CN101362245A - 全数字化数控逆变焊机 - Google Patents
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Abstract
一种焊接技术领域的全数字化数控逆变焊机，本发明中，电流信号处理模块和电压信号处理模块分别采集焊接的电流和电压，并将电流和电压信号统一为0至5V的直流信号输给ARM微处理器；ARM微处理器根据测量得到电流和电压产生PWM脉冲信号，PWM信号传输给IGBT驱动模块；IGBT驱动模块将PWM脉冲信号转换为能够直接驱动IGBT管工作的信号，从而控制逆变器的输出；人机界面液晶显示模块与ARM微处理器连接，显示焊接工况和历史记录等信息；按键输入模块将按键信息转换为高低电平信号，同时产生按键中断；保安动作识别模块判断报警内容并输出控制信号保护焊接设备和焊接人员安全。本发明通过ARM微处理器实现焊机全数字化。
Description
技术领域
本发明涉及一种焊接技术领域的装置，具体是一种全数字化数控逆变焊机。
背景技术
近十年来，现代电力电子技术、计算机微电子信息和自动化控制技术的发展，极大地推动了焊接设备控制技术和自动化水平的提高，然而弧焊设备的研究和制造水平与正在蓬勃发展的国民经济仍不相适应。在产品的品种、树立、质量、性能和自动化程度等方面还远远不能满足各部门的使用要求，特别是高速、高效、高性能的数字化控制的焊接设备方面，跟国外还有很大的差距。
传统逆变焊机的电源电路结构如图1所示，图中C虚线框中的电子控制系统和D虚线框中给定反馈系统作为逆变弧焊电源的主控制系统，通过将电弧电压、电流值与给定的电压，电流值进行比较放大，利用PWM控制器产生和调节驱动脉冲，控制电子功率开关的通断，从而达到控制电弧的电压、电流输出。
模拟控制技术经过20多年的应用和发展，已经非常成熟，但其存在很多固有的缺点：控制电路的元器件多，电路复杂，所占的体积大；灵活性差，硬件电路设计好后，控制策略就无法改变；由于所采用器件特性的差异，致使电源一致性差，调试周期长；由于模拟器件的温度稳定性和老化问题，使得模拟器件的控制精度降低，可靠性下降；模拟器件工作点的漂移，导致系统参数的漂移；很难实现逆变电源的并联。
虽然目前国内已经出现不少数字化焊机，大都是在焊机电源主电路中采用数字化电子功率开关器件，如MOSFET或IGBT，也有在控制电路中采用MCU(单片微处理器)或DSP(数字信号处理器)为核心，鉴于单片微处理器和DSP的局限性，只能实现焊机的部分数字化，即模拟和数字并存。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种全数字化数控逆变焊机，使其通过提高焊机电源的控制精度、可扩展性及可靠性，实现焊机功率因数的大幅度提高，开发出生产高效、智能、先进的全数字化数控逆变焊机。
本发明是通过如下技术方案实现，本发明包括：电流信号处理模块、电压信号处理模块、ARM微处理器、IGBT驱动模块、人机界面液晶显示模块，按键输入模块和保安动作识别模块，其中：
电流信号处理模块和电压信号处理模块分别采集焊接的电流和电压，并将电流和电压信号统一为0至1V的直流信号，输给ARM微处理器；
ARM微处理器将电流信号处理模块和电压信号处理模块输入的模拟信号转换为数字信号，根据测量得到电流和电压产生PWM(脉宽调制)脉冲信号，PWM信号传输给IGBT驱动模块；
IGBT驱动模块将PWM脉冲信号转换为能够直接驱动IGBT管工作的信号，从而控制逆变器的输出；
人机界面液晶显示模块通过ARM微处理器的外部数据地址线与ARM微处理器连接，ARM微处理器将焊接工况和历史记录等信息输出到液晶显示器中显示；
按键输入模块将按键信息转换为高低电平信号，同时产生按键中断，通知ARM微处理器读取按键信息并做出响应动作，实现外部数据的输入，与人机界面液晶显示模块互动工作，实现人机互动；
保安动作识别模块利用中断实时检测报警信号，判断报警内容并按照保安动作规定向ARM微处理器的IO端口，ARM微处理器输出控制信号保护焊接设备和焊接人员安全，并将报警内容传输给人机界面液晶显示模块显示。
所述ARM微处理器，其中的A/D转换器将模拟电流、模拟电压信号输入以数字量的形式读出，并得到实时的电流电压值。
所述ARM微处理器，其实现焊接电源外特性控制功能，将PWM脉冲信号输入到IGBT驱动模块，完成对弧焊电流、电压的精确控制。
所述ARM微处理器，通过计时器和逻辑标志，实现焊接工艺时序精确控制，根据焊接工艺的时序要求，实现送气、引弧、维弧、短路过渡等工作。
所述ARM微处理器，其利用通信设备，接收来自PC或其他设备的通信指令，分析通信内容后做出相应的回应，并提供焊机状态查询、焊接工艺参数的设置等功能。
所述ARM微处理器，其实时检测保安动作识别模块产生的报警信号，控制IGBT驱动模块做出保安动作，同时将报警信息输出到人机界面液晶显示模块。
所述ARM微处理器，其负责人机界面和键盘输入的互动，实现菜单切换，设定值输入，将焊接工况和历史记录等信息输出到人机界面液晶显示模块中显示。
本发明全数字化数控逆变焊机是对传统焊机的电子控制系统和给定反馈系统进行全面数字化。通过采用ARM微处理器，利用信号处理电路将传感器采集的电流、电压信号转换为固定范围的电压信号，输入给ARM微处理器的10位A/D转换器。有A/D转换器将模拟信号变为数字信号；电流、电压的给定值也以数字形式，由按键输入到ARM微处理器；ARM微处理器基于PID数字控制算法和模糊控制规则进行运算，产生PWM脉冲序列；PWM信号驱动电路，控制弧焊电源逆变电路功率开关器件的通断，实现弧焊电源输出电压和电流的精确控制。ARM微处理器通过对电流电压的判断来区分引弧、维弧、短路过渡等不同阶段，采取不同的控制策略，实现焊接电弧的稳定和熔滴过渡的平稳。ARM微处理器通过液晶显示驱动电路将焊接相关信息显示到人机界面液晶显示模块上。
与现有技术相比，本发明包括如下有益效果：
本发明采用ARM微处理器为核心，具有32位的高性能，事件管理能力强，运行速度快，数据处理能力强，自带高速模数转换和PWM控制器的特点，构成嵌入式控制系统，在低成本的前提下，提高控制的精度和实时性，控制速度提高了10倍。
本发明利用ARM微处理器的JTAG接口，实现焊机控制软件的在线调试，在线升级。使得焊机改进升级容易，只需修改软件程序，无需变动硬件电路，缩短了开发周期30％左右；
本发明通过软硬件结合实现对焊接电源的外特性、调节特性和动特性的控制，使控制系统更加灵活，可在一台焊机上实现氩弧焊，埋弧焊，气体保护焊等焊接工艺。
本发明利用ARM微处理器对信息处理识别的能力，可进行故障的自我诊断，便于焊机的日常维护；
本发明利用ARM微处理器强大的通信能力，可以与机器人接口形成自动化焊接系统，并可实现多台焊机大规模并联运行系统；
本发明利用大容量外部存储芯片，实现大量参数的专家系统的存储，操作者只需要按动操作界面上的按钮便可方便地调用焊接所需的参数进行焊接。
本发明利用ARM微处理器在连网方面的优势，可以使弧焊电源的具有网络连接功能，实现焊接过程的网路化管理与监控。这对焊接质量的控制和提高，焊接制造过程的敏捷性具有重要意义，并使焊机的远程故障诊断与维护成为可能。
附图说明
图1是传统逆变焊机的电源电路结构图；
图2是基于ARM控制的全数字化数控逆变焊机结构示意框图；
图3基于ARM的全数字焊接电源功能图；
图4是弧焊电流电压处理模块结构框图；
图5是本发明的实施例中LPC2210ARM微处理器功能连接示意图；
图6是IGBT驱动模块结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图2所示，本实施例包括：包括：电流信号处理模块、电压信号处理模块、IGBT驱动模块、人机界面液晶显示模块、按键输入模块、保安动作识别模块和ARM微处理器，其中：
所述ARM微处理器，采用飞利浦公司的LPC2210 32位ARM7TDMI-S微处理器。以下简称LPC2210。
所述电流信号处理模块和电压信号处理模块分别采集焊接的电流和电压，并将电流和电压信号统一为0至1V的直流信号，输给ARM微处理器；电流信号处理模块和电压信号处理模块对电流和电压的采集过程基本相同。如图4所示，霍尔电流传感器采用霍尼韦尔公司的CSNL281-007，霍尔电压传感器采用宇波模块CHV-100。电流传感器和电压传感器输出的微弱电流信号均通过仪用放大器AD620BR仪用放大，再转换为4-20mA的电流信号。电流信号通过电压-电流转换转换为电压信号，再通过线性光耦合器件TIL200隔离和LM358运放的放大后，输入到LPC2210的P0.27和P0.28端口(此端口为LPC2210内部ADC的1，2通道)，如图5所示。
所述ARM微处理器，其中的A/D转换器将模拟电流、模拟电压信号输入以数字量的形式读出，并得到实时的电流电压值。LPC2210内部具有8路10位A/D转换器，转换时间低至2.44μs，保证在50μs的控制周期内，进行多次转换，保证弧焊电流和电压的采集精度。通过A/D转换器，将输入的弧焊电流和电压信号转换为0-1024范围内的值，再利用换算公式，将该值转换为弧焊电流和电流值。
所述ARM微处理器，其实现焊接电源外特性控制功能。ARM微处理器根据焊接外特性的要求(如平特性，恒流特性等)，将测量得到的弧焊电流和电压值和给定值作为比较对象，利用PID数字控制算法和模糊控制规则进行运算，得到下一个控制周期内的PWM脉冲信号的占空比。通过PWM发生器，将计算得到的占空比输入到IGBT驱动模块，完成对弧焊电流、电压的精确控制。图5中“PWM输出1”和“PWM输出2”即为PWM控制信号的输出接口。
IGBT驱动模块将PWM脉冲信号转换为能够直接驱动IGBT管工作的信号，从而控制逆变器的输出。如图6所示，IGBT驱动模块采用富士公司的EXB841高速集成驱动器。其最高工作频率为40KHz，能满足20KHz的PWM频率。从LPC2210的P0.0和P0.1输出的两个PWM信号分别输入到两个EXB841，经过该芯片调制后的信号直接驱动两个IGBT管，从而构成半桥式逆变电路。
人机界面液晶显示模块通过ARM微处理器的外部数据地址线与ARM微处理器连接，ARM微处理器将焊接工况和历史记录等信息输出到液晶显示器中显示。如图5所示，ARM微处理器的D0-D7、A1、WE和OE接口连接液晶显示模块，可以用16为总线方式操作液晶显示模块。同时，可通过ARM微处理器的P1.22 I/O控制液晶显示器的背光。
按键输入模块将按键信息转换为高低电平信号，同时产生按键中断，通知ARM微处理器读取按键信息并做出响应动作，实现外部数据的输入，与人机界面液晶显示模块互动工作，从而实现人机互动。如图5所示，按键中断信号输入到ARM微处理器的EINT3上，当有按键按下时，会触发LPC2210的中断信号，LPC2210立即读取相应的键值。
保安动作识别模块利用中断实时检测报警信号，判断报警内容并按照保安动作规定向ARM微处理器的IO端口输出控制信号保护焊接设备和焊接人员安全，并将报警内容传输给人机界面液晶显示模块显示。如图5所示，过压、过热和过流信号分别输入到LPC2210的P0.22、P0.23和P0.25接口，当这些报警事件发生时，这些端口上的信号由低电平转换为高电平，LPC2210通过实时扫描这些端口来检测报警事件的发生。报警发生时，LPC2210根据报警内容控制PWM端口停止输出PWM信号，迅速停止焊接电流和电压的输出。同时，LPC2210驱动人机界面液晶模块，将报警内容显示在液晶屏幕上面，提醒操作人员。
所述ARM微处理器，通过计时器和逻辑标志，实现焊接工艺时序精确控制，根据焊接工艺的时序要求，实现送气、引弧、维弧、短路过渡等工作。LPC2210通过内部32位计时器TIMER1和TTMER2，按照各个工艺时序的设定时间，进行计时。当计时器到达后，设置逻辑标志，使焊机切换到下一个工序。
所述ARM微处理器，其利用通信接口，具有远程通信功能。如图5所示，利用LPC2210的RxD1和TxD1端口，实现RS232或RS485通信。LPC2210以RS232或RS485通信方式接收来自PC或其他设备的通信指令，分析通信内容后做出相应的回应，并提供焊机状态查询、焊接工艺参数的设置等功能。
所述ARM微处理器，使用其内部的PLL功能，外部时钟电路使用11.059MHz的外部晶振，与LPC2210的XTAL1、XTAL1相连(如图5所示)，通过芯片内部的PLL电路，使系统时钟为45MHz。
本实施例将ARM微处理器运用到了逆变焊机中，实现了焊机的全数字化。ARM微处理器具有32位的高性能、事件管理能力强、运行速度快、数据处理能力强、自带高速模数转换和PWM控制器的特点，构成嵌入式控制系统，在低成本的前提下，提高控制的精度和实时性，控制速度提高了10倍。本实施例也能够利用ARM微处理器的JTAG接口，实现焊机控制软件的在线调试，在线升级，使焊机改进升级容易，只需修改软件程序，无需变动硬件电路，缩短了开发周期30％左右。
Claims (7)
1.一种全数字化数控逆变焊机，其特征在于，包括：电流信号处理模块、电压信号处理模块、ARM微处理器、IGBT驱动模块、人机界面液晶显示模块，按键输入模块和保安动作识别模块，其中：
电流信号处理模块和电压信号处理模块分别采集焊接的电流和电压，并将电流和电压信号统一为直流信号，输给ARM微处理器；
ARM微处理器将电流信号处理模块和电压信号处理模块输入的模拟信号转换为数字信号，根据测量得到电流和电压产生PWM脉冲信号，PWM信号传输给IGBT驱动模块；
IGBT驱动模块将PWM脉冲信号转换为能够直接驱动IGBT管工作的信号，从而控制逆变器的输出；
人机界面液晶显示模块通过ARM微处理器的外部数据地址线与ARM微处理器连接，ARM微处理器将焊接工况和历史记录等信息输出到液晶显示器中显示；
按键输入模块将按键信息转换为高低电平信号，同时产生按键中断，通知ARM微处理器读取按键信息并做出响应动作，实现外部数据的输入，与人机界面液晶显示模块互动工作，实现人机互动；
保安动作识别模块利用中断实时检测报警信号，判断报警内容并按照保安动作规定向ARM微处理器的IO端口，ARM微处理器输出控制信号保护焊接设备和焊接人员安全，并将报警内容传输给人机界面液晶显示模块显示。
2.根据权利要求1所述的全数字化数控逆变焊机，其特征是，所述ARM微处理器，其中的A/D转换器将模拟电流、模拟电压信号输入以数字量的形式读出，并得到实时的电流电压值。
3.根据权利要求1所述的全数字化数控逆变焊机，其特征是，所述ARM微处理器，其实现焊接电源外特性控制功能，将PWM脉冲信号输入到IGBT驱动模块，完成对弧焊电流、电压的精确控制。
4.根据权利要求1所述的全数字化数控逆变焊机，其特征是，所述ARM微处理器，通过计时器和逻辑标志，实现焊接工艺时序精确控制，根据焊接工艺的时序要求，实现送气、引弧、维弧、短路过渡工作。
5.根据权利要求1所述的全数字化数控逆变焊机，其特征是，所述ARM微处理器，其利用通信设备，接收来自PC或其他设备的通信指令，分析通信内容后做出相应的回应，并提供焊机状态查询、焊接工艺参数的设置。
6.根据权利要求1所述的全数字化数控逆变焊机，其特征是，所述ARM微处理器，其实时检测保安动作识别模块产生的报警信号，控制IGBT驱动模块做出保安动作，同时将报警信息输出到人机界面液晶显示模块。
7.根据权利要求1所述的全数字化数控逆变焊机，其特征是，所述ARM微处理器，其负责人机界面和键盘输入的互动，实现菜单切换，设定值输入，将焊接工况和历史记录等信息输出到人机界面液晶显示模块中显示。
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