弧焊电源的数字化控制技术

摘要：阐述了弧焊电源数字化控制技术的意义，介绍了用单片机、DSP及CPLD/FPGA等新型半导体器件实现弧焊电源数字化控制技术的方式，指出了弧焊电源数字化控制技术的发展趋势。

关键词：弧焊电源；逆变器；数字化控制；单片机

中图分类号：TG434.1；TN609 文献标识码：A 文章编号：1003-353X(2005)01-0072-04

1 引言

弧焊电源的发展经历了弧焊发电机、交流弧焊变压器、硅弧焊整流器及弧焊逆变电源等几个阶段。弧焊逆变电源采用高频逆变技术从而具有控制周期短，整机动态响应快，能够进行精确控制等优势，由此使弧焊电源的性能发生革命性的进步 [1]。

近年来，随着大规模专用集成电路（ASIC）、数字信号处理器（DSP）及复杂可编程逻辑器件（CPLD）、现场可编程门陈列（FPGA）等新型半导体器件的发展，弧焊电源的控制电路已经由过去的分立元件、简单集成电路发展到以单片机、DSP、CPLD/FPGA为核心的数字化控制电路，即向数字化方向发展。弧焊逆变电源的上述优势在模拟控制系统中没能得到充分的发挥。国内外弧焊电源的最新技术趋势是逆变技术和数字化控制技术相结合，即弧焊逆变电源的数字化控制技术，使原有的逆变电源更可靠，性能更好，功能更全。弧焊逆变电源的数字化控制技术主要有
两个目的：一是迅速解决弧焊逆变电源自身问题；二是提升弧焊逆变电源的功能，满足先进制造技术的需求。弧焊逆变电源的控制实现数字化具有几个明显优势：①减少控制元件数量，提高系统抗干扰能力和系统稳定性；②设计和制造灵活，每台电源间的一致性好，改变控制方法只需修改程序，无需变动硬件电路，大大缩短了设计周期；③可以采用更先进的控制方法，输出电能质量好，可靠性高，便于实现智能控制；④由于控制方法灵活，便于多个逆变器并联运行控制，从而实现更大功率输出；⑤功能升级方便，采用可编程芯片可方便地对软件修改和升级。

为此，本文介绍用单片机、DSP及CPLD/FPGA 等新型半导体器件实现弧焊电源数字化控制技术的方式。

2 单片机控制的弧焊电源

单片机以其较高的灵活性和性价比而广泛应用于弧焊电源的数字化控制中。单片机控制的弧焊电源原理框图如图1所示。

单片机控制的弧焊电源主要以MCS－51/96系列单片机、AVR单片机或PIC单片机为中央处理器，配合少量的接口电路和外围电路，在软件控制下，可实现焊接循环、焊接电流波形调制与焊接规范参数的给定。单片机接口能力强、I/O管脚多、可直接驱动逻辑电路、体积小，可将RAM、ROM、CPU集成在单片上，有的可同时集成晶振和看门狗电路，降低了系统的复杂程度，方便了使用，嵌入性能很好。

目前，使用单片机控制的弧焊逆变电源就整体性价比来看，已经不会低于用集成PWM芯片来控制，因为单片机电路除可以完成电压、电流调节、 PWM生成功能外，还可完成数据的采集、显示、参数调整、系统监控等工作［2］。

单片机为复杂指令系统计算机（CISC），多数指令要2～3个指令周期才能完成；单片机采用冯·诺依曼结构，同一时刻只能单独访问指令或数据；单片机的ALU只能做加法，而乘法则需要由软件来实现，因而需要占用较多的指令周期，速度比较慢；单片机没有浮点运算指令，无法进行复杂的计算，整体计算性能差，计算精度差；寻址能力有限。即使高性能的单片机，在高频逆变电源中应用时也还有一些问题，如Intel 公司的16位单片机80C196KC在16M晶振时最小时基是1μs，若 PWM开关频率是20kHz，周期为50μs，则直流PWM调节的最高精度只有1/50=2%。单片机无法完成实时计算与高精度的控制任务，一般多用于简易控制系统中。

单片机控制系统效果不佳，主要是算法、通信、抗干扰等环节不理想。如果采用复杂算法等措施，实现困难，实时性也会受影响，且需增加更多硬件和成本。

3 DSP控制的弧焊电源

数字信号处理理论从上世纪60年代的崛起，到上世纪80年代初DSP芯片的诞生，其飞速发展改变了信号处理的面貌。

DSP属于精简指令系统计算机（RISC），大多数指令都能在一个周期内完成，并可通过并行处理技术，在一个指令周期内完成多条指令；同时， DSP采用改进的哈佛结构，具有分离的程序和数据总线，允许同时存储程序和数据；采用多级流水线和内置高速硬件乘法器，使其具有高速的数据运算能力。

DSP以其强大的指令系统及接口功能显示出功能强、速度快、编程和开发方便等特点而广泛应用于通用数字信号处理、通讯、语音处理、图像处理和仪器仪表及军事与尖端科技等方面。近年来DSP在自动控制领域也获得广泛应用，DSP芯片已经成为数字电路设计的主要方法。

DSP控制的弧焊电源借助DSP实现控制算法和 PWM信号发生电路的数字化，DSP主要完成电压、电流信号的反馈运算、PWM波形的输出、系统实时监控及保护、系统通信等功能。DSP控制的弧焊电源原理框图如图2所示。

文献［3］在80C196KC单片机控制的脉冲MIG 焊电源的基础上，设计了以80C196KC单片机为上位机和数字信号处理器TMS320UC5402为下位机的脉冲MIG焊电源双机控制系统，实现了脉冲MIG焊电源的数字化控制。

文献［4］以数字信号处理器TMS320F240为核心的CO2弧焊电源，讨论了用DSP控制的弧焊电源的硬件设计和主要软件流程，控制系统较好地满足了焊接工艺性能，实现了CO 2弧焊电源的数字化控制。

日本Panasonic（松下溶接系统公司）推出基于64位RISC中央处理器的全数字化YC－300BZ2和YD－350GB1焊机 [5]。YC－300BZ2可实现数字化TIG焊；YD－350GB1能实现数字化CO 2焊和MAG焊，从而发动了焊机的IT革命。

奥地利Fronius公司结合逆变技术和数字信号处理器技术，推出全数字化TPS系列（TPS2700/TPS4000/TPS5000）焊机 ［6］。该系列焊机是数字化控制的弧焊逆变电源，其控制系统采用DSP芯片监控焊接过程，实现程序化引弧和收弧，智能化调节参数，简化了操作。焊机具有MIG/MAG、 TIG、手工焊和MIG钎焊等多种功能，可实现熔滴过渡和弧长变化的精确控制，此类焊机还可通过网络进行工艺管理和控制软件的升级。

虽然DSP有着许多优点，但是它也存在一些局限性，如采样频率的选择、采样延时、PWM信号频率及其精度、运算时间及精度等，多少会影响控制系统的性能。

4 CPLD/FPGA控制的弧焊电源

复杂可编程逻辑器件（CPLD）和现场可编程门阵列（FPGA）同属于近年发展起来的可编程逻辑器件（PLD）。可编程逻辑器件的使用，使电子产品达到小型化、集成化和高可靠性。CPLD器件的在系统可编程（ISP）技术和FPGA器件的现场可编程技术，使可编程逻辑器件在使用上极为方便。随着电子设计自动化（EDA）技术的进步和软件开发系统的日趋完善，应用CPLD和FPGA进行电子系统设计已经成为发展主流。

CPLD以其可靠性高、功耗小、保密性强等特点及其在系统可编程性，得到了突飞猛进的发展和广泛的应用。CPLD器件至少包含三种结构：可编程功能块（FB）、可编程I/O单元和可编程内部连线。

用CPLD取代传统的电子线路的优势，体现在集成度高，分立元件少，抗干扰性能高；线路设计简单方便，用软件设计，可修改性强；易于产品的更新换代；使用晶振频率高，易于和高速处理器连接，实现高频控制系统。

FPGA是近年来迅速发展起来的集PLD器件现场可编程的设计灵活性和门陈列高密度于一体的新型ASIC器件。基于FPGA的数字电路设计方式在可靠性、体积、成本上的优势是巨大的，它的出现引起数字系统设计方式的突破性变革，成为当今 ASIC电路发展中一个异军突起的新型电路，具有良好的应用前景。FPGA的结构主要分为三部分：可配置逻辑块 (CLB)、可编程I/O模块和可编程内部连线。可配置逻辑块和可编程内部连线的构造主要有查找表和多路开关两种类型。FPGA有单片机和DSP无法比拟的优势：时钟频率高，内部时延小；全部控制逻辑由硬件完成，速度快，效率高；组成形式灵活，可集成外围控制、译码和接口电路。

实践表明，采用CPLD/FPGA设计数字化控制电路有很多优点：①实现I/O端口方便；②用硬件描述语言（如VHDL、Verilog HDL语言）可以根据需要在短时间内设计出所要求的控制电路，并且可以任意擦写程序，改变功能，因此开发周期短，开发成本低，使用方便灵活；③集成度大，因此，非常复杂的控制逻辑电路可以放在一片CPLD/FPGA中，实现了许多中、小规模集成电路和许多分立元件组合构成电路所具有的功能，使电路的体积减小，可靠性提高，成本下降；④CPLD/ FPGA器件的速度可以做得非常高，可达几十GHz，如Xilinx公司的产品可达到50MHZ甚至更高，这样的速度在控制系统中已经足够了。

随着CPLD/FPGA结构及其功能的增强，现在已可利用CPLD/FPGA实现PWM调制、逆变器单元的驱动及各种控制理论的应用。可以预见， CPLD/FPGA在数字化控制技术中会越来越受到青睐。

文献［7］介绍了FPGA器件在逆变器控制电路上的应用。文献［8］利用CPLD在ALTERA 公司的MAX＋PLUSII集成开发环境下采用VHDL语言进行CO 2弧焊电源熔滴过渡频率检测器数字系统的设计，大大提高了检测系统的精度及响应速度，增强了设计的可靠性，降低了功耗，极大地缩短了研制周期。文献［9］用FPGA实现了DC/ DC变换器的模糊逻辑控制。文献［10］在分析脉宽调制芯片工作原理的基础上，用CPLD设计了满足数字化控制系统要求的PWM发生芯片，在MAX＋PLUSII集成开发环境下，采用VHDL语言完成了数字PWM芯片的设计描述。软件仿真和功率试验表明设计的数字PWM芯片能够满足快速数字信号传输和弧焊逆变电源中IGBT驱动的需要，具有可靠性高、抗干扰能力强、设计灵活的特点。文献［11］使用VHDL设计基于CPLD/FPGA逆变电源PWM驱动波形，探讨了PWM波形的设计原理，提出了三种程序设计的方案，给出了实时性最好的基于ROM结构的PWM波形的VHDL程序。

基于CPLD/FPGA器件，使用硬件描述语言（如VHDL、Verilog HDL语言）设计弧焊电源的PWM波形，控制精度高，可以通过改变CPLD/ FPGA外接的晶振的频率来提高占空比的调节精度，而且，控制方式灵活，能够调整功率开关管的死区时间，保护开关管安全工作，易于实现数字化控制。上述三种半导体器件控制的比较见表1。

5 结论

数字化是弧焊电源的发展方向。逆变技术的应用实现了电源主电路的数字化，基于单片机、DSP及CPLD/FPGA等新型半导体器件的控制系统实现了控制电路的数字化。DSP、CPLD/FPGA由于其强大的性能与极大的灵活性，将在弧焊电源数字化控制系统中具有广泛的应用前景和优势。可以预见，采用DSP、CPLD/FPGA进行高精度高性能的弧焊逆变电源的数字化控制技术的研究将是今后弧焊电源的发展主流，必将得到很大的发展。