数字高频逆变焊机控制器的研制

摘要

焊接技术在现代工业中应用广泛。焊接过程具有非线性、时变和不确定性的特点，传统的模拟控制很难在控制精度、速度和稳定性上满足现代焊接控制的要求。随着焊接技术、控制技术和计算机技术的发展，对数字化焊接系统的研究已经成为热点。本文在对国内外焊接设备发展现状调研的基础上，引入了基于数字信号处理器的数字化控制技术，开展了数字化逆变焊机控制系统的研究工作。
　　 本文介绍了数字化焊机的概念，提出了数字化逆变焊机控制系统的控制框架，设计了基于TMS320LF2407A型DSP的弧焊焊机的数字化控制系统及人机界面。在硬件上，本文详细描述了DSP控制系统各部分硬件电路的设计，包括DSP最小系统电路、通讯电路、驱动电路、保护电路、电压电流采样调理电路以及人机交互界面的硬件设计，为弧焊的数字化控制提供了硬件平台。在硬件设计制作时充分考虑了焊机的抗干扰性能，详细分析了焊机干扰类型以及传输方式，针对不同的焊机部分设计了相应的抗干扰方式。在控制策略上，将数字PID控制方法和专家系统技术相结合，设计了一种专家PID控制器，将智能控制引入到数字化焊机控制系统中。通过对输出电流和电弧电压的实时采样，经过专家PID处理后，改变DSP输出的PWM信号，控制焊机的输出特性。在软件上，本文引入了μC/OS-Ⅱ嵌入式实时操作系统，构建了实时多任务平台，保持了系统的可扩展性，方便后续的升级更新。本文详细介绍了μC/OS-Ⅱ在TMS320LF2407A控制系统中的移植过程，针对焊机控制，设计了三个任务。其中，一个任务实现了焊接过程控制的功能，另一个任务实现了焊机数据通讯的功能，最后一个任务实现了菜单化人机交互界面功能。同时在软件抗干扰设计上也做了研究工作。
　　 本文对所设计的数字化弧焊控制系统进行软硬件调试，通过实验方法验证了控制系统对焊机的数字化控制，并利用MATLAB仿真软件对专家PID控制器的控制效果进行仿真，控制效果令人满意。通过现场试焊对比证明应用数字化焊机控制系统能明显改善焊接效果。
　　 最后，在对本文做简要总结的基础上，对于本逆变焊机控制系统的进一步完善工作提出了建议，为数字化焊机控制系统今后更加深入的研究奠定了良好的基础。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 数字化焊机

1.2.1 控制电路的数字化

1.2.2 人机界面的数字化

1.3 国内外研究状况

1.4 本课题主要研究的内容

第2章 焊接专家系统

2.1 专家系统

2.1.1 专家系统的一般结构

2.1.2 专家系统的知识表示方法

2.1.3 专家系统的推理机制

2.2 专家控制器

2.3 专家PID控制器

2.3.1 PID控制器

2.3.2 专家PID控制器的设计

第3章 硬件系统设计

3.1 系统总体方案设计

3.2 DSP系统硬件设计

3.2.1 数字信号处理器的选择

3.2.2 DSP最小系统

3.3 PWM驱动电路

3.4 保护电路

3.5 采样调理电路

3.5.12407A的ADC模块

3.5.2 采样调理电路部分

3.6 人机界面硬件设计

3.7 抗干扰硬件设计

3.7.1 焊机控制系统的干扰

3.7.2 逆变电源主机箱干扰及抗干扰措施

3.7.3 I/O通道干扰及抗干扰措施

3.7.4 PCB抗干扰措施

第4章 系统软件设计

4.1 开发工具和软件

4.2 软件系统的总体设计

4.3 嵌入式实时操作系统及μC/OS-Ⅱ介绍

4.4 μC/OS-Ⅱ的移植

4.4.1 OS CPU.H的移植

4.4.2 OS CPU C.C的移植

4.4.3 OS CPU.ASM的移植

4.5 基于μC/OS-Ⅱ的焊机

4.5.1 焊接主任务的设计

4.5.2 通讯任务设计

4.5.3 人机界面软件设计

4.6 抗干扰软件设计

4.6.1 数字滤波

4.6.2 开关量输入输出抗干扰

4.6.3 指令冗余

4.6.4 软件陷阱

第5章 系统调试和完善意见

5.1 试验设备和方法

5.2 脱机调试

5.2.1 EXB841驱动测试

5.2.2 专家PID仿真

5.2.3 焊接实际效果图

5.3 系统评价及完善意见

第6章 结论

致谢

参考文献