基于雙處理器的超聲波焊接電源設計

劉曉光 蔣曉明 黃丹 曹立超 王攀

摘? 要： 文中設計一種基于DSP和ARM9雙處理器控制的超聲波焊接電源并介紹了雙處理超聲波焊接電源的硬件組成和軟件設計流程。采用DSP控制器對超聲波焊接電源外設工作狀態(tài)以及焊接工藝過程控制。采用ARM9控制器設計了基于Linux系統(tǒng)的人機界面控制系統(tǒng)。采用雙口RAM技術實現雙處理器的數據共享，確保超聲波焊接電源工藝參數、狀態(tài)信息等數據的快速、實時、可靠傳輸，以適應用戶對超聲波焊接電源遠程監(jiān)控和故障診斷等大量數據處理的需要。搭建超聲波金屬焊接試驗平臺進行焊接測試，實驗結果表明，研制的超聲波電源具有良好的人機交互性并能得到較好的焊接效果。

關鍵詞： 超聲波電源設計; 金屬焊接; 過程控制; 數據共享; 數據傳輸; 焊接測試

中圖分類號： TN752.6?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）08?0109?04

Design of ultrasonic welding power supply based on dual processor

LIU Xiaoguang1， JIANG Xiaoming1，2， HUANG Dan1， CAO Lichao1， WANG Pan1

（1. Guangdong Key Laboratory of Modern Control Technology， Guangdong Institute of Intelligent Manufacturing， Guangzhou 510070， China;

2. Guangdong Institute of Ocean Engineering Equipment & Technology， Zhuhai 519055， China）

Abstract： An ultrasonic welding power supply based on dual processor control of DSP and ARM9 is designed in this paper， whose hardware composition and software design process are introduced. The peripheral working state and welding procedure process of the ultrasonic welding power supply are controlled with the DSP controller. The human?machine interface control system based on Linux system is designed by means of ARM9 controller. The data sharing of dual processors is realized by means of the dual?port RAM technology， which ensures the fast， real?time and reliable transmission of data such as process parameters and status information of the ultrasonic welding power supply， so as to meet the needs of users for large amount of data processing such as remote monitoring and fault diagnosis of the ultrasonic welding power supply. The testing platform of ultrasonic metal welding was built for welding test. The experiment results show that the developed ultrasonic power supply has a good human?computer interaction performance and welding effect.

Keywords： ultrasonic power supply design; metal welding; process control; data sharing; data transmission; welding test

0? 引? 言

隨著社會數字化程度越來越高，人們對工業(yè)產品功能和性能的需求也越來越高，嵌入式系統(tǒng)設備逐漸成為工業(yè)領域的主角。超聲波金屬焊接電源作為動力電池制造行業(yè)中的重要設備，為適應焊接生產線的需要，超聲波焊接電源本身具有易操作性、智能化監(jiān)測和故障診斷功能、可靠性等特征。目前，工業(yè)應用中的超聲波焊接電源主要為以下兩種：

1） 以模擬電路為主控制器件的超聲波焊接電源[1?2]。這種電源控制結構單一，控制電路較復雜，控制精度較低，參數整定不方便[3]，電源的穩(wěn)定性和可靠性不高，適合于較小功率且工藝簡單的手工或半自動焊生產，對焊接工具頭負載的適應性較差，不易進行升級改造。

2） 以DSP，ARM，FPGA等MCU為主控制器件的數字化超聲波焊接電源[4?5]。其一般具有豐富的硬件配置資源，外圍控制電路較為簡單，其核心功能以及工藝過程通過軟件控制實現，對負載的適應性較好，易于通過修改軟件程序適應不同的工藝需求，容易進行改造升級。目前，大多數數字超聲波焊接電源是基于單一處理器的控制架構，對于實現設備復雜信息傳輸、數據交換、遠程診斷等較困難。

隨著人們對超聲波焊接電源易操作性的要求，已有研究基于DSP和圖形驅動的DGUS的人機交互系統(tǒng)的雙處理器超聲波焊接電源[6]，其操作簡單，界面設計容易，但不能適應超聲波焊接電源遠程實時在線的工藝狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷對大量數據傳輸要求。因此本文設計了一種基于DSP和ARM9的雙處理器超聲波金屬焊接電源以適應對數字化信息和數據交換的需求。

1? 電源硬件系統(tǒng)設計

本文設計的雙處理器超聲波焊接電源系統(tǒng)框圖如圖1所示。超聲波焊接電源主要包括主電路模塊、主控制模塊和嵌入式控制模塊三大模塊。

主電路模塊包括工頻整流、濾波、逆變、中頻變壓、諧振匹配等電路，實現將工頻（50 Hz）220 V交流電壓轉換成適合于金屬焊接的高頻（15～40 kHz）正弦波形的高壓電信號（電壓峰值超600 V以上）。主控制模塊通過DSP控制器及其外圍電路實現對主電路電壓變換所需的脈寬調制信號進行閉環(huán)控制，以及與嵌入式人機界面模塊實現數據共享和通信，同時對超聲波金屬焊接的工藝過程進行邏輯時序控制。嵌入式控制模塊主要實現超聲波焊接電源友好的人機交互和與外設通信的擴展。

1.1? DSP主控制模塊設計

主控制器采用TI公司的TMS320F28335。該控制器是一款高性能的32位CPU，具有32×32位乘法運算能力和64位的處理能力，能夠很好地處理高精度的浮點數值問題，其主頻[7]可達150 MHz。片內包含256K×16的FLASH存儲器，34K×16的SARAM和1K×16的ROM，能很好地滿足焊接過程有關數據的轉換和交換的存儲;包含8個外部中斷，具有快速中斷相應能力，可以高速處理外設故障異常、數據交換傳輸等異步事件;增強型的PWM外設支持獨立/互補的PWM信號的生成;增強型的捕獲外設使用32位時基信號，能夠快速捕捉反饋電流和電壓波形的相位差;以及多達88個通用I/O口，能夠足夠配置對外部開關器件、外部指示電路和其他外設部件的開關控制。另外該控制器還包含了提高通信功能的2個eCAN通信模塊、3個SCI模塊、1個SPI模塊等豐富的內部資源。在設計超聲波電源主控制電路時，主要設計供電電路，網壓、熱狀態(tài)、輸出電壓及電流波形檢測和調理以及數據、傳輸的通信接口電路，信號隔離和放大電路等，大大簡化了主控制電路的設計工作。文中不對主控制器的硬件及外圍電路的具體設計過程進行贅述。

1.2? 嵌入式控制模塊設計

嵌入式電路設計主要是基于Samsung公司的S3C2440A處理器開發(fā)平臺進行設計。電路主要包括：內核16/32位RISC;實時時鐘，12 MHz外部晶振;4 MB NOR FLASH和256 MB NAND FLASH; USB控制和通信接口[8];四線電阻式觸摸屏;LCD接口外接5.6寸液晶屏。可直接用NOR FLASH和SDRAM運行代碼，通過LCD顯示，同時還能通過串口、USB口與外部交換信息和數據，嵌入式控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。該系統(tǒng)主要包括嵌入式控制器及電源、時鐘、NAND FLASH存儲器、NOR FLASH存儲器、串口通信、數據共享控制、USB接口、液晶和觸摸屏接口控制電路，以及適應于遠程故障診斷的以太網通信接口電路等。

1.3? 雙口RAM接口設計

為滿足用戶對焊接生產過程中振幅、功率、能量等工藝參數的可追溯性要求，以及對電源的遠程監(jiān)控和診斷，需處理大量的數據信息。數據獲取及交換是多處理器系統(tǒng)的重要組成部分，且這類系統(tǒng)中，數據交換要求的通信速率往往很高。傳統(tǒng)的并口和串口設計無論是在通信速率還是在可靠性方面都不易滿足要求，快速、實時、無誤地傳輸數據信息是雙處理器系統(tǒng)面臨的一個較為普遍的問題[9?10]。本設計采用IDT70261雙口RAM，DSP和ARM9芯片分別通過兩組端口對雙口RAM進行存取操作，接口電路圖如圖3所示。

2? 電源程序設計

超聲波電源的程序是數字化超聲波電源的核心技術，是電源能夠完成正常工作的“中樞”。本文設計的電源程序包括主控制器的軟件程序和實現嵌入式控制的人機界面及數據的傳輸和通信的軟件。

2.1? DSP控制程序設計

超聲波焊接電源的DSP控制程序主要是實現主控制系統(tǒng)的初始化，對焊接工藝時序的邏輯控制，PWM信號的產生，電流電壓檢測信號的A/D轉換，頻率的跟蹤，相位的鎖定，功率的調節(jié)、故障等中斷信號的處理，以及其他外設的控制。由于數字化的超聲波電源工藝的適應性廣，用戶期望超聲波電源能夠在時間模式、能量模式等多種工作模式下實現不同焊接件的工藝要求，本文結合實際工業(yè)需求，設計了能夠適應不同焊接工藝需要的DSP控制主程序，流程圖如圖4所示。在DSP的控制程序中的掃頻子程序實現對換能器及其工具頭的諧振頻率的掃描，從而確定系統(tǒng)焊接工作時的工作頻率，并在后續(xù)工作模式處理子程序中通過相位檢測、鎖相、頻率跟蹤、功率調節(jié)來實現閉環(huán)電源在焊接過程中的閉環(huán)輸出，確保超聲波焊接電源和換能器系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài)。

2.2? 嵌入式控制程序設計

超聲波電源人機界面的嵌入式控制程序設計分為三個部分，分別是線程類函數（用于接收數據）、繪圖類函數和主函數的設計。其中線程類函數繼承Qthread類，功能為打開Linux串口文件，并循環(huán)接收收到的數據。線程的好處就是可以一直循環(huán)而不影響主程序。當收到某一次全部工作數據后發(fā)出指令，繪圖函數即進行繪圖，繪制焊接功率曲線。

本文主要介紹嵌入式控制程序設計中的主函數流程圖，主函數用于建立人機界面的所有控件以及實現必要的功能函數，如圖5所示。

本文通過嵌入式控制程序設計了如圖6所示的一部分人機交互界面。超聲波焊接電源通過“出廠參數設置”界面中設置的掃頻頻帶范圍的頻率發(fā)送給DSP作為掃頻范圍，操作界面直觀且人性化。

3? 實? 驗

本文通過搭建了如圖7所示焊接實驗平臺并對超聲波電源進行焊接測試。

注：1.全數字超聲波電源;2.超聲波焊接機頭;3.示波器

在電源空載階段進行掃頻并最終達到并鎖定在諧振頻率（fs）點附近工作，并且在鎖定的諧振頻率狀態(tài)下，得到較好的焊接質量。如圖8所示分別為樣機在45%和35%振幅設置下鍍鎳銅（1 mm）與海綿鎳網焊接效果。

4? 結? 論

本文利用TMS320F28335和S3C2440A設計了雙處理器的超聲波焊接電源，并在工業(yè)生產中得到了實際應用。結果表明，該電源具有良好的操作性、穩(wěn)定性，以及焊接的工藝性，采用的雙口RAM技術也能滿足數據傳輸的實時性要求。

注：本文通訊作者為蔣曉明。

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