基于混合信號(hào)FPGA的全數(shù)字化埋弧焊逆變電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).pdf

1、焊接技術(shù)作為工業(yè)領(lǐng)域的重要技術(shù)，隨著國(guó)家現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，呈現(xiàn)了全新的面貌。埋弧焊是目前應(yīng)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接等特點(diǎn)，具備廣闊的發(fā)展前景。目前國(guó)內(nèi)埋弧焊電源產(chǎn)品大多屬于模擬電源，少數(shù)數(shù)字化電源產(chǎn)品也未能實(shí)現(xiàn)全部數(shù)字化，焊接效果不理想，而高檔的埋弧焊電源市場(chǎng)基本上被國(guó)外全數(shù)字化逆變電源占據(jù)。目前國(guó)內(nèi)焊接理論的研究并不落后于世界先進(jìn)水平，但是需要高檔的全數(shù)字化逆變焊接電源去實(shí)現(xiàn)，因此針對(duì)

2、全數(shù)字化埋弧焊逆變電源控制系統(tǒng)進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)，具備重要的研究?jī)r(jià)值與廣闊的應(yīng)用前景。
　　 本文首先深入研究了目前國(guó)內(nèi)外埋弧焊電源的研究現(xiàn)狀，對(duì)埋弧焊電源進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，然后對(duì)埋弧焊電源焊接過(guò)程進(jìn)行了理論分析，針對(duì)埋弧焊逆變電源焊接過(guò)程進(jìn)行了深入研究，根據(jù)埋弧焊電弧特征、焊滴過(guò)渡、焊接工藝流程等建立全數(shù)字化的控制模型，提取了焊接過(guò)程中電弧電壓、焊接電流作為控制策略的主要控制對(duì)象，進(jìn)行了焊接流程的狀態(tài)分析。在對(duì)控制模型進(jìn)行詳細(xì)需求分

3、析的基礎(chǔ)上，借鑒了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的全數(shù)字化控制方案的基礎(chǔ)上，確定了以混合信號(hào)FPGA為核心控制器的單芯片解決方案，通過(guò)焊接電壓、焊接電流、行車速度三個(gè)閉環(huán)的控制策略以維持埋弧焊焊接過(guò)程穩(wěn)定，核心控制器控制算法采用模糊PID實(shí)現(xiàn)的整體控制方案。
　　 本文在確立完成控制方案后，對(duì)現(xiàn)有控制模型進(jìn)行了硬件需求分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)操作實(shí)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(hào)FPGA作為主控芯片，外圍構(gòu)建逆變驅(qū)動(dòng)電路、行車電機(jī)

4、驅(qū)動(dòng)、送絲電機(jī)驅(qū)動(dòng)等電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)各類電機(jī)，設(shè)計(jì)了針對(duì)不同信號(hào)的采樣調(diào)理電路，對(duì)焊接電流、焊接電壓、行車電機(jī)速度等信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣反饋給控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了控制箱的人機(jī)接口電路及與主控板的通信電路，構(gòu)建了完善的整個(gè)數(shù)字化的埋弧焊逆變電源主控平臺(tái)，并采取了相應(yīng)的硬件抗干擾措施。
　　 本文在所確立的硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上進(jìn)行了控制策略、焊接流程、數(shù)字化的人機(jī)接口、通信接口的軟件實(shí)現(xiàn)。在混合信號(hào)FPGA的ARMCortex內(nèi)核內(nèi)實(shí)現(xiàn)了焊接流程

5、的時(shí)序化管理、與模擬模塊的通信以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)采樣，將采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給FPGA的功能。在FPGA部分利用verilog語(yǔ)言編寫了電流、電壓、行車速度三閉環(huán)控制器，進(jìn)行了焊接電流模糊PID的控制器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高速數(shù)字PWM的輸出，在控制箱內(nèi)部編寫了數(shù)字化的人機(jī)接口、通信接口，進(jìn)行了主控板與控制箱之間通信協(xié)議的軟件實(shí)現(xiàn)。
　　 在進(jìn)行完初步設(shè)計(jì)后，本文對(duì)所設(shè)計(jì)的全數(shù)字化埋弧焊逆變電源進(jìn)行了焊接試驗(yàn)性能測(cè)試，通過(guò)靜態(tài)負(fù)載試驗(yàn)及實(shí)際焊接試驗(yàn)