CN110076419B - 一种用于超高频脉冲tig焊电源的数字化控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于超高频脉冲TIG焊电源的数字化控制系统，包括MCU模块、DSP模块和CPLD模块，DSP模块用于实现三路直流电源的数字给定与调节、高频引弧控制以及一元化调节功能；MCU模块用于完成数字化人机交互、工艺参数的USB存储与调用、送丝机控制以及与上位机的通讯功能；DSP模块与MCU模块之间采用双机通讯，用于传递通过触摸屏设定的工艺参数以及需要在触摸屏上显示的焊接状态参数；利用所述DSP模块和CPLD模块来实现超高频脉冲方波变极性电流的变换和控制。该系统可在超高频脉冲TIG焊接平台上实现对焊接电流特征参数的精确控制和独立调节，满足开展超高频脉冲TIG自动焊接工艺研究的需要。

Description

一种用于超高频脉冲TIG焊电源的数字化控制系统
技术领域
本发明涉及焊接设备技术领域，尤其涉及一种用于超高频脉冲TIG焊电源的数字化控制系统。
背景技术
脉冲弧焊技术通过在焊接过程中加入脉冲能量，可以有效控制电弧能量状态，达到改善焊缝成形质量和提高接头性能的目的。对自由电弧进行脉冲电流调制，当调制脉冲频率达到较高频率时焊接电弧能够产生高频效应，可以提高焊接电弧的稳定性，且对熔池液态金属的结晶过程以及熔池中气体的逸出均有很好的作用效果。
北京航空航天大学近年来率先开展了超高频脉冲TIG焊技术研究工作，在基于新型主电路拓扑结构和控制方法所搭建的超高频脉冲TIG焊接平台上，可以实现超高频直流脉冲TIG焊和超高频脉冲方波变极性TIG焊等多种焊接方法。在该焊接平台上所开展的多种金属材料的焊接加工试验表明，超高频脉冲电弧调制手段在改善焊缝成形和提高焊接接头性能具有明显效果。然而，现有的超高频脉冲方波变极性TIG焊电源样机上还存在一些制约该新型焊接工艺推广应用的问题，主要表现在如下几个方面：现有的引弧方式、人机交互模式无法满足焊机自动焊接的需要：在焊接过程各个阶段均需手动设置焊接参数，操作使用不便，导致焊接效率较低；波形变换和控制技术难以满足高质量焊接和焊接现场对焊机柔性化实现多种焊接工艺的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于超高频脉冲TIG焊电源的数字化控制系统，该系统可在超高频脉冲TIG焊接平台上实现对焊接电流特征参数的精确控制和独立调节，满足开展超高频脉冲TIG自动焊接工艺研究的需要。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种用于超高频脉冲TIG焊电源的数字化控制系统，所述控制系统包括微控制器MCU模块、数字信号处理器DSP模块和复杂可编程逻辑器件CPLD模块，其中：
所述DSP模块用于实现三路直流电源的数字给定与调节、高频引弧控制以及一元化调节功能；
所述MCU模块用于完成数字化人机交互、工艺参数的USB存储与调用、送丝机控制以及与上位机的通讯功能；
所述DSP模块与所述MCU模块之间需要进行双机通讯，用于传递通过触摸屏设定的工艺参数以及需要在触摸屏上显示的焊接状态参数；
进一步利用所述DSP模块和CPLD模块来实现超高频脉冲方波变极性电流的变换和控制，具体来说：
通过所述DSP模块和CPLD模块的协同工作，所述控制系统能提供3对双端数字化PWM脉冲输出，且使3对双端数字化PWM脉冲在时序上呈现一定的逻辑关系，实现对超高频脉冲方波电流的变换和控制。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述系统可在超高频脉冲TIG焊接平台上实现对焊接电流特征参数的精确控制和独立调节，满足开展超高频脉冲TIG自动焊接工艺研究的需要，从而适应航空航天等国防工业领域高质量自动焊接的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的用于超高频脉冲TIG焊电源的数字化控制系统整体结构示意图；
图2为本发明实施例所提供的DSP模块和CPLD模块协同工作的数字化PWM实现方案示意图；
图3为本发明所举实例中正向脉冲调制(PP)模式下PWM控制信号示意图；
图4为本发明所举实例中主电路拓扑产生的复合超高频脉冲变极性电流输出波形示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的用于超高频脉冲TIG焊电源的数字化控制系统整体结构示意图，所述控制系统主要包括微控制器MCU模块、数字信号处理器DSP模块和复杂可编程逻辑器件CPLD模块，其中：
所述DSP模块用于实现三路直流电源的数字给定与调节、高频引弧控制以及一元化调节功能；
所述MCU模块用于完成数字化人机交互、工艺参数的USB存储与调用、送丝机控制以及与上位机的通讯功能；
所述DSP模块与所述MCU模块之间需要进行双机通讯，主要用于传递通过触摸屏设定的工艺参数以及需要在触摸屏上显示的焊接状态参数；这里，由于数据通信量不大且对实时性要求不高，所述DSP模块与所述MCU模块之间的双机通讯可以采用RS232串行通讯方式。
利用所述DSP模块和CPLD模块来实现超高频脉冲方波变极性电流的变换和控制，具体来说：
通过所述DSP模块和CPLD模块的协同工作，所述控制系统能提供3对双端数字化PWM脉冲输出，且使3对双端数字化PWM脉冲在时序上呈现一定的逻辑关系，实现对超高频脉冲方波电流的变换和控制，从而在焊接试验平台上实现多种焊接方法。
具体实现中，上述DSP模块可以选用Microchip公司的dsPIC30F6012A处理器；上述MCU模块可以选用Microchip公司的自带USB功能的16位低功耗处理器PIC24FJ256GB106；所述CPLD模块可以选用ALTER公司MAX3000A系列EPM3128ATC100复杂可编程逻辑芯片。
如图2所示为本发明实施例所提供的DSP模块和CPLD模块协同工作的数字化PWM实现方案示意图，参考图2，所述DSP模块和CPLD模块的协同工作过程具体为：
由所述DSP模块产生两对带死区功能的基准互补PWM输出，即变极性PWM输出和高频脉冲PWM输出，这两对PWM输出信号为所述CPLD模块提供PWM基准信号；
所述CPLD模块则根据所述DSP模块提供的几路IO信号所代表的模式控制信号CTR，按照一定的逻辑关系对基准变极性PWM信号和基准高频脉冲PWM信号进行组合，最终产生桥式极性变换电路所需要的变极性PWM输出控制信号和正反向脉冲峰值切换电路所需要的复合调制PWM控制信号。
另外，上述基准变极性PWM信号由所述DSP模块中电机PWM模块中的PWM发生器来实现；基准高频脉冲PWM信号由所述DSP模块中两路输出比较模块通过软件编程处理来产生。
呈复杂时序和逻辑关系且具有一定共同导通时间的互补脉冲PWM输出则由所述CPLD模块根据要求的工作模式进行逻辑判断后产生。
举例来说，利用所述DSP模块的3路数字IO构成的控制信号CTR来代表八种不同的焊接工作模式，其二进制取值范围为000-111，其代表的焊接工作模式定义如表1所示，如001代表正极性调制模式PP，010代表负向脉冲调制模式NP等。
表1
Figure BDA0002054215330000041
如图3所示为本发明所举实例中正向脉冲调制(PP)模式下PWM控制信号示意图，图3中：CTR为模式控制信号(取值为001，即正向脉冲调制模式PP)，PWMP1和PWMP2为DSP提供的基准变极性信号(1000Hz)，PWMH1和PWMH2为DSP提供的基准脉冲信号(20kHz)，而CPLD产生的输出信号PWM1_4和PWM2_3分别用于控制桥式极性变换电路中VT1、VT4和VT2、VT3；输出信号PWM5和PWM6用于控制正向峰值切换电路开关管VT5和VT6，输出信号PWM7和PWM8则用于控制反向峰值切换电路开关管VT7和VT8。
在上述控制信号作用下，主电路拓扑产生的复合超高频脉冲变极性电流输出波形示意图如图4所示。
值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
综上所述，本发明实施例所提供的系统可在超高频脉冲TIG焊接平台上实现对焊接电流特征参数的精确控制和独立调节，完全满足开展超高频脉冲TIG自动焊接工艺研究的需要；同时利用DSP和CPLD协同工作的数字化PWM产生方案，可以很方便地实现多种调制模式的复合调制脉冲PWM输出，使得焊机具备柔性化实现多种焊接方法的功能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种用于超高频脉冲TIG焊电源的数字化控制系统，其特征在于，所述控制系统包括微控制器MCU模块、数字信号处理器DSP模块和复杂可编程逻辑器件CPLD模块，其中：
所述DSP模块用于实现三路直流电源的数字给定与调节、高频引弧控制以及一元化调节功能；
所述MCU模块用于完成数字化人机交互、工艺参数的USB存储与调用、送丝机控制以及与上位机的通讯功能；
所述DSP模块与所述MCU模块之间需要进行双机通讯，用于传递通过触摸屏设定的工艺参数以及需要在触摸屏上显示的焊接状态参数；
进一步利用所述DSP模块和CPLD模块来实现超高频脉冲方波变极性电流的变换和控制，具体来说：
通过所述DSP模块和CPLD模块的协同工作，所述控制系统能提供3对双端数字化PWM脉冲输出，且使3对双端数字化PWM脉冲在时序上呈现一定的逻辑关系，实现对超高频脉冲方波电流的变换和控制；
其中，所述DSP模块和CPLD模块的协同工作过程具体为：
由所述DSP模块产生两对带死区功能的基准互补PWM输出，这两对PWM输出信号为所述CPLD模块提供PWM基准信号；
所述CPLD模块则根据所述DSP模块提供的几路IO信号所代表的模式控制信号CTR，按照一定的逻辑关系对基准变极性PWM信号和基准高频脉冲PWM信号进行组合，最终产生桥式极性变换电路所需要的变极性PWM输出控制信号和正反向脉冲峰值切换电路所需要的复合调制PWM控制信号；
其中，所述基准变极性PWM信号由所述DSP模块中电机PWM模块中的PWM发生器来实现；所述基准高频脉冲PWM信号由所述DSP模块中两路输出比较模块通过软件编程处理来产生。
2.根据权利要求1所述用于超高频脉冲TIG焊电源的数字化控制系统，其特征在于，
所述DSP模块选用dsPIC30F6012A处理器；
所述MCU模块选用自带USB功能的16位低功耗处理器PIC24FJ256GB106；
所述CPLD模块选用MAX3000A系列EPM3128ATC100复杂可编程逻辑芯片。
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