基于DSP的弧焊逆變電源數(shù)字化控制系統(tǒng)

    弧焊逆變電源(亦稱弧焊逆變器)是一種高效、節(jié)能、輕便的新型弧焊電源。目前，采用ICBT作為功率控制器件來(lái)提高功率主電路的控制 性和穩(wěn)定性，以8位和16位單片機(jī)作為控制核心進(jìn)行焊接程序控制和焊接參數(shù)運(yùn)算處理，提高了弧焊逆變電源的操作性。 數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的廣泛普及和應(yīng)用，為弧焊逆變電源控制系統(tǒng)的全數(shù)字化提供了必要的硬件和軟件基礎(chǔ)。

    DSP與單片機(jī)性能比較分析

    單片機(jī)(MCU)廣泛應(yīng)用于家用電器、工業(yè)控制和智能終端，主要起控制作用。DSP可高速地實(shí)現(xiàn)過(guò)去由軟件實(shí)現(xiàn)的大部分算法。表1比較了典型單片機(jī)和DSP的性能指標(biāo)。

    由表1可知，與單片機(jī)相比，DSP的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為：數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、高運(yùn)算速度、能實(shí)時(shí)完成復(fù)雜計(jì)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(jī)和DSP的性能比較 

   

              
    就目前技術(shù)現(xiàn)狀，將DSP和單片機(jī)結(jié)合起來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)是一種很好的方法，充分發(fā)揮單片機(jī)控制能力強(qiáng)的特點(diǎn)和DSP強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度的優(yōu)勢(shì)。從而提高弧焊逆變電源控制系統(tǒng)的精度和實(shí)時(shí)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(diǎn)TMS320LF2407A為例說(shuō)明DSP的結(jié)構(gòu)。

                            

    由圖1可見(jiàn)DSP的結(jié)構(gòu)特征特別有利于在控制系統(tǒng)中應(yīng)用，主要表現(xiàn)為：

    改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)；流水線操作；采用硬件乘法器；快速的指令周期；TMS320LF2407A的時(shí)鐘頻率達(dá)到40MHz，即指令周期為25ns，運(yùn)算能力為40MIPS(每秒百萬(wàn)條指令)。芯片有一套專門(mén)為數(shù)字信號(hào)處理而設(shè)計(jì)的指令系統(tǒng)。指令簡(jiǎn)化了數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程，優(yōu)化的事件管理模塊和外圍電路：從圖1可見(jiàn)在DSP芯片中集成了A/D轉(zhuǎn)換、大容量存儲(chǔ)器、定時(shí)器、比較單元、捕獲單元、PWM波形發(fā)生器、數(shù)字I/O口、SPI、SCI、 CAN，其中4個(gè)通用定時(shí)器和12個(gè)比較單元的結(jié)合能產(chǎn)生多達(dá)16路的PWM輸出，足以滿足IGBT主電路的驅(qū)動(dòng)。

    此外，TMS320LF2407A具有快速的中斷處理能力、數(shù)據(jù)指針的逆序?qū)ぶ饭δ?、硬件尋址控制以及多種節(jié)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(yīng)用。

    控制系統(tǒng)組成與工作原理

    根據(jù)單片機(jī)和DSP的各自優(yōu)勢(shì)，我們選擇了以單片機(jī)為上位機(jī)，DSP為下位機(jī)的弧焊逆變電源控制系統(tǒng)解決方案.

                     

    控制系統(tǒng)由單片機(jī)、DSP、鍵盤(pán)、顯示、電弧電壓和焊接電流采樣系統(tǒng)、送絲控制系統(tǒng)組成，與以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)相比大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)組成。

    方案中的單片機(jī)采用Winbond公司的W77E58，DSP為T(mén)I公司的TMS320LF2407A。

    在這一方案中單片機(jī)主要完成焊接程序控制和人機(jī)接口， 因人機(jī)接口對(duì)速度要求是比較低的， 對(duì)控制能力的要求較高，人機(jī)接口功能包括：焊接參數(shù)的給定及實(shí)時(shí)顯示。

    DSP主要完成采樣信號(hào)的反饋運(yùn)算及PWM脈沖序列的生成，DSP根據(jù)電弧電壓和焊接電流的反饋量和單片機(jī)提供的給定值在DSP內(nèi)部完成 復(fù)雜的算術(shù)邏輯運(yùn)算，輸出適當(dāng)寬度的PWM脈沖信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大后用于IGBT柵極驅(qū)動(dòng)，以控制電源的輸出電流、電壓，實(shí)現(xiàn)弧焊逆變電源的控制。單片機(jī)和DSP之間的通信由SCI串行接口實(shí)現(xiàn)。

    控制系統(tǒng)重要組成部分基本工作原理分述如下：

    電流反饋

    本系統(tǒng)采用零磁通霍爾元件電流傳感器來(lái)檢測(cè)電流，由于TMS320LF2407A的A/D輸入信號(hào)范圍為0～5V，因此，必須將霍爾元件輸出的小電流信號(hào)首先變換為電壓信號(hào)，再經(jīng)放大濾波后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換通道。

    PWM輸出和功率驅(qū)動(dòng)

    TMS320LF2407A的PWM發(fā)生電路可產(chǎn)生16路具有可編程死區(qū)和可變輸出極性的PWM信號(hào)，有從0～16us的可編程死區(qū)發(fā)生器控制PWM輸出，可以避免產(chǎn)生短路而擊穿功率器件。功率驅(qū)動(dòng)采用變壓器驅(qū)動(dòng)。

   

  保護(hù)功能

    為了保證系統(tǒng)中功率轉(zhuǎn)換電路及柵極驅(qū)動(dòng)電路安全可靠地工作。TMS320LF2407A提供了PDPINT引腳，利用它可方便地實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的過(guò)壓、過(guò)流、欠壓、過(guò)溫等保護(hù)功能。

    各種故障信號(hào)經(jīng)光電隔離后輸入到PDPINT引腳，有任何故障狀態(tài)出現(xiàn)時(shí)PDPINT引腳被拉為低電平，此時(shí)DSP內(nèi)定時(shí)器立即停止計(jì)數(shù)，所有PWM輸出引腳全部呈高阻狀態(tài)，現(xiàn)時(shí)產(chǎn)生中斷信號(hào)，通知CPU有異常情況發(fā)生。整個(gè)過(guò)程不需要程序干預(yù)，全部自動(dòng)完成，這對(duì)實(shí)現(xiàn)各種故障狀態(tài)的快速處理非常有用。

    控制系統(tǒng)特點(diǎn)

    基于DSP從以下各個(gè)方面改善了弧焊逆變電源控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)：

    設(shè)計(jì)方面

    傳統(tǒng)的單片機(jī)弧焊逆變電源控制系統(tǒng)其組成元器件較多，元器件易受損，從而增加了維修和維護(hù)的工作量，而基于DSP的弧焊逆變電源 數(shù)字化控制系統(tǒng)元器件顯著減少。

    速度方面

    基于DSP的弧焊逆變電源數(shù)字化控制系統(tǒng)充分發(fā)揮了單片機(jī)和DSP的優(yōu)勢(shì)，從而大大提高了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

    精度、穩(wěn)定性方面

    TMS320LF2407A為16位定點(diǎn)DSP，可以達(dá)到10-5的精度。消除了模擬系統(tǒng)中參數(shù)的容差、漂移導(dǎo)致的控制器參數(shù)的變化，穩(wěn)定性提高。

    靈活性方面

    基于DSP的控制系統(tǒng)靈活性好，參數(shù)容易改變，便于升級(jí)。設(shè)計(jì)工作主要集中在軟件上，通過(guò)編程可用同一塊控制板實(shí)現(xiàn)不同的焊接工藝控制。

    控制算法實(shí)現(xiàn)方面

    基于DSP的弧焊逆變電源數(shù)字化控制系統(tǒng)有望突破經(jīng)典控制方法，而采用更為先進(jìn)的現(xiàn)代控制技術(shù)。

    接口方面

    基于DSP的控制系統(tǒng)與其它現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)或設(shè)備都是相互兼容的，與這樣的系統(tǒng)接口以實(shí)現(xiàn)某種功能要比模擬系統(tǒng)與這些系統(tǒng)接口要容易得多。

    結(jié)語(yǔ)

    DSP技術(shù)的高速發(fā)展和DSP應(yīng)用的普及，為弧焊逆變電源控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)很好的選擇。就目前的技術(shù)現(xiàn)狀，以單片機(jī)為上位機(jī)，負(fù)責(zé)焊接程序控制和人機(jī)接口，以DSP為下位機(jī)，負(fù)責(zé)焊接參數(shù)反饋運(yùn)算和PWM波形的產(chǎn)生，是一種較好的解決方案。     這項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)剛剛起步，是一項(xiàng)前景廣闊的新技術(shù)，必將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。