變極性等離子弧焊的嵌入式控制系統設計

陳樹君，林 萬，余 旭，白立來

（北京工業大學機械工程與應用電子技術學院，北京100124）

變極性等離子弧焊的嵌入式控制系統設計

陳樹君，林 萬，余 旭，白立來

（北京工業大學機械工程與應用電子技術學院，北京100124）

采用以Cortex-M4為核心的微控制器STM32F407VGT6，設計了變極性等離子弧焊的過程控制及焊接數據采集系統。該控制系統實現了焊接過程中對焊接參數的輸入、顯示、調用、存儲以及實際焊接參數的采集和監控功能，并實現了焊接過程中焊接參數的PID反饋調節。不僅能實現主站PC對焊機的遠程控制，還可將微控制器采集到的焊接數據實時上傳進行監測，并根據監測情況，實時修正焊接工藝參數，以達到更高的焊接工藝要求和獲得更好的焊接質量。

Cortex-M4；微控制器STM32F407VGT6；弧焊過程控制；數據監控

0 前言

變極性等離子弧焊接是采用等離子弧作為高溫熱源的焊接方法，它具有良好的調節性，等離子弧的電弧能量集中、溫度較高，且等離子弧焊接速度是普通氬弧焊的3～6倍，因此變極性等離子弧焊在現代制造業中擁有廣闊的應用前景[1]。但是，等離子弧焊過程中對焊接工藝參數的變化比較敏感，導致等離子弧焊過程中小孔的穩定性較差，焊接質量不夠穩定，而這些問題的存在制約了等離子焊接工藝在工業中的廣泛應用[2]。良好的變極性等離子焊接過程控制系統的設計，可實現焊接參數的實時采集與監控，并實時修正和改進焊接過程中的工藝參數，是增強小孔的穩定性和提高等離子弧焊過程穩定性和焊接質量的有效手段[3]。

本研究采用以Cortex-M4為核心的微控制器STM32F407VGT6，設計了變極性等離子弧焊的過程控制及焊接數據采集系統，可根據監測數據實時修正焊接工藝參數，以達到更高的焊接工藝要求和獲得更好的焊接質量。

1 控制系統和控制策略

本套變極性等離子弧焊控制系統以單片機STM32F407VGT6為控制核心，對焊接電流，變極性頻率、基值電流及變極性電路進行控制①STM32F407 http://www.alldatasheet.com.。該控制系統可以通過人機交互顯示屏和旋轉編碼器鍵盤設置焊接方式，如直流焊接、高頻交流焊接等，并具有焊接參數設定及顯示、焊接時序控制、離子氣流量控制和故障顯示以及焊接數據采集和EtherCAT網絡從站等功能。

單片機控制系統由STM32F407VGT6單片機最小系統、A/D采集電路、PID反饋調節、SPI轉EtherCAT網絡傳輸、開關量輸入輸出電路、RS-232串口通訊電路、RS-485通訊電路、LCD人機界面顯示電路及鍵盤及旋鈕輸入電路組成，如圖1所示。

圖1 基于單片機的變極性等離子弧焊控制系統

PID控制方法因其結構簡單、調整方便、魯棒性好、工作可靠以及對于不易建立數學模型的控制對象特別適用等優點在工程領域得到廣泛應用，是目前最成熟的一種控制理論和方法[4]。

控制系統采用內外環PID反饋調節的方式以控制焊接參數的輸出，利用電流互感器采集焊接電流形成PID外環反饋調節，保證恒電流的控制精度。并利用霍爾電流傳感器采集峰值電流實現控制系統的內環反饋，保證控制系統的可靠性?？刂葡到y框圖如圖2所示。

圖2 恒電流控制系統框圖

2 控制系統工藝和動作時序設計

變極性等離子弧焊在STM32F407VGT6單片機的控制下進行，單片機的控制程序根據等離子弧焊的工藝和工作時間設計制備。本系列變極性等離子弧焊控制系統的設計參數最大焊接參數為16個，焊接參數眾多，工藝時序設計復雜。工藝流程和時序動作及程序設計是否合理對于工藝過程的穩定性和焊接質量的影響十分明顯。根據工藝和時序要求，對焊接參數和焊接信號之間的協調要求非常嚴格，因此需要在焊接時嚴格控制時序，具體參數和時序參數則可根據焊接的具體情況更改調整[5]。根據以上要求，工藝和動作時序設計如圖3所示。

圖3 工藝和動作時序

3 控制及參數采集監測系統軟、硬件設計

3.1 硬件設計

等離子弧焊的數字化控制和監測需要設計合適的控制電路和焊接參數采集電路。控制電路主要由單片機最小系統、開關量輸入輸出電路、PWM互補輸出電路、焊接參數采集電路以及一些外圍接口電路組成。單片機最小系統由STM32F407、復位電路、時鐘電路、外部程序存儲器、數據存儲器等組成。PWM互補輸出電路主要由高速光耦HCPL2630、數字驅動芯片雙向收發器74HC245以及反相器40106等組成。PWM互補輸出電路如圖4所示。

焊接參數采集電路主要由滿幅度輸出線性放大器OP484以及高速線性光耦[9-25]HCNR200等組成[6]。焊接參數采集電路如圖5所示。

圖4 PWM互補輸出電路

圖5 焊接參數采集電路

3.2 軟件設計

控制系統軟件設計分為下位機控制系統和上位機采集與監測系統兩部分的設計。下位機控制程序包括串口通訊、SPI轉EtherCAT通訊、PID閉環反饋調節以及互補PWM輸出等多個子程序。其中PID閉環反饋調節子程序增量式PID閉環調制法對全橋逆變電路的PWM占空比進行調制以控制焊接電流的輸出。增量式PID閉環是指當執行機構需要的不是控制量的絕對值而是控制量的增量（例如去驅動步進電動機）時，需要采用增量PID算法。增量式PID控制適用于控制變量為增量值的控制。PID控制系統原理如圖6所示。

圖6 PID控制系統原理框圖

該系統由模擬PID控制器和被控對象組成。r（t）是給定值，y（t）是系統的實際輸出值，給定值與實際輸出值構成控制偏差e（t），有e（t）=r（t）-y（t）。e（t）作為PID控制器的輸入，u（t）作為PID控制器的輸出和被控對象的輸入。如果只需計算控制系統的增量e（t），則可以使用增量式PID控制算法。

增量式PID控制器的控制規律為

式中 KP為比例常數；Ti為積分時間常數；TD為微分時間常數；u0為PI控制器運算初值。

控制器在第k-1個采樣時刻的輸出值為

將兩式相減，可得到增量式PID控制算法為

由式（4）可知，如果控制系統使用恒定的采樣周期T，一旦確定A，B，C，則可以通過使用前后三次測量值的偏差來獲得控制增量。在本控制系統的單相全橋逆變電路占空比的控制算法中，控制一次逆變的驅動波形時序如圖7所示。

圖7 一次逆變驅動波形時序

逆變頻率設計為20 kHz，焊接電流輸出為0～300 A可調。由于STM32F407單片機的系統頻率為168 MHz，因此在單片機的定時器輸出PWM的配置中應將計數器寄存器的值設置為8400，即ARR值為8 400時單片機輸出PWM的頻率為20 kHz。在圖7中，滯后臂之間的5 μs時間為單相全橋逆變電路的一次逆變驅動的死區時間，TIM->CCER1和TIM->CCER2分別為單片機定時器的輸出比較寄存器值，采用TIM1和TIM8兩組高級定時器分別產生一組帶死區時間的PWM波形。在本控制系統中，設計滯后臂的占空比不變，通過調節超前臂的輸出比較寄存器值以調節超前臂的占空比輸出，從而調節焊機的輸出電流。

結合增量式PID閉環反饋算法，調節焊機電流大小實際上即采用PID閉環反饋調節一次逆變驅動超前臂的占空比大小。由此可知，增量式PID閉環反饋調節的給定即為焊機電流的輸出，反饋值即為單片機的AD采集到的通過霍爾電流傳感器測出經過換算后的實際焊接電流值。

與此同時，由于單片機采集到的實際電流值與電流給定值數制和位數不同，必然帶來PID閉環反饋時的精度誤差問題，從而影響單片機的實際電流輸出。為此，本設計采用DA輸出對應焊接電流給定值的大小，當改變DA輸出時，焊接電流給定值也同時線性變化，由于STM32F407單片機的AD和DA輸出都是12位數制，再利用此單片機自帶的可進行浮點運算的FPU浮點運算模塊進行閉環反饋PI運算，以解決運算過程中的精度誤差問題。最后將通過PI運算后輸出的占空比值對定時器的輸出比較寄存器值進行實時更新即可。

定時器進入TIM4中斷后的程序流程如圖8所示。為了使單片機經過PI運算調節后輸出的電流值在一次逆變的下一個周期能實時更新，采用在普通定時器TIM4中斷中進行AD采集和PI運算以得到實時更新的輸出比較寄存器值。并設置TIM4的中斷計數器值為逆變周期或者逆變周期的整數倍。PI運算程序流程如圖9所示。

圖8 TIM4中斷程序流程

圖9 PI閉環反饋調節程序流程

基于VS2010搭建的焊接參數監測上位機軟件，利用串口控件TeeChart圖表控件實現上位機監測軟件與控制系統的串口通訊與參數采集的波形顯示，默認串口參為串口COM1、波特率9 600、8位數據位、無校驗位和1個停止位。可實現焊接參數采集的實時波形滾動顯示。焊接采集數據實時曲線軟件設計界面如圖10所示。

圖10 焊接采集數據實時曲線設計界面

該控制系統不僅可以實現等離子弧焊接的過程控制，還可實現焊接過程的參數采集及監測，配備以工控PC機平臺的基于VS2010的串口通訊焊接參數監測上位機軟件，通過自開發的SPI轉EtherCAT的網絡耦合板與上位機TWINCAT或CODESYS編寫的自動化焊接控制系統進行焊接信息的交互，由此建立與上位機通訊的EtherCAT網絡從站[7]。

4 結論

等離子弧焊過程控制系統和參數采集與監控系統設計已用于離線和在線調試。離線調試監測時間的合理性動作，精確控制時間和焊接參數的采集與監控系統的可行性，在線調試系統可靠、工作穩定。實驗結果表明，等離子弧焊接過程控制系統和焊接參數采集與監控系統的設計可以嚴格按照設計過程的時序動作執行，系統軟件執行效率高、控制精度高。當樣品以較快的焊接速度進行焊接時可保證焊接過程的穩定性，焊接過程電弧能量集中且不會斷裂，基本無咬邊氣孔等焊接缺陷，在相同條件下，焊接速度比普通電弧焊的更快，工藝性能更加優良。通過良好的焊接過程控制以及參數采集與監控系統實現了焊接參數的實時反饋和波形顯示，拓寬了變極性等離子弧焊接的工藝參數區間，小孔穩定性得到一定的提升，焊接工藝美觀，可滿足等離子弧焊工藝的技術要求。

圖11 EterCAT從站建立程序流程

[1] 殷樹言，劉嘉，丁京柱，等.電焊機的數字化[J].焊接學報，2002（1）：88-89.

[2]韓永全，陳樹君，殷樹言，等.變極性等離子電弧穩定性及其控制[J].焊接學報，2008（4）：18-20.

[3]黃石生.弧焊電源及其數字化控制[M].北京：機械工業出版杜，2006.

[4]丁京柱，黃鵬飛，殷樹言，等.雙閉環單片機波控逆變CO2焊機系統[J].焊接學報，2000，21（3）：47-50.

[5]Liu Yizhang.PC-based arc ignition and arc length control system for gas tung-sten arc welding[J].IEEE Transactions on Industry Applications，1992，28（5）：1160-1165.

[6] 趙希才.隔離放大器及其應用[J].電子技術應用，2000（3）：85-86

[7]S R SHAN，Y Q LIU，H Ji.EtherCAT Indu-strial Ethernet Fieldbus and Its Driver Design[J].Manufacturing Automation，2007，29（11）：79-82.

Design of embedded control system for variable polarity plasma welding

CHEN Shujun，LIN Wan，YU Xu，BAI Lilai
（College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

The process control and data acquisition system of plasma arc welding was developed.It adopted microcontroller STM32-F407VGT6 embedded in with Cortex-M4 core.This system realizes the parameters'input，display，call and storage，as well as the actual welding parameters acquisition and monitoring function，and the system can adjust the welding parameters in welding process with the PID feedback.It can not only realize the remote control of the welding station PC，but also monitor the welding parameters collected by microcontroller.And this system can update the welding parameters according to the monitoring to achieve the higher requirements of the welding process and get more optimized quality of welding.

Cortex-M4；microcontroller STM32F407VGT6；arc welding process control；data monitoring

TG439.5

A

1001－2303（2017）05－0043-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.05.09

2017-03-19；

2017-04-05

陳樹君（1971—），男，教授，博士，主要從事電焊機的電磁兼容設計與測試、逆變電源設計與開發、高效焊接工藝、焊接過程質量控制的研究工作。E-mail：sjchen@bjut.edu.cn。

本文參考文獻引用格式：陳樹君，林萬，余旭，等.變極性等離子弧焊的嵌入式控制系統設計[J].電焊機，2017，47（05）：43-47.