高频逆变点焊电源及智能监控系统的研究

论文摘要

工业技术向自动化、智能化的发展以及节能降耗的需求对电阻点焊的生产提出了更高的要求，逆变点焊电源因其具有的诸多优点成为未来点焊电源的主要发展方向，目前，逆变点焊电源除了受到功率器件可靠性等问题的困扰外，通信不畅导致的“信息孤岛”问题也限制了点焊车间自动化程度的提高，本文将CAN总线引入点焊过程的通信，对高频逆变点焊电源及其控制进行了研究。逆变主电路采用全桥移相软开关电路拓扑结构，对主电路的换流方式及IGBT管的开关过程分析得出逆变电路具有超前桥臂零电压导通、滞后桥臂零电流关闭的优点。基于高频主电路存在“集肤效应”的特点进行高频变压器的设计，采用倍流整流电路的拓扑结构设计逆变电源的高频整流电路，经过优化设计后的整流电路使大功率点焊电源的开关频率难以提高的问题得到初步解决。分析了造成IGBT失效的常见原因并采取针对性的保护措施，完成了IGBT的选型，利用MATLAB软件对逆变主电路进行仿真，优化了主电路的系统参数。下位机系统采用两片AT89C52单片机组成双处理器控制结构，以主处理器为核心构建逆变点焊电源控制系统，包括电流检测电路、IGBT驱动电路、PWM调制电路、电磁气阀驱动电路等；协处理器、SJA1000控制器和CTM1050收发器组成下位机的CAN总线通信系统。上位机由PC机和CAN适配卡SC2102组成，使用双绞线搭建CAN总线系统的网络物理层，完成工业CAN系统的硬件设计。分析提出了基于模糊PID的自适应点焊恒流控制算法，建立了模糊控制规则表，MATLAB软件仿真结果表明，设计的模糊自适应PID控制器具有良好的鲁棒性，能够满足系统的恒流控制要求。采用模块化设计方法完成了系统的程序设计，包括双处理器的串行通信程序、下位机控制板和通信板程序、CAN总线通信协议、上位机CAN通信程序及可视化界面等。调试分析的试验结果与仿真基本吻合，本文的研究成果为实现基于高频逆变点焊过程的智能化、网络化生产提供了技术支撑。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 课题研究的目的和意义
• 1.3 逆变点焊电源国内外发展现状
• 1.4 逆变点焊电源相关支撑技术发展现状
• 1.5 现场总线控制系统
• 1.6 主要研究内容
• 第2章 逆变点焊电源主电路设计
• 2.1 主电路拓扑结构的选择及工作原理
• 2.2 高频变压器的设计
• 2.3 次级整流电路的设计
• 2.4 IGBT在点焊逆变器中的选定及保护
• 2.5 逆变器仿真分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于CAN总线与双处理器的控制系统硬件设计
• 3.1 系统的性能要求及总体模型
• 3.2 系统恒流控制电路
• 3.3 IGBT控制电路
• 3.4 下位机控制系统硬件设计
• 3.5 下位机通信系统硬件设计
• 3.6 上位机硬件接口设计
• 3.7 CAN总线设备网络物理连接
• 3.8 本章小结
• 第4章 点焊恒流模糊PID控制器设计
• 4.1 PID控制
• 4.2 模糊控制
• 4.3 模糊自适应PID控制器
• 4.4 模糊自适应PID控制器的设计
• 4.5 模糊自适应PID控制器的MATLAB实现
• 4.6 本章小结
• 第5章 控制系统软件设计
• 5.1 下位机控制系统程序设计
• 5.2 下位机双处理器串行通信
• 5.3 主处理器控制板程序
• 5.4 从处理器通信板程序
• 5.5 上位机系统软件
• 5.6 本章小结
• 第6章 系统调试与实验分析
• 6.1 驱动电路调试
• 6.2 主电路调试
• 6.3 实验与仿真对照分析
• 第7章 结论
• 7.1 课题总结
• 7.2 后期研究工作展望
• 参考文献
• 发表论文
• 致谢
• 附录