鄭會軍，游霞

(攀枝花學院電氣信息工程學院，四川攀枝花617000)

弧焊系統(tǒng)直流電機運行參數(shù)的數(shù)字顯示

鄭會軍，游霞

(攀枝花學院電氣信息工程學院，四川攀枝花617000)

目前在弧焊系統(tǒng)中直流電機的運行情況還處于無監(jiān)控狀態(tài)，針對這一情況，分析了弧焊系統(tǒng)中行走電機和送絲電機的運行參數(shù)。充分利用DSP芯片的高速運算功能和多功能的外圍接口，通過DSP與MCU及CAN總線實現(xiàn)電機運行數(shù)據(jù)的采集、傳輸和顯示。介紹CAN總線的工作原理及其實現(xiàn)方法，實驗驗證了電機運行參數(shù)的顯示。

弧焊系統(tǒng)；直流電機；DSP；CAN總線

0 前言

由于直流電機具有良好的起、制動性能，能大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，因而在弧焊系統(tǒng)中行走電機和送絲電機大多采用直流電機。隨著智能焊接系統(tǒng)的發(fā)展，為了達到焊接系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，直流電機調(diào)速控制大多采用帶通信接口的，即RS232或RS485串行總線，RS－232傳送距離小于RS－485(RS－232傳輸距離在15m以內(nèi)，RS－485傳輸距離在1200m)，由于RS232或RS485各自存在優(yōu)缺點，不適宜多組數(shù)據(jù)通信工控系統(tǒng)中。

在工業(yè)控制系統(tǒng)中，CAN總線的應用已經(jīng)越來越廣泛。而CAN控制網(wǎng)絡工作于多主方式，網(wǎng)絡中的各節(jié)點都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán)(取決于報文標識符)采用無損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁的方式競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，且CAN協(xié)議廢除了站地址編碼，采用對通信數(shù)據(jù)進行編碼，使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這些特點使得CAN總線構(gòu)成的網(wǎng)絡各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信適時性強，并且容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性和靈活性。本研究將采用CAN總線實現(xiàn)弧焊系統(tǒng)直流電機的控制及其參數(shù)的顯示，實現(xiàn)良好的人機界面，從而使操作人員可以隨時掌握電機的運行狀態(tài)[1－5]。

1 控制系統(tǒng)硬件設計

本設計選用主芯片DSP作為中央處理器，實現(xiàn)電機控制的主電路PWM控制和軟件實現(xiàn)。電機控制框圖如圖1所示。

圖1中，直流電機的主電路控制用IPM實現(xiàn)，在工程應用中大多采用四個IGBT開關管組成全橋電路控制直流電機的電樞電壓，從而控制電機的轉(zhuǎn)速?？刂齐娐分饕遣杉姍C運行的電壓、電流和轉(zhuǎn)速參數(shù)來控制開關管的PWM驅(qū)動信號，另外將當前的采集信號通過CAN總線傳輸?shù)饺藱C界面顯示電機的運行狀態(tài)。設計電路包括：TMS320F2812 DSP、采樣電路、鍵盤電路、LCD顯示電路、PWM驅(qū)動電路、CAN總線。在編制程序時，電機的正反轉(zhuǎn)要經(jīng)過比較電路判斷正負，電壓信號為正時電機正轉(zhuǎn)，為負時反轉(zhuǎn)。

圖1 電機控制框圖

2 數(shù)據(jù)通信

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信由直流電機、直流電機調(diào)速電路、CAN總線通信模塊、CAN總線、顯示等組成，如圖2所示。其中，直流電機調(diào)速部分是通過PWM控制直流電機的轉(zhuǎn)速，電機的電壓、電流和轉(zhuǎn)速通過DSP處理后發(fā)送到CAN總線通信控制板上，CAN總線主要是接收由采集電路發(fā)送的電機運行數(shù)據(jù)。通過CAN總線通信網(wǎng)絡送給顯示模塊對各直流電機的運行參數(shù)進行實時監(jiān)控，操作人員可隨時了解電機運行狀態(tài)及處理故障信號[2]。

實際上，送絲電機和行走電機就是數(shù)據(jù)通信中的一個節(jié)點，其在運行時的數(shù)據(jù)經(jīng)DSP采集后發(fā)送到CAN總線通信控制板，然后傳輸?shù)紺AN總線上。每臺電機都有自己的通信網(wǎng)絡ID，CAN適配器接收所有發(fā)送到CAN總線上的數(shù)據(jù)，接收到數(shù)據(jù)后再經(jīng)報文濾波器檢測網(wǎng)絡ID，判斷是不是所需要的節(jié)點發(fā)送的報文，如果是則經(jīng)過串口發(fā)送到上顯示器。這樣就可以實現(xiàn)顯示器與對兩臺電機的實時監(jiān)控。

CAN總線適配器由DSP與上位機通信的協(xié)調(diào)工作，根據(jù)需要對DSP的寄存器進行讀寫操作，實現(xiàn)初始化和數(shù)據(jù)采集。CAN總線適配器上電復位和初始化后，等待命令和數(shù)據(jù)，當命令或數(shù)據(jù)送給CAN的寄存器并置位標志位，即完成一次通信，然后取出數(shù)據(jù)做進一步處理。與CAN適配器間的通信有查詢和中斷兩種方式。若使用中斷方式，可用DSP中斷寄存器來識別中斷源，完成與CAN適配器間的通信。

CAN總線以半雙工的方式工作，一個節(jié)點發(fā)送消息，多個節(jié)點接收信息。CAN總線采用一種稱作廣播式的存取工作方式。信息可以在任何時候由任何節(jié)點發(fā)送到空閑的總線上，并被其他所有節(jié)點接收、判斷后，決定是否使用這個信息。由于每個節(jié)點的CAN總線接口必須接收總線上出現(xiàn)的所有消息，因此需要設置一個接收寄存器。先接收消息，再根據(jù)接收的消息標識符決定是否需要讀取消息包中的數(shù)據(jù)。同時為了避免不必要的頻繁中斷節(jié)點所在的主機來判斷處理每一個總線上的信息，需要設置一個屏蔽寄存器來濾掉那些所在節(jié)點設備不需要的信息[2－7]。

圖2 CAN總線網(wǎng)絡

3 調(diào)試結(jié)果

在初次調(diào)試時，首先要測試CAN總線適配器與顯示器之間的數(shù)據(jù)能否實現(xiàn)傳輸，它們是通過串口實現(xiàn)傳輸。打開串口調(diào)試工具，由適配器向串口發(fā)送數(shù)據(jù)，如果串口調(diào)試工具可以接收到數(shù)據(jù)，說明數(shù)據(jù)通信正常。然后調(diào)試兩個CAN節(jié)點，設置一個節(jié)點為發(fā)送端，另一節(jié)點為接收端，取消報文濾波器，如果能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)和送接收任務，則通信線路和數(shù)據(jù)傳輸正常。

在本設計中采用CAN總線傳輸電機的各種運行參數(shù)(給定速度、反饋速度、反饋電流、電樞電壓)。運行狀態(tài)由DSP自帶的A／D轉(zhuǎn)換模塊經(jīng)采樣所得。DSP的A／D采樣器精度為12位，所以經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)值是一個12位的二進制數(shù)，對其前端補零轉(zhuǎn)換成16位數(shù)據(jù)經(jīng)串口直接發(fā)送給處理器。由于傳輸距離近，不需要經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換就可直接發(fā)送。而電機的故障狀態(tài)則由0、1表示，0代表沒有故障，1代表電機出現(xiàn)故障。當然電機的故障有包括過電壓、過電流、失磁、欠電壓等情況，只要出現(xiàn)上述任意一種情況故障狀態(tài)就會變?yōu)?，這就由電機故障傳輸?shù)木幊虒崿F(xiàn)。

眾所周知，要實現(xiàn)DSP與MCU以及CAN總線的通信，必須要制定一個通信協(xié)議，否則雙方傳輸和接收的就是亂碼，協(xié)議設定每個要傳輸?shù)膮?shù)一個控制地址。CAN總線通信控制協(xié)議如表1所示。

表1 CAN總線控制協(xié)議

CAN總線每次可以發(fā)送8個字節(jié)，每個字節(jié)8位，所以給定速度、反饋速度、反饋電流和電樞電壓這四組運行參數(shù)需要占據(jù)兩個字節(jié)，而故障狀態(tài)只需占據(jù)一個字節(jié)。CAN總線數(shù)據(jù)幀的第一個字節(jié)存放控制地址，第二、三個字節(jié)存放數(shù)據(jù)。其中，第二字節(jié)存高地址，第三字節(jié)存低地址。如果發(fā)送的是故障狀態(tài)則只有第二個字節(jié)是傳輸數(shù)據(jù)。CAN總線每次只發(fā)送一種運行參數(shù)，其中給定速度、反饋速度、反饋電流、電樞電壓依次輪流發(fā)送。而故障狀態(tài)在程序中設置為優(yōu)先級最高，當有故障出現(xiàn)時則優(yōu)先發(fā)送，正常狀態(tài)下不發(fā)送。

顯示器在讀取接收到的數(shù)據(jù)時，首先確認發(fā)送數(shù)據(jù)的消息標識符，確定是否為需要的數(shù)據(jù)。然后讀取第一位數(shù)據(jù)即控制地址，由控制地址判斷出傳輸?shù)氖悄姆N運行參數(shù)，如果是運行狀態(tài)中的一種，則需要對其進行數(shù)據(jù)處理，因為運行狀態(tài)都是由精度為12位的A／D采樣得到的，所以其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成十進制后范圍為0～4 095，與模擬電壓值0～3 V成線性對應關系。轉(zhuǎn)換成電壓值后還要根據(jù)不同的運行參數(shù)進行不同的處理，數(shù)據(jù)傳輸流程如圖3所示[2－9]。

上位機數(shù)據(jù)顯示界面如圖4所示。顯示界面為調(diào)試某一時刻的傳輸數(shù)據(jù)?？梢钥闯龇答佀俣扰c給定速度并不相等，這是由于PI控制算法的作用使反饋速度始終處于給定速度附近，以及編碼器測試的誤差或者顯示數(shù)據(jù)的滯后。反饋電流0.8A是在電機空載時由電流傳感器所測出的，隨著負載和轉(zhuǎn)速的增加，反饋電流會逐漸變大。電樞電壓是直流電機母線上的電壓，由于電機在實際應用中主要工作于110 V，所以調(diào)試時首先將電樞電壓穩(wěn)定在這一電壓值，然后再調(diào)節(jié)速度。在正常情況下，故障狀態(tài)始終顯示為“0”，當有故障信號發(fā)出時，故障狀態(tài)顯示為“1”并發(fā)出故障信號。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸流程框圖

圖4 電機運行數(shù)據(jù)顯示界面

4 結(jié)論

針對弧焊系統(tǒng)中行走電機和送絲電機運行狀態(tài)和參數(shù)顯示進行設計。分析了焊接系統(tǒng)中直流電機控制系統(tǒng)的主電路，重點分析電機運行時的電流、電壓、轉(zhuǎn)速、故障信息的設計，通過CAN總線傳輸能實時在專用顯示器上顯示電機的運行參數(shù)和運行狀態(tài)，確保操作人員能及時掌握焊接系統(tǒng)電機的運行情況。在焊接系統(tǒng)都可以通過CAN總線對整個焊接系統(tǒng)的焊接數(shù)據(jù)進行傳輸，使焊接系統(tǒng)成為智能焊接系統(tǒng)。

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Design of digital display of DC motor in arc welding system

ZHENG Hui－jun，YOU Xia
(School of Information and Electric Engineering，Panzhihua University，Panzhihua 617000，China)

Nowadays，DC motor operation in arc welding system is of no monitoring status.Aim to this situation，this paper analyzes the arc welding system in the moving motor and a wire feeding motor operating parameters of the display are developed.This paper makes use of the DSP chip with high speed operational function and multi－function peripheral interface.With the DSP and MCU and CAN bus，to realize collection，transmission and display of the motor running data.CAN bus is introduced with its working principle and realization method，finally the experimental verification of the motor running parameter display.

arc welding system；DC motor；DSP；CAN Bus

book=6,ebook=44

TG409

A

1001－2303(2012)06－0081－04

2011－01－19；

2012－03－16

鄭會軍(1964—)，男，湖北漢川人，副教授，主要從事電力電子與自動化控制、太陽能應用、檢測技術(shù)等研究工作。