专利名称：短路过渡c0的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种数字控制系统，尤其涉及一种短路过渡CO2焊的通信结构的数字控制系统。用于焊接技术领域。
背景技术：
CO2气体保护焊是高效节能的焊接方法，该方法大多采用短路过渡，飞溅是短路过渡CO2焊的一个主要问题，国内外有关于这方面有较多的研究。短路过渡的CO2焊接的过程中飞溅是瞬间产生的，对它的抑制也需要在极短的时间内发生作用；同时，CO2短路过渡过程是一个动态的相对稳定的过程，对于这样一个动态过程的控制，其电源外特性也应有适应性的变化。要满足上述两个条件，需要有能动态调节电源外特性形状的控制系统，同时具有瞬时抑制飞溅的功能。最新的波控理论为精细的短路过渡焊接电流波形控制，是从微观的角度有效地抑制飞溅的产生提供了强有力的支持，要实现这一过程，同样要求快速性的控制系统。对于纯硬件电路控制系统，线路复杂，结构不紧凑，各部分之间很易相互干扰，并且只能实现简单的单一的电源外特性的控制，很难实现快速的实时性的电源外特性调节；而目前有关CO2短路过渡电流波形控制一般采用单一CPU的单片机处理器或数字信号处理器控制，虽可以较好地进行单一任务或较少任务的焊接工艺过程的控制，但由于CPU的任务执行是依靠逐条执行指令来完成，而这些指令的执行是分时进行的，对于如CO2短路过渡这样一个复杂的动态工艺过程、且具有快速波控和实时外特性调节功能的多任务结构控制的控制系统，单一的CPU微机控制系统，很难实现多任务结构时间上的并置发生问题，同时很难实现实时性很强的复杂电源外特性算法的计算和快速的波控要求。
经对现有技术文献的检索发现，美国2002年发明专利，专利号6335511，专利名称“Control method and apparatus for an arc welding system”(电弧焊系统的控制方法和装置)，实现脉冲焊双闭环的复杂控制系统，采用一个数字信号处理器只实现数字滤波和控制算法的实现，而其它重要功能(如脉冲信号发生器、电机的控制驱动等)很难在此数字信号处理器上同步实现，需采用其它的控制电路。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种短路过渡CO2焊的通信结构的数字控制系统，使其充分利用双处理器的资源，有效地解决多任务系统的任务并置发生的时序问题和CO2短路过渡快速波控的问题，并利用处理器的通信能力，可方便地进行双处理器之间的通信，合理地进行任务的分配，使此系统控制具有很强的实时性。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明控制系统包括数字信号处理器、单片机处理器、信号检出电路、PWM驱动电路、时序控制电路、工艺选择电路、人机交互系统、数据采集电路、故障电路，时序控制电路由时序控制信号隔离电路和时序控制开关组成；工艺选择电路包括工艺选择信号隔离电路和工艺选择开关；人机交互系统由人机对话接口、过程参数设置键盘、液晶显示模块、过程开关和焊枪开关组成；数据采集电路包括模拟隔离电路和传感电路；故障电路包括故障信号隔离电路、故障检测电路、故障报警指示灯。其连接关系是数字信号处理器通过通信串口与单片机处理器连接，通过串口异步通信协议完成此二快速处理器之间的快速数据传递；数字信号处理器和传感电路之间接有模拟隔离电路，在数字信号处理器和故障检测电路之间及数字信号处理器和故障报警指示灯之间接有故障信号隔离电路，数字信号处理器通过PWM驱动电路输出焊接电源控制信号，在单片机处理器和时序控制开关之间接有时序控制信号隔离电路；在单片机处理器和工艺选择开关之间接有工艺选择信号隔离电路；在过程参数设置键盘、液晶显示模块、过程开关、焊枪开关与单片机处理器之间接有人机对话接口；信号检出电路与数字信号处理器和单片机处理器直接相连。
采用数字信号处理器是一个关键的技术，通过通信串口，数字信号处理器与单片机处理器连接，通过串口异步通信协议完成此二快速处理器之间的快速数据传递。对CO2动态短路过渡过程的控制是一个多任务的控制结构，而对各个任务的控制在时间上是并置发生，利用数字信号处理器和单片机处理器双处理器合理地分配任务，有效地解决多任务结构的时间冲突问题，二者之间通过串口异步通信完成快速的数据传递。这样利用数字信号处理器作为现场信息采集、处理，计算的信息处理器，利用单片机处理器作为现场控制、驱动、设置等的控制处理器，来完成CO2短路过渡复杂动态过程的多任务实时控制。
本发明另一个关键技术是单片机处理器和数字信号处理器均对信号检出电路(电流有/无、短路/燃弧)进行检测，以保证二处理器在焊接过程中的严格同步1)在单片机处理器的控制方面，主要在于焊接过程的启动和停止及断弧现象的检测，当单片机处理器通过信号检出电路检出电流有时，在引弧时则启动焊接过程；当检出电流无时，正常情况则结束焊接过程，非正常情况则为断弧现象。2)在数字信号处理器的控制方面，除了包括信号检出电路在单片机处理器的控制方面的作用外，还进行短路和燃弧的检测，当数字信号处理器通过信号检出电路检出短路时，进行短路期的控制；否则，进行燃弧期的控制。
本发明系统中，单片机处理器、时序控制信号隔离电路、时序控制开关组成焊接过程时序控制部分。通过下列三部分实现工艺参数设置、过程参数设置和现场参数显示部分单片机处理器、工艺选择信号隔离电路、工艺选择开关实现工艺参数设置；由单片机处理器、人机对话接口、过程开关、焊枪开关、过程参数设置键盘组成过程参数设置部分；及由单片机处理器、人机对话接口、液晶显示模块组成现场参数显示部分。由数字信号处理器、PWM驱动电路、传感电路、模拟隔离电路组成参数采集和电源外特性及焊接电流波形控制部分。由数字信号处理器、故障检测电路、故障信号隔离电路、故障报警指示灯组成故障诊断控制部分。在异步串行通信协议下单片机处理器和数字信号处理器的双处理器通信。
本发明具有丰富的运算功能和快速计算能力，快速实时地进行动态短路过渡过程参数检测和复杂电源外特性算法的实现，作为现场信息采集、处理，计算的信息处理器；利用单片机处理器强大的驱动控制能力实时地进行焊接工艺和焊接过程参数设置、CO2短路过渡过程时序控制、现场参数的动态显示，作为控制、驱动、设置等的控制处理器；并进一步通过单片机处理器和数字信号处理器的通信能力，实现双处理器之间的快速通信，构成基于双处理器通信结构的CO2焊机的完整控制系统。
图1为本发明控制系统的硬件结构框图
具体实施例方式
如图1所示，本发明控制系统包括数字信号处理器1、单片机处理器2、信号检出电路3、PWM驱动电路4、时序控制电路5、工艺选择电路6、人机交互系统7、数据采集电路8、故障电路9，所述的时序控制电路5由时序控制信号隔离电路10和时序控制开关11组成；所述的工艺选择电路6包括工艺选择信号隔离电路12和工艺选择开关13；所述的人机交互系统7由人机对话接口14、过程参数设置键盘15、液晶显示模块16、过程开关17和焊枪开关18组成；所述的数据采集电路8包括模拟隔离电路19和传感电路20；所述的故障电路9包括故障信号隔离电路21、故障检测电路22、故障报警指示灯23。其连接关系为数字信号处理器1通过通信串口与单片机处理器2连接，通过串口异步通信协议完成此二快速处理器之间的快速数据传递；数字信号处理器1和传感电路20之间接有模拟隔离电路19，在数字信号处理器1和故障检测电路22之间及数字信号处理器1和故障报警指示灯23之间接有故障信号隔离电路21，数字信号处理器1通过PWM驱动电路4输出焊接电源控制信号，在单片机处理器2和时序控制开关11之间接有时序控制信号隔离电路10；在单片机处理器2和工艺选择开关13之间接有工艺选择信号隔离电路12；在过程参数设置键盘15、液晶显示模块16、过程开关17、焊枪开关18与单片机处理器2之间接有人机对话接口14。另外，信号检出电路3与数字信号处理器1和单片机处理器2直接相连。
数字信号处理器1将数字信号处理器芯片(可采用美国TI公司的数字信号处理器芯片TMS320F240)通过通信串口与单片机处理器2连接，通过串口异步通信协议完成此二处理器之间的快速数据传递单片机处理器2在进行焊接过程时序控制时显示的参数由数字信号处理器1传递给单片机处理器2；数字信号处理器1的电源外特性确定和波形控制算法确定需根据单片机处理器2传递过来的焊接工艺及过程参数，而在CO2短路过渡动态控制中焊接阶段判断则根据单片机处理器2传递得到具体的焊接阶段信息，进行相应阶段的电源外特性及波形控制算法的计算和控制输出。
信号检出电路3是本发明系统中的另一个主要发明，数字信号处理器1、单片机处理器2分别通过信号检出电路3检测焊接电流特征参数(电流有/无)和短路特征参数(短路/燃弧)。信号检出电路3均与单片机处理器2和数字信号处理器1直接连接，进一步实现二处理器之间在焊接过程中的严格同步当单片机处理器2通过信号检出电路3检出电流有时，在引弧时则启动焊接过程；当检出电流无时，正常情况则结束焊接过程，非正常情况则为断弧现象。数字信号处理器1的控制除了上述单片机处理器2的控制作用外，还进行短路和燃弧的检测。当数字信号处理器1通过信号检出电路3检出短路时，进行短路期的控制；否则，进行燃弧期的控制。
本发明中的单片机处理器采用美国Atmel公司的单片机芯片AT89C51，TMS320F240与AT89C51构成双处理器通信结构，实现短路过渡CO2焊接工艺多任务在二处理器上的任务分配，任务包括工艺参数设置、过程参数设置、焊接过程时序控制、现场参数显示、电源外特性确定和波形控制算法确定、CO2短路过渡动态控制、故障诊断控制七个主要任务，其中单片机处理器分配前四个任务，数字信号处理器分配后三个任务。
本发明中，由单片机处理器2为核心的完成工艺参数设置、过程参数设置、焊接过程时序控制、现场参数显示四个任务焊接过程时序控制是单片机处理器2经时序控制信号隔离电路10输出控制信号来控制时序控制开关11，分别去控制电磁气阀的开/关、送丝机开/关、慢送丝速度/正常送丝速度切换、焊接电源开/关；工艺参数设置是单片机处理器1经过工艺选择信号隔离电路12、工艺选择开关13对CO2/MAG焊接方法、实芯/药芯焊丝材料、1.2mm/1.0mm焊丝直径、一元化调节/个别调节参数调节方式、脉冲焊/直流焊焊接电流形式这5个工艺参数进行选择；过程参数设置是单片机处理器2经过人机对话接口14进行现场的过程开关17和焊枪开关18进行检测，然后由单片机处理器2经过人机对话接口14通过过程参数设置键盘15进行过程参数设置；现场参数显示是单片机处理器2经过人机对话接口14通过液晶显示模块8进行显示。
本发明中，由数字信号处理器1为核心的完成电源外特性确定和波形控制算法确定、CO2短路过渡动态控制、故障诊断控制三个任务电源外特性确定和波形控制算法确定是数字信号处理器1根据单片机处理器2传递过来的工艺参数和过程参数信息进行；CO2短路过渡动态控制一方面由数字信号处理器1经PWM驱动电路4输出PWM控制信号去驱动焊接电源，另一方面由数字信号处理器1经传感电路20和模拟隔离电路19实时检测焊接电压和焊接电流，在数字信号处理器1中进行处理，并进行电源外特性控制算法的计算，根据计算的结果，不断地调整输出的PWM控制信号，以达到要求的电源外特性的输出，并结合由信号检出电路3的电流有/无和短路/燃弧检出信号进行焊接电流波形实时动态的控制；故障诊断控制是数字信号处理器1通过故障检测电路22经故障信号隔离电路21对故障进行检测，若数字信号处理器1检测到发生故障，则在数字信号处理器1中进行故障诊断和故障处理，并经过故障隔离电路21向故障报警指示灯23发出相应的报警信号，其故障包括网压的过压和欠压、功率元件的过热、焊接电流的过流和功率开关元件的过流。
本发明的最突出优点在于实时性较强的CO2短路动态过渡复杂精细过程的控制，很好地解决了静态电源外特性、动态焊接电流波形控制的时间并置发生的问题，同时根据双处理器合理的任务搭配，很好地完成CO2短路过渡过程中各特征阶段精细的外特性调节控制，具有很强的实时性和可控性；同时充分利用数字信号处理器各种丰富的运算能力和快速运算的指令结构，对大量焊接现场信息的快速采集处理提供了强有利的支持，并进行任意电源外特性的计算和优化控制规律的选择；更进一步地，在数字信号处理器上方便的进行数字信号处理、专家数据库的建立，使CO2短路过渡过程的控制提升到了数字化、信息化的高度上，在很大程度上使由它控制的CO2焊机具有先进、新颖、和高档次。鉴于该技术在焊接设备及方法技术领域中很少开发应用，因此该开发成果在焊接领域具有一定的先进性和前沿性。
权利要求
1.一种短路过渡CO2焊的通信结构的数字控制系统，包括单片机处理器(2)、PWM驱动电路(4)、时序控制电路(5)、工艺选择电路(6)、人机交互系统(7)、数据采集电路(8)、故障电路(9)，其特征在于，还包括数字信号处理器(1)、信号检出电路(3)，其连接关系为数字信号处理器(1)通过通信串口与单片机处理器(2)连接，通过串口异步通信协议完成此二快速处理器之间的快速数据传递；数字信号处理器(1)和单片机处理器(2)同时与信号检出电路(3)直接相连，进一步完成数字信号处理器(1)与单片机处理器(2)之间的严格同步；数字信号处理器(1)通过PWM驱动电路(4)输出焊接电源控制信号。
2.根据权利要求1所述的短路过渡CO2焊的通信结构的数字控制系统，其特征是，时序控制电路(5)由时序控制信号隔离电路(10)和时序控制开关(11)组成，在单片机处理器(2)和时序控制开关(11)之间接有时序控制信号隔离电路(10)。
3.根据权利要求1所述的短路过渡CO2焊的通信结构的数字控制系统，其特征是，工艺选择电路(6)包括工艺选择信号隔离电路(12)和工艺选择开关(13)，在单片机处理器(2)和工艺选择开关(13)之间接有工艺选择信号隔离电路(12)。
4.根据权利要求1所述的短路过渡CO2焊的通信结构的数字控制系统，其特征是，人机交互系统(7)由人机对话接口(14)、过程参数设置键盘(15)、液晶显示模块(16)、过程开关(17)和焊枪开关(18)组成，在过程参数设置键盘(15)、液晶显示模块(16)、过程开关(17)、焊枪开关(18)与单片机处理器(2)之间接有人机对话接口(14)。
5.根据权利要求1所述的短路过渡CO2焊的通信结构的数字控制系统，其特征是，数据采集电路(8)包括模拟隔离电路(19)和传感电路(20)，数字信号处理器(1)和传感电路(20)之间接有模拟隔离电路(19)。
6.根据权利要求1所述的短路过渡CO2焊的通信结构的数字控制系统，其特征是，故障电路(9)包括故障信号隔离电路(21)、故障检测电路(22)、故障报警指示灯(23)，在数字信号处理器(1)和故障检测电路(22)之间及数字信号处理器(1)和故障报警指示灯(23)之间接有故障信号隔离电路(21)。
全文摘要
一种短路过渡CO
文档编号B23K9/09GK1613593SQ20041008454
公开日2005年5月11日 申请日期2004年11月25日 优先权日2004年11月25日
发明者何建萍, 孙广, 张春波, 李铸国, 华学明 申请人:上海交通大学