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[導(dǎo)讀]本文提出了基于DSP的弧焊逆變電源數(shù)字化控制系統(tǒng),給出了利用單片機和DSP實現(xiàn)弧焊逆變電源數(shù)字化控制的解決方案,總結(jié)了基于DSP的弧焊逆變電源數(shù)字化控制系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)微機控制系統(tǒng)的諸多方面,并探討了今后的應(yīng)用前景.

    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位單片機作為控制核心進行焊接程序控制和焊接參數(shù)運算處理,提高了弧焊逆變電源的操作性。 數(shù)字信號處理器(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與單片機性能比較分析

    單片機(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可高速地實現(xiàn)過去由軟件實現(xiàn)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(yōu)勢表現(xiàn)為:數(shù)據(jù)處理能力強、高運算速度、能實時完成復(fù)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 

    典型單片機和DSP的性能比較

              
    就目前技術(shù)現(xiàn)狀,將DSP和單片機結(jié)合起來設(shè)計系統(tǒng)是一種很好的方法,充分發(fā)揮單片機控制能力強的特點和DSP強大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度的優(yōu)勢。從而提高弧焊逆變電源控制系統(tǒng)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(jié)構(gòu)。

                             DSP的結(jié)構(gòu)

    由圖1可見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(shù)字信號處理而設(shè)計的指令系統(tǒng)。指令簡化了數(shù)字信號處理過程,優(yōu)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(zhuǎn)換、大容量存儲器、定時器、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個通用定時器和12個比較單元的結(jié)合能產(chǎn)生多達16路的PWM輸出,足以滿足IGBT主電路的驅(qū)動。

    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)單片機和DSP的各自優(yōu)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(tǒng)解決方案.

                      控制系統(tǒng)

    控制系統(tǒng)由單片機、DSP、鍵盤、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,與以單片機為核心的控制系統(tǒng)相比大大簡化了系統(tǒng)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(shù)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(jù)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(nèi)部完成 復(fù)雜的算術(shù)邏輯運算,輸出適當寬度的PWM脈沖信號,經(jīng)驅(qū)動放大后用于IGBT柵極驅(qū)動,以控制電源的輸出電流、電壓,實現(xiàn)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(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(jīng)放大濾波后進入A/D轉(zhuǎn)換通道。

    PWM輸出和功率驅(qū)動

    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,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)動采用變壓器驅(qū)動。

   

  保護功能

    為了保證系統(tǒng)中功率轉(zhuǎn)換電路及柵極驅(qū)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(xiàn)控制系統(tǒng)的過壓、過流、欠壓、過溫等保護功能。

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

    控制系統(tǒng)特點

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

    設(shè)計方面

    傳統(tǒng)的單片機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)揮了單片機和DSP的優(yōu)勢,從而大大提高了控制系統(tǒng)的實時性。

    精度、穩(wěn)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(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。設(shè)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(xiàn)不同的焊接工藝控制。

    控制算法實現(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

    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)計提供了一個很好的選擇。就目前的技術(shù)現(xiàn)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(shù)反饋運算和PWM波形的產(chǎn)生,是一種較好的解決方案。     這項技術(shù)在國內(nèi)剛剛起步,是一項前景廣闊的新技術(shù),必將得到越來越廣泛的應(yīng)用。

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