数字控制系统的基本结构与功能详解

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：弧焊电源数字控制系统与一般电子控制型弧焊电源控制系统的基本功能是一致的，也就是要实现弧焊电源外特性、调节特性以及动特性的控制。现以DSP控制为核心的CO2气体保护焊弧焊电源软件控制系统为例，介绍其软件系统的主要结构及功能。

弧焊电源控制系统的数字化是数字化电源的关键。弧焊电源数字控制系统与一般电子控制型弧焊电源控制系统的基本功能是一致的，也就是要实现弧焊电源外特性、调节特性以及动特性的控制。

在数字化弧焊电源中，用数字控制技术代替了模拟控制技术，即在弧焊电源的控制中，用电流、电压的数字信号代替了模拟信号；用数字信号处理代替了模拟信号处理；用数字电路以及软件程序控制代替了模拟电路控制，但是，电源各种特性控制的基本原理没有改变，以弧焊电源的外特性控制为例，外特性形状控制的依据仍然是电源电压、电流负反馈的选择，只是实现这些特性的控制不再是采用单纯的硬件电路来完成，而是采取了硬件电路与软件程序相结合的方法，从而使得弧焊电源控制系统的硬件电路更加简单、通用，而且采用不同的软件程序，可以方便地获得各种形状的外特性。

1.数字控制系统电路结构

图7-11所示是基于DSP控制的数字化熔化极气体保护弧焊电源控制系统结构图。

图7-11 DSP控制系统模块图

DSP最小系统是数字化控制系统的核心，主要包括电源及复位电路、时钟电路、JTAG仿真接口电路和存储器电路等。

电流、电压采样及信号处理电路是电源特性控制的关键，主要包括电压、电流传感器以及相应的信号处理电路，将信号处理成为DSP中A/D所需要的数值范围内，并输入到DSP中。参数预置与显示电路又被称为人机交互系统，该系统主要有数字化的操作面板，利用面板上的按键及数字电位器等进行焊接功能和参数的设定和调节；利用LED数码管、液晶显示屏等数字显示装置实时显示各种参数的设定值和实际检测值。

除此之外，还有逆变电路功率半导体开关器件的驱动电路、过热、过电压及过电流等各种保护电路以及送丝电动机电路等。

2.数字控制系统的软件系统

软件系统的设计是实现弧焊电源的数字化控制的核心，许多控制思想都可以通过软件反映出来。数字控制的优势之一就是软件设计的灵活性和更改的方便性。在合理硬件系统的支持下可以充分发挥软件的编程灵活、升级方便、维护简单、实现容易等特长。通过软件设计可以方便地实现弧焊电源各种特性的控制，满足不同弧焊工艺的要求。

数字控制系统的软件系统大多采用模块化设计，主要由系统初始化程序、主程序、触发中断服务子程序、电源特性控制算法子程序、信号采样与处理子程序、电源输出参数调节与显示子程序以及故障自诊断与显示报警子程序等模块组成。

现以DSP控制为核心的CO₂气体保护焊弧焊电源软件控制系统为例，介绍其软件系统的主要结构及功能。

系统初始化程序包括DSP系统初始化、A/D初始化、D/A初始化、定时器初始化、I/O口初始化、PWM初始化等初始化子程序，其中，DSP系统初始子程序主要完成对DSP的工作模式的设置，包括对看门狗（WATCHDOG）寄存器、定时器寄存器触发中断初始化等，另外将各个输出口清零。

主程序流程如图7-12所示。主程序主要完成下述工作：

调用人机交互程序，进行焊接参数的设定；进入焊接等待状态，等待焊接开始信号，当检测到焊接开始信号（焊枪开关连通）时，进入焊接过程控制，包括提前送保护气，接通主电路，开通中断服务程序，调用相应的焊接过程控制子程序等；当检测到焊接结束信号时，同样通过中断服务程序进入焊接结束控制过程，包括熄弧电流控制（填弧坑控制）以及回烧去小球控制，最后断电源主接触器、延时断保护气，再次进入焊接等待状态。

触发中断服务程序是基于DSP控制的数字化弧焊电源控制系统应用软件的核心，可以使DSP丰富的外设功能在数字控制中得到最充分的应用。某焊机的触发中断服务程序流程图如图7-13所示。

在整个焊接过程中，触发中断服务程序一直在运行。CO₂焊接过程包括引弧、焊接、收弧和回烧4个阶段，在中断服务程序中设置了相应的检测位来判断焊接的工作阶段，不同阶段调用不同的子程序。

另外，还有定时器中断服务子程序用于完成A/D转换的启动及采样，外部中断服务子程序主要完成故障检测及保护功能，人机交互程序用于焊接参数的选择与调用，PWM波形产生程序用于产生PWM波形，电压、电流反馈信号数据处理子程序，外特性控制子程序，动特性控制子程序，参数优化子程序，送丝速度控制子程序，引弧子程序，熄弧控制子程序，显示控制模块子程序，数字滤波及抗干扰子程序等。

图7-12 主程序流程图

图7-13 触发中断服务程序流程图

数字控制系统的基本结构与功能详解

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