弧焊系統(tǒng)直流電機(jī)運(yùn)行參數(shù)的數(shù)字顯示

鄭會軍，游霞

(攀枝花學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，四川攀枝花617000)

弧焊系統(tǒng)直流電機(jī)運(yùn)行參數(shù)的數(shù)字顯示

鄭會軍，游霞

(攀枝花學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，四川攀枝花617000)

目前在弧焊系統(tǒng)中直流電機(jī)的運(yùn)行情況還處于無監(jiān)控狀態(tài)，針對這一情況，分析了弧焊系統(tǒng)中行走電機(jī)和送絲電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)。充分利用DSP芯片的高速運(yùn)算功能和多功能的外圍接口，通過DSP與MCU及CAN總線實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集、傳輸和顯示。介紹CAN總線的工作原理及其實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電機(jī)運(yùn)行參數(shù)的顯示。

弧焊系統(tǒng)；直流電機(jī)；DSP；CAN總線

0 前言

由于直流電機(jī)具有良好的起、制動性能，能大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，因而在弧焊系統(tǒng)中行走電機(jī)和送絲電機(jī)大多采用直流電機(jī)。隨著智能焊接系統(tǒng)的發(fā)展，為了達(dá)到焊接系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，直流電機(jī)調(diào)速控制大多采用帶通信接口的，即RS232或RS485串行總線，RS－232傳送距離小于RS－485(RS－232傳輸距離在15m以內(nèi)，RS－485傳輸距離在1200m)，由于RS232或RS485各自存在優(yōu)缺點(diǎn)，不適宜多組數(shù)據(jù)通信工控系統(tǒng)中。

在工業(yè)控制系統(tǒng)中，CAN總線的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛。而CAN控制網(wǎng)絡(luò)工作于多主方式，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán)(取決于報(bào)文標(biāo)識符)采用無損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁的方式競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，且CAN協(xié)議廢除了站地址編碼，采用對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，這些特點(diǎn)使得CAN總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信適時(shí)性強(qiáng)，并且容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性和靈活性。本研究將采用CAN總線實(shí)現(xiàn)弧焊系統(tǒng)直流電機(jī)的控制及其參數(shù)的顯示，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)界面，從而使操作人員可以隨時(shí)掌握電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)[1－5]。

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用主芯片DSP作為中央處理器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制的主電路PWM控制和軟件實(shí)現(xiàn)。電機(jī)控制框圖如圖1所示。

圖1中，直流電機(jī)的主電路控制用IPM實(shí)現(xiàn)，在工程應(yīng)用中大多采用四個IGBT開關(guān)管組成全橋電路控制直流電機(jī)的電樞電壓，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。控制電路主要是采集電機(jī)運(yùn)行的電壓、電流和轉(zhuǎn)速參數(shù)來控制開關(guān)管的PWM驅(qū)動信號，另外將當(dāng)前的采集信號通過CAN總線傳輸?shù)饺藱C(jī)界面顯示電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。設(shè)計(jì)電路包括：TMS320F2812 DSP、采樣電路、鍵盤電路、LCD顯示電路、PWM驅(qū)動電路、CAN總線。在編制程序時(shí)，電機(jī)的正反轉(zhuǎn)要經(jīng)過比較電路判斷正負(fù)，電壓信號為正時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，為負(fù)時(shí)反轉(zhuǎn)。

圖1 電機(jī)控制框圖

2 數(shù)據(jù)通信

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信由直流電機(jī)、直流電機(jī)調(diào)速電路、CAN總線通信模塊、CAN總線、顯示等組成，如圖2所示。其中，直流電機(jī)調(diào)速部分是通過PWM控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，電機(jī)的電壓、電流和轉(zhuǎn)速通過DSP處理后發(fā)送到CAN總線通信控制板上，CAN總線主要是接收由采集電路發(fā)送的電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)。通過CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)送給顯示模塊對各直流電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，操作人員可隨時(shí)了解電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及處理故障信號[2]。

實(shí)際上，送絲電機(jī)和行走電機(jī)就是數(shù)據(jù)通信中的一個節(jié)點(diǎn)，其在運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)經(jīng)DSP采集后發(fā)送到CAN總線通信控制板，然后傳輸?shù)紺AN總線上。每臺電機(jī)都有自己的通信網(wǎng)絡(luò)ID，CAN適配器接收所有發(fā)送到CAN總線上的數(shù)據(jù)，接收到數(shù)據(jù)后再經(jīng)報(bào)文濾波器檢測網(wǎng)絡(luò)ID，判斷是不是所需要的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報(bào)文，如果是則經(jīng)過串口發(fā)送到上顯示器。這樣就可以實(shí)現(xiàn)顯示器與對兩臺電機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

CAN總線適配器由DSP與上位機(jī)通信的協(xié)調(diào)工作，根據(jù)需要對DSP的寄存器進(jìn)行讀寫操作，實(shí)現(xiàn)初始化和數(shù)據(jù)采集。CAN總線適配器上電復(fù)位和初始化后，等待命令和數(shù)據(jù)，當(dāng)命令或數(shù)據(jù)送給CAN的寄存器并置位標(biāo)志位，即完成一次通信，然后取出數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理。與CAN適配器間的通信有查詢和中斷兩種方式。若使用中斷方式，可用DSP中斷寄存器來識別中斷源，完成與CAN適配器間的通信。

CAN總線以半雙工的方式工作，一個節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息，多個節(jié)點(diǎn)接收信息。CAN總線采用一種稱作廣播式的存取工作方式。信息可以在任何時(shí)候由任何節(jié)點(diǎn)發(fā)送到空閑的總線上，并被其他所有節(jié)點(diǎn)接收、判斷后，決定是否使用這個信息。由于每個節(jié)點(diǎn)的CAN總線接口必須接收總線上出現(xiàn)的所有消息，因此需要設(shè)置一個接收寄存器。先接收消息，再根據(jù)接收的消息標(biāo)識符決定是否需要讀取消息包中的數(shù)據(jù)。同時(shí)為了避免不必要的頻繁中斷節(jié)點(diǎn)所在的主機(jī)來判斷處理每一個總線上的信息，需要設(shè)置一個屏蔽寄存器來濾掉那些所在節(jié)點(diǎn)設(shè)備不需要的信息[2－7]。

圖2 CAN總線網(wǎng)絡(luò)

3 調(diào)試結(jié)果

在初次調(diào)試時(shí)，首先要測試CAN總線適配器與顯示器之間的數(shù)據(jù)能否實(shí)現(xiàn)傳輸，它們是通過串口實(shí)現(xiàn)傳輸。打開串口調(diào)試工具，由適配器向串口發(fā)送數(shù)據(jù)，如果串口調(diào)試工具可以接收到數(shù)據(jù)，說明數(shù)據(jù)通信正常。然后調(diào)試兩個CAN節(jié)點(diǎn)，設(shè)置一個節(jié)點(diǎn)為發(fā)送端，另一節(jié)點(diǎn)為接收端，取消報(bào)文濾波器，如果能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)和送接收任務(wù)，則通信線路和數(shù)據(jù)傳輸正常。

在本設(shè)計(jì)中采用CAN總線傳輸電機(jī)的各種運(yùn)行參數(shù)(給定速度、反饋速度、反饋電流、電樞電壓)。運(yùn)行狀態(tài)由DSP自帶的A／D轉(zhuǎn)換模塊經(jīng)采樣所得。DSP的A／D采樣器精度為12位，所以經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)值是一個12位的二進(jìn)制數(shù)，對其前端補(bǔ)零轉(zhuǎn)換成16位數(shù)據(jù)經(jīng)串口直接發(fā)送給處理器。由于傳輸距離近，不需要經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換就可直接發(fā)送。而電機(jī)的故障狀態(tài)則由0、1表示，0代表沒有故障，1代表電機(jī)出現(xiàn)故障。當(dāng)然電機(jī)的故障有包括過電壓、過電流、失磁、欠電壓等情況，只要出現(xiàn)上述任意一種情況故障狀態(tài)就會變?yōu)?，這就由電機(jī)故障傳輸?shù)木幊虒?shí)現(xiàn)。

眾所周知，要實(shí)現(xiàn)DSP與MCU以及CAN總線的通信，必須要制定一個通信協(xié)議，否則雙方傳輸和接收的就是亂碼，協(xié)議設(shè)定每個要傳輸?shù)膮?shù)一個控制地址。CAN總線通信控制協(xié)議如表1所示。

表1 CAN總線控制協(xié)議

CAN總線每次可以發(fā)送8個字節(jié)，每個字節(jié)8位，所以給定速度、反饋速度、反饋電流和電樞電壓這四組運(yùn)行參數(shù)需要占據(jù)兩個字節(jié)，而故障狀態(tài)只需占據(jù)一個字節(jié)。CAN總線數(shù)據(jù)幀的第一個字節(jié)存放控制地址，第二、三個字節(jié)存放數(shù)據(jù)。其中，第二字節(jié)存高地址，第三字節(jié)存低地址。如果發(fā)送的是故障狀態(tài)則只有第二個字節(jié)是傳輸數(shù)據(jù)。CAN總線每次只發(fā)送一種運(yùn)行參數(shù)，其中給定速度、反饋速度、反饋電流、電樞電壓依次輪流發(fā)送。而故障狀態(tài)在程序中設(shè)置為優(yōu)先級最高，當(dāng)有故障出現(xiàn)時(shí)則優(yōu)先發(fā)送，正常狀態(tài)下不發(fā)送。

顯示器在讀取接收到的數(shù)據(jù)時(shí)，首先確認(rèn)發(fā)送數(shù)據(jù)的消息標(biāo)識符，確定是否為需要的數(shù)據(jù)。然后讀取第一位數(shù)據(jù)即控制地址，由控制地址判斷出傳輸?shù)氖悄姆N運(yùn)行參數(shù)，如果是運(yùn)行狀態(tài)中的一種，則需要對其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，因?yàn)檫\(yùn)行狀態(tài)都是由精度為12位的A／D采樣得到的，所以其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制后范圍為0～4 095，與模擬電壓值0～3 V成線性對應(yīng)關(guān)系。轉(zhuǎn)換成電壓值后還要根據(jù)不同的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行不同的處理，數(shù)據(jù)傳輸流程如圖3所示[2－9]。

上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示界面如圖4所示。顯示界面為調(diào)試某一時(shí)刻的傳輸數(shù)據(jù)?？梢钥闯龇答佀俣扰c給定速度并不相等，這是由于PI控制算法的作用使反饋速度始終處于給定速度附近，以及編碼器測試的誤差或者顯示數(shù)據(jù)的滯后。反饋電流0.8A是在電機(jī)空載時(shí)由電流傳感器所測出的，隨著負(fù)載和轉(zhuǎn)速的增加，反饋電流會逐漸變大。電樞電壓是直流電機(jī)母線上的電壓，由于電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中主要工作于110 V，所以調(diào)試時(shí)首先將電樞電壓穩(wěn)定在這一電壓值，然后再調(diào)節(jié)速度。在正常情況下，故障狀態(tài)始終顯示為“0”，當(dāng)有故障信號發(fā)出時(shí)，故障狀態(tài)顯示為“1”并發(fā)出故障信號。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸流程框圖

圖4 電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示界面

4 結(jié)論

針對弧焊系統(tǒng)中行走電機(jī)和送絲電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)顯示進(jìn)行設(shè)計(jì)。分析了焊接系統(tǒng)中直流電機(jī)控制系統(tǒng)的主電路，重點(diǎn)分析電機(jī)運(yùn)行時(shí)的電流、電壓、轉(zhuǎn)速、故障信息的設(shè)計(jì)，通過CAN總線傳輸能實(shí)時(shí)在專用顯示器上顯示電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，確保操作人員能及時(shí)掌握焊接系統(tǒng)電機(jī)的運(yùn)行情況。在焊接系統(tǒng)都可以通過CAN總線對整個焊接系統(tǒng)的焊接數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，使焊接系統(tǒng)成為智能焊接系統(tǒng)。

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Design of digital display of DC motor in arc welding system

ZHENG Hui－jun，YOU Xia
(School of Information and Electric Engineering，Panzhihua University，Panzhihua 617000，China)

Nowadays，DC motor operation in arc welding system is of no monitoring status.Aim to this situation，this paper analyzes the arc welding system in the moving motor and a wire feeding motor operating parameters of the display are developed.This paper makes use of the DSP chip with high speed operational function and multi－function peripheral interface.With the DSP and MCU and CAN bus，to realize collection，transmission and display of the motor running data.CAN bus is introduced with its working principle and realization method，finally the experimental verification of the motor running parameter display.

arc welding system；DC motor；DSP；CAN Bus

book=6,ebook=44

TG409

A

1001－2303(2012)06－0081－04

2011－01－19；

2012－03－16

鄭會軍(1964—)，男，湖北漢川人，副教授，主要從事電力電子與自動化控制、太陽能應(yīng)用、檢測技術(shù)等研究工作。