常春梅，陳克選，洪兆林，袁亮文，賴 宇

（蘭州理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅蘭州730050）

DSP+MCU雙核控制的脈沖MIG焊數(shù)字化控制系統(tǒng)

常春梅，陳克選，洪兆林，袁亮文，賴 宇

（蘭州理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅蘭州730050）

數(shù)字化焊接電源控制系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從單個(gè)MCU控制到雙MCU控制，再到DSP+MCU雙核控制，尤其是數(shù)字信號(hào)處理器DSP在電源中的廣泛應(yīng)用，使得焊機(jī)控制精度更高、輸出更具柔性化、系統(tǒng)穩(wěn)定性更好，使焊接電源的整體性能不斷提升。設(shè)計(jì)的脈沖MIG焊機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)就采用DSP（TMS320F2812）和MCU（STC89C58RD+）雙核控制，可實(shí)現(xiàn)脈沖和非脈沖MIG焊,并且脈沖焊時(shí)具有一元化調(diào)節(jié)功能。

DSP+MCU雙核控制；脈沖MIG；數(shù)字化

0 前言

新型工業(yè)化的飛速發(fā)展，對(duì)焊接技術(shù)提出了更高的要求。高質(zhì)量、高效率的焊接技術(shù)則離不開高性能的焊接電源。隨著信息化、智能化的發(fā)展，焊接電源的數(shù)字控制技術(shù)已經(jīng)成為焊接領(lǐng)域發(fā)展的方向，數(shù)字化焊接電源代表了焊接電源的發(fā)展方向。數(shù)字系統(tǒng)與模擬系統(tǒng)相比有明顯的優(yōu)勢(shì)，數(shù)字控制系統(tǒng)具有系統(tǒng)穩(wěn)定性好、控制精度高、穩(wěn)定性與產(chǎn)品一致性好、接口兼容性好及系統(tǒng)功能升級(jí)方便等特點(diǎn)[1]。利用數(shù)字信號(hào)處理器為核心所設(shè)計(jì)的數(shù)字化焊接電源具有節(jié)能、輕巧、性能更優(yōu)、控制更靈活的優(yōu)點(diǎn)。采用雙MCU、雙DSP、DSP+MCU等雙核控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)焊機(jī)程序軟件升級(jí)、焊接工藝規(guī)范優(yōu)化、多種焊接材料的適用性以及工藝參數(shù)的離線處理等[2]。本研究設(shè)計(jì)了基于DSP+MCU雙核控制的脈沖MIG焊數(shù)字控制系統(tǒng)，將MCU和DSP結(jié)合運(yùn)用，充分發(fā)揮其各自優(yōu)勢(shì)。DSP作為控制核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采樣、控制算法的實(shí)現(xiàn)、PWM控制信號(hào)的輸出以及電源的輸出特性控制，而MCU則負(fù)責(zé)人機(jī)交互、數(shù)據(jù)通信、電源狀態(tài)監(jiān)測(cè)等事件管理，兩者之間可通過串行接口、CAN總線等途徑進(jìn)行通信，以保證足夠高的控制精度、速度（實(shí)時(shí)性）和穩(wěn)定性。本研究設(shè)計(jì)完成的DSP+MCU雙核控制的脈沖MIG焊控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)焊機(jī)的多功能全數(shù)字化控制，并且系統(tǒng)穩(wěn)定，控制精度高。

1 控制系統(tǒng)硬件

所設(shè)計(jì)的整個(gè)焊接電源的系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要由主電路、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路、送絲系統(tǒng)等組成。其中主電路為全橋軟開關(guān)逆變電路，逆變頻率為30 kHz；控制系統(tǒng)為DSP+MCU雙核控制的數(shù)字化控制系統(tǒng)，由DSP控制核心硬件電路和MCU硬件電路組成。驅(qū)動(dòng)電路是以集成驅(qū)動(dòng)光耦HCPL-316J為核心設(shè)計(jì)的數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路。在此重點(diǎn)為雙核控制的數(shù)字化控制系統(tǒng)，對(duì)于其他的將不做詳細(xì)介紹。

圖1 焊接電源系統(tǒng)框圖

1.1 DSP控制核心

TI公司的TMS320F2812芯片是一款高性能的32位定點(diǎn)運(yùn)算DSP控制器，其結(jié)構(gòu)采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，執(zhí)行速度很快；片上集成有事件管理器EV、A/D轉(zhuǎn)換模塊、SCI通信口、SPI外設(shè)、看門狗、數(shù)字通用I/O口等多種功能模塊，硬件和軟件資源豐富，外設(shè)功能強(qiáng)大[3]①TMS320F281x Datasheet.Texas Instrument，2003.，TMS320F2812芯片在運(yùn)算速度、計(jì)算精度、數(shù)據(jù)采集和處理、實(shí)時(shí)控制等方面完全能滿足復(fù)雜過程控制的要求，適用于數(shù)字化焊機(jī)，故選擇TMS320F2812為DSP主控芯片。

1.2 MCU人機(jī)交互系統(tǒng)

人機(jī)交互系統(tǒng)要求界面友好、簡(jiǎn)潔、性能穩(wěn)定、易操作，還要能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化調(diào)節(jié)焊接參數(shù)。本研究采用STC89C58RD+單片機(jī)作為人機(jī)交互系統(tǒng)的主控芯片，其具有超強(qiáng)的抗干擾能力、超低功耗、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)；尤其是其片內(nèi)集成有EEPROM，不但方便參數(shù)掉電保存，還為實(shí)現(xiàn)一元化調(diào)節(jié)及焊接參數(shù)的專家數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)提供了一個(gè)很好的解決方案。

1.3 操作面板設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)潔明了的數(shù)字化操作面板，如圖2所示，可實(shí)現(xiàn)普通MIG焊、脈沖MIG（P_MIG）、一元化脈沖MIG焊（1P_MIG）。面板中焊接參數(shù)選擇通過旋鈕開關(guān)實(shí)現(xiàn)，參數(shù)大小由編碼器調(diào)節(jié)，2T、4T和1P_MIG、P_MIG、MIG分別通過兩個(gè)搖桿開關(guān)來選擇，減少了按鍵的數(shù)量，操作簡(jiǎn)單。為使程序更容易識(shí)別焊接材料和焊絲直徑，這兩個(gè)參數(shù)的選擇是通過兩個(gè)按鍵觸發(fā)中斷，并在中斷服務(wù)程序中設(shè)置相應(yīng)變量值代表某一參數(shù)而實(shí)現(xiàn)的。

圖2 操作面板

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于數(shù)字化焊接電源控制系統(tǒng)，軟件是其靈魂，是保證其焊接質(zhì)量的關(guān)鍵[4]?？刂葡到y(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為DSP控制程序和MCU程序，DSP控制程序主要負(fù)責(zé)整個(gè)焊接過程的控制，而MCU只負(fù)責(zé)焊接參數(shù)的預(yù)置及顯示，兩者通過設(shè)置通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。軟件編程均采用模塊化，使程序功能明確，可讀性強(qiáng)，易于維護(hù)、升級(jí)，也便于功能擴(kuò)展。C語言編程可讀性強(qiáng)，開發(fā)周期短，故采用C語言編程。

2.1 DSP控制程序

一般DSP程序開發(fā)的軟件平臺(tái)采用CCS（CODE COMPOSER STUDIO），它是TI公司（美國(guó)德州儀器公司）開發(fā)的專門針對(duì)DSP控制系統(tǒng)的集成開發(fā)環(huán)境，功能十分強(qiáng)大。DSP控制程序主要包括系統(tǒng)初始化程序、外特性控制程序、引弧程序、熄弧程序、中斷服務(wù)子程序等，其主流程圖如圖3所示。給DSP硬件系統(tǒng)上電后，先初始化DSP，再根據(jù)從MCU處接收到的信息選擇2T或4T焊接，等待焊槍的動(dòng)作信號(hào)，成功引弧后判斷是否選擇脈沖MIG，若選擇脈沖MIG焊則進(jìn)行恒流外特性控制，否則就進(jìn)行恒壓外特性控制，焊接結(jié)束時(shí)進(jìn)入熄弧程序，熄弧后程序返回到選擇2T或4T的程序處，如此循環(huán)不斷重復(fù)整個(gè)焊接過程。

圖3 DSP控制程序主流程框圖

2.2PWM輸出

真正意義上的數(shù)字化焊接電源系統(tǒng)，不僅僅是實(shí)現(xiàn)反饋控制環(huán)節(jié)的數(shù)字化和信息輸入和輸出數(shù)字化，最主要的是能夠?qū)崿F(xiàn)PWM控制脈沖數(shù)字化，這樣的電源才能稱為全數(shù)字化焊接電源[5]。因此本研究采用數(shù)字PWM調(diào)制，即通過程序調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)脈寬，從芯片管腳直接輸出PWM信號(hào)，再經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路的放大隔離得到符合要求的驅(qū)動(dòng)波形。本研究利用TMS320F2812的事件管理器模塊產(chǎn)生PWM信號(hào)。

TMS320F2812具有兩個(gè)事件管理器模塊（EVA和EVB），每個(gè)事件管理器有3個(gè)比較單元，每個(gè)比較單元可輸出兩路互補(bǔ)的帶死區(qū)的PWM信號(hào)，死區(qū)時(shí)間可通過程序調(diào)節(jié)，并且可通過程序隨時(shí)改變PWM信號(hào)脈寬。其原理：通過比較通用定時(shí)器計(jì)數(shù)寄存器的值與比較寄存器的值相比較，再設(shè)置PWM輸出管腳為低電平有效或高電平有效來輸出PWM信號(hào)。因此PWM調(diào)制方案：由比較單元1輸出頻率為30 kHz，死區(qū)時(shí)間為4 μs的PWM信號(hào)，設(shè)置輸出管腳PWM1、PWM2分別為高電平有效和低電平有效，且PWM1和和PWM2的脈寬固定不變，占空比均為50％；比較單元2輸出PWM3、PWM4分別為高電平有效和低電平有效，且脈寬可調(diào)，取PWM4和PWM2相互匹配；設(shè)置比較單元3、4與比較單元1完全相同，并使比較單元1、3同步啟動(dòng)，在定時(shí)器計(jì)數(shù)寄存器的值與比較單元3的比較寄存器的值相同時(shí)啟動(dòng)比較單元4的PWM輸出，取比較單元4輸出的PWM8與PWM1相匹配。比較單元的比較寄存器是陰影寄存器，即寄存器的值可通過程序改變，再結(jié)合PI控制就可隨時(shí)改變PWM4和PWM8的脈寬，這樣就實(shí)現(xiàn)了數(shù)字PWM調(diào)制。圖4為通過程序編程后所測(cè)得的PWM信號(hào)，該信號(hào)是驅(qū)動(dòng)波形的原始信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)電路放大后為所需要的驅(qū)動(dòng)波形。

圖4 DSP輸出PWM信號(hào)

2.3 MCU控制程序

控制系統(tǒng)中，MCU主要負(fù)責(zé)焊接參數(shù)的預(yù)置及顯示，主要包括參數(shù)選擇程序、MAX7219顯示程序、編碼器鑒相程序、掉電保存程序、一元化數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)程序等，根據(jù)要求設(shè)計(jì)的程序主流程圖如圖5所示。先初始化MCU，選擇2T或4T，再選擇1P_MIG、P_MIG、MIG，選定好焊接方法后對(duì)各焊接參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，若選為1P_MIG焊則可調(diào)用一元化焊接參數(shù)數(shù)據(jù)庫。調(diào)節(jié)好各焊接參數(shù)后斷開參數(shù)預(yù)置開關(guān)就可保存數(shù)據(jù)及與DSP通信，DSP接收正

確后程序?qū)⒎祷氐竭x擇2T或4T處重復(fù)上述操作。

圖5 MCU程序主流程框圖

其中，選擇一元化脈沖MIG焊時(shí)只需要調(diào)節(jié)送絲速度，程序會(huì)自動(dòng)匹配其余焊接參數(shù)，而參數(shù)自動(dòng)匹配的關(guān)鍵在于建立焊接參數(shù)專家數(shù)據(jù)庫。本設(shè)計(jì)中把專家數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在STC89C58RD+單片機(jī)片內(nèi)一片連續(xù)的EEPROM地址區(qū)域當(dāng)中。

其數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及調(diào)用方法如下：三種不同的焊接材料和焊絲直徑，可組成九種不同的組合，每種組合又可調(diào)節(jié)不同的送絲速度，每一送絲速度又有四個(gè)參數(shù)與其相匹配。因此，存儲(chǔ)時(shí)可將地址分成三種：每種焊接材料和焊絲直徑組合下參數(shù)存儲(chǔ)區(qū)的首地址addr_mode、每一送絲速度下對(duì)應(yīng)的其余四個(gè)焊接參數(shù)存儲(chǔ)區(qū)的首地址addr_speed、每一確定送絲速度下對(duì)應(yīng)的其余四個(gè)焊接參數(shù)的存儲(chǔ)地址addr_parameter。設(shè)計(jì)中把EEPROM扇區(qū)的首地址作為addr_mode，每個(gè)扇區(qū)存儲(chǔ)一種焊接材料和焊絲直徑組合下的焊接參數(shù)。程序中addr_mode的確定方法是把扇區(qū)首地址存入二維數(shù)組addr[i][j]中，i與j的值通過外中斷在0～2之間循環(huán)，這樣就可快速確定addr_mode。在確定addr_mode之后就可以在每個(gè)扇區(qū)地址范圍內(nèi)查找addr_speed及addr_parameter。

其C語言程序的操作語句如下：

addr_speed=addr_mode+speed*16；

for（k=0；k＜=3；k++）

{

addr_parameter=addr_speed+4*k；

}

2.4 DSP與MCU的通信協(xié)議

在雙核控制的焊機(jī)中，兩控制器之間的數(shù)據(jù)通信是一個(gè)相當(dāng)關(guān)鍵的問題，為確保通信的穩(wěn)定與可靠，通信協(xié)議的設(shè)計(jì)是重點(diǎn)[6]，本設(shè)計(jì)采用RS232串行接口實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與DSP的通信，它是一種常用的串行通信方式，電路簡(jiǎn)單易懂，抗干擾能力強(qiáng)。本研究設(shè)置的通信協(xié)議由焊接參數(shù)信息和校驗(yàn)和組成。焊接參數(shù)信息包括：2T和4T的選擇信息、三種焊接方法的選擇信息、脈沖焊接參數(shù)大小（即送絲速度、峰值電流；基值電流、頻率、占空比），校驗(yàn)和即代表各焊接參數(shù)信息的數(shù)值之和。系統(tǒng)工作時(shí)MCU先發(fā)送一遍數(shù)據(jù)，DSP接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行校驗(yàn)和驗(yàn)證，若DSP接收到的數(shù)字之和與接收到的校驗(yàn)和相同則給MCU返回0，表示接收正確；若不同則返回1，表示接收錯(cuò)誤。

3 結(jié)論

（1）控制系統(tǒng)采用DSP+MCU的雙核控制模式，并根據(jù)DSP和MCU的各自的特性分工，以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，從而使焊機(jī)的控制系統(tǒng)控制精度高、響應(yīng)速度快，并且運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

（2）設(shè)計(jì)的人機(jī)交互系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化調(diào)節(jié)焊接參數(shù)的功能，操作面板簡(jiǎn)潔明了，操作方便簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定可靠。

（3）程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，軟件執(zhí)行效率高，速度快，模塊化編程思想的引入，使得程序簡(jiǎn)單明了，功能明確，易于移植修改及后續(xù)的升級(jí)。

（4）數(shù)字PWM信號(hào)的輸出，是焊機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)全數(shù)字化的關(guān)鍵。

（5）焊機(jī)可實(shí)現(xiàn)一元化調(diào)節(jié)功能，在脈沖MIG焊時(shí)減少了對(duì)焊工經(jīng)驗(yàn)的依賴性。

[1]楊曉峰.基于DSP+MCU數(shù)字化焊接電源研究與設(shè)計(jì)[D].重慶：重慶大學(xué)，2008.

[2]陸曉明，熊敬清，李晉，等.基于DSP的脈沖MIG焊數(shù)字化焊機(jī)的研制[J].電焊機(jī)，2009，39（2）：38-40.

[3]顧衛(wèi)鋼.手把手教你學(xué)DSP[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[4]殷樹言，劉嘉.關(guān)于數(shù)字化焊機(jī)發(fā)展的幾點(diǎn)思考[J].電焊機(jī)，2009，39（2）：1-5.

[5]中國(guó)焊接協(xié)會(huì)焊接設(shè)備分會(huì).逆變焊機(jī)選用手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：69-270

[6]求是科技.單片機(jī)典型模塊實(shí)例設(shè)計(jì)導(dǎo)航[M].北京：人民郵電出版社，2004：350-351.

DSP+MCU dual-core control of digital control system of pulse MIG welding

CHANG Chunmei，CHEN Kexuan，HONG Zhaolin，YUAN Liangwen，LAI Yu
（School of Material Science and Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

The development of control system for digital power source has gone through a transition from single MCU control system to double MCU control system and to DSP+MCU dual-core control system.Especially，wide application of DSP in welding power makes control precision higher，outputing more flexible and system stability higher and therefore makes whole performance constantly improved.In this paper，digital unified pulsed welding machine is designed to use DSP（TMS320F2812）+MCU（STC89C58RD+）dualcore control system as digital control system，realizing pulse and non-pulse MIG welding and unified regulating function in pulse MIG welding.

DSP+MCU dual-core control system；pulse MIG；digital

TG434.1

A

1001-2303（2016）08-0011-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.08.03

2015-11-20；

2016-01-10

常春梅（1990—），女，甘肅會(huì)寧人，碩士，主要從事數(shù)字化焊接電源的研究工作。