通過C8051F021單片機和CPLD器件實現(xiàn)全自動對接焊控制系統(tǒng)的設計

全自動對接焊控制系統(tǒng)是在國產(chǎn)電子式交流（50Hz）自動對焊機基礎上進行研制的，主要由智能控制箱、小型焊接機頭和逆變弧焊電源三部分構成。本系統(tǒng)將原分立元件電子式控制系統(tǒng)改為由C8051F021單片機和可編程邏輯器件（CPLD）進行控制，在原電壓檢測的基礎上增加了電流檢測等環(huán)節(jié)，采用PWM控制的高頻逆變電源經(jīng)整流為直流焊接來代替50 Hz的工頻焊接電源，使得弧焊電源的體積、重量大大減小，直流焊代替了交流焊，系統(tǒng)的全過程包含引弧、熔化、擠壓和保溫四部分，整個工作過程實現(xiàn)了智能型全自動。系統(tǒng)的總框圖如圖1所示。

1 控制系統(tǒng)的結構及原理

美國Cygnal公司C8051F02X系列單片機是集成在一起芯片上的混合信號系統(tǒng)級單片機。該單片機具有32/64位數(shù)字I/O端口（引腳）、25MIPS高速流水線式8051微控制器內(nèi)核、64KB在系統(tǒng)可編程Flash存儲器、64KB地址的外部存儲器接口、4352（4096+256）B片內(nèi)RAM、各自獨立的SPI、SMBUS/I2C和兩個UART串行接口等特點。其最突出的優(yōu)點就是，通過設置交叉開關寄存器控制片內(nèi)數(shù)字資源映射到外部I/O引腳，這就允許用戶根據(jù)自己的特定應用，選擇通用I/O端口和所需要數(shù)字資源。

控制系統(tǒng)的CPU采用C8051F021單片機[4].C8051F021是使用Cygnal的專利CIP-51內(nèi)核，與MCS-51指令系統(tǒng)完全兼容；采用流水線結構，大大提高了指令運行的速度，最大速度可達25 MIPS;提供22個中斷源、片內(nèi)獨立工作以增加SoC芯片的功能。

C8051F021內(nèi)部集成了功能強大的ADC子系統(tǒng)，其中包括1個9通道的模擬多路開關、1個可編程增益放大器和1個采樣率為100 KS/s、12位分辨率的逐次逼近型A/D轉換器，C8051F021具有4個8位的I/O端口，每個端口引腳都可以由程序配置為推挽或漏極開路輸出。

1.1 測量電路

直流焊接電流的測量。隨著逆變技術的廣泛應用，弧焊電源的工作頻率也不斷提高，本文采用分流器，能將750 A的直流電流轉換成75 mV的電壓，但直接將此電壓送到單片機ADC的輸入端，效果及抗干擾能力都較差，因而在75 mV電壓與單片機ADC端之間加入一個由運放構成的同相比例電路，將75 mV變成5 V電壓，以適合A/D轉換的要求，同時提高抗干擾能力；（2）直流電壓的測量。本文采用雙光耦、雙運放組成的光耦隔離傳輸電路，如圖2所示。雙運放構成2個電壓跟隨器，該電路利用T4、T5電流傳輸特性的對稱性和反饋原理，可以很好地補償它們原來的非線性，該電路的線性誤差不超過0.2%.T4和A1為輸入級，T5和A2為輸出級，電路的傳輸系數(shù)為K=R25/（R23+RW1），合理地選擇2個電阻值。

1.2 輸出驅動電路

焊機機頭的上升、下降由驅動電路控制焊機機頭夾具上的伺服電機來完成。其中共有3個驅動電路，結構如圖3所示。采用低電平有效方式驅動負載，由于單片機的P1口帶負載能力有限，故加入一個反相器緩沖后推動光耦，作用是防止后向通道對單片機的干擾。R4為限流電阻。P1.0控制繼電器驅動接觸器的線包，在其控制繼電器線包上并聯(lián)一個發(fā)光二極管用作指示，P1.1和P1.2控制繼電器驅動伺服電機正轉、反轉，以實現(xiàn)焊頭夾具的上升、下降，KF和KZ能夠實現(xiàn)自鎖。

2 弧焊電源電路的組成及原理

根據(jù)正弦波分析變壓器的基本公式：

U=4.44fNSBm （1）

式中，S為鐵芯截面積，Bm為磁感應強度的最大值。

顯然，變壓器的重量、體積與NS有關，而NS與f又有直接的關系。由式（1）可得：

NS=U/4.44 fBm （2）

當取Bm為一定值時，若使頻率從工頻提高到20 kHz,則繞組匝數(shù)與鐵芯截面積的乘積將減小，而主變壓器在弧焊逆變器中所占的重量為1/3~2/3.因此，使得整機重量、體積顯著減小，同時，銅和鐵的電能損耗將隨著需用材料的明顯減少而大為降低。

2.1 高頻逆變電路的組成

高頻逆變電路采用半橋式逆變電路，如圖4所示。高頻逆變電路的輸入是經(jīng)整流濾波后的直流電壓U1,該電路由2只容量耐壓相同的電容器C1、C2和2只型號一致的IGBT管VT1、VT2組成一組電橋。輸入電源電壓U1加在電橋對角線的兩端點a、b上，而高頻變壓器TR的原邊繞組則接在電橋另一對角線的兩端點c、d上，副邊繞組則是一個帶中心抽頭的全波整流電路。VT1、VT2交替導通，完成DC-AC的逆變過程，其逆變頻率為20 kHz.逆變器的輸出由二極管VD1、VD2組成的全波整流電路及直流輸出電感L濾波，再變?yōu)橹绷麟娪糜诤附?。其中VD1、VD2是快速恢復二極管。

圖4的電路是半橋式逆變電路，具有開關器件少、開關電壓不高、驅動簡單及成本低的特點。橋臂電壓的輸出頻率和開關頻率相同，變壓器利用率比單端式輸出高，易輸出較大功率。

2.2 PWM脈沖形成原理[8-9]及實現(xiàn)

PWM控制技術就是以該結論為理論基礎，對半導體開關器件的導通和關斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。

目前，逆變電源常常使用專用的芯片如TL494、SG3525等來產(chǎn)生PWM波形，并通過反饋信號實現(xiàn)對PWM波形的寬度調(diào)節(jié)，從而獲得穩(wěn)定輸出。當控制電路設計完成后，就是一個相對獨立的系統(tǒng)，調(diào)節(jié)、控制方式都不能更改，使得系統(tǒng)的總體協(xié)調(diào)功能差?；?a href="http://ttokpm.com/v/tag/10980/" target="_blank">微機控制的逆變系統(tǒng)主要采用單片機或數(shù)字信號處理器（DSP）控制，采用單片機的系統(tǒng)若使用定時器產(chǎn)生PWM,由于中斷的特點，輸出的PWM的脈寬容易發(fā)生改變，單片機對系統(tǒng)調(diào)節(jié)的實時性差，因此，單片機構成的系統(tǒng)一般需要外接產(chǎn)生PWM的芯片，單片機主要用于協(xié)調(diào)系統(tǒng)的工作及輸出顯示。

通常利用IGBT構成高頻逆變電源的主電路工作頻率為20 kHz,則其工作周期為50 000 ns,對于第四代IGBT,考慮其死區(qū)時間要求，雙路PWM脈沖的占空比最大值為80%,因此，單路PWM脈沖即每組橋臂IGBT最大的導通時間為：50 000×0.4=20 000 ns,每路PWM之間的死區(qū)時間為：50 000×0.1=5 000 ns.如果CPLD/FPGA外接20 MHz的晶振時鐘周期為50 ns、工作頻率為20 kHz的高頻逆電源的工作周期為50 000 ns,共有1 000個時鐘周期，因此，雙路PWM占空比的調(diào)節(jié)精度為0.2%,所以，采用CPLD/FPGA的逆變系統(tǒng)，可以方便地通過改變外接的晶振頻率來調(diào)整PWM占空比的調(diào)節(jié)精度。

數(shù)字化弧焊逆變電源的輸出電壓、電流采樣后經(jīng)A/D轉換送入單片機，單片機經(jīng)控制算法計算PWM的脈沖寬度，并將其送至CPLD.CPLD根據(jù)單片機送入的值生成相位差180°、帶死區(qū)時間和最小脈寬限制的兩路IGBT驅動脈沖，驅動脈沖的占空比隨單片機計算并輸出的脈沖寬度值做相應的變化。為了便于對數(shù)字化焊機的過載情況進行監(jiān)控并能夠在有效時間內(nèi)采取保護控制措施，在數(shù)字PWM芯片上設計了針對過流、欠壓等情況下，封鎖PWM脈沖輸出的功能。PWM仿真波形圖如圖5所示。en為PWM脈沖輸出總使能控制端，module為脈沖寬度數(shù)據(jù)輸入端，用以連接微控制器的數(shù)據(jù)總線；CLK信號為時鐘信號輸入端，它是整個數(shù)字PWM芯片控制的基準或節(jié)拍，對輸出精度及穩(wěn)定性起著決定性的作用。pwm1和pwm2為PWM脈沖輸出端，輸出相位差180°的兩路輸出驅動脈沖。

從仿真波形圖可以看出：輸出波形的周期為50 μs;當單片機輸出的數(shù)據(jù)值不同時，PWM的寬度也不相同。圖中先后輸出的數(shù)據(jù)分別為12、120、50,對應的脈沖寬度不相同，在前20 μs,使能端en為低電平，單片機的數(shù)據(jù)不能傳輸?shù)娇删幊踢壿嬈骷?，則無脈沖輸出；輸出協(xié)同信號syn,反饋給單片機作為同步信號用。

3 系統(tǒng)軟件的編制

采用C8051F021單片機作為控制系統(tǒng)的核心，外擴鍵盤、顯示電路。鍵盤對不同的焊接鋼筋直徑（Φ8 mm~Φ40 mm）進行設置，顯示電路可顯示焊接鋼筋直徑和當前焊接電壓。這些外擴電路與單片機的接口都較簡單，不需要附加其他器件。

C8051F0201器件是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片， 具有64 個數(shù)字I/O 引腳 （C8051F020/2）或32 個數(shù)字I/O 引腳（C8051F021/3）。

為了調(diào)試方便，在設計系統(tǒng)程序時，采用"模塊化"形式，其主程序流程圖如圖6所示，由鍵盤掃描、查表、數(shù)制轉換、A/D轉換、延時、報警、工作程序等子程序組成，其中工作程序是核心，其他子程序是為其服務的。系統(tǒng)采用電壓、電流雙閉環(huán)，結合軟件處理作為引弧是否成功、熔化量是否適中的判斷依據(jù)，從而解決目前產(chǎn)品中存在的問題。單片機根據(jù)測得的電壓、電流值首先對系統(tǒng)的引弧進行判斷，當電壓過大、電流過小時，控制夾具下降；當電壓過小、電流過大時，控制夾具上升；當電壓等于零或電流趨于無窮大時，即為短路現(xiàn)象；當有電壓沒有電流時，即為斷弧現(xiàn)象；只有當電壓和電流同時達到規(guī)定值時，系統(tǒng)才認定引弧是成功的。

標準值的獲得通過電弧煉鋼技術[10]來確定，主要從三方面考慮：

（1）確定電弧焊的有效加熱功率。如焊接電流為I（A），

電弧電壓為U（V），則電弧傳給工件的有效加熱功率為：

q=ηIU（W） （3）

式中，η為焊接熱效率，反映了焊接過程中對于熱能的有效利用程度，對于埋弧自動焊的熱量很難向外擴散，因而η值較高為0.9~0.99.

（2）確定溫度場的類型。焊接溫度場根據(jù)其傳熱方向可分為三維傳熱、二維傳熱和一維傳熱三種類型。鋼筋對接焊則屬于在截面上均勻分布的面熱源、沿軸線方向一維傳熱的溫度場。由于金屬的導熱性能很強，因而熱源提供的熱能迅速向工件內(nèi)部傳播，使其溫度場變小。為了保證鋼筋焊接時有足夠的熔池尺寸和熔深，應采用較大的規(guī)范參數(shù)。溫度在沿鋼筋軸按指數(shù)規(guī)律分布，但在近處溫度比較集中，因而熱能主要集中在這一區(qū)域，可近似作為線性關系處理，范圍為0~5 cm,溫度為鋼的熔點溫度T熔-50℃。

（3）確定熔化所需的熱量。這部分所需能量的大小決定于鋼筋的成份，因為化學成份不同，鋼的熔點也就不一樣，鋼液熔點的近似值為：

T熔=1 539-∑Δtx%℃ （4）

式中，1 539為純鐵熔點； Δt為鋼中某元素含量增加1%時，熔點的降低值；x%為該元素的百分含量，例如：鋼的含碳量為0.5%時，碳的熔點為1 480℃。

碳素鋼的平均比熱為0.7×103 J/kg·℃，熔解熱為2.73×105 J/kg,則熔化鋼所需熱量為：

Q1=m1cΔt1+m1 j （5）

式中，m1為熔化鋼的質量，由鋼筋的直徑及長度決定，長度可選12 mm~16 mm之間的值，直徑大的可選適當短一些；c為比熱；Δt1為變化的溫度，是T熔與周圍環(huán)境的溫度差，即Δt1=T熔-T環(huán)；j為熔解熱。

除了熔化所需的熱量外，還有一部分熱量需要考慮，即：焊接處5 cm的長度中除熔化的鋼筋外，余下為鋼筋溫度變化所需的熱量：

Q2=m2 cΔt2 （6）

式中，m2為溫度變化而沒有熔化部分的鋼筋質量，Δt2為變化的溫度，Δt2=（T熔+50）/2.

把這兩部分熱量相加，求出鋼筋吸收的總熱量，再除以焊接熱效率η，標準值Q被預置在程序中，系統(tǒng)工作時，對電弧的熱量進行累計為Q吸=UIt,并隨時把Q吸和Q相比較，當Q吸≥Q時轉到下一道工序中。

本系統(tǒng)利用單片機對建筑鋼筋對接焊的4個過程進和控制，采用CPLD產(chǎn)生PWM脈沖波形，經(jīng)過對原系統(tǒng)的改進，現(xiàn)系統(tǒng)不僅能實現(xiàn)自動焊接的功能，且系統(tǒng)修改方便，控制準確、靈活，焊接質量明顯提高，焊接性能大大改善。