全数字逆变式熔化极脉冲气体保护焊机.pdf

一种可靠性、一致性和稳定性优良的全数字逆变式熔化极脉冲气体保护焊机，包括功率系统，具有一次整流滤波、一次逆变、主变压器、二次整流滤波、二次逆变、输出回路，及馈丝系统，具有送丝机电源及送丝机电机，响应于一个控制信号，功率系统与馈丝系统协调运转，将电网高压正旋交流电转换成低压脉动直流电，通过焊接回路完成电能到热能的转换；控制系统监视和控制功率系统与馈丝系统，其包含核心功能单元和人机交互界面；特点是所述控制系统的核心功能单元是数字信号控制器(DSC)或者数字信号处理器(DSP)。应用于金属材料全自动焊接。

1.  一种全数字逆变式熔化极脉冲气体保护焊机，包括：
功率系统，具有一次整流滤波、一次逆变、主变压器、二次整流滤波、二次逆变、输出回路，及
馈丝系统，具有送丝机电源及送丝机电机，
响应于一个控制信号，功率系统与馈丝系统协调运转，将电网高压正旋交流电转换成低压脉动直流电，通过焊接回路完成电能到热能的转换；和
控制系统，监视和控制功率系统与馈丝系统，具有辅助电源、网压检测、原边电流反馈、焊接电流反馈、电弧电压反馈、功率单元的温度反馈、送丝速度反馈、电机电流反馈、焊矩开关状态检测、冷却单元控制及驱动、保护气体通断控制及驱动、一次逆变驱动、馈丝系统驱动、人机交互界面，以及包含电压环、电流环、信号调理、误差计算、定时器、时序控制逻辑、波形发生、比例积分运算、功率系统PWM、馈丝系统PWM的核心功能单元；
其特征在于，所述控制系统的核心功能单元是数字信号控制器(DSC)或者数字信号处理器(DSP)。

2.  根据权利要求1所述的全数字逆变式熔化极脉冲气体保护焊机，其特征在于，所述的数字信号控制器(DSC)的型号为TMS320F28x，该TMS320F28x包括：
C28×32位CPU(DSC)，用于数据的存取、运算、管理和输入/输出的控制；
外设总线，CPU通过外部总线连接且管理外部设备；
中断管理单元，对外设总线所挂接的外部设备产生的瞬变事件作出高速响应处理；
存储器总线，其连接CPU及闪烁存储器(FLASH)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)。

3.  根据权利要求2所述的全数字逆变式熔化极脉冲气体保护焊机，其特征在于，所述C28×32位CPU(DSC)包括：
32 x 32乘法器，进行数据运算；
读-修改-写算术逻辑单元(R-M-W ALU)；
32位浮点单元，通过C28×32位CPU(DSC)内部总线或/和存储器总线及外设总线实现数据的传递；
32位定时器；
实时JTAG单元，用于DSC的调试和仿真。

4.  根据权利要求2所述的全数字逆变式熔化极脉冲气体保护焊机，其特征在于，所述外设总线连接SCI、SPI、I2C、CAN、CAP、QEP、PWM、ADC等外部设备接口。

全数字逆变式熔化极脉冲气体保护焊机
技术领域
本发明涉及逆变式熔化极脉冲气体保护焊机，该熔化极脉冲气体保护焊机主要应用于各类金属材料的高速、高质量半自动或全自动焊接。
背景技术
逆变技术在弧焊电源中的应用已十分普遍，现今主流的熔化极脉冲气体保护焊机也多采用逆变方式。如图1所示，按电气功能分类，可将逆变式熔化极脉冲气体保护焊机划分为三个系统：功率系统100、馈丝系统500和控制系统200。逆变式熔化极脉冲气体保护焊机即是在控制系统的有效监视和有序控制下使功率系统与馈丝系统协调运转，将电网高压正旋交流电转换成低压脉动直流电并最终通过焊接回路完成电能到热能的转换。
功率系统100通常包括一次整流滤波、一次逆变、主变压器、二次整流滤波、输出回路等五个部分；馈丝系统500通常包括送丝机电源和送丝机电机等两个部分。控制系统200通常包括辅助电源、网压检测、原边电流反馈、焊接电流反馈、电弧电压反馈、功率单元的温度反馈、送丝速度反馈、电机电流反馈、焊矩开关状态检测、冷却单元控制及驱动、保护气体通断控制及驱动、一次逆变驱动、馈丝系统驱动、定时器、时序控制逻辑、波形发生、电压环、电流环、信号调理、误差计算、比例积分运算、功率系统PWM、馈丝系统PWM、人机交互界面220(包括键盘、开关、调节旋钮、电位器等及LED指示灯、指针式表头、数字表头、LED数码管、LED表头、LCD显示器及其它类似部件)等二十四个部分。
如图2所示，普通逆变式熔化极脉冲气体保护焊机的控制系统200的核心功能单元210，包括电压环、电流环、信号调理、误差计算、定时器、时序控制逻辑、波形发生、比例积分运算、功率系统PWM、馈丝系统PWM等十个部分。
为了提高性能，有的逆变式熔化极脉冲气体保护焊机的控制系统200的核心功能往往采用半数字式或有限可编程式。如图3所示，半数字式逆变式熔化极脉冲气体保护焊机的控制系统200的核心功能单元210，由微控制器或单片机(MCU)230完成定时器、时序控制逻辑、电压环、波形发生等单元的功能，由模拟电路、模数混合电路和专用PWM电路(图中没有显示)完成信号调理、误差计算、电流环、比例积分运算、功率系统PWM、馈丝系统PWM等单元的功能。两种焊机程度不同的存在如下主要问题：系统响应速度慢、一致性较差、可靠性较差、稳定性较差、输出特性单调、功能较少较难拓展，无法满足高端或特殊用户的使用需求。
发明内容
本发明的目的是提供了一种能够提高可靠性、一致性和稳定性的且能大量减少元器件用量从而降低生产成本的全数字逆变式熔化极脉冲气体保护焊机。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种全数字逆变式熔化极脉冲气体保护焊机，包括：
功率系统，具有一次整流滤波、一次逆变、主变压器、二次整流滤波、二次逆变、输出回路，及
馈丝系统，具有送丝机电源及送丝机电机，
响应于一个控制信号，功率系统与馈丝系统协调运转，将电网高压正旋交流电转换成低压脉动直流电，通过焊接回路完成电能到热能的转换；和
控制系统，监视和控制功率系统与馈丝系统，具有辅助电源、网压检测、原边电流反馈、焊接电流反馈、电弧电压反馈、功率单元的温度反馈、送丝速度反馈、电机电流反馈、焊矩开关状态检测、冷却单元控制及驱动、保护气体通断控制及驱动、一次逆变驱动、馈丝系统驱动、人机交互界面，以及包含电压环、电流环、信号调理、误差计算、定时器、时序控制逻辑、波形发生、比例积分运算、功率系统PWM、馈丝系统PWM的核心功能单元；
其特征在于，所述控制系统的核心功能单元是数字信号控制器(DSC)或者数字信号处理器(DSP)。
作为优选，所述的数字信号控制器(DSC)的型号为TMS320F28x，该TMS320F28x包括：
C28×32位CPU(DSC)，用于数据的存取、运算、管理和输入/输出的控制；
外设总线，CPU通过外部总线连接且管理外部设备；
中断管理单元，对外设总线所挂接的外部设备产生的瞬变事件作出高速响应处理；
存储器总线，其连接CPU及闪烁存储器(FLASH)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)。
作为优选，，所述C28×32位CPU(DSC)包括：
32x32乘法器，进行数据运算；
读-修改-写算术逻辑单元(R-M-W ALU)；
32位浮点单元，通过CPU内部总线或/和存储器总线及外设总线实现数据的传递；
32位定时器；
实时JTAG单元，用于DSC的调试和仿真。
作为优选，所述外设总线连接SCI、SPI、I2C、CAN、CAP、QEP、PWM、ADC等外部设备接口。
由于本发明所设计的控制系统比起现有逆变式熔化极脉冲气体保护焊机的控制系统减少了约30％的元器件，根据可靠性工程的相关理论，这极大地提高了焊机的可靠性。本发明最大限度地减少了模拟电路的使用，其一致性和稳定性都取得很大的提高，数字技术也大幅度改善了系统控制的精度。本发明采用的数字信号控制器DSC或数字信号处理器DSP具有高速运算和控制能力(这是MCU所无法比拟的)，可实现各种输出特性的控制，可实现各类强大的功能，例如，多种焊接方式、多种操作方式以及通过变更软件实现完全不同的功能(其它形式的电源)。本发明有利于自动化焊接的联网作业，便于生产调试及售后维护，能够满足高端或特殊用户的使用需求。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是逆变式熔化极脉冲气体保护焊机电气功能分类框图。
图2是普通逆变式熔化极脉冲气体保护焊机控制系统核心功能框图。
图3是半数字逆变式熔化极脉冲气体保护焊机控制系统核心功能框图。
图4是本发明电气功能分类框图。
图5是图4中数字信号控制器(DSC)的结构框图。
图5中，PWM—脉冲宽度调制器模块，ADC—模/数转换器模块，QEP—积分编码脉冲模块，CAP—捕捉单元，GPI0—通用数字输入输出，SPI—同步串行接口，SCI—串行通讯接口，McBSP—多通道缓冲串行端口，I2C—内部整合串行接口，CAN—控制局域网接口。
具体实施方式
如图4所示，本发明全数字逆变式熔化极脉冲气体保护焊机，包括：
功率系统300，具有一次整流滤波、一次逆变、主变压器、二次整流滤波、二次逆变、输出回路，及
馈丝系统600，具有送丝机电源及送丝机电机，
响应于一个控制信号，功率系统300与馈丝系统600协调运转，将电网高压正旋交流电转换成低压脉动直流电，通过焊接回路完成电能到热能的转换；和
控制系统400，具有辅助电源、网压检测、原边电流反馈、焊接电流反馈、电弧电压反馈、功率单元的温度反馈、送丝速度反馈、电机电流反馈、焊矩开关状态检测、冷却单元控制及驱动、保护气体通断控制及驱动、一次逆变驱动、馈丝系统驱动、人机交互界面420，以及包含电压环、电流环、信号调理、误差计算、定时器、时序控制逻辑、波形发生、比例积分运算、功率系统PWM、馈丝系统PWM的核心功能单元410；
其特征在于，所述控制系统400的核心功能单元410是数字信号控制器(DSC)或者数字信号处理器(DSP)。
如图5所示，所述的数字信号控制器(DSC)410的型号为TMS320F28x，该TMS320F28x包括：
C28×32位CPU(DSC)450，用于数据的存取、运算、管理和输入/输出的控制；
数据总线430，包括外设总线和存储器总线，
外设总线，CPU通过外设总线连接且管理外部设备；
中断管理单元440，对外设总线所挂接的外部设备产生的瞬变事件作出高速响应处理；
存储器总线，其连接CPU及闪烁存储器(FLASH)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)。
如图5所示，所述C28×32位CPU(DSC)450包括：
32x32乘法器451，进行数据运算；
读-修改-写算术逻辑单元(R-M-W ALU)454；
32位浮点单元455，通过C28×32位CPU(DSC)内部总线或/和存储器总线及外设总线实现数据的传递；
32位定时器452；
实时JTAG单元453，用于DSC的调试和仿真。
如图5所示，所述外设总线连接SCI、SPI、I2C、CAN、CAP、QEP、PWM、ADC等外部设备接口。
数字信号控制器(DSC)功能技术参数说明：
全数字逆变式熔化极脉冲气体保护焊机所涉及到的数字信号控制器(DSC)或数字信号处理器(DSP)(没有附图)在基本功能方面类同于微控制器(MCU)或单片机，不同的是它们具有更多的功能和更高的性能，其特点概略如下：
1)高速实时控制能力，单周期指令(一般在40MIPS以上)，快速输入输出端口；
2)高速数据运算或强大的处理能力，具有较宽的数据总线(16位以上)，具有乘累加指令；
3)包含SCI、SPI、I2C、CAN、CAP、QEP、PWM等丰富的外部设备接口，PWM为可编程的硬件模块，分辨率高、响应快、处理方式灵活，内嵌高性能模/数转换器(ADC)，采样速度快，分辨率高。
DSC或DSP芯片有多个生产厂家，代表厂家为美国德州仪器(TI)、美国模拟器件公司(ADI)和美国飞思卡尔(Freescale)，各个厂家的芯片具有不同的特点，现以德州仪器的TMS320F28x为例对其进行说明。
TMS320F28x的主要特点如下：
1)32位CPU，性能可达150MIPS；
2)混合的16位及32位指令集；
3)单周期32x32位的乘加操作(multiply-accumulate)；
4)芯片闪存可高达256KB；
5)标准内存架构；
6)同类最优(Best-in-class)的编译器效率；
7)中断服务时，可实现自动的现场数据保存及恢复；
8)高分辨率脉宽调制(PWM)的精度为150ps；
9)PWM控制器拥有可编程的死区(dead band)、相位或占空周期控制以及最高可达6个的绊区(trip zone)，可用于产生任意所需波形；16路12位高速ADC；采样时间达80ns；支持SCI、SPI、I2C以及CAN端口。
以下就TMS320F28x功能详细说明：
(1)C28x 32位CPU是TMS320F28x芯片的核心部分，各类数据的存取、运算、管理和输入/输出的控制都是由它负责完成的。CPU采用改良的哈佛体系(不同于Von Neumann方式)和精简指令集管理(即RISC，实现单周期指令执行)，具有并行存取指令和数据的能力。数据的运算依赖于32x32乘法器、R-M-W ALU(读-修改-写算术逻辑单元)及32位浮点单元，数据的传递通过CPU内部总线(图中未标出)或/和存储器总线及外设总线实现。CPU中的实时JTAG单元主要用于DSC的调试和仿真。
(2)在TMS320F28x芯片中，中断管理单元提供对外设总线所挂接的外部设备瞬变事件的高速响应处理。
(3)存储器总线连接CPU及三类存储单元，FLASH是可编程大容量闪烁存储器，主要存放应用程序和不变数据，RAM是随机存取存储器，主要存储临时工作变量或参数，ROM为只读存储器，它存放芯片生产厂家预装的程序库。
(4)在TMS320F28x芯片中，CPU通过外部总线与PWM、ADC、QEP、CAP、GPIO、SPI、SCI、McBSP、I2C、CAN等外部设备连接，以实现多种外部设备的有效管理。这些外部设备的主要功能如下：
PWM—脉冲宽度调制器模块，这是全数字焊机实现的关键部件之一。
ADC—模/数转换器模块，在焊机中可通过模/数转换器将焊接电流、焊接电压等模拟量转化为数字量以便进行数字处理。
QEP—积分编码脉冲模块，可用于电机速度的实时测定。
CAP—捕捉单元，可用于快速信号的监控。
GPIO—通用数字输入输出，实际上就是普通的数字输入输出端口。
SPI—同步串行接口。
SCI—串行通讯接口，可应用于工业标准的RS-232、RS-422/RS-485通讯。
McBSP—多通道缓冲串行端口。
I2C—内部整合串行接口。
CAN—控制局域网接口，可用于自动化焊接组网。