第４５卷第１１期 ２０１１年１１月 电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏ１．４５，Ｎｏ．１１ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２０１ ｌ 脉冲ＭＩＧ焊接电源数字控制系统设计 庞清乐 （山东工商学院，山东烟台 ２６４００５） 摘要：针对模拟控制和单片机控制的ＭＩＧ焊接电源控制系统灵活性差、控制精度低及可靠性差等缺点，设计 了基于３２位微处理器（ＭＣＦ５２１３ＣＡＦ８０）和ＦＰＧＡ的数字控制系统。介绍了控制系统的整体硬件电路设计方 案、采样和Ａ／Ｄ转换电路、ＰＷＭ驱动电路。同时，介绍了ＦＰＧＡ的软件设计和在ＭＣＦ５２１３ＣＡＦ８０上的嵌入式操 作系统设计。实验结果表明，基于微处理器和ＦＰＧＡ的脉冲ＭＩＧ焊接电源控制系统动态响应快、可靠性高、弧 长控制稳定。 关键词：焊接电源；现场可编程门阵列；控制系统 中图分类号：ＴＧ４３４．５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－１００Ｘ（２０１１）１１－００１４－０３ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｐｕｌｓｅｄ ＭＩＧ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅ ＰＡＮＧ Ｑｉｎｇ．１ｅ （Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｂｕｓｉｎｅｓｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｙａｎｔａｉ ２６４００５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ（ＭＣＦ５２１３ＣＡＦ８０）ａｎｄ ｆｉｌｅｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅｄ ａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）ｆｏｒ ＭＩＧ ｗｅｌｄｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｏｕｒｃｅ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｄｅｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｎａｌｏｇｏｕｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｓｕｃｈ ａｓ ｐｏｏｒ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ，ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｈａｒｄｗａｒｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｃｈｅｍｅ。ｓａｍｐｌｉｎｇ ａｎｄ Ａ／Ｄ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｎｄ ＰＷＭ ｄｒｉｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔＩｌｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＦＰＧＡ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ ＭＣＦ５２１３ＣＡＦ８０ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．ｈｅ ｅｘｐｅｒＴｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｎｄ ＦＰＧＡ ｆｏｒ ｐｕｌｓｅｄ ＭＩＧ ｗｅｌｄｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｏｕｒｃｅ ｈａｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｑｕｉｃｋｅｒ ｒｅｓｐｏｎｓｅ，ｂｅｔｔｅｒ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｓｔａｂｌｅ ａｒｃ ｌｅｎｇｔｈ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｅｌｄｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｏｕｒｃｅ；ｆｉｌｅｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅｄ ａｒｒａｙ；ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｐｒｏｊｅｃｔ：Ｓｕｐｐｏｓｅｄ ｂｙ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｎａｔｕｒｌａ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｉｎａ（Ｎｏ．５０７７７０４０）；Ｐｏｓｔｄｏｃｔｏｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｉｎａ（Ｎｏ．２００９０４６１２０４）；Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ（Ｎｏ．ＺＲ２０１ＯＥＬ０３０） １ 引 言 弧焊逆变电源自八十年代问世以来．经过逐 步发展完善。目前逆变式弧焊电源己成为焊接电 源的主流产品『１１，传统的模拟控制系统和单片机 ２ 脉冲ＭＩＧ焊机控制系统控制方案 焊接电流和电弧弧长是影响脉冲ＭＩＧ焊接 质量的两个重要因素。对焊接电流采用变参数ＰＩ 控制；弧长不能直接测量，采用焊机输出电压来表 征弧长，对输出电压采用ＰＩＤ控制。整个控制系统 为双闭环控制．即电流内环和电压外环控制。控制 系统的总体框图如图１所示。 控制系统由于灵活性差、控制精度低和可靠性差 等缺点，严重制约了弧焊电源的发展【 。随着ＥＤＡ 技术和ＤＳＰ技术的发展．实现了控制系统的数字 化。国内外学者对ＭＩＧ焊接电源的数字控制系统 进行了研究『３＿ １。我国数字化电源的研究起步较 晚，主要集中在研究所和几所高校中［５－８］。为了进 一步提高焊机质量．满足ＭＩＧ焊接电源数字控制 所需的实时性和控制精度。提出了基于３２位微控 制器（ＭＣＦ５２１３ＣＡＦ８０）与ＦＰＧＡ的焊机控制系统。 萋 ｒ学基金（ 目：２００国家自然９４０６１２０４ ）；山东省自然科学基金 ‘ ；（中国博士后科 ３ＺＲ２０１０ＥＬ０３０） … 一 一”一 “一 ．１整体硬件设计方案定稿日期：２ｏ１１一ｏ６—１０ 作者简介：庞清乐（１９６９一），男，山东聊城人，副教授，研究 脉冲ＭＩＧ焊机控制系统的整体硬件设计框 图如图２所示。图中上半部分为焊机主电路，采用 ５－向为计算机先进控制与智能系统。 全桥逆变方式，下半部分为系统控制回路。 脉冲ＭＩＧ焊接电源数字控制系统设计 矍囱堪甄蟊 电压 转换 双口 ＲＡＭ 塑 Ｅ 图２控制系统硬件框图 整个主控系统可分为：ＦＰＧＡ系统、３２位微控 制器系统、信号采集和Ａ／Ｄ转换电路、ＰＷＭ驱动 电路、通信电路等。ＦＰＧＡ系统、信号采集和Ａ／Ｄ转 换电路及ＰＷＭ驱动电路完成焊接电流波形的产 生及变参数数字ＰＩ的运算：３２位微控制器系统完 成外环弧压反馈算法及焊接事务的管理。ＦＰＧＡ采 用ＥＰ１Ｃ６Ｔ１４４Ｃ８，微控制器采用ＭＣＦ５２１３ＣＡＦ８０。 系统总体控制思路为：①选用并行接口的Ａ／Ｄ器 件，由ＦＰＧＡ实现Ａ／Ｄ转换时序来控制焊接电流 和焊接电压的采样，通过ＦＰＧＡ上实现的硬件ＰＩ 算法．实现焊接电流在一个脉冲周期内完成一个 ＰＩ调节．并进行数字ＰＷＭ模块的设计；②在３２位 微控制器上编写弧压闭环反馈控制程序，实现弧 长的稳定调节，同时完成焊接时序等控制。 ３．２ 采样、Ａ，Ｄ和Ｄ／Ａ转换电路 焊接电流和电压调理电路以及Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ 电路如图３所示。 ＡＤ７８６２ ＝ ＤＢＩ１～ ＤＢ０ ｎＲｎＶＢ１ Ａ０ ＦＰＧＡ ＣＳ ＲＤ ＢＵＳＹ ＶＢ２ ＣＯＮＶＳＴ 图３采样、Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ电路 脉冲ＭＩＧ逆变焊机控制过程中需要采集焊 接电流和焊接电压的瞬时值．这两个参数的数值 一般比较高．难以直接进行Ａ／Ｄ转换，同时考虑 主电路需要和控制电路隔离．系统采用霍尔传感 器对焊接电流和电压进行信号取样。焊接电流利 用霍尔电流互感器从焊机的输出端测量。电流互感 器规格为１００：１，即当主电路输出电流为１００ Ａ时， 电流互感器输出为１ Ｖ。被测电流母线从传感器 中穿过，次级端子即可输出成比例的电压值。焊接 电压来自于焊机输出的正负极．系统选用的电压传 感器需要外接＋１５ Ｖ直流电源，匝比为２ ５００：１ ０００， 即初级电流为１０ ｍＡ，次级输出电流为２５ ｍＡ。考 虑到系统要求的精度。需选择１２位以上的Ａ／Ｄ 转换器；逆变器的工作频率是２０ ｋＨｚ。因此采样 频率不能低于２０ ｋＨｚ：还要能同时采样电压电 流。因此，系统选择ＡＤ７８６２ＡＲ一１０。 ３．３ ＰＷＭ驱动电路 ＦＰＧＡ输出的ＰＷＭ信号经过驱动、隔离和滤 波电路后控制主电路４个ＩＧＢＴ的导通和关断．同 一个桥臂上两个ＩＧＢＴ的导通信号相差１８０。。 ＰＷＭ驱动电路如图４所示 ＧＡ目蠢目翼目 爿鎏 ｌ捡些墼 图４ ＰＷＭ驱动电路 ４ ＭＩＧ焊接电源的软件设计 ４．１ ＰＦＧＡ控制软件设计 利用Ｑｕ￣ｕｓ ＩＩ完成各模块的层次化设计和 仿真测试。在脉冲ＭＩＧ逆变焊机电流环控制系统 中，利用变参数ＰＩ控制器实现恒流控制，包括信 号的采样、ＰＩ运算以及ＰＷＭ信号输出等过程。 ４．１．１ Ａ／Ｄ控制器实现 Ａ／Ｄ控制器的作用是产生Ａ／Ｄ转换器工作的 时序脉冲。ＡＤ７８６２需要与ＦＰＧＡ连接的信号线 有：数据线ＤＢ［１１～０１、转换启动信号 、多 路器选择信号Ａ０、片选信号 、读操作信号而和 忙信号ＢＵＳＹ。采用单进程有限状态机来实现Ａ／Ｄ 转换时序的控制．避免了毛刺的产生。使控制时序 更加稳定可靠。为了更直观地测试Ａ／Ｄ的工作情 况。利用Ｑｕａｒｔｕｓ ＩＩ中自带的ＳｉｇｎａｌＴａｐ ＩＩ逻辑分 析仪对Ａ／Ｄ的控制信号及采样结果进行分析．以 判断ＦＰＡＧ控制器的控制效果。ＳｉｇｎａｌＴａｐ ＩＩ采集 的是系统实际运行过程中的真实信号。设定Ａ／Ｄ 状态机时钟为逻辑分析仪的工作时钟．采样深度 设为１ ＫＢ，触发方式为前触发。实际电路在Ｂ 通 道加２．５ ｖ，Ｂ：通道接地，Ｂ 转换结果在２０１Ｈ和 ２００Ｈ间跳变，Ｂ 采样结果为补码表示的ＦＦＥＨ或 ＦＦＦＨ，采样结果跳变为１个最低有效字节。 ４．１．２ ＰＩＤ控制软件设计 在进行ＰＩＤ模块的设计时引入了流水线技 术。大大缩短了模块运算的执行时间。在Ｃｌｋ为 ５０ ＭＨｚ的情况下。整个运算过程耗时１３８ ｎｓ。在 ｎＳｔａｒｔ的下降沿。ＰＩＤ运算模块将给定值、反馈值 以及 ，Ｋ， 锁存并开始进行ＰＩＤ运算。为了验 证模块的功能是否正确，设定Ｋ。＝Ｋ＝１，Ｋｄ＝０，给 １５ 第４５卷第１１期 ２０１１年１１月 电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏ１．４５，Ｎｏ．１１ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２０１ ｌ 定值设定为３００．反馈值周期性变化，起始值为 １００，每隔２００ ＩＩＳ增加１００。经过ＰＩＤ模块运算，对 应的输出序列为４００，４００，３００，１００……。通过ＰＩＤ 算式进行验算．结果正确无误。 ４．１．３ ＰＷＭ软件设计 ｐｕｌｓｅ信号的频率是４０ ｋＨｚ，数据更新的频率 为２０ ｋＨｚ．与ＰＷＭ脉冲的频率一致。当给定的脉 冲数据发生变化时，ＰＷＭ模块应做相应变化，调 整输出脉冲宽度。ｐｕｌ＿ｗ［９～Ｏ１从１００变到５００时， 占空比发生相应变化。而周期不变。 ４．２微处理器软件设计 ＭＣＦ５２１３ＣＡＦ８０通过电压环的控制．调节电 流波形基值时间，产生给定电流波形至ＦＰＧＡ的 双口ＲＡＭ中，同时进行起弧、收弧、焊接等的时序 控制．另外进行通信等焊接事务的管理。将嵌入式 操作系统ｔｘＣ／ＯＳ—Ｉ１移植到ＭＣＦ５２１３ＣＡＦ８０中，较 好地完成了各任务之间的调度和管理。 使用ＣｏｄｅＷａｒｒｉｏｒ集成开发环境．对ｔｒＣ／ＯＳ—ｌＩ 实时嵌入式操作系统进行移植是对ＯＳ—ＣＰＵ．Ｈ， ＯＳ—ＣＰＵ—Ｃ．Ｃ和ＯＳ—ＣＰＵ＿Ａ．ＡＳＭ ３个文件进行重 写以适应ＭＣＦ５２１３ＣＡＦ８０。在微处理器上共设计 了３个任务来完成如下所需功能：焊接过程时序 控制（ＴａｓｋＰｒｏＣｔ１）、压频转换算法（ＴａｓｋＶｏｌＴｏＦｒｅ） 和通信处理（ＴａｓｋＣｏｎ）。这些任务的优先级依次降 低。ＴａｓｋＰｒｏＣｔｌ完成焊接时序控制，包括系统初始 化、引弧、焊接、收弧等，任务的流程如图５所示。 ＴａｓｋＶｏｌＴｏＦｒｅ完成压频转换算法。ＭＣＦ５２１３ＣＡＦ８０ 每隔一定的时间间隔检测电流波形是否达到基 值，在到基值前不进行操作。当进入到基值后，取 平均电压与给定平均电压进行比较。根据比较结 果，调节基值时间直到两者相等，然后进行下一周 期电流波形的给定。其中，平均电压在ＦＰＧＡ中计 算。ＴａｓｋＣｏｎ完成主控制器和面板等的通信。整个 控制系统各模块之间是通过ＲＳ一４８５进行通信。 蕾 正常焊接控制 ｆ Ｎ 收弧控制ｌ 急 Ｉ 滞后停气ｌ 图５ ＴａｓｋＰｒｏＣｔｌ程序流程图 １６ ５ 实验结果 焊接现场进行焊接铝板测试，保护气体为氩 气。设定平均电流１３０ Ａ，平均电压２４ Ｖ。现场焊 接的电流和电压波形如图６所示。由图可见，基值 电压为１８ ｖ。峰值电压为３２ Ｖ，基值电流为５０ Ａ， 峰值时间为１．５ ｍｓ．基值时间３．５ ｍｓ，与设定相符。 焊接过程中熔滴过渡过程较为稳定，飞溅较小。 ６０ 砉４：。０ ．一 一 ． 。８ ≤ｉ３８ １Ｏ０ ：： ：：厂 ０ ２ ４ ６ ８ ｌ０ ｌ２ ｌ４ ｔ／ｍｓ 图６ 实际焊接电压和电流波形 ６ 结 论 为满足ＭＩＧ焊接电源的实时性。提高其控制 精度，提出了基于微处理器和现场可编程门阵列 的ＭＩＧ焊接电源数字控制系统。该系统利用现场 可编程门阵列执行变参数ＰＩ控制算法，实现对焊 接电流的实时控制，使焊接电流稳定；利用 ＭＣＦ５２１３ＣＡＦ８０型微处理器完成外环弧压反馈算 法及焊接事务的管理。实验结果表明，该系统动态 响应快、可靠性高、弧长控制稳定、焊接质量高。 参考文献 【１］Ｈ Ｙａｍａｍｏｔｏ，Ｓ Ｈａｒａｄａ，Ｔ Ｕｅｙａｍａ．Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｍａｋｅｓ Ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ ｔｈｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ ｏｆ Ｃｈｏｉｃｅ［Ｊ］． Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｊｏｕｒｎａｌ，１９９７，７６（２）：４７－４９． ［２】 黄石生．弧焊电源及其数字化控制【Ｍ】．北京：机械工 业出版社．２００６． ［３】吴开源，陆沛涛，李阳，等．脉冲ＭＩＧ焊控制的研究 现状与展望【Ｊ】．电焊机，２００３，３３（２）：１－４． 【４］李峰，李亮玉，李香．国内全数字化焊机的研究现 状［Ｊ］．焊接技术，２００６，３５（４）：６－８． 【５】廖平，黄鹏飞，卢振洋，等．变极性脉冲ＭＩＧ焊控制 系统［Ｊ］．焊接学报，２００６，２７（３）：５３－５６． 【６】包晔峰，周昀，吴毅雄，等．铝合金脉冲ＭＩＧ焊动态 特性自适应控制［Ｊ］．上海交通大学学报，２００４，３８（７）： １１２６一ｌ１２９． ［７］吴开源，黄石生，蒙永民．脉冲ＭＩＧ焊电弧双模模糊 控制［Ｊ】．控制理论与应用，２００６，２３（１）：７４—７８． 【８】石玛，吴巍，樊丁，等．铝合金ＭＩＧ焊正面熔池 图象视觉传感器与处理［Ｊ］．中国机械工程，２００５，１６（２）： 】７６－１７９．