接參數存儲區的首地址addr_speed、每一確定送絲速度下對應的其余四個焊接參數的存儲地址addr_parameter。設計中把EEPROM扇區的首地址作為addr_mode，每個扇區存儲一種焊接材料和焊絲直徑組合下的焊接參數。程序中addr_mode的確定方法是把扇區首地址存入二維數組addr[i][j]中，i與j的值通過外中斷在0～2之間循環，這樣就可快速確定addr_mode。在確定addr_mode之后就可以在每個扇區地址范圍內查找addr_speed及addr_parameter。

其C語言程序的操作語句如下：

addr_speed=addr_mode+speed*16；

for（k=0；k＜=3；k++）

{

addr_parameter=addr_speed+4*k；

}

2.4 DSP與MCU的通信協議

在雙核控制的焊機中，兩控制器之間的數據通信是一個相當關鍵的問題，為確保通信的穩定與可靠，通信協議的設計是重點[6]，本設計采用RS232串行接口實現單片機與DSP的通信，它是一種常用的串行通信方式，電路簡單易懂，抗干擾能力強。本研究設置的通信協議由焊接參數信息和校驗和組成。焊接參數信息包括：2T和4T的選擇信息、三種焊接方法的選擇信息、脈沖焊接參數大?。此徒z速度、峰值電流；基值電流、頻率、占空比），校驗和即代表各焊接參數信息的數值之和。系統工作時MCU先發送一遍數據，DSP接收到數據后進行校驗和驗證，若DSP接收到的數字之和與接收到的校驗和相同則給MCU返回0，表示接收正確；若不同則返回1，表示接收錯誤。

3 結論

（1）控制系統采用DSP+MCU的雙核控制模式，并根據DSP和MCU的各自的特性分工，以充分發揮各自的優勢，從而使焊機的控制系統控制精度高、響應速度快，并且運行穩定可靠。

（2）設計的人機交互系統實現了數字化調節焊接參數的功能，操作面板簡潔明了，操作方便簡單，工作穩定可靠。

（3）程序結構設計合理，軟件執行效率高，速度快，模塊化編程思想的引入，使得程序簡單明了，功能明確，易于移植修改及后續的升級。

（4）數字PWM信號的輸出，是焊機能夠實現全數字化的關鍵。

（5）焊機可實現一元化調節功能，在脈沖MIG焊時減少了對焊工經驗的依賴性。

[1]楊曉峰.基于DSP+MCU數字化焊接電源研究與設計[D].重慶：重慶大學，2008.

[2]陸曉明，熊敬清，李晉，等.基于DSP的脈沖MIG焊數字化焊機的研制[J].電焊機，2009，39（2）：38-40.

[3]顧衛鋼.手把手教你學DSP[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[4]殷樹言，劉嘉.關于數字化焊機發展的幾點思考[J].電焊機，2009，39（2）：1-5.

[5]中國焊接協會焊接設備分會.逆變焊機選用手冊[M].北京：機械工業出版社，2012：69-270

[6]求是科技.單片機典型模塊實例設計導航[M].北京：人民郵電出版社，2004：350-351.

DSP+MCU dual-core control of digital control system of pulse MIG welding

CHANG Chunmei，CHEN Kexuan，HONG Zhaolin，YUAN Liangwen，LAI Yu
（School of Material Science and Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

The development of control system for digital power source has gone through a transition from single MCU control system to double MCU control system and to DSP+MCU dual-core control system.Especially，wide application of DSP in welding power makes control precision higher，outputing more flexible and system stability higher and therefore makes whole performance constantly improved.In this paper，digital unified pulsed welding machine is designed to use DSP（TMS320F2812）+MCU（STC89C58RD+）dualcore control system as digital control system，realizing pulse and non-pulse MIG welding and unified regulating function in pulse MIG welding.

DSP+MCU dual-core control system；pulse MIG；digital

TG434.1

A

1001-2303（2016）08-0011-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.08.03

2015-11-20；

2016-01-10

常春梅（1990—），女，甘肅會寧人，碩士，主要從事數字化焊接電源的研究工作。