脈沖電子束焊接電源人機交互系統(tǒng)設(shè)計

王海濤，齊鉑金，劉方軍，范霽康

（北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京100191）

脈沖電子束焊接電源人機交互系統(tǒng)設(shè)計

王海濤，齊鉑金，劉方軍，范霽康

（北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京100191）

針對脈沖電子束焊接電源系統(tǒng)控制相對復(fù)雜的特點，設(shè)計了以MC9S12單片機為主控芯片、觸摸屏為人機交互界面的人機交互系統(tǒng)。通過組態(tài)軟件Easy Builder 8000完成觸摸屏的人機界面設(shè)計，采用模塊化的編程思想完成單片機的程序設(shè)計。采用RS-485通訊接口電路，觸摸屏通過Modbus協(xié)議與單片機實時通訊。試驗表明，該人機交互系統(tǒng)能實現(xiàn)脈沖電子束焊接電源參數(shù)的統(tǒng)一管理，設(shè)置方便、界面友好、性能穩(wěn)定。

脈沖電子束焊接；焊接電源；人機交互；單片機；觸摸屏

0 前言

脈沖電子束焊接是把電子束流調(diào)制成脈沖方波的形式進行焊接的新型焊接技術(shù)[1]。文獻[2]表明，相比傳統(tǒng)的連續(xù)束流電子束焊接，脈沖電子束焊接的穿透深度和焊縫深寬比會增加30％～50％，還能細化晶粒，進一步減少焊接缺陷[3]，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。

對于脈沖電子束焊接電源而言，電源參數(shù)較多，其中電壓參數(shù)有加速電壓、直流偏壓、脈沖偏壓、燈絲電流等，束流控制參數(shù)有脈沖頻率和脈沖占空比，此外還需要實時顯示焊接狀態(tài)、束流大小等。因此，安全便捷地設(shè)置脈沖電子束焊接電源的相關(guān)參數(shù)對于脈沖電子束焊接實驗至關(guān)重要。

人機交互系統(tǒng)是機器和用戶之間進行信息交換的媒介和對話接口。傳統(tǒng)電子束焊機多采用旋鈕控制和數(shù)碼管顯示相結(jié)合的方式實現(xiàn)人機交互，難以滿足焊接參數(shù)精確設(shè)定和操作方便的要求[4]。本研究設(shè)計了以16位MC9S12單片機為控制核心，以支持Modbus協(xié)議的觸摸屏為輸入和顯示裝置的人機交互系統(tǒng)。該人機交互系統(tǒng)應(yīng)用于60 kV/100 mA逆變式脈沖電子束焊接電源系統(tǒng)中，進行脈沖電子束焊接試驗，脈沖電子束焊接電源眾多焊接參數(shù)的設(shè)置更方便，該人機交互系統(tǒng)界面友好、性能穩(wěn)定。

1 人機交互系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

脈沖電子束焊接電源人機交互系統(tǒng)需要設(shè)置眾多的電源參數(shù)并實時顯示電源輸出的反饋值和焊接狀態(tài)。人機交互系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。觸摸屏通過Modbus協(xié)議與單片機通信，通過觸摸屏設(shè)置電源的相關(guān)參數(shù)，單片機完成焊接電源的時序管理以及參數(shù)設(shè)定的功能。其中，單片機的PWM模塊產(chǎn)生PWM信號控制脈沖束流的波形，單片機ADC模塊采集反饋信號。

圖1 電源人機交互系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Overall block diagram of the power HMI system

選用MC9S12XEP100MAL單片機作為電源人機交互系統(tǒng)的主控芯片。該單片機是一款高性能的16位單片機，總線頻率高達50 MHz。該單片機片上資源豐富[5]：高達64kB的RAM，具有高達12位分辨率和低至3 μs轉(zhuǎn)換時間的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），可配置為八通道8位或者四通道16位的PWM輸出模塊，八通道的增強捕捉定時器（ECT）、一個八通道24位的周期中斷定時器（PIT）和八通道的16位標準定時器模塊（TIM）。此外片上還集成了MSCAN模塊、串行外設(shè)接口模塊（SPI）、串行通信接口模塊（SCI）。

觸摸屏作為新型數(shù)字化人機界面，極大提高了人機交互的便捷性。該設(shè)計選用威綸通TK6102iV6系列觸摸屏作為人機界面，處理器主頻400 MHz，屏幕分辨率800×480，滿足了焊接電源人機界面的需求。

2 人機交互系統(tǒng)外圍電路設(shè)計

由圖1可知，該人機交互系統(tǒng)運用MC9S12單片機的SCI模塊實現(xiàn)單片機和觸摸屏的串口通信；ADC模塊實現(xiàn)電平信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換；ECT模塊輸出頻率固定、占空比可調(diào)的方波，經(jīng)過控制電路的調(diào)節(jié)實現(xiàn)電源輸出電壓的控制；PWM模塊輸出PWM信號，經(jīng)束流控制電路驅(qū)動MOSFET；TIM模塊實現(xiàn)單片機的精確定時功能。

SCI（Serial Communication Interface）是一種全雙工串行通信接口[6]。MC9S12XEP100MAL單片機上具有8個SCI模塊，威綸通觸摸屏支持RS-232和RS-485兩種通訊接口。為增強通訊可靠性，選用RS-485通訊接口完成單片機與觸摸屏的通訊。在MC9S12與觸摸屏串行通訊接口間采用MAX485芯片實現(xiàn)電路之間電平和邏輯關(guān)系的變換。主電路中IGBT開關(guān)頻率高達20 kHz且后級高壓電路中的脈沖偏壓電源接入頻率最高可達50 kHz，故人機交互系統(tǒng)所處的環(huán)境會產(chǎn)生較強的電磁干擾，干擾通信系統(tǒng)信號的傳輸。為進一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，保證上下位機可以及時、高速、安全的發(fā)送和應(yīng)答報文，在主控芯片與MAX485芯片之間選用雙通道數(shù)字隔離器ADUM1201對系統(tǒng)間的通信做隔離處理。觸摸屏與處理器之間的通信接口電路如圖2所示。

圖2 通訊接口電路Fig.2 Communication interface circuit

MC9S12單片機沒有內(nèi)置的D/A轉(zhuǎn)換模塊，只能通過擴展外部電路的方法實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換功能。設(shè)計采用單片機ECT模塊的輸出比較功能輸出頻率固定、占空比可調(diào)的方波信號，再經(jīng)過隔離濾波獲得電壓可控的直流模擬信號，D/A外部擴展電路如圖3所示。

電子束焊機長期工作在高壓狀態(tài)下，電子槍和高壓油箱內(nèi)容易出現(xiàn)放電現(xiàn)象，此時電源電壓和束流的采樣值會產(chǎn)生較大的尖峰[7]。為了減小電壓尖峰對單片機的沖擊，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，通過直流隔離器件ISO124隔離電源電壓的采樣信號，電路設(shè)計如圖4所示。

圖4 電源電壓采樣電路Fig.4 Voltage sampling circuit of power supply

通過MC9S12單片機PWM模塊產(chǎn)生頻率和占空比均可調(diào)的PWM信號，作為束流控制電路的輸入信號實現(xiàn)電子束束流的脈沖控制。MC9S12單片機PWM模塊可配置為八通道8位或者四通道16位的PWM輸出模式。設(shè)計選擇PWM45作為16位的PWM輸出通道，為防止電源信號對單片機造成干擾，采用TLP250芯片進行信號隔離。PWM輸出電路如圖5所示。

圖5 PWM輸出電路Fig.5 PWM output circuit

3 人機交互系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 單片機程序設(shè)計

選用CodeWarriorfor HCS12集成開發(fā)環(huán)境完成對MC9S12單片機的軟件編程。使用CodeWarrior中的器件初始化工具和帶基礎(chǔ)組件的Processor ExpertTM可以給MC9S12單片機的軟件編程帶來極大便利[8]。采取模塊化設(shè)計的編程思想實現(xiàn)單片機的程序設(shè)計，模塊化編程思想就是將一個復(fù)雜的任務(wù)精細合理地劃分成多個相對獨立又相互聯(lián)系的任務(wù)模塊，通過主程序?qū)Ω鱾€模塊反復(fù)調(diào)用以實現(xiàn)目標任務(wù)的功能。模塊化編程有助于降低軟件系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高系統(tǒng)可靠性和可維護性[9]。根據(jù)模塊化的編程思想，設(shè)計的程序流程如圖6所示。

圖6 單片機程序設(shè)計流程Fig.6 Flow chart of MCU program

系統(tǒng)開機后，首先完成系統(tǒng)的初始化，包括調(diào)用單片機初始化函數(shù)MCU_init()、變量初始化函數(shù)Variable_init()以及焊接狀態(tài)初始化函數(shù)Welding_ init()。開始焊接后單片機反復(fù)檢測是否收到來自觸摸屏的指令，當收到指令并解析命令幀后執(zhí)行Command_Task()函數(shù)處理來自觸摸屏的指令，之后調(diào)用ACK_Task()函數(shù)應(yīng)答觸摸屏。單片機每隔1 ms進行一次電壓電流采樣，并把采樣值和焊接狀態(tài)發(fā)送給觸摸屏，實時顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.2 Modbus通信協(xié)議實現(xiàn)

Modbus協(xié)議作為一種主從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，是第一個真正用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議[10]，現(xiàn)已成為一種通用的工業(yè)標準應(yīng)用于眾多工業(yè)領(lǐng)域。在硬件上采用RS-485總線實現(xiàn)單片機和觸摸屏之間的通信，在軟件上采用Modbus RTU傳輸協(xié)議，采用糾錯性能強的循環(huán)冗余檢驗碼CRC校驗算法以提高人機交互系統(tǒng)通訊的抗干擾能力。觸摸屏作為上位機負責向單片機發(fā)出相應(yīng)指令，單片機作為下位機對觸摸屏發(fā)出的指令進行處理并應(yīng)答。SCI通信模塊程序如圖7所示。

DeconstructFrame(INT16U*p)函數(shù)負責解析Modbus命令幀，根據(jù)命令幀功能碼的不同進而在Command_Task()函數(shù)中完成相應(yīng)的操作。Modbus不同功能碼的含義如表1所示。

表1 Modbus功能碼及其說明Table 1 Modbus function code and discrimination

ACK_Task()函數(shù)實現(xiàn)單片機對觸摸屏的應(yīng)答功能，其中EnRS485Trans()函數(shù)實現(xiàn)RS485總線發(fā)送使能，ConstructFrame()函數(shù)根據(jù)Modbus協(xié)議構(gòu)建應(yīng)答幀，TransmitByteSci1（INT8U*）函數(shù)以字節(jié)形式向觸摸屏發(fā)送應(yīng)答幀。

為進一步增加信號傳輸?shù)目煽啃裕稍贛odbus協(xié)議的基礎(chǔ)上增加超時和重發(fā)機制。當觸摸屏出現(xiàn)命令幀超時無響應(yīng)或者應(yīng)答幀CRC校驗出錯后，啟動重發(fā)機制，當連續(xù)三次出現(xiàn)以上問題后，在面板上給出錯誤信息，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。

圖7 SCI通信模塊流程Fig.7 Flow chart of SCI communication program

3.3 人機界面設(shè)計

脈沖電子束焊接電源人機交互界面采用威綸通觸摸屏專用的組態(tài)軟件EasyBuilder8000（EB8000）進行設(shè)計。EB8000組態(tài)軟件包含豐富的設(shè)置元件和顯示元件，本研究根據(jù)實際需求選擇元件并配置相關(guān)元件屬性進而實現(xiàn)交互系統(tǒng)的界面設(shè)計。此外，威綸通觸摸屏內(nèi)部支持Modbus協(xié)議，PLC類型設(shè)置為MODBUS RTU，通訊接口類型設(shè)置為RS-485并選擇正確的串口號。通訊端口中波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗位等應(yīng)與單片機設(shè)置一致，以便能夠正常通訊。

4 人機交互系統(tǒng)應(yīng)用

利用上述的硬件設(shè)計方案和軟件編程思想設(shè)計出了基于MC9S12單片機和威綸通觸摸屏的脈沖電子束焊接電源人機交互系統(tǒng)。該人機交互系統(tǒng)可以成功應(yīng)用于自主設(shè)計的新型60 kV/100 mA逆變式脈沖電子束焊接電源系統(tǒng)中。

脈沖電子束焊接電源的設(shè)定參數(shù)和反饋數(shù)據(jù)如圖8所示：加速電源設(shè)定50 kV，陰極加熱電源的燈絲電流設(shè)定為18 A，脈沖束流的頻率設(shè)定1 kHz，占空比50％。在60 kV/100 mA逆變式脈沖電子束焊接電源系統(tǒng)中，直流偏壓電源和脈沖偏壓電源串聯(lián)疊加作為三級槍柵極的輸入電壓。根據(jù)電子束焊接束流大小和偏壓大小的關(guān)系可知，當普通偏壓電源設(shè)定為513 V，脈沖偏壓電源設(shè)定為0 V時，束流峰值約為18 mA，普通偏壓保持不變，脈沖偏壓調(diào)節(jié)至366 V時，束流降為0 mA。打開脈沖開關(guān)，束流即以脈沖模式輸出，束流的平均值為10.10 mA，脈沖束流的實測波形如圖9所示。

圖8 脈沖電子束焊接電源人機交互界面Fig.8 HMI of pulsed electron beam welding power supply

在脈沖電子束焊接過程中，通過觸摸屏改變脈沖電子束焊接電源的相關(guān)參數(shù)即可改變脈沖束流的峰值、基值、頻率及占空比。試驗表明，在脈沖電子束焊接實驗中使用設(shè)計的人機交互系統(tǒng)能夠正常進行焊接實驗。

圖9 脈沖束流的實測波形Fig.9 Measured current waveform of pulsed beam

5 結(jié)論

以MC9S12單片機為主控芯片、威綸通觸摸屏為人機交互界面，設(shè)計出了一套安全可靠、操作簡單、界面美觀的脈沖電子束焊接電源人機交互系統(tǒng)。在脈沖電子束焊接過程中，通過觸摸屏調(diào)整電源參數(shù)，觸摸屏實時顯示電源參數(shù)和焊接狀態(tài)。該人機交互系統(tǒng)操作簡單，性能穩(wěn)定，對脈沖電子束電源技術(shù)的發(fā)展具有一定的推動作用。

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Design of human-machine interaction system for pulsed electron beam welding power supply

WANG Haitao，QI Bojin，LIU Fangjun，F(xiàn)AN Jikang
（School of Mechanical Engineering and Automation，Beihang University，Beijing 100191，China）

According to the complexity of the pulsed electron beam welding(EBW)power supply system control，a set of humanmachine interaction(HMI)system based on MC9S12 microcontroller and touch screen as input and display device was developed. The HMI interface was designed by Easy Builder 8000 configuration software and modular program was used for the microcontroller programming.The RS-485 communication interface circuit was designed and the Modbus protocol was used for the real-time communication between the touch screen and microcontroller.Experimental results indicated that the human-machine interaction system could make the pulsed EBW power supply more convenient for parameter settings and unified management.The humanmachine interaction system was user-friendly and its performance was quite stable.

pulsed electron beam welding；welding power supply；human-machine interaction；microcontroller；touch screen

TG409

A

1001－2303（2016）12－0001-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.12.01

獻

王海濤，齊鉑金，劉方軍，等.脈沖電子束焊接電源人機交互系統(tǒng)設(shè)計[J].電焊機，2016，46（12）：1-6.

2016-10-27

王海濤（1991—），男，山東濱州人，碩士研究生，主要從事嵌入式開發(fā)與電源技術(shù)的研究工作。