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弧焊逆變電源(亦稱弧焊逆變器)是一種高效、節能、輕便的新型弧焊電源。目前，采用ICBT作為功率控制器件來提高功率主電路的控制 性和穩定性，以8位和16位單片機作為控制核心進行焊接程序控制和焊接參數運算處理，提高了弧焊逆變電源的操作性。數字信號處理器(DSP)的廣泛普及和應用，為弧焊逆變電源控制系統的全數字化提供了必要的硬件和軟件基礎。 DSP與單片機性能比較分析 單片機(MCU)廣泛應用于家用電器、工業控制和智能終端，主要起控制作用。DSP可高速地實現過去由軟件實現的大部分算法。表1比較了典型單片機和DSP的性能指標。 由表1可知，與單片機相比，DSP的優勢表現為：數據處理能力強、高運算速度、能實時完成復雜計算、單周期多功能指令、PWM分辨率 高、更短的采樣周期。 表1 典型單片機和DSP的性能比較 就目前技術現狀，將DSP和單片機結合起來設計系統是一種很好的方法，充分發揮單片機控制能力強的特點和DSP強大數據處理能力和高運行速度的優勢。從而提高弧焊逆變電源控制系統的精度和實時性，滿足弧焊逆變電源更高的性能要求。 目前適用于弧焊逆變電源控制的DSP主要有TI公司的TMS320C2000系列、ADI公司的ADSP2100系列、Motorola公司的 DSP56F800系列。下面以TI公司的16位定點TMS320LF2407A為例說明DSP的結構。 由圖1可見DSP的結構特征特別有利于在控制系統中應用，主要表現為： 改進的哈佛結構；流水線操作；采用硬件乘法器；快速的指令周期；TMS320LF2407A的時鐘頻率達到40MHz，即指令周期為25ns，運算能力為40MIPS(每秒百萬條指令)。芯片有一套專門為數字信號處理而設計的指令系統。指令簡化了數字信號處理過程，優化的事件管理模塊和外圍電路：從圖1可見在DSP芯片中集成了A/D轉換、大容量存儲器、定時器、比較單元、捕獲單元、PWM波形發生器、數字I/O口、SPI、SCI、 CAN，其中4個通用定時器和12個比較單元的結合能產生多達16路的PWM輸出，足以滿足IGBT主電路的驅動。 此外，TMS320LF2407A具有快速的中斷處理能力、數據指針的逆序尋址功能、硬件尋址控制以及多種節電模式等特有的性能，這些特性將有利于TMS320LF2407A在弧焊逆變電源控制中的應用。 控制系統組成與工作原理 根據單片機和DSP的各自優勢，我們選擇了以單片機為上位機，DSP為下位機的弧焊逆變電源控制系統解決方案. 控制系統由單片機、DSP、鍵盤、顯示、電弧電壓和焊接電流采樣系統、送絲控制系統組成，與以單片機為核心的控制系統相比大大簡化了系統組成。 方案中的單片機采用Winbond公司的W77E58，DSP為TI公司的TMS320LF2407A。 在這一方案中單片機主要完成焊接程序控制和人機接口， 因人機接口對速度要求是比較低的， 對控制能力的要求較高，人機接口功能包括：焊接參數的給定及實時顯示。 DSP主要完成采樣信號的反饋運算及PWM脈沖序列的生成，DSP根據電弧電壓和焊接電流的反饋量和單片機提供的給定值在DSP內部完成 復雜的算術邏輯運算，輸出適當寬度的PWM脈沖信號，經驅動放大后用于IGBT柵極驅動，以控制電源的輸出電流、電壓，實現弧焊逆變電源的控制。單片機和DSP之間的通信由SCI串行接口實現。 控制系統重要組成部分基本工作原理分述如下： 電流反饋 本系統采用零磁通霍爾元件電流傳感器來檢測電流，由于TMS320LF2407A的A/D輸入信號范圍為0～5V，因此，必須將霍爾元件輸出的小電流信號首先變換為電壓信號，再經放大濾波后進入A/D轉換通道。 PWM輸出和功率驅動 TMS320LF2407A的PWM發生電路可產生16路具有可編程死區和可變輸出極性的PWM信號，有從0～16us的可編程死區發生器控制PWM輸出，可以避免產生短路而擊穿功率器件。功率驅動采用變壓器驅動。 保護功能 為了保證系統中功率轉換電路及柵極驅動電路安全可靠地工作。TMS320LF2407A提供了PDPINT引腳，利用它可方便地實現控制系統的過壓、過流、欠壓、過溫等保護功能。 各種故障信號經光電隔離后輸入到PDPINT引腳，有任何故障狀態出現時PDPINT引腳被拉為低電平，此時DSP內定時器立即停止計數，所有PWM輸出引腳全部呈高阻狀態，現時產生中斷信號，通知CPU有異常情況發生。整個過程不需要程序干預，全部自動完成，這對實現各種故障狀態的快速處理非常有用。 控制系統特點 基于DSP從以下各個方面改善了弧焊逆變電源控制系統的技術指標： 設計方面 傳統的單片機弧焊逆變電源控制系統其組成元器件較多，元器件易受損，從而增加了維修和維護的工作量，而基于DSP的弧焊逆變電源 數字化控制系統元器件顯著減少。 速度方面 基于DSP的弧焊逆變電源數字化控制系統充分發揮了單片機和DSP的優勢，從而大大提高了控制系統的實時性。 精度、穩定性方面 TMS320LF2407A為16位定點DSP，可以達到10-5的精度。消除了模擬系統中參數的容差、漂移導致的控制器參數的變化，穩定性提高。 靈活性方面 基于DSP的控制系統靈活性好，參數容易改變，便于升級。設計工作主要集中在軟件上，通過編程可用同一塊控制板實現不同的焊接工藝控制。 控制算法實現方面 基于DSP的弧焊逆變電源數字化控制系統有望突破經典控制方法，而采用更為先進的現代控制技術。 接口方面 基于DSP的控制系統與其它現代數字技術為基礎的系統或設備都是相互兼容的，與這樣的系統接口以實現某種功能要比模擬系統與這些系統接口要容易得多。 結語 DSP技術的高速發展和DSP應用的普及，為弧焊逆變電源控制系統的設計提供了一個很好的選擇。就目前的技術現狀，以單片機為上位機，負責焊接程序控制和人機接口，以DSP為下位機，負責焊接參數反饋運算和PWM波形的產生，是一種較好的解決方案。 這項技術在國內剛剛起步，是一項前景廣闊的新技術，必將得到越來越廣泛的應用。 |
