基于 DSP 的脉冲 MIG 焊控制系统

1万 · 2021-1-7 13:53

数字化脉冲 MIG 焊机是将数字信号处理技术和与传统的 MIG 焊弧焊工艺相
结合所设计研发的智能化新型焊机。由于运用了数字信号处理技术，数字化脉冲
MIG 焊接电源较传统的焊接电源来说其功能更加强大，控制精度更高，控制参数
稳定性更好，性能更加稳定，工艺稳定性和工艺效果更好。近年来随着对焊接产
品要求的提高，这种新型焊机已逐渐替代传统弧焊电源被广泛的应用于工业生产
中。本文在总结了国内外数字化脉冲 MIG 焊接电源的基础上，设计了数字式一元
化脉冲 MIG 焊机的数字化控制系统。本文设计的数字控制系统以 DSP 为核心、
DSP+MCU 双核控制，包括硬件电路及软件编程系统，通过软硬件的结合控制以
达到对焊机输出特性的控制，实现焊机的精密控制。本文设计双核控制系统，DSP
作为主控芯片，主要负责焊接过程中的参数数据采样、数字 PWM 信号输出、实
现控制算法以及控制电源系统的输出特性；MCU 作为人机交互系统，主要负责焊
接参数预置、双机数据通信、电源状态监测等。

1万 · 2021-1-7 13:56

首先，本文介绍了数字控制系统的硬件组成电路，主要包括 DSP+MCU 双核
控制系统、IGBT 驱动系统以及送丝送气系统。DSP+MCU 双核控制系统包括 DSP
控制系统和单片机人机交互系统，其中 DSP 控制系统以芯片 TMS320F2812 为控
制核心，负责整个焊接过程控制，其硬件电路包括 DSP 最小系统、电流电压采样
电路、故障保护电路等；单片机 STC89C58RD+作为人机交互系统的主控芯片，主
要负责焊接参数的预置，硬件电路由参数选择电路、MAX7219 显示电路、编码器
调节电路以及通信电路等组成。驱动系统设计以光耦 HCPL-316J 为核心的数字驱
动电路，主要负责对 DSP 输出 PWM 信号进行放大输出符合要求的驱动波形，控
制全桥 IGBT 的导通，并使主电路与控制电路隔离，控制焊机输出。
其次，对控制系统软件编程做了介绍。软件程序主要包括 DSP 程序和 MCU
程序，均采用模块化 C 语言编程，分别给出了对应的主程序及各个子程序的程序
流程图。其中，DSP 程序负责控制焊机输出，控制程序包括 DSP 主程序、PWM
信号输出程序、PI 控制子程序、A/D 转换程序、弧长控制子程序、脉冲输出控制
程序以及中断服务程序的设计；MCU 负责参数预置，控制软件程序包括 MCU 主
程序、编码器鉴相程序、掉电保存程序、一元化焊接参数数据库存储程序及双机
通信协议的设定。
最后，根据设计要求制作了控制系统硬件电路，编写了软件程序，并分别对
各个模块进行了单独调试，包括人机交互系统调试、数字 PWM 测试、保护电路
测试以及驱动波形的测试。单独测得各个模块信号无误后，组装样机，对样机进
行了调试，包括空载电压测试、采样电路调试、PI 参数整定、外特性测试及焊机
脉冲输出测试，测试焊机各项输出参数。

1万 · 2021-1-7 13:57

脉冲 MIG 焊（Pulsed Metal Inert Gas Welding）工艺优点：焊接电流调节范围宽、
轴向性好、全位置焊接、热输入可调、容易实现射滴过渡、焊缝成形好、高质量的接头
性能等。脉冲 MIG 焊接的出现，大大的促进了高质量、高效率焊接技术的发展，因此
受到了各国焊接工作者的高度重视，尤其是焊接过程中电弧的稳定性和焊接产品质量的
稳定性成为国内外学者关心的热点[
3]。随着对焊接生产效率、焊接产品质量、焊接生产
的自动化和智能化要求的不断提高，人类已不再满足于传统模拟电路控制的脉冲 MIG
焊机，出现了数字化控制的脉冲 MIG 焊机。数字化焊机作为高效焊接和焊接自动化智
能化的基础，将数字信号处理技术与弧焊工艺相结合，引起了各方学者的高度关注[4]。
连续的物理变量通过一定的规则用二进制数 0、1 进行编码的形式称为数字化[5~6]。
数字化焊机是指在模拟技术控制的焊机基础上，结合数字信号处理与数字控制技术，用
二进制编码的数字信号 0、1 代替模拟信号，设计研发的性能稳定、可控性好、精度高
并且具有高效化、人性化、精密化和网络化的新型弧焊机。
数字化焊机运用了数字信号处理技术，其性能更加可靠，控制方法灵活，功能强大，
精度高，参数稳定性好；运用数字化控制技术，能够实现系统的优化管理，提高稳定性
和生产效率，且易于实现自动化，研究和发展弧焊电源的数字控制技术意义重大
[7]。另
外，数字化焊机还能实现一机多种功能，并且能实现在线控制程序升级。因此，研究数
字化焊机的技术应用，具有光明的研究前景和广阔的未来市场。

1万 · 2021-1-7 13:57

诞生于20世纪七八十年代的DSP(Digital Signal Processor)，即数字信号处理器，为数
字信号处理方法的发展在性能及成本上取得了突破性进展，目前已被广泛应用通信领域
和电机控制中，近年来在弧焊逆变电源控制中也逐渐被广泛应用。
DSP 作为一种特殊用途的微处理器，能够实现各种数字信号处理运算，其结构和指
令集以及丰富的片内外围设备使其适于控制应用。其具有下列主要结构特点[
8~9]：
（1）采用改进型哈佛（Harvard）结构，将程序和数据放在不同的存储空间，并且
可以独立访问，程序和数据总线分开，可同时取指令和操作数，加快了执行速度；
（2）支持流水线处理，在某一时刻同时对若干条指令进行不同阶段的处理，流水
线操作决定了 DSP 的指令基本上都是单周期指令，提高了 DSP 的运算速度；
（3）DSP 内部包括多个处理单元，这些处理单元均可在一个单独的指令周期内同
时执行完成各种运算任务，由于片内含有专门的硬件乘法器，可在单周期内可完成乘法
运算；
（4）DSP 具有特殊的指令结构和高级寻址方式；
（5）DSP 具有优化的事件管理器模块和外围电路模块，其芯片上集成了定时计数
器、全比较单元/PWM 单元、捕获单元、模/数转换器 ADC 模块、数字通用 I/O 口、串
行通信接口 SCI、串行外设接口 SPI、e CAN 等。
DSP自身特殊的结构决定了其性能：快速的中断处理能力、指针的逆序寻址功能；
能够用软件程序进行高性能控制；方便灵活地修改控制策略，监测故障等，这些特性将
有利于DSP在弧焊电源控制系统中的应用。DSP为实现高性能弧焊逆变电源精确控制提
供先进、可靠、高效的数字信号处理与数字化控制平台[
10]。
DSP是继单片机之后发展起来的新型数字化控制器件，其与其他数字控制器件相比
具有数据处理能力强、运算速度快、采样周期短、能实时完成复杂计算[
1]等优点。因此，
DSP已在电源控制系统中得到了广泛应用，以DSP为控制核心的数字化弧焊电源已成为
现代焊接电源的主要发展方向。

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