基于混合信號FPGA的全數字化埋弧焊逆變電源控制系統(tǒng)設計.pdf

1、焊接技術作為工業(yè)領域的重要技術，隨著國家現代工業(yè)的飛速發(fā)展，呈現了全新的面貌。埋弧焊是目前應用最廣泛的焊接工藝之一，具有焊接效率高，工作環(huán)境較好，易于實現自動化焊接等特點，具備廣闊的發(fā)展前景。目前國內埋弧焊電源產品大多屬于模擬電源，少數數字化電源產品也未能實現全部數字化，焊接效果不理想，而高檔的埋弧焊電源市場基本上被國外全數字化逆變電源占據。目前國內焊接理論的研究并不落后于世界先進水平，但是需要高檔的全數字化逆變焊接電源去實現，因此針對

2、全數字化埋弧焊逆變電源控制系統(tǒng)進行研究與設計，具備重要的研究價值與廣闊的應用前景。
　　 本文首先深入研究了目前國內外埋弧焊電源的研究現狀，對埋弧焊電源進行了簡單介紹，然后對埋弧焊電源焊接過程進行了理論分析，針對埋弧焊逆變電源焊接過程進行了深入研究，根據埋弧焊電弧特征、焊滴過渡、焊接工藝流程等建立全數字化的控制模型，提取了焊接過程中電弧電壓、焊接電流作為控制策略的主要控制對象，進行了焊接流程的狀態(tài)分析。在對控制模型進行詳細需求分

3、析的基礎上，借鑒了國內外現有的全數字化控制方案的基礎上，確定了以混合信號FPGA為核心控制器的單芯片解決方案，通過焊接電壓、焊接電流、行車速度三個閉環(huán)的控制策略以維持埋弧焊焊接過程穩(wěn)定，核心控制器控制算法采用模糊PID實現的整體控制方案。
　　 本文在確立完成控制方案后，對現有控制模型進行了硬件需求分析，結合現場操作實際情況，確立了“控制箱+主控板”的硬件方案。主控板以混合信號FPGA作為主控芯片，外圍構建逆變驅動電路、行車電機

4、驅動、送絲電機驅動等電機驅動電路驅動各類電機，設計了針對不同信號的采樣調理電路，對焊接電流、焊接電壓、行車電機速度等信號進行實時采樣反饋給控制系統(tǒng)，設計了控制箱的人機接口電路及與主控板的通信電路，構建了完善的整個數字化的埋弧焊逆變電源主控平臺，并采取了相應的硬件抗干擾措施。
　　 本文在所確立的硬件平臺基礎上進行了控制策略、焊接流程、數字化的人機接口、通信接口的軟件實現。在混合信號FPGA的ARMCortex內核內實現了焊接流程

5、的時序化管理、與模擬模塊的通信以實現模擬信號采樣，將采樣數據轉發(fā)給FPGA的功能。在FPGA部分利用verilog語言編寫了電流、電壓、行車速度三閉環(huán)控制器，進行了焊接電流模糊PID的控制器設計，實現了高速數字PWM的輸出，在控制箱內部編寫了數字化的人機接口、通信接口，進行了主控板與控制箱之間通信協議的軟件實現。
　　 在進行完初步設計后，本文對所設計的全數字化埋弧焊逆變電源進行了焊接試驗性能測試，通過靜態(tài)負載試驗及實際焊接試驗