基于ARM的全数字化多功能焊接电源的研究

摘要

随着弧焊电源研究和应用的不断深入和发展，弧焊电源的柔性化和精确化得到高度重视。在这种背景下，多功能全数字化弧焊电源成为焊接科研工作者研究的热点，受到了焊接界高度关注。与普通模拟电路控制和单片机控制的弧焊电源不同，多功能全数字化弧焊电源的最大特点是控制电路广泛采用数字控制，在高速响应的硬件和软件基础上实现多种材料、多种工艺形式的焊接，尤其是在不锈钢、钛合会等高性能材料的精密化焊接工艺控制方面，具有常规弧焊电源所不能比拟的优越性。
　　 本文采用先进的ARM微控制器，研制出全数字化控制的多功能逆变焊接电源，实现了输出波形的柔性控制，能满足多种焊接工艺要求。论文研究工作包括多功能焊接电源硬件设计、软件设计、系统仿真模型分析及样机实验验证和波形分析。
　　 首先，论文根据焊接工艺的要求，对多功能焊接电源主电路的拓扑结构进行分析，采用IGBT全桥逆变式结构，并对主电路关键部件的参数进行了设计，包括输入整流滤波电路、高频变压器、输出整流滤波电路；在此基础上，根据焊接电弧的特点，从精密控制电弧能量的角度出发，建立了桥式弧焊逆变器的系统动态模型、电源·电弧动态模型，并利用MATLAB进行了仿真，获得了不同电弧状态下的输出波形。
　　 其次，根据全数字化控制对微处理器运算能力和功能的要求，选择型号为LPC2134的ARM7芯片作为控制核心，设计了相应的采样电路、辅助电源电路、保护电路。由于焊接过程需要使用高频高压引弧，为提高系统稳定性和可靠性，进行了系统抗干扰设计。同时，设计了完整的可实现手工焊、直流TIG焊和脉冲TIG焊的多功能数字化系统，建立了基于ARM的全数字化控制平台。
　　 利用REALVIEW MDK开发环境，在ARM全数字化控制平台的基础上，设计控制系统的软件程序，包括主程序、PI控制程序、初始化程序、中断服务程序及抗干扰措施等。详细地设计了手工焊、直流TIG焊和脉冲TIG焊工艺控制程序，建立了完整的软件控制系统。
　　 最后，在主电路参数设计及控制系统的软硬件设计的基础上，搭建了样机，采集了电路实验波形，进行了波形分析。结果表明系统输出波形平稳，静、动态特性均满足要求。本文为ARM控制器在全数字化多功能焊接电源中的应用及进一步研究奠定了基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 数字化弧焊电源国内外研究现状

1.2 数字化弧焊电源的现状分析

1.3 本课题研究意义

1.4 本课题研究内容

第二章 多功能焊接电源主电路参数设计

2.1 主电路拓扑选择

2.2 主电路参数设计

2.2.1 输入整流滤波电路参数设计

2.2.2 逆变电路参数设计

2.2.3 高频变压器设计

2.2.4 输出整流滤波电路参数设计

2.3 本章小结

第三章 基于 MATLAB 的弧焊逆变电源仿真模型与分析

3.1 系统动态模型的建立

3.1.1 电弧长度变化仿真模型

3.1.2 电弧动态负载仿真模型

3.1.3 逆变电源-电弧系统模型

3.1.4 仿真电路模型

3.2 焊接电源仿真实验分析

3.2.1 手工焊仿真实验

3.2.2 TIG焊仿真实验

3.2.3 脉冲TIG焊仿真实验

3.3 本章小结

第四章 数字控制系统硬件设计

4.1 控制系统的总体设计

4.2 ARM 芯片(LPC2134)介绍

4.3 ARM 处理器控制系统硬件设计

4.3.1 A/D转换模块

4.3.2 IGBT 驱动电路

4.3.3 电流电压采样电路

4.3.4 保护电路

4.3.5 控制系统中的硬件抗干扰设计

4.4 本章小结

第五章 电源控制系统软件设计

5.1 ARM 软件开发环境及仿真器

5.1.1 ARM软件开发集成环境 RealView MDK简介

5.1.2 uVision 3的主要特征

5.1.3 RealView 编译工具集

5.1.4 uVision3 调试器

5.2 控制系统的软件设计

5.2.1 恒流PI控制算法设计

5.2.2 主程序设计

5.2.3 初始化程序设计

5.2.4 中断服务程序设计

5.2.5 脉冲TIG焊控制程序设计

5.2.6 直流TIG焊控制程序设计

5.2.7 手工焊控制程序设计

5.2.8 软件抗干扰设计

5.3 本章小结

第六章 全数字化多功能焊接电源实验与分析

6.1 实验仪器设备

6.2 工作波形测试

6.2.1 开关管驱动波形及两端电压波形

6.2.2 高频变压器波形测试

6.2.3 输出整流二极管电压波形

6.2.4 三种不同焊接方式的电流波形

6.2.5 数字PI调节波形及分析

6.3 TIG焊工艺实验

6.4 电源外特性测试

6.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的论文

致 谢