维普资讯 http://www.cqvip.com 第３２卷第８期 ２ＯＯ２年８月 重珲坎 Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｖ０ｌ－３２ Ｎｏ．８ Ａｕｇ．２００２ 赚蹲 物照 德 键铘 李鹤岐；徐德进；李 芳 （甘肃工业大学，甘肃兰州７３００５０） Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｐｕｌｓｅｄ ＭＩＧ ｗｅｌｄｅｒ ＬＩ Ｈｅ—ｑｉ，ＸＵ Ｄｅ－ｊｉｎ，ＬＩ Ｆａｎｇ （Ｇａｎｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００５０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ｃｏｎｔｏｌｒ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｆｏｒ ｐｕｌｓｅｄ ＭＩＧ ｗｅｌｄｉｎｇ。ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ８０Ｃ１９６ＫＣ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｇｉｔａｌ－ｓｉｎａｌｇ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ＴＭＳ３２０ＵＣ５４０２ ａｒｅ ａｄｏｐｔｅｄ ｆｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｋｅｒｎｅｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈ ｒｅａｌｉｚｅｓ ｔｈｅ ｄｉｉｇｔｌ－ａｃｏｎｔｏｌｒ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｕｌｓｅｄ ＭＩＧ ｗｅｌｄｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｕｌｓｅｄ ＭＩＧ；８０Ｃ１９６ＫＣ；ＴＭＳ３２０ＵＣ５４０２；ｄｉｉｇｔｌａ 引言 近年来，随着计算机技术和数字化控制技术的 焊机的数字化包括２方面的内容。一是主电路 的数字化，另一个是控制电路的数字化Ｉ】１。 ７０年代出现的逆变技术不断发展，为焊机主电 路的数字化提供了条件，单片机控制的焊机中，主电 路大多采用逆变主电路形式，近１０年的发展，逆变 技术日趋成熟。微机控制脉冲ＭＩＧ焊机研究中采 用ＩＧＢＴ全桥式逆变形式的主电路，通过焊机的调 迅速发展和广泛应用，各种现代加工生产设备的性 能更加完善，功能更加丰富，智能化不断提高。在焊 接领域，逆变技术的发展和数字化控制技术的应用， 形成了由逆变主电路代替传统的主电路，由数字控 制代替模拟控制的局面。数字化控制技术与计算机 技术的结合产生了数字化焊机。目前，数字化焊机的 研究仅处于起步阶段，研究较多的还是单片微机控 制的焊机。在焊机的研究和设计中发现，单片微机控 制的焊机，虽然在信号处理部分实现了数字化，但是 试证明该电路稳定可靠，故在本方案中，主电路仍 然采用ＩＧＢＴ全桥式逆变主电路形式，不再作详细说 明圆。 ２控制电路的数字化系统结构 控制电路的数字化研究主要考虑以下原则： ａ．系统功能丰富。 既要有功能齐全的单片机，又要有高速可靠的 输入、输出接口电路和键盘显示功能。 ｂ．实时性好。 受到单片机自身处理能力的，参数设置仍然采 用模拟电路，而且在ＰＩ控制过程中实时性达不到要 求。为此，本设计从数字信号处理和焊接过程控制相 结合提出了一种数字化焊机的设计方案，为研究设 计数字化焊机奠定了基础。 １ 设计思想 收稿日期：２００２—０５—２１ 作者简介：￣０９４ｏ－），男，辽宁沈阳人，教授，博士导师， 主要从事焊接自动化、质量控制方面的研究工作。 基于逆变式主电路的数字化焊机，开关频率高， 控制系统要保证有高速的数字信号处理功能，Ａ／Ｄ、 Ｄ／Ａ转换要快速，还要有高效能的控制软件。 ｃ．友好的使用界面。 ．１． 维普资讯 http://www.cqvip.com 研究与设计 重焊墩 焊接程序，使焊机具有自适应能力。 第３２卷 焊接参数的预置要易于实现，焊接过程中要实 时显示焊接电流、电弧电压，并具有故障显示功能。 ｄ．抗干扰能力强。 由于焊机使用工况比较恶劣，因此该系统必须 有较强的可靠性设计与抗干扰对策。 ｅ．性能价格比较高。 本设计依据上述原则，建立了如图１所示的数 字化焊机的控制系统框图。这是由单片机和ＤＳＰ 组成的双机数字化控制系统。 面板的设置通过ＨＤ７２７９芯片来实现，该芯片 是串行８位ＬＥＤ数码管及６４键键盘智能控制芯 片，１片即可完成ＬＥＤ显示和键盘接口的全部功能。 ３－３送丝系统 在焊接过程中，单片机检测焊开关的状态来 决定是否给出送丝与送气的启／停信号及送丝速度 的给定值。送丝控制系统采用ＰＷＭ控制的ＤＣ—ＤＣ 斩波电路。单片机给出的送丝速度给定值通过Ｄ／Ａ 变换转换成ＰＷＭ信号的占空比来驱动ＭＯＳＦＥＴ 的导通，控制送丝速度的大小。 ３．４ 系统与ＰＣ机通讯 单片机通过Ｒ￥２３２接口与ＰＣ机建立串行通 讯，单片机的串行通讯的作用：一是焊接工艺的网 络化管理与控制，即可通过外部的ＰＣ机来给定最 佳的焊接参数。另一个是进行一元化处理，进行控制 图１ 数字化焊机控制系统框图 程序的在线升级，扩展焊机的使用范围。 ３．５ ＰＷＭ信号产生系统 ３全数字控制系统的硬件设计 基于单片机和数字信号处理器ＤＳＰ双机控制 系统的数字化焊机设计思想，保证了系统功能丰富， 焊接过程实时性好，控制精度高，适用范围广等特点。 下面就系统中的硬件设计作简要介绍。 在本设计中，为了减少ＤＳＰ与慢速外设接口需 要插入的等待状态，降低整个系统的硬件复杂性， ＰＷＭ信号采用模拟器件ＳＧ３５２５，该芯片接口简单， 具有完整的ＰＷＭ功率控制功能。在整个系统中单 片机系统作为管理事务用，它间接通过控制Ｄ／Ａ的 输出来控制ＳＧ３５２５的动作，在故障出现时及时关 断脉冲信号的输出，保护焊机。 ３．１ ８０Ｃ１９６ＫＣ单片机控制系统 单片机控制系统在整个控制系统中是主控制 系统，单片机控制系统除负责系统的总体管理外，在 控制上还负责给定参数的设置和焊接电流、电弧电 压的显示，ＰＷＭ芯片的输出和一些外围电路都是 由它来实现相应功能的控制。 ３．６数字信号处理系统ＤＳＰｔＳ．６】 数字信号处理器是在硬件、软件和指令集等方 面经过优化以适应数字处理应用的一类处理器或 数字信号处理单片机。使用ＤＳＰ设计的系统可以 按处理器使用的数目分为单处理器系统和多处理 器系统。单ＤＳＰ系统的功能不可避免地有所， 而且由于ＤＳＰ的控制功能不强大，在应用中往往不 得不把ＤＳＰ作为目标系统专门负责复杂的运算， ３．２焊接电流和电弧电压的预设与显示 在焊接过程开始前，根据工艺要求和焊工实践 经验对焊接电流和电弧电压进行预设和显示，而在 焊接开始之后，通过反馈控制使焊接电源自动达到 设定的电弧电压和焊接电流，可以简化焊工寻找合 适的焊接参数的过程，提高工作效率『３’ｄ】。 在焊接参数设置面板上设置给定的基值电流 而另外使用一个主机（ＰＣ或单片机）对整个系统的 运行实行控制。 本设计采用双机系统的控制方式，ＤＳＰ负责运 算，进行滤波和ＰＩ控制。整个系统的控制过程是这 样的：焊接之前，参数设置面板预设焊接参数，单片 机采样后送给ＤＳＰ作为初始值备份，通过ＤＳＰ计 ，ｂ、峰值电流，Ｄ、开关频率 脉冲占空比Ｄ、送丝速 度 送 ，单片机采样送给ＤＳＰ系统处理后送回单片 机，单片机根据外部状态决定是否输出给产生ＰＷＭ 信号的芯片；通过控制面板上的显示器可以在焊接 时实时显示电弧电压和焊接电流，也可以实现各种 故障显示，如过电流、过电压、过热等，还通过简单 合理的焊丝种类和直径，在控制面板上选择不同的 ．算给出平均电流，送给单片机显示及输出给Ｄ／Ａ芯 片转换后送给ＳＧ３５２５，产生ＰＷＭ信号，主电路导 通，单片机检测焊机按钮状态，进行焊接控制。在焊 接中，焊接电流、电弧电压采用霍尔元件进行检测 ２． 维普资讯 http://www.cqvip.com 研究与设计 李鹤岐等：脉冲ＭＩＧ焊机数字化控制设计 第８期 和隔离，给Ａ／Ｄ芯片采样变换后送给ＤＳＰ系统，经 过滤波和ＰＩ运算，得出ＰＷＭ信号值，与单片机通 讯，单片机又进行显示和输出该值给Ｄ／Ａ芯片经转 换后送给ＳＧ３５２５，产生ＰＷＭ信号，控制主电路的 导通。在焊接中，单片机不断地检测故障信号和焊机 的控制按钮，一旦出现故障或停止焊接状态，及时 控制ＤＳＰ系统和ＰＷＭ信号的输出，保护焊机。 从以上分析的整个控制系统的工作过程可见， 本设计的关键是单片机系统与ＤＳＰ系统的通讯， 因为只有可靠地进行通信传递数据，才能有效地进 行实时控制。本设计中采用ＴＩ的ＴＭＳ３２０ＵＣ５４０２芯 片作为ＤＳＰ系统的主控芯片，对它进行最小化应用 设计，以满足整个数字化控制系统的功能。 图２ ＨＰＩ与８０Ｃ１９６ＫＣ接口连接 据的交换。 ｃ．ＨＡＳ、ＨＤＳ１、ＨＤＳ２、ＨＣＳ为第二类控制信号 锁存沿产生线。有２种锁存方式，一种是由—ＨＡ—Ｓ（ｔ 机的地址锁存允许信号）的下降沿锁存各第二类控 ３．７ Ａ／Ｄ控制 Ａ／Ｄ转换器负责将外部模拟信号变换成ＤＳＰ 可处理的数字量，是ＤＳＰ进行处理的基础，在系统 中具有十分重要的地位。本设计采用的是４通道１２ 位同步采集Ａ／Ｄ转换芯片ＡＤ７８７４，它采用ＬＣ ＭＯＳ 技术，内置４路采样保持及３ Ｖ参考电源，其输入 范围可以是５ Ｖ或是１Ｏ Ｖ，采用同时采样，分时转 换的技术。每一路Ａ／Ｄ转换需８ ，４通道需要３２ ， 加上其他一些时间支出，综合考虑起来，其每一路的 采样频率达到２９ ｋＨｚ，满足开关频率的需要。 ＡＤ７８７４与ＤＳＰ接口简单，简化了电路的复杂性。 制信号；另一种是由３者共同完成，ＨＣＳ为ＨＰＩ的 选通信号，其后ＨＤＳ１，ＨＤＳ２中的任何一个的下降 沿锁存各第二类控制信号。本设计采用第１种方式， 因为８０Ｃ１９６ＫＣ的数据线和地址线复用，用ＡＬＥ信 号分离地址线和数据线。 ｄ．其他。ＨＰＩＮＡ为ＨＰＩ允许线，若系统中选用 ＨＰＩ，该信号线必须接高电平，若不选用ＨＨ则把该 引脚悬空。ＨＩＮＴ为ＤＳＰ向主机发出中断申请的引 脚。本设计中，ＨＩＮＴ与Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ相接是为了让主机 对ＤＳＰ系统的控制，当ＤＳＰ系统信号处理完，则向 主机提出中断申请，进行通讯交换数据。 ３．８ 单片机与ＤＳＰ的通信接口［７，８１ 单片机与ＤＳＰ通信的传统方式采用ＤＭＡ（直接 存储器存取）或全局存储器，完成多机系统中的数 据共享，但在ＤＭＡ方式下，读写共享存储器必须要 ４控制系统软件结构 基于８０Ｃ１９６ＫＣ单片机和ＴＳ３２０ＵＣ５４０２ ＤＳＰ 构成的双机系统控制系统，系统的软件结构包括 ８０Ｃ１９６ＫＣ单片机系统控制软件和ＴＭＳ３２ＯＵＣ５４Ｏ２ 求另一个处理器处于停止工作状态，实时性不高。为 了解决该问题，德州公司在ＴＭＳ３２０Ｃ５４Ｘ系列中使 用了 主机接口。删主机接口是在高性能的ＤＳＰ 上配置的与主机进行通信的片内外设，实际上它是 一ＤＳＰ信号处理软件。两者的关系是８０Ｃ１９６ＫＣ单片 机系统软件中调用ＴＭＳ３２０ＵＣ５４０２ ＤＳＰ信号处理 程序处理的结果，而ＤＳＰ系统受单片机控制系统软 件的监控。 个８Ｂｉｔ的并行端口。这段公用的ＲＡＭ是一段２ ｋ 字节的双口ＲＡＭ，主机可以随时当作它的外设来访 问，ＤＳＰ访问这段ＲＡＭ和其他ＲＡＭ一样，当它们 同时访问同一地址时，主机优先。 本设计使用的主机是Ｉｎｔｅｌ ８０Ｃ１９６ＫＣ，它是１６ 单片机程序包括主程序和中断服务子程序，其 中主程序控制焊机正常工作全过程，中断服务程序 用于处理过电流、过热、欠／过压故障及与ＤＳＰ通讯 位微机，８位数据总线，ＡＬＥ作为地址所能信号线。 它与ＴＭＳ３２ＯＵＣ５４ｏ２接口联结如图２所示。 交换数据；ＤＳＰ信号处理程序包括主程序、时钟中断 程序和ＩＮＴＯ中断服务程序，其中主程序完成系统 的初始化，初始化完成后ＴＭＳ３２ＯＵＣ５４Ｏ２系统根据 主机的需要调用相应的处理程序，定时器中断服务 由图２可见，ＨＰＩ的引脚可分为以下４类： ａ．ＨＤｏ－ＨＤ，为８根数据线。本方案直接挂在主 机的数据线上。 ｂ．ＨＣＮＴ１０，ＨＣＮＴＬｌ，ＨＢＩＬ，ＨＲ／Ｗ，为操作控制 子程序完成Ａ／Ｄ转换的启动及采样，外部中断服务 子程序主要完成故障检测保护系统。程序框图如 图３、图４、图５所示。 ． ． 线。本方案中控制信号线分别接Ａ Ａ，，控制通信数 维普资讯 http://www.cqvip.com 究与设计 雹珲钗 第３２卷 响应中断 ● 保护现场 Ｉ 启取Ａ／Ｄ转换 Ｉ 获取Ａ／Ｄ采样值 Ｉ 置采样标志 ● 恢复现场 ● 中断返回 ａ主程序 ｂ采样子程序流程图 图３焊机工作主程序流程图 过电流中断 Ｉ 断开Ｋ，， 关闭主电路 Ｉ 关闭ＳＧ３５２５ 的脉冲输出 Ｉ 关闭ＭＡＸ５３０ 的输出 Ｉ ｃ外部中断子程序流程图 发送故障标志 图５ ＤＳＰ系统程序流程图 给ＤＳＰ 参考文献： ● ［１】刘嘉，卢振洋，殷树言，等．电焊机的数字化［Ｊ】．焊接 闪烁显示 学报，２００２，２３（１）：８８—９２． ● ［２】李鹤岐，郝伟，徐德进．微机控制脉冲ＭＩＧ焊机的 过电流 研制［Ｊ】．甘肃工业大学学报，２００２，２８（２）：４２—４３． 指示灯亮 ［３】赵举东，孙 栋，赵家瑞．全数字控制机器人用ＩＧＢＴ Ｉ 逆变弧焊电源的研究［Ｊ】．电焊机，１９９７，２７（２）：１２—１７． 等待手动复位 ［４】朱志明，于松涛，吴文楷．逆变式ＣＯ：气体保护焊机的 ａ ｂ 数字化控制技术［Ｊ】．焊机技术，２００２，３０（１２）增刊：２１—２６． 图４单片机中断服务程序流程图 ［５】戴明桢，周建江．ＴＭＳ３２０Ｃ５４ｘ ＤＳＰ结构、原理及应用［Ｍ】． 北京：北京航空航天大学出版社，２０ｏ１．６７—７２． ５ 结束语 ［６】王念旭．ＤＳＰ基础与应用系统设计 】．北京：北京航空 本设计涉及了整个数字化焊机全部控制系统， 航天大学出版社，２０ｏ１． 由于控制系统中包括有Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ，构成了一个闭 ［７】施 锐，吴 琼．一种ＤＳＰ芯片内的集成主机接口一 环系统，其内部传递的都是数字量，数字信号由ＤＳＰ ＴＭＳＣ３２０系列ＨＰＩ实用介绍［Ｊ】．电声技术．１９９９，（１）：４８＿５０． 处理，经明，该系统实时性很高，控制质量 ［８】杨祖华，黄佩伟，曹广益．多处理器系统中ＨＰＩ设计与 好，为数字化焊机的研究设计奠定了基础。 应用［Ｊ】．微型电脑应用，２００１，１７（９）：３７—３８． ．４・
