基于CAN總線的數(shù)字化CO2焊接電源設(shè)計(jì)

余棉水，謝 宇，溫自力

YU Mian-shui1, XIE Yu1, WEN Zi-li2

（1.廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510510；2.廣州長(zhǎng)勝焊接設(shè)備有限公司，廣州 510630）

0 引言

CO2氣體保護(hù)焊具有高效、節(jié)能、低氫、低成本以及便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等突出優(yōu)點(diǎn)，在低碳鋼、低合金鋼、薄板鋼結(jié)構(gòu)及全位置焊接等場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。典型的CO2焊接系統(tǒng)一般分為主機(jī)和送絲機(jī)兩部分。主機(jī)由逆變主電路和PWM控制驅(qū)動(dòng)電路組成；送絲機(jī)則由送絲機(jī)構(gòu)，焊接電流（送絲速度）和焊接電壓設(shè)置電路組成，他們之間通過(guò)多芯電纜連接。目前，國(guó)內(nèi)主流的CO2焊接電源設(shè)計(jì)中，焊接電流和焊接電壓的設(shè)置仍然采用模擬控制方式，即，通過(guò)送絲機(jī)上的兩個(gè)電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種調(diào)節(jié)方式容易受到環(huán)境溫度、震動(dòng)、磨損等因素的影響，無(wú)論是調(diào)節(jié)精度、穩(wěn)定性、可靠性和靈活性均不夠理想，不能保證焊接參數(shù)的一致性，從而直接影響著焊接效果，因此，實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)調(diào)節(jié)的數(shù)字化，使其具有良好的控制性能，是保證CO2氣體保護(hù)焊焊接性能的重要因素。鑒于上述原因，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種基于CAN總線的數(shù)字化CO2焊接控制系統(tǒng)。

本設(shè)計(jì)分別采用DSP和MCU作為主機(jī)和送絲機(jī)的控制器，實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的數(shù)字化控制及參數(shù)的數(shù)字化調(diào)節(jié)與存儲(chǔ)，同時(shí)采用先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)——CAN總線實(shí)現(xiàn)主機(jī)與送絲機(jī)之間的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)，具有穩(wěn)定、可靠、抗干擾能力強(qiáng)、便于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化及自動(dòng)化控制等特點(diǎn)，更好的滿足了先進(jìn)制造技術(shù)的要求。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)字化逆變電源主機(jī)的設(shè)計(jì)

數(shù)字化逆變電源主機(jī)包括主電路、DSP控制電路和CAN通信三部分，如圖1所示。主電路采用全橋式IGBT逆變結(jié)構(gòu)，主要包括整流濾波單元、IGBT逆變單元、中頻變壓器和二次整流單元。DSP控制電路以TI（德州儀器）公司的DSP芯片TMS320LF2407A為控制核心，主要由電流電壓采樣電路、短路檢測(cè)電路、保護(hù)電路以及人機(jī)交互界面等部分組成。CAN通信主要由光電隔離及CAN驅(qū)動(dòng)電路組成。由于主電路部分為傳統(tǒng)的全橋逆變結(jié)構(gòu)，在此就不加以闡述。

DSP控制電路中TMS320LF2407A是TI公司專門為數(shù)字化控制而推出的一款l6位、定點(diǎn)、低功耗的DSP控制芯片。該芯片包括兩個(gè)專用于電機(jī)控制的事件管理器（EV），每一個(gè)都包含：2個(gè)16位通用定時(shí)器，8個(gè)16位脈寬調(diào)制（PWM）輸出通道，1個(gè)能夠快速封鎖輸出的外部引腳（PDPINTx），可防止上下橋臂直通的可編程死區(qū)功能，3個(gè)捕捉單元，1個(gè)增量式光電位置編碼器接口。芯片還包含16通道10位A／D轉(zhuǎn)換器及控制器局域網(wǎng)（CAN）2.0B模塊。應(yīng)用DSP內(nèi)部集成的PWM模塊和A／D轉(zhuǎn)換模塊，進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)軟件PI算法，即可實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)的數(shù)字化調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)CO2氣體保護(hù)焊接的過(guò)程控制。

CAN通信接口電路如圖2所示。由于DSP芯片內(nèi)部集成了一個(gè)CAN模塊，該模塊完全支持CAN2.0B協(xié)議，因此，外圍電路只需一個(gè)CAN收發(fā)器即可，這里采用Philips的CAN收發(fā)器芯片PCA82C250，其通訊速率可高達(dá)1Mbps。為了保護(hù)系統(tǒng)電路、提高抗干擾能力，在DSP與CAN收發(fā)器之間采用了高速光電隔離器件6N137進(jìn)行隔離。

圖1 數(shù)字化逆變電源主機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖2 CAN通信接口電路

1.2 數(shù)字化送絲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

數(shù)字化送絲系統(tǒng)包括開(kāi)關(guān)電源模塊、MCU控制電路、送絲機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和CAN通信四部分，如圖3所示。為了減少主機(jī)與送絲機(jī)間的連線，主機(jī)只提供一組交流36V電源，整流后一路經(jīng)開(kāi)關(guān)電源變換為MCU需要的5V電源及CAN通信隔離需要的5V電源；一路經(jīng)PWM調(diào)制電路驅(qū)動(dòng)送絲機(jī)；一路作為氣閥的電源。MCU控制電路以Microchip公司的MCU芯片PIC18F4580為控制核心，主要由PWM輸出驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)字編碼盤接口電路、數(shù)字顯示接口電路、功能鍵盤接口電路、焊槍開(kāi)關(guān)檢測(cè)電路以及保護(hù)電路等部分組成。CAN通信主要由光電隔離及CAN驅(qū)動(dòng)電路組成，與主控制模塊相同。

MCU控制電路中PIC18F4580是Microchip公司生產(chǎn)的一款8位中檔單片機(jī)。該芯片具有40MHz的最大總線頻率，輸入捕捉／輸出比較／脈寬調(diào)制(CCP)模塊，8通道10位A／D，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)軟件PI算法，可以滿足電機(jī)PWM控制的需要。該芯片還內(nèi)置有CAN控制器模塊，支持CAN2.0B協(xié)議，32K的用戶FLASH，1536BRAM，256BData EEPROM，4個(gè)8位／16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，主同步串行端口(MSSP)模塊，同步／異步串行接口USART等功能模塊，完全滿足系統(tǒng)其他各種接口的需要。

圖3 數(shù)字化送絲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的所有控制軟件采用C語(yǔ)言編程、模塊化管理，具有良好的通用性、移植性和擴(kuò)展性。主控制模塊軟件主要包括數(shù)字化波形控制、CAN通信管理等，而送絲機(jī)模塊軟件主要由電機(jī)PI控制、人機(jī)交互和CAN通信管理等組成。

2.1 數(shù)字化波形控制

CO2焊熔滴短路過(guò)渡是一個(gè)“燃弧一短路”交替變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程，其中，短路過(guò)渡中的短路電流和瞬時(shí)短路是造成飛濺的兩個(gè)主要因素，為此，研究人員開(kāi)展了波形控制技術(shù)的研究，主要包括外特性控制、波形參數(shù)控制、表面張力過(guò)渡控制（STT）等，其基本思想是在燃弧末期和短路初期減小電流以減少瞬時(shí)短路能量，在短路末期將其電流降低以減少短路液橋爆斷引起的飛濺，燃弧中期施加電流脈沖以增加熔深，通過(guò)對(duì)短路過(guò)渡過(guò)程各階段電流波形快速而精確的控制可以有效地降低飛濺，改善焊縫成形[1～4]。

可是媼婦譜跟武功有什么關(guān)系呢？琴棋書畫再好，也不能幫星雨趕跑夏天里越來(lái)越多的蚊子啊?；ㄩg游，花間游，離經(jīng)易道，離經(jīng)易道，內(nèi)功，內(nèi)功，一定要打勞么子坐，調(diào)勞么子息，什么太素九針養(yǎng)心訣，點(diǎn)穴截脈拂穴手，什么無(wú)根樹(shù)花正明，月魄天心逼日魂，什么金烏髓玉兔精，二物擒來(lái)一處烹，什么先賢明露丹臺(tái)旨，幾度靈烏宿桂柯，唉！

根據(jù)以上分析，本系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制策略，不僅能獲得較硬的平外特性，而且能獲得較大的動(dòng)特性調(diào)節(jié)范圍，使焊接電源的適應(yīng)性更強(qiáng)。雙閉環(huán)控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖如圖4所示，內(nèi)環(huán)為電流反饋環(huán)，外環(huán)為電壓反饋環(huán)，電壓反饋環(huán)經(jīng)過(guò)數(shù)字PI控制后，將結(jié)果疊加到電流反饋環(huán)上，再通過(guò)電流反饋環(huán)的數(shù)字PI控制，實(shí)現(xiàn)整個(gè)燃弧階段的恒電壓控制。圖中Ug，Ig分別為電壓、電流反饋環(huán)的給定值；Uo，Io分別為輸出電壓和電流。Gu(S)和Gi(S)分別為電壓和電流PI控制器傳遞函數(shù)，n為電流環(huán)反饋系數(shù)，m為電壓反饋傳遞函數(shù)，R為電弧等效阻抗[5]。

圖4 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

數(shù)字PI控制系統(tǒng)的基本算法通常分為位置式和增量式兩種。位置式算法在計(jì)算時(shí)輸出控制量的值從初始狀態(tài)開(kāi)始不斷累加，導(dǎo)致計(jì)算量很大、占用存儲(chǔ)空間大、花費(fèi)時(shí)間多，變量容易出現(xiàn)溢出。而增量式算法無(wú)需累加偏差，控制增量只與最近K次采樣有關(guān)，所以誤動(dòng)作時(shí)影響小，不會(huì)產(chǎn)生積分飽和失控現(xiàn)象，避免了系統(tǒng)超調(diào)和振蕩的產(chǎn)生，而且容易通過(guò)加權(quán)處理獲得較好的控制效果。因此，本系統(tǒng)的PI控制采用了增量式算法，其離散化方程如下：

其中，Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，T為采樣時(shí)間。在整個(gè)數(shù)字PI控制過(guò)程中，通過(guò)短路檢測(cè)電路隨時(shí)檢測(cè)燃弧與短路狀態(tài)，并根據(jù)數(shù)字化波形控制要求對(duì)短路過(guò)渡過(guò)程各階段電流波形進(jìn)行快速而精確的控制，詳細(xì)過(guò)程可見(jiàn)參考文獻(xiàn)[3]。

2.2 數(shù)字化送絲系統(tǒng)

送絲系統(tǒng)是CO2氣體保護(hù)焊的重要組成部分，送絲系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性直接影響著CO2氣體保護(hù)焊焊接工藝的穩(wěn)定性、焊縫成形和焊接質(zhì)量。只有保證焊絲均勻穩(wěn)定的送進(jìn)，才能使熔滴過(guò)渡穩(wěn)定而有規(guī)律的進(jìn)行，從而獲得良好的焊接性能。為此，本系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋結(jié)合電流負(fù)反饋的雙閉環(huán)控制策略，并采用數(shù)字PI與PWM脈寬調(diào)制實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，以達(dá)到良好的送絲效果，其控制系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 雙閉環(huán)控制調(diào)速系統(tǒng)框圖

雙閉環(huán)控制調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流分別由兩個(gè)獨(dú)立的調(diào)節(jié)器控制。其中，Ug為轉(zhuǎn)速給定信號(hào)，Uf為轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)，此處采用光電式編碼盤進(jìn)行速度采樣，采樣信號(hào)送人CPU進(jìn)行精確計(jì)數(shù)，從而得到電機(jī)轉(zhuǎn)速，并與轉(zhuǎn)速給定值進(jìn)行數(shù)字PI運(yùn)算。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出就是電流調(diào)節(jié)器的給定Ig，電流環(huán)能夠隨轉(zhuǎn)速的偏差調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)電樞的電流Id。當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速低于給定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的積分作用使輸出增加，電流給定上升，通過(guò)電流環(huán)調(diào)節(jié)使電樞電流Id增加，電動(dòng)機(jī)獲得加速轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升；當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速高于給定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出減小，即電流給定減小，通過(guò)電流環(huán)調(diào)節(jié)使電樞電流下降，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩減小，從而轉(zhuǎn)速下降。

數(shù)字PI控制算法采用式(1)類似的算法，在此就不再贅述了。

2.3 CAN通信程序設(shè)計(jì)

由于CAN2.0B技術(shù)規(guī)范只規(guī)定了模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，應(yīng)用層協(xié)議需要用戶自己去開(kāi)發(fā)。因此，CAN通訊程序設(shè)計(jì)應(yīng)包括CAN通訊協(xié)議制定、CAN初始化及CAN報(bào)文發(fā)送與接收程序設(shè)計(jì)。

2.3.1 CAN通訊協(xié)議

CAN2.0B技術(shù)規(guī)范具有兩種不同的幀格式，標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀，前者有11位標(biāo)識(shí)符，后者有29位標(biāo)識(shí)符。由于本系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)比較少，采用標(biāo)準(zhǔn)幀即可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，而且還可以提高數(shù)據(jù)傳輸速度。標(biāo)準(zhǔn)幀結(jié)構(gòu)如圖6所示。包括幀起始，仲裁域，控制域，數(shù)據(jù)域，校驗(yàn)域，應(yīng)答域和幀結(jié)尾等7個(gè)部分組成，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)幀最多可發(fā)送8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)幀格式

在CAN2.0B技術(shù)規(guī)范中只定義了幀的結(jié)構(gòu)，沒(méi)有定義發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的相關(guān)信息，因此可以根據(jù)系統(tǒng)自身的需求，重新定義標(biāo)識(shí)符的含義[6]。本系統(tǒng)中標(biāo)識(shí)符的定義如圖7所示。其中，標(biāo)識(shí)符的ID(10：8)定義為幀類型，分別表示控制命令、配置命令、狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)信息，并預(yù)留了部分?jǐn)U展功能。對(duì)不同的幀類型分配不同的優(yōu)先級(jí)，數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)采用幀優(yōu)先原則，這樣可以有效的滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。標(biāo)識(shí)符的ID(7：4)定義為源地址，ID(3：0)定義為目的地址，這樣系統(tǒng)中最多可以有15個(gè)節(jié)點(diǎn)。在這里，逆變電源主機(jī)的地址設(shè)置為0，送絲機(jī)的地址設(shè)置為1，其他節(jié)點(diǎn)作為以后擴(kuò)展，如遙控盒等。當(dāng)目的地址為F時(shí)規(guī)定為廣播通信，即所有子設(shè)備都可以接收。

圖7 標(biāo)識(shí)符的定義

2.3.2 CAN初始化

當(dāng)系統(tǒng)上電后，首先要對(duì)DSP或MCU內(nèi)置的CAN控制器進(jìn)行初始化設(shè)置，主要包括波特率參數(shù)的設(shè)置、接收濾波寄存器的設(shè)置和接收屏蔽寄存器的設(shè)置等，初始化過(guò)程只能在配置模式下進(jìn)行。完成初始化設(shè)置后要重新設(shè)置工作模式為正常工作模式，并使能中斷，開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)CAN總線上的信息。報(bào)文的接收采取中斷方式，以便系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)。

2.3.3 CAN報(bào)文發(fā)送程序設(shè)計(jì)

CAN報(bào)文發(fā)送過(guò)程由CAN控制器自動(dòng)完成。發(fā)送時(shí)只需將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按照自定義的格式組合成一幀報(bào)文，并寫入CAN控制器的發(fā)送緩沖區(qū)中，然后啟動(dòng)CAN控制器發(fā)送數(shù)據(jù)。在向發(fā)送緩沖區(qū)寫入數(shù)據(jù)之前還需檢查CAN控制器中狀態(tài)寄存器的“發(fā)送緩沖器狀態(tài)標(biāo)志”，只有當(dāng)緩沖器空閑時(shí)才可以寫入數(shù)據(jù)并啟動(dòng)發(fā)送功能，否則，必須等待。

2.3.4 CAN報(bào)文接收程序設(shè)計(jì)

CAN報(bào)文的接收與發(fā)送一樣，也由CAN控制器自動(dòng)完成。當(dāng)檢測(cè)到有等待接收的報(bào)文時(shí)，CAN控制器接收來(lái)自總線的報(bào)文并進(jìn)行組合，并通過(guò)接收過(guò)濾器匹配比較，將滿足過(guò)濾器條件的報(bào)文傳送到相應(yīng)的接收緩沖器中，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)接收中斷，通知處理器有報(bào)文已接收，接收子程序則響應(yīng)這個(gè)中斷，將接收的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)并進(jìn)行相應(yīng)的處理。中斷處理完后，清零中斷標(biāo)志位，返回并等待下一個(gè)報(bào)文的接收。

2.4 人機(jī)交互接口程序

人機(jī)交互接口主要完成參數(shù)的預(yù)置、顯示、存儲(chǔ)、檢絲、檢氣、啟動(dòng)及停止等任務(wù)，所有這些功能都在送絲機(jī)端完成，設(shè)置的參數(shù)及啟停信號(hào)通過(guò)CAN總線傳送到主機(jī)以執(zhí)行相應(yīng)的操作，而焊接過(guò)程中的電流、電壓等數(shù)據(jù)則由主機(jī)定時(shí)發(fā)送到送絲機(jī)進(jìn)行顯示。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

按照上述方法設(shè)計(jì)了基于CAN總線的數(shù)字化CO2焊接電源，并進(jìn)行了焊接試驗(yàn)，采用的試驗(yàn)條件如下：焊接電壓U=20V；焊接電流I=110A；保護(hù)氣體為CO2；焊絲直徑為φ1.0mm；實(shí)驗(yàn)材料為低碳鋼板。

焊接過(guò)程中的電壓、電流波形如圖8所示?？梢钥闯?，焊接過(guò)程中的短路、燃弧狀態(tài)判斷準(zhǔn)確，短路過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定，頻率基本恒定。從實(shí)際焊接效果看，焊接過(guò)程飛濺小，焊縫成形良好，達(dá)到滿意的控制效果。同時(shí)，焊接過(guò)程中利用CAN總線實(shí)現(xiàn)主機(jī)與送絲機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)，證明CAN總線具有強(qiáng)的抗干擾能力，適合應(yīng)用于數(shù)字化CO2焊接電源中。

圖8 CO2焊接電壓、電流波形（CH1為電壓波形，CH2為電流波形）

4 結(jié)論

采用DSP和MCU分別作為逆變主機(jī)和送絲機(jī)的核心控制器，實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的數(shù)字化控制及參數(shù)的數(shù)字化調(diào)節(jié)與存儲(chǔ)，具有系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單、功能完備、性能穩(wěn)定、控制精度高、焊接參數(shù)的一致性好及良好的人機(jī)交互等特點(diǎn)。通過(guò)軟件升級(jí)，可方便地實(shí)現(xiàn)其他外特性的輸出，以滿足不同焊接工藝的需要，充分體現(xiàn)了數(shù)字化控制的靈活性與優(yōu)越性。同時(shí)，系統(tǒng)采用先進(jìn)的CAN總線實(shí)現(xiàn)主機(jī)與送絲機(jī)之間的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信，簡(jiǎn)化了電路，克服了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)，具有穩(wěn)定、可靠、抗干擾能力強(qiáng)、便于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化及自動(dòng)化控制等特點(diǎn)，更好的滿足了先進(jìn)制造技術(shù)的要求。

[1]張光先,鄒增大,尹海.CO2氣體保護(hù)焊表面張力的過(guò)渡[J].焊接學(xué)報(bào),2003,24(1)：80-84.

[2]楊立軍,李桓等.CO2氣體保護(hù)焊短路過(guò)渡過(guò)程的實(shí)時(shí)閉環(huán)控制[J].焊接學(xué)報(bào),2001,22(1)：27-30.

[3]孫廣,何建萍,等.DSP 波控逆變CO2焊接電源[J].焊接學(xué)報(bào),2004,25(4)：85-88.

[4]王振民,薛家祥等.波形控制參數(shù)對(duì)CO2焊飛濺的影響[J].電焊機(jī),2008,38(10)：56-59.

[5]董偉,區(qū)智明,孫曉明.基于DSP 的CO2焊逆變電源特性PID控制系統(tǒng)[J].電焊機(jī),2009,39(2)：35-37.

[6]張穎超.楊寧峰,等.基于CAN 總線的溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通設(shè)計(jì)[J].控制工程,2009,16(1)：103-106.