埋弧焊機(jī)數(shù)字化改造硬件電路設(shè)計(jì)

王清龍， 潘厚宏， 張智明

(西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 四川 成都 610031)

0 前言

目前大多數(shù)埋弧焊機(jī)無論在結(jié)構(gòu)上還是在焊機(jī)的控制模式上仍停留在以普通集成電路和分立元件為主的硬件模擬結(jié)構(gòu)上，硬件線路復(fù)雜，結(jié)構(gòu)不緊湊，各部分之間極易相互干擾，大大影響了設(shè)備的可靠運(yùn)行，很難優(yōu)化控制，越來越難以適應(yīng)復(fù)雜焊接工藝的要求.解決這一問題的關(guān)鍵在于數(shù)字化，智能化是焊機(jī)發(fā)展的一個(gè)總體趨勢[1].

隨著工業(yè)的發(fā)展，對焊機(jī)性能的要求也越來越高.為了保證焊接過程的穩(wěn)定和達(dá)到良好的焊接工藝性，就必須對焊接過程的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的提取與處理，這就要求控制系統(tǒng)有足夠的速度、反應(yīng)精度和靈敏度.DSP強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和快速運(yùn)算能力為焊接信號的實(shí)時(shí)處理提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，可使焊機(jī)迅速實(shí)現(xiàn)信息化、數(shù)字化、集成化，提高焊機(jī)的高技術(shù)含量，實(shí)現(xiàn)焊機(jī)的信息化控制.

本文針對埋弧焊機(jī)存在的問題，結(jié)合生產(chǎn)的實(shí)際需要，在MZ-1250焊機(jī)的基礎(chǔ)上，采用TI公司的TMS320F2812 DSP作為三相全控橋式晶閘管埋弧焊電源的控制核心，利用DSP的片上EV模塊實(shí)現(xiàn)了6只晶閘管的數(shù)字觸發(fā).

圖1 主電路及其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1 主電路及其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

三相全控整流電路由6只晶閘管組成，共陰極組側(cè)和共陽極組側(cè)的各3只晶閘管相互換流，在電源的一個(gè)周期內(nèi)獲得6個(gè)換流的脈動波形.三相全控橋整流電路在任何時(shí)刻都必須保證有兩個(gè)不同組別的晶閘管同時(shí)導(dǎo)通才能構(gòu)成回路，換流只在本組內(nèi)進(jìn)行，每隔120°換流一次.由于共陰極組與共陽極組的換流點(diǎn)相隔60°，所以每隔60°有一個(gè)元件換流.同組內(nèi)各晶閘管的觸發(fā)脈沖相位差為120°，接在同一相的兩個(gè)元件觸發(fā)脈沖相位差為180°，而相鄰兩脈沖的相位差是60°[2].控制電路由TMS320F2812及其外圍電路組成，根據(jù)焊接工藝要求使用陡降外特性的電源，即電源的輸出電壓隨電流上升而迅速下降，陡降外特性依靠電流反饋獲得.電弧電流經(jīng)霍爾電流傳感器采樣后，輸入信號調(diào)理電路進(jìn)行濾波隔離輸入DSP的ADC模塊，觸發(fā)脈沖的基準(zhǔn)信號由3路過零檢測電路提供，觸發(fā)脈沖由DSP的EV模塊輸出，分別觸發(fā)6只晶閘管，實(shí)現(xiàn)晶閘管的數(shù)字觸發(fā).

2 信號調(diào)理電路

2.1 電流信號檢測與調(diào)理電路

圖2 電流信號檢測與調(diào)理電路

圖2為電流信號檢測與調(diào)理電路，采樣調(diào)理電路部分仍只能采用模擬電路來實(shí)現(xiàn).CS1000CF型霍爾電流傳感器的原邊額定輸入電流為1 000 A，副邊額定輸出電壓范圍為4±1% V，其供電由調(diào)理電路板提供，供電值為±15 V(允許供電范圍±12～±15(±5%) V)[3].由于所測信號為1 000 A時(shí)副邊輸出電壓已經(jīng)超過F2812片上A/D轉(zhuǎn)換器的測量范圍(0～3 V),為了保護(hù)片上A/D，根據(jù)霍爾傳感器手冊提供參數(shù)(負(fù)載電阻≥10 kΩ)，采用兩個(gè)10 kΩ電阻在A/D轉(zhuǎn)換器采樣前端對副邊輸出電壓進(jìn)行分壓比為0.5的電阻分壓，這樣1 000 A對應(yīng)的采樣電壓就降到了2 V.從電流傳感器輸出的信號1首先經(jīng)過了由R1、C1組成的低通濾波電路，濾除高頻干擾信號，然后通過U1構(gòu)成的電壓跟隨器，實(shí)現(xiàn)了電路前后兩級的隔離.由于2812的I/O口輸入電平必須低于3 V，以防采樣電壓過高燒毀DSP芯片，因此在芯片引腳的輸入前端加了一個(gè)穩(wěn)壓管D1，使AD口輸入的電壓幅值不超過3 V，從而保證了焊接電流值與2端口輸出的電壓值形成線性映射關(guān)系.

圖3 同步電路 圖4 同步電路波形圖

2.2 同步信號的獲取及其相位關(guān)系

為保證觸發(fā)脈沖與晶閘管電源電壓之間的同步關(guān)系，需要從晶閘管電源電壓取得能反映其頻率和相位的信號[4].控制電路有3路相同的同步電路，它的作用是將同步變壓器3路互差120°的正弦波轉(zhuǎn)換為3路互差120°的鋸齒波.由于3路電路相同，故只分析其中的1路.同步變壓器的電壓輸入到101端口，輸入的同步信號Uta是正弦波，如圖3所示，Uta通過R101、C101阻容濾波電路可消除電網(wǎng)中疊加在正弦波上的毛刺，運(yùn)算放大器N1工作在開環(huán)狀態(tài)，作為零比較器用，將正弦波Uta整流成Uta′.圖中C102 與D101，R103與D102、R104組成兩套微分電路，分別對Uta′的上升沿和下降沿微分.當(dāng)Uta′上升時(shí)，二極管D101處于反壓狀態(tài)而截止，電阻R103上無電壓，則N2的反相端輸入為零，D102處于正壓狀態(tài)而導(dǎo)通，電阻R104上產(chǎn)生正脈沖，此時(shí)N2為同相放大器，輸出電壓Uta″為正脈沖.當(dāng)Uta′下降時(shí)，與前述過程正好相反，二極管D102截止，二極管D101導(dǎo)通，在R103上產(chǎn)生負(fù)脈沖，電阻R104上的電壓為零，此時(shí)N2為反相放大器，輸出電壓Uta″也為正脈沖.由于D101 D102的隔離作用，使正脈沖加在N2同相端輸入，負(fù)脈沖加在N2反相端輸入，相當(dāng)于進(jìn)行絕對值變換.結(jié)果使運(yùn)放N2的輸出為二倍頻于輸入正弦波的正脈沖信號.由于所用同步電路是原焊機(jī)的同步鋸齒波電路的一部分，而DSP的GPIO復(fù)用管腳輸入電平必須低于5 V，由電阻分壓使其脈沖峰值低于3 V,當(dāng)同步變壓器線電壓過零時(shí)就在3端口輸出一個(gè)上升沿信號到DSP的捕捉腳，即對應(yīng)于同步變壓器正弦波每次過零時(shí)產(chǎn)生一個(gè)同步上升沿脈沖信號Ut″，如圖4所示.DSP的捕獲單元捕獲到方波信號的上升沿時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生中斷請求，作為移相脈沖觸發(fā)的起點(diǎn).同步信號的采集可以通過兩種方式即單相同步方式和三相同步方式.三相同步方式雖然增大了硬件開銷，增加了軟件的復(fù)雜性，但是防止了丟失一個(gè)同步信號而造成整個(gè)周期無脈沖輸出的情況發(fā)生，大大提高了系統(tǒng)的可靠性，因此本文采用的是三相同步方式.

主電路變壓器原邊及同步變壓器為星形接法，次邊變壓器為三角形接法.由相位關(guān)系推知，當(dāng)同步變壓器線電壓過零時(shí)，正好對應(yīng)著次邊相電壓的自然換相點(diǎn).為簡化編程的復(fù)雜性，原焊機(jī)的雙窄脈沖觸發(fā)改為寬脈沖觸發(fā)，相應(yīng)的主電路晶閘管連接也配合做了改動.

3 脈沖輸出及隔離驅(qū)動

3.1 隔離驅(qū)動

圖5為驅(qū)動隔離電路，由于數(shù)字化電源是一個(gè)十分復(fù)雜的模擬/數(shù)字、高壓/低壓、高頻/低頻的混合電路，而且弧焊電源的工作環(huán)境十分復(fù)雜，工況較為惡劣，各種干擾很多，此干擾對控制系統(tǒng)的性能與穩(wěn)定有很大的影響，所以在采集信號處采用霍爾器件實(shí)現(xiàn)主電路與控制電路的電器隔離，在控制電路板與調(diào)理電路板、觸發(fā)電路與主電路之間采用光耦隔離.

圖5 驅(qū)動隔離電路

傳統(tǒng)的隔離驅(qū)動方法是脈沖變壓器隔離，采用脈沖變壓器雖然電路簡單，但是脈沖變壓器能量集中在脈沖前沿，適合應(yīng)用于雙窄脈沖的耦合隔離而不適合于寬脈沖的耦合隔離，故本設(shè)計(jì)中采用了光電耦合隔離.由DSP發(fā)出的觸發(fā)脈沖一般為TTL電平的，不能直接驅(qū)動晶閘管，因此需要對觸發(fā)脈沖進(jìn)行隔離、變換和放大.本文的系統(tǒng)采用的是三相全控橋式整流電路，有3個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的脈沖功率放大線路，每組脈沖放大電路原理圖如圖5所示.由于輸入輸出邏輯關(guān)系相反，故在后續(xù)電路中需要加反相器，以保證邏輯關(guān)系一致.光電隔離器中的發(fā)光二極管所需的工作電流一般為10～15 mA，難以直接驅(qū)動它，TMS320F2812的I/O口高電平最大能提供-4 mA的拉電流，低電平最大能提供4 mA的灌電流[5]，故在6N137光耦的前端應(yīng)加相應(yīng)的驅(qū)動電路，驅(qū)動電路采用的是六同相緩沖器CD4050，CD4050能提供典型值高電平-8 mA的拉電流和低電平48 mA的灌電流，這樣就保證了后級的光耦能正常工作，并保證了邏輯關(guān)系一致及其驅(qū)動能力.因?yàn)橛|發(fā)信號與控制電路采用了光耦作為電氣隔離，光耦隔離后的信號不能提供足夠大的門極觸發(fā)電流，為了保證觸發(fā)信號能正確觸發(fā)晶閘管，觸發(fā)方式為先觸發(fā)一個(gè)小功率晶閘管(CR02AM-8A)，該小功率晶閘管觸發(fā)后提供符合主回路晶閘管觸發(fā)要求的控制信號，以觸發(fā)主回路上的晶閘管.

3.2 脈沖輸出

DSP開總中斷，使3路捕捉中斷，每隔3.3 ms就會響應(yīng)一次中斷.根據(jù)捕捉的不同中斷啟動相應(yīng)的定時(shí)器開始計(jì)數(shù)，以大于60°脈寬(實(shí)際編程時(shí)取80°)觸發(fā)對應(yīng)的晶閘管，實(shí)現(xiàn)晶閘管的數(shù)字觸發(fā)，從而獲得陡降外特性.圖中4端口是由T1PWM-T3PWM輸出的寬脈沖，經(jīng)過隔離驅(qū)動放大后觸發(fā)對應(yīng)的晶閘管.

4 結(jié)束語

以DSP為核心的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了埋弧焊電源控制電路由模擬式到數(shù)字化的真正轉(zhuǎn)變，而DSP優(yōu)異的性能將在弧焊電源數(shù)字化控制系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景和優(yōu)勢.整個(gè)系統(tǒng)具有復(fù)雜度低、集成化程度高、生產(chǎn)調(diào)試容易的特點(diǎn)，響應(yīng)時(shí)間快，實(shí)時(shí)性好，通過改動程序可以適應(yīng)不同的外特性電源，控制策略靈活，具有良好的通用性.

[1]劉 嘉,殷樹言,丁京柱.數(shù)字化焊機(jī)及其特點(diǎn)[J].電焊機(jī)，2001,31(6):8-10.

[2]殷樹言,耿 正,剛 鐵.晶閘管整流弧焊機(jī)的設(shè)計(jì)與調(diào)試[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1997:99-101.

[3]李翰麟.基于DSP的埋弧焊電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].成都：西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文,2009:57-58.

[4]杜海江,石新春.相序相位自適應(yīng)相控整流器原理分析及實(shí)現(xiàn)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2005, (2):105-109.

[5]Texas Instruments Incorporated著，張衛(wèi)寧譯. TMS320C28x系列DSP的CPU與外設(shè)(上)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2004:5-6.