專利名稱：全數(shù)字逆變式熔化極脈沖氣體保護(hù)焊機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及逆變式熔化極脈沖氣體保護(hù)焊機(jī)，該熔化極脈沖氣體保護(hù)焊機(jī) 主要應(yīng)用于各類金屬材料的高速、高質(zhì)量半自動或全自動焊接。
背景技術(shù)：
逆變技術(shù)在弧焊電源中的應(yīng)用已十分普遍，現(xiàn)今主流的熔化極脈沖氣體保 護(hù)焊機(jī)也多采用逆變方式。如圖1所示，按電氣功能分類，可將逆變式熔化極脈
沖氣體保護(hù)焊機(jī)劃分為三個系統(tǒng)功率系統(tǒng)100、饋絲系統(tǒng)500和控制系統(tǒng)200。 逆變式熔化極脈沖氣體保護(hù)焊機(jī)即是在控制系統(tǒng)的有效監(jiān)視和有序控制下使功 率系統(tǒng)與饋絲系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，將電網(wǎng)高壓正旋交流電轉(zhuǎn)換成低壓脈動直流電并 最終通過焊接回路完成電能到熱能的轉(zhuǎn)換。
功率系統(tǒng)100通常包括一次整流濾波、 一次逆變、主變壓器、二次整流濾波、 輸出回路等五個部分；饋絲系統(tǒng)500通常包括送絲機(jī)電源和送絲機(jī)電機(jī)等兩個部 分?？刂葡到y(tǒng)200通常包括輔助電源、網(wǎng)壓檢測、原邊電流反饋、焊接電流反饋、 電弧電壓反饋、功率單元的溫度反饋、送絲速度反饋、電機(jī)電流反饋、焊矩開 關(guān)狀態(tài)檢測、冷卻單元控制及驅(qū)動、保護(hù)氣體通斷控制及驅(qū)動、 一次逆變驅(qū)動、 饋絲系統(tǒng)驅(qū)動、定時器、時序控制邏輯、波形發(fā)生、電壓環(huán)、電流環(huán)、信號調(diào) 理、誤差計算、比例積分運(yùn)算、功率系統(tǒng)P麗、饋絲系統(tǒng)P麗、人機(jī)交互界面220 (包括鍵盤、開關(guān)、調(diào)節(jié)旋鈕、電位器等及LED指示燈、指針式表頭、數(shù)字表頭、 LED數(shù)碼管、LED表頭、LCD顯示器及其它類似部件)等二十四個部分。
如圖2所示，普通逆變式熔化極脈沖氣體保護(hù)焊機(jī)的控制系統(tǒng)200的核心功 能單元210，包括電壓環(huán)、電流環(huán)、信號調(diào)理、誤差計算、定時器、時序控制邏輯、波形發(fā)生、比例積分運(yùn)算、功率系統(tǒng)PWM、饋絲系統(tǒng)PWM等十個部分。
為了提高性能，有的逆變式熔化極脈沖氣體保護(hù)焊機(jī)的控制系統(tǒng)200的核心 功能往往采用半數(shù)字式或有限可編程式。如圖3所示，半數(shù)字式逆變式熔化極脈 沖氣體保護(hù)焊機(jī)的控制系統(tǒng)200的核心功能單元210，由微控制器或單片機(jī)(MCU) 230完成定時器、時序控制邏輯、電壓環(huán)、波形發(fā)生等單元的功能，由模擬電路、 模數(shù)混合電路和專用P麗電路(圖中沒有顯示)完成信號調(diào)理、誤差計算、電流 環(huán)、比例積分運(yùn)算、功率系統(tǒng)P麗、饋絲系統(tǒng)P籠等單元的功能。兩種焊機(jī)程度 不同的存在如下主要問題系統(tǒng)響應(yīng)速度慢、 一致性較差、可靠性較差、穩(wěn)定 性較差、輸出特性單調(diào)、功能較少較難拓展，無法滿足高端或特殊用戶的使用 需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供了一種能夠提高可靠性、 一致性和穩(wěn)定性的且能大量 減少元器件用量從而降低生產(chǎn)成本的全數(shù)字逆變式熔化極脈沖氣體保護(hù)焊機(jī)。 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是， 一種全數(shù)字逆變式熔化極
脈沖氣體保護(hù)焊機(jī)，包括
功率系統(tǒng)，具有一次整流濾波、 一次逆變、主變壓器、二次整流濾波、二 次逆變、輸出回路，及
饋絲系統(tǒng)，具有送絲機(jī)電源及送絲機(jī)電機(jī)，
響應(yīng)于一個控制信號，功率系統(tǒng)與饋絲系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，將電網(wǎng)高壓正旋交 流電轉(zhuǎn)換成低壓脈動直流電，通過焊接回路完成電能到熱能的轉(zhuǎn)換；和
控制系統(tǒng)，監(jiān)視和控制功率系統(tǒng)與饋絲系統(tǒng)，具有輔助電源、網(wǎng)壓檢測、 原邊電流反饋、焊接電流反饋、電弧電壓反饋、功率單元的溫度反饋、送絲速 度反饋、電機(jī)電流反饋、焊矩開關(guān)狀態(tài)檢測、冷卻單元控制及驅(qū)動、保護(hù)氣體通斷控制及驅(qū)動、 一次逆變驅(qū)動、饋絲系統(tǒng)驅(qū)動、人機(jī)交互界面，以及包含電 壓環(huán)、電流環(huán)、信號調(diào)理、誤差計算、定時器、時序控制邏輯、波形發(fā)生、比
例積分運(yùn)算、功率系統(tǒng)PWM、饋絲系統(tǒng)PWM的核心功能單元；
其特征在于，所述控制系統(tǒng)的核心功能單元是數(shù)字信號控制器(DSC)或者 數(shù)字信號處理器(DSP)。
作為優(yōu)選，所述的數(shù)字信號控制器(DSC)的型號為TMS320F28x，該 TMS320F28x包括
C28X 32位CPU (DSC)，用于數(shù)據(jù)的存取、運(yùn)算、管理和輸入/輸出的控制； 外設(shè)總線，CPU通過外部總線連接且管理外部設(shè)備；
中斷管理單元，對外設(shè)總線所掛接的外部設(shè)備產(chǎn)生的瞬變事件作出高速響 應(yīng)處理；
存儲器總線，其連接CPU及閃爍存儲器(FLASH)、隨機(jī)存取存儲器(RAM)、 只讀存儲器(R0M)。
作為優(yōu)選，，所述C28X 32位CPU (DSC)包括 32x32乘法器，進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算； 讀-修改-寫算術(shù)邏輯單元(R-M-W ALU);
32位浮點單元，通過CPU內(nèi)部總線或/和存儲器總線及外設(shè)總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的 傳遞；
32位定時器；
實時JTAG單元，用于DSC的調(diào)試和仿真。
作為優(yōu)選，所述外設(shè)總線連接SCI、 SPI、 12C、 CAN、 CAP、 QEP、 P簡、ADC
等外部設(shè)備接口。
由于本發(fā)明所設(shè)計的控制系統(tǒng)比起現(xiàn)有逆變式熔化極脈沖氣體保護(hù)焊機(jī)的控制系統(tǒng)減少了約30%的元器件，根據(jù)可靠性工程的相關(guān)理論，這極大地提高了 焊機(jī)的可靠性。本發(fā)明最大限度地減少了模擬電路的使用，其一致性和穩(wěn)定性 都取得很大的提高，數(shù)字技術(shù)也大幅度改善了系統(tǒng)控制的精度。本發(fā)明采用的 數(shù)字信號控制器DSC或數(shù)字信號處理器DSP具有高速運(yùn)算和控制能力(這是MCU所 無法比擬的)，可實現(xiàn)各種輸出特性的控制，可實現(xiàn)各類強(qiáng)大的功能，例如，多 種焊接方式、多種操作方式以及通過變更軟件實現(xiàn)完全不同的功能(其它形式 的電源)。本發(fā)明有利于自動化焊接的聯(lián)網(wǎng)作業(yè)，便于生產(chǎn)調(diào)試及售后維護(hù)，能 夠滿足高端或特殊用戶的使用需求。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。 圖1是逆變式熔化極脈沖氣體保護(hù)焊機(jī)電氣功能分類框圖。 圖2是普通逆變式熔化極脈沖氣體保護(hù)焊機(jī)控制系統(tǒng)核心功能框圖。 圖3是半數(shù)字逆變式熔化極脈沖氣體保護(hù)焊機(jī)控制系統(tǒng)核心功能框圖。
圖4是本發(fā)明電氣功能分類框圖。
圖5是圖4中數(shù)字信號控制器(DSC)的結(jié)構(gòu)框圖。
圖5中，P麗一脈沖寬度調(diào)制器模塊，ADC—模/數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊，QEP—積分 編碼脈沖模塊，CAP—捕捉單元，GPIO—通用數(shù)字輸入輸出，SPI—同步串行接 口， SCI—串行通訊接口， McBSP—多通道緩沖串行端口， 12C—內(nèi)部整合串行 接口， CAN—控制局域網(wǎng)接口。
具體實施例方式
如圖4所示，本發(fā)明全數(shù)字逆變式熔化極脈沖氣體保護(hù)焊機(jī)，包括
功率系統(tǒng)300，具有一次整流濾波、 一次逆變、主變壓器、二次整流濾波、 二次逆變、輸出回路，及饋絲系統(tǒng)600，具有送絲機(jī)電源及送絲機(jī)電機(jī)，
響應(yīng)于一個控制信號，功率系統(tǒng)300與饋絲系統(tǒng)600協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，將電網(wǎng)高壓 正旋交流電轉(zhuǎn)換成低壓脈動直流電，通過焊接回路完成電能到熱能的轉(zhuǎn)換；和
控制系統(tǒng)400，具有輔助電源、網(wǎng)壓檢測、原邊電流反饋、焊接電流反饋、 電弧電壓反饋、功率單元的溫度反饋、送絲速度反饋、電機(jī)電流反饋、焊矩開 關(guān)狀態(tài)檢測、冷卻單元控制及驅(qū)動、保護(hù)氣體通斷控制及驅(qū)動、 一次逆變驅(qū)動、 饋絲系統(tǒng)驅(qū)動、人機(jī)交互界面420，以及包含電壓環(huán)、電流環(huán)、信號調(diào)理、誤差 計算、定時器、時序控制邏輯、波形發(fā)生、比例積分運(yùn)算、功率系統(tǒng)P麗、饋絲 系統(tǒng)P麗的核心功能單元410;
其特征在于，所述控制系統(tǒng)400的核心功能單元410是數(shù)字信號控制器 (DSC)或者數(shù)字信號處理器(DSP)。
如圖5所示，所述的數(shù)字信號控制器(DSC) 410的型號為TMS320F28x，該 TMS320F28x包括
C28X 32位CPU (DSC) 450，用于數(shù)據(jù)的存取、運(yùn)算、管理和輸入/輸出的 控制；
數(shù)據(jù)總線430，包括外設(shè)總線和存儲器總線， 外設(shè)總線，CPU通過外設(shè)總線連接且管理外部設(shè)備；
中斷管理單元440，對外設(shè)總線所掛接的外部設(shè)備產(chǎn)生的瞬變事件作出高速 響應(yīng)處理；
存儲器總線，其連接CPU及閃爍存儲器(FLASH)、隨機(jī)存取存儲器(RAM)、 只讀存儲器(ROM)。
如圖5所示，所述C28X 32位CPU (DSC) 450包括 32x32乘法器451，進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算；讀-修改-寫算術(shù)邏輯單元 (R-M-W ALU) 454;
32位浮點單元455，通過C28X 32位CPU (DSC)內(nèi)部總線或/和存儲器總 線及外設(shè)總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞； 32位定時器452;
實時JTAG單元453,用于DSC的調(diào)試和仿真。
如圖5所示，所述外設(shè)總線連接SCI、 SPI、 12C、 CAN、 CAP、 QEP、 P麗、ADC 等外部設(shè)備接口。
數(shù)字信號控制器(DSC)功能技術(shù)參數(shù)說明
全數(shù)字逆變式熔化極脈沖氣體保護(hù)焊機(jī)所涉及到的數(shù)字信號控制器(DSC) 或數(shù)字信號處理器(DSP)(沒有附圖)在基本功能方面類同于微控制器(MCU)或 單片機(jī)，不同的是它們具有更多的功能和更高的性能，其特點概略如下
1) 高速實時控制能力，單周期指令(一般在40MIPS以上)，快速輸入輸出 端口；
2) 高速數(shù)據(jù)運(yùn)算或強(qiáng)大的處理能力，具有較寬的數(shù)據(jù)總線(16位以上)， 具有乘累加指令；
3) 包含SCI、 SPI、 12C、 C認(rèn)、CAP、 QEP、 PWM等豐富的外部設(shè)備接口， P麗 為可編程的硬件模塊，分辨率高、響應(yīng)快、處理方式靈活，內(nèi)嵌高性能模/數(shù)轉(zhuǎn) 換器(ADC)，采樣速度快，分辨率高。
DSC或DSP芯片有多個生產(chǎn)廠家，代表廠家為美國德州儀器(TI)、美國模擬 器件公司(ADI)和美國飛思卡爾(Freescale)，各個廠家的芯片具有不同的特點， 現(xiàn)以德州儀器的TMS320F28x為例對其進(jìn)行說明。
TMS320F28x的主要特點如下1) 32位CPU，性能可達(dá)150MIPS;
2) 混合的16位及32位指令集；
3) 單周期32x32位的乘加操作(multiply-accumulate);
4) 芯片閃存可高達(dá)256KB;
5) 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)存架構(gòu)；
6) 同類最優(yōu)(Best-in-class)的編譯器效率；
7) 中斷服務(wù)時，可實現(xiàn)自動的現(xiàn)場數(shù)據(jù)保存及恢復(fù)；
8) 高分辨率脈寬調(diào)制(P麵)的精度為150ps;
9) P麗控制器擁有可編程的死區(qū)(dead band)、相位或占空周期控制以及最高 可達(dá)6個的絆區(qū)(trip zone)，可用于產(chǎn)生任意所需波形；16路12位高速ADC; 采樣時間達(dá)80ns;支持SCI、 SPI、 I2C以及CAN端口。
以下就TMS320F28x功能詳細(xì)說明
(1) C28x 32位CPU是TMS320F28x芯片的核心部分，各類數(shù)據(jù)的存取、運(yùn) 算、管理和輸入/輸出的控制都是由它負(fù)責(zé)完成的。CPU采用改良的哈佛體系(不 同于Von Ne咖ann方式)和精簡指令集管理(即RISC，實現(xiàn)單周期指令執(zhí)行)， 具有并行存取指令和數(shù)據(jù)的能力。數(shù)據(jù)的運(yùn)算依賴于32x32乘法器、R-M-W ALU
(讀-修改-寫算術(shù)邏輯單元)及32位浮點單元，數(shù)據(jù)的傳遞通過CPU內(nèi)部總線 (圖中未標(biāo)出)或/和存儲器總線及外設(shè)總線實現(xiàn)。CPU中的實時JTAG單元主要 用于DSC的調(diào)試和仿真。
(2) 在TMS320F28x芯片中，中斷管理單元提供對外設(shè)總線所掛接的外部
設(shè)備瞬變事件的高速響應(yīng)處理。
(3) 存儲器總線連接CPU及三類存儲單元，F(xiàn)LASH是可編程大容量閃爍存 儲器，主要存放應(yīng)用程序和不變數(shù)據(jù)，RAM是隨機(jī)存取存儲器，主要存儲臨時工作變量或參數(shù)，ROM為只讀存儲器，它存放芯片生產(chǎn)廠家預(yù)裝的程序庫。
(4)在TMS320F28x芯片中，CPU通過外部總線與PWM、 ADC、 QEP、 CAP、 GPIO、 SPI、 SCI、 McBSP、 12C、 C認(rèn)等外部設(shè)備連接，以實現(xiàn)多種外部設(shè)備的有效管理。 這些外部設(shè)備的主要功能如下
PWM—脈沖寬度調(diào)制器模塊，這是全數(shù)字焊機(jī)實現(xiàn)的關(guān)鍵部件之一。 ADC—模/數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊，在焊機(jī)中可通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器將焊接電流、焊接 電壓等模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量以便進(jìn)行數(shù)字處理。 QEP—積分編碼脈沖模塊，可用于電機(jī)速度的實時測定。 CAP—捕捉單元，可用于快速信號的監(jiān)控。
GPIO—通用數(shù)字輸入輸出，實際上就是普通的數(shù)字輸入輸出端口 。 SPI—同步串行接口。
SCI—串行通訊接口，可應(yīng)用于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的RS-232、 RS-422/RS-485通訊。
McBSP—多通道緩沖串行端口。
12C—內(nèi)部整合串行接口。
CAN—控制局域網(wǎng)接口，可用于自動化焊接組網(wǎng)。
ii
權(quán)利要求
1. 一種全數(shù)字逆變式熔化極脈沖氣體保護(hù)焊機(jī)，包括功率系統(tǒng)，具有一次整流濾波、一次逆變、主變壓器、二次整流濾波、二次逆變、輸出回路，及饋絲系統(tǒng)，具有送絲機(jī)電源及送絲機(jī)電機(jī)，響應(yīng)于一個控制信號，功率系統(tǒng)與饋絲系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，將電網(wǎng)高壓正旋交流電轉(zhuǎn)換成低壓脈動直流電，通過焊接回路完成電能到熱能的轉(zhuǎn)換；和控制系統(tǒng)，監(jiān)視和控制功率系統(tǒng)與饋絲系統(tǒng)，具有輔助電源、網(wǎng)壓檢測、原邊電流反饋、焊接電流反饋、電弧電壓反饋、功率單元的溫度反饋、送絲速度反饋、電機(jī)電流反饋、焊矩開關(guān)狀態(tài)檢測、冷卻單元控制及驅(qū)動、保護(hù)氣體通斷控制及驅(qū)動、一次逆變驅(qū)動、饋絲系統(tǒng)驅(qū)動、人機(jī)交互界面，以及包含電壓環(huán)、電流環(huán)、信號調(diào)理、誤差計算、定時器、時序控制邏輯、波形發(fā)生、比例積分運(yùn)算、功率系統(tǒng)PWM、饋絲系統(tǒng)PWM的核心功能單元；其特征在于，所述控制系統(tǒng)的核心功能單元是數(shù)字信號控制器(DSC)或者數(shù)字信號處理器(DSP)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全數(shù)字逆變式熔化極脈沖氣體保護(hù)焊機(jī)，其特征 在于，所述的數(shù)字信號控制器(DSC)的型號為TMS320F28x，該TMS320F28x包 括C28X 32位CPU (DSC)，用于數(shù)據(jù)的存取、運(yùn)算、管理和輸入/輸出的控制；外設(shè)總線，cra通過外部總線連接且管理外部設(shè)備；中斷管理單元，對外設(shè)總線所掛接的外部設(shè)備產(chǎn)生的瞬變事件作出高速響 應(yīng)處理s存儲器總線，其連接CPU及閃爍存儲器(FLASH)、隨機(jī)存取存儲器(RAM)、 只讀存儲器(R0M)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的全數(shù)字逆變式熔化極脈沖氣體保護(hù)焊機(jī)，其特征 在于，所述C28X 32位CPU (DSC)包括32x32乘法器，進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算； 讀-修改-寫算術(shù)邏輯單元(R-M-W ALU);32位浮點單元，通過C28X 32位CPU (DSC)內(nèi)部總線或/和存儲器總線及外設(shè)總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞； 32位定時器；實時JTAG單元，用于DSC的調(diào)試和仿真。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的全數(shù)字逆變式熔化極脈沖氣體保護(hù)焊機(jī)，其特征 在于，所述外設(shè)總線連接SCI、 SPI、 12C、 CAN、 CAP、 QEP、 PWM、 ADC等外部設(shè) 備接口。
全文摘要
一種可靠性、一致性和穩(wěn)定性優(yōu)良的全數(shù)字逆變式熔化極脈沖氣體保護(hù)焊機(jī)，包括功率系統(tǒng)，具有一次整流濾波、一次逆變、主變壓器、二次整流濾波、二次逆變、輸出回路，及饋絲系統(tǒng)，具有送絲機(jī)電源及送絲機(jī)電機(jī)，響應(yīng)于一個控制信號，功率系統(tǒng)與饋絲系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，將電網(wǎng)高壓正旋交流電轉(zhuǎn)換成低壓脈動直流電，通過焊接回路完成電能到熱能的轉(zhuǎn)換；控制系統(tǒng)監(jiān)視和控制功率系統(tǒng)與饋絲系統(tǒng)，其包含核心功能單元和人機(jī)交互界面；特點是所述控制系統(tǒng)的核心功能單元是數(shù)字信號控制器(DSC)或者數(shù)字信號處理器(DSP)。應(yīng)用于金屬材料全自動焊接。
文檔編號B23K9/16GK101508052SQ20091012933
公開日2009年8月19日 申請日期2009年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月23日
發(fā)明者徐愛平, 磊 潘, 波 蕭 申請人:深圳市佳士科技發(fā)展有限公司