弧焊电源的数字化控制技术

发布时间:2008/5/28 0:00:00 访问次数:384

吴开源，黄石生，李　阳，陆沛涛

（华南理工大学，广州，510640）

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