开题报告

兰州理工大学技术工程学院

本科毕业设计（论文）开题报告

论文题目 ：基于DSP变极性TIG电源控制系统

学 生 姓 名 梁 文 灏 学 号 08050515 专 业 班 级 08 焊 接 4 班

指 导 教 师 张 志 坚 提 交 日 期 2012年4月2日

毕业论文题目 基于DSP变极性TIG电源控制系统 题 目 来 源 一、选题依据： 自拟 应用研究 课题来源：自拟 应用研究 选题意义：为了获得良好的焊接特性，人们不断开发出各种各样的焊铝设备及工艺。本文设计的基于DSP双逆变变极性电源的控制系统具有以下三个方面的优点： 首先，DSP控制的弧焊电源大大减少了电源所需的元器件，降低了生产成本，提高了控制系统性能，并增加了系统的可靠性，使系统具有很强的编程性，系统易于更新和升级等。 其次，双逆变弧焊电源一次逆变频率可到二十千赫兹，不仅具有逆变焊机大幅度节省原材料(铜、硅钢片)，减轻主变压器和电感的重量和体积，降低制造成本，大幅度减少电耗和明显改善焊接性能等方面的优势，还有效的解决了逆变 焊机直流磁化问题并能获得良好的变极性性能。 最后，变极性技术应用在TIG、等离子焊中优势非常突出。\焊时变极性电流在保证阴极雾化的前提下，可以最大限度地减少钨极为正时间，获得较大的熔深，提高焊接生产率，延长钨极的寿命。此外，焊接时电弧稳定，电流过零点时重新引弧容易，使电弧稳定性得到大大改善，同时交流电弧可以克服直流电弧的磁偏吹,有利于稳定焊接过程及焊接质量。 背景情况：从18世纪初发现了电弧，弧焊电源经历了从模拟控制器到数字控制器的发展。随着计算机、自动化、人工智能、电力电子等技术的发展，焊接技术也逐渐向着焊接工艺高效化，焊接电源控制数字化、焊接质量智能化以及生产过程机器人化方向发展。但是新技术的发展不仅为焊接技术带来了巨大的机遇，还使焊接学科面临新的挑战。 目前，变极性电源主要应用于钨极氩弧焊(TIG)和等离子焊(PAW)来焊接铝及铝合金。在国外，变极性电源的应用更多集中于等离子焊，多用于航空航天领域材料的焊接睁。可变极性等离子焊接最初是美国航天局为研制航天飞机而发展的一种新型的焊接方法。它主要针对铝合金焊接，特别是厚板的铝合金焊接。由于可变极性等离子焊接一次焊接厚度可达16毫米，同时等离子焊接的“小孔”效应有效排除了焊缝中的气孔、夹渣和裂纹，实现了所谓“无缺陷焊接”，大大改善了焊接质量。因此这种电源在国外发展迅速。目前美国、日本等发达国家都已有质量可靠的产品问世。国内变极性电源的相关研究分变极性钨极氩弧焊和变极性等离子弧焊两部分。国内有很多学者和专家在设计和推广变极性焊接电源，但现在还主要限于试验室研究和试验阶段，虽然有了一定的理论基础和试验基础，但同时也存在大量的问题需要解决。 在国内，数字化焊接电源尚处于探索性研究阶段，某些高校和科研机构已经 在这方面展开了工作并取得良好成果，主要集中在上海交通大学、北京工业大学、 哈尔滨工业大学。兰州理工大学、华南理工大学等几所院校。上海交通大学焊接 研究所1999年提出了“数字化焊接电源”的研究课题圈，他们使用单片机控制系 统一一采用DSP芯片作为控制的核心，以开发12相可控硅焊接电源为主；北京工 业大学材料学院提出了“全数字化控制焊接电源的方案”，重点开发“MCU+DSP” 双处理器控制系统；华南理工大学提出了弧焊逆变电源控制系统并讨论了应用前 景刚。但是目前国内数字化焊接设备的研究基本处于实验室研究成果或中试阶 段，成功用于焊接生产示例较少。我们的数字化控制产品在技术成熟度、稳定性、功能、可靠性等方面以及在多电弧高速焊中的协调控制方面尚需要进一步完善。 课题研究目的：掌握边极性TIG焊接电源主电路的工作原理，分析、设计实现变极性逆变焊接电源的以DSP为核心的控制系统，此系统包括DSP最小控制系统、驱动放大电路及电压、电流反馈电路等。利用电路仿真软件建立控制系统各缓环节电路模型并进行仿真实验。通过对变极性TIG焊接电源主电路工作原理的了解和控制电路的设计和仿真，达到对弧焊逆变电源电路结构和工作原理深入理解和完全的掌握的目的。 二、文献综述：（国内外研究现状、发展动态） 弧焊电源控制器主要是解决电源输出特性的控制问题，虽然具体电路结构可 以多样化，但从原理上主要分为基于电流反馈的陡特性电源和基于电压反馈的平 特性电源，以及两者的转换和组合技术。逆变器控制由最早的开环控制发展到目 前的反馈控制，大幅度提高了电源系统的性能。在变极性逆变电源数字化控制方 法中，目前国内外研究的比较多的主要有PID控制，无拍差控制，模糊控制以及 神经网络控制等。 PID控制器是应用最广泛的基本控制装置，原理简单，适应性强，尤其适合 用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。甘肃工业大学李鹤歧教授等使用传 统的PID控制方法对晶闸管焊接电源进行微机控制，结果表明电源的可靠性、灵 活性和焊接工艺有了很大的提高。清华大学的王克争教授闭等研制的微机控制多 功能大功率整流焊机通过闭环反馈和PID算法实现了焊机的双阶梯特性，控制系 统稳定可靠，抗干扰能力强。 1、变极性TIG焊 双逆变变极性TIG(Tungsten arc inert-gas welding)焊接电源实际上是一种电流频率和正负半波幅值、时间比可以独立调节的方波交流电源，典型电流波形如图1．1所示。独立可调的电流时间比和幅值比可以在充分保证阴极雾化的前提下尽量减少DCEP带来的钨极烧损。双逆变TIG焊接电源具有传统TIG交流焊机所不能比拟的优势： （1）由于采用双逆变技术，电源体积小，动态响应速度快，可以获得较好的焊接效果，能够应用多种先进焊接控制方法 。 （2）正负半波电流幅值和时间比独立可调，因此可以根据不同材料、不同焊件要求选择合适的电流波形。 （3）换向速度快。由于一次侧逆变频率可以达到20KHZ甚至更高，因此电流换向速度快，换向时不存在媳孤现象，无需另加过零稳弧脉冲。这种优势在小电流时尤其明显。 （4）变极性电源也属于脉冲电源，其脉冲电弧对熔池有很强的搅拌作用，因此可减少和抑制气孔的产生【6】。 IN：DCEN半波幅值 Ip：DCEP半波幅值 TN：DCEN半波时间 Tp：DCEP半波时间 图1．1变极性TIG电源典型电流波形 2、DSP的特点及应用 为了快速地实现DSP的运算，DSP芯片一般均采用特殊的软、硬件结构和指令系统。下面简要介绍下DSP芯片的主要特点： (1)改进的哈佛结构 早期的微处理器内部大多采用冯·诺依曼(Yon Neumann)结构，其指令、数据、地址存储在同一存储器中，统一编址，依靠指令计数器提供的地址来区分是指令、数据还是地址，取指令和取操作数是通过一条总线分时进行的，数据吞吐量低。而DSP内部采用的是程序总线和数据总线分别独立且具有多条总线的哈佛(Harvard)结构，允许在一个指令周期内同时进行程序读出(来自程序存储器)和数据存取(来自数据存储器)，而且还允许在程序存储器和数据存储器之间相互传送数据，从而更有效地提高效率。 (2)流水线结构 计算机在执行一条指令时，需要经过预取指、取指、译码、寻址、取操作数和执行等几个步骤，需要若干个机器周期才能完成。在DSP中，采用流水线结构，这几个阶段在执行过程中是重叠的。DSP利用这种流水线结构，再加上执行重复操作，就能保证数字信号处理中用的最多的乘法／累加运算可以在单周期指令时间内完成.衡量DSP的速度也可以用单周期指令时间为标准，其倒数就是MIPS(兆条指

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