郭民，段彬，孫同景，王海全，張禎濱

(山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟(jì)南250061)

基于混合信號(hào)FPGA的脈沖MIG焊接電源數(shù)字控制系統(tǒng)

郭民，段彬，孫同景，王海全，張禎濱

(山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟(jì)南250061)

針對(duì)脈沖MIG焊中采用模擬電路控制方法時(shí)可靠性差、精度低、靈活性差、部分工藝區(qū)間的工藝效果不理想等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于混合信號(hào)FPGA的數(shù)字控制系統(tǒng)，采用變基值時(shí)間的弧長(zhǎng)控制策略，實(shí)現(xiàn)了脈沖電流的輸出與焊接弧長(zhǎng)的穩(wěn)定控制。焊接結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的基于混合信號(hào)FPGA的脈沖MIG焊接電源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、可靠性高，焊接過程弧長(zhǎng)穩(wěn)定，焊縫質(zhì)量較高。

混合信號(hào)FPGA；脈沖MIG焊；弧長(zhǎng)控制策略；數(shù)字控制系統(tǒng)

0 前言

脈沖MIG焊(P－MIG)具有電流可控范圍大、電弧穩(wěn)定、無飛濺等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代焊接領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛[1－2]。P－MIG電源在采用傳統(tǒng)控制方式時(shí)，通常兼顧整個(gè)工藝區(qū)間來選取電流波形，而這容易造成部分區(qū)間工藝效果不理想[3－4]。數(shù)字化焊接電源控制方式靈活、穩(wěn)定性好，具有更高的控制精度。隨著復(fù)雜可編程邏輯器件(Complex Programmable Logic Device，CPLD)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)以及數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor，DSP)等數(shù)字集成芯片的發(fā)展，焊接電源的控制系統(tǒng)逐步實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，其中FPGA具有低功耗、便于維護(hù)、速度快、集成度高、通用性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，能夠更好地滿足P－MIG工藝的高要求[5－6]。文獻(xiàn)[7]介紹了一種以ColdFire V2核芯片為主控制器，F(xiàn)PGA為協(xié)處理器的全數(shù)字化P－MIG焊接電源控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，但雙控制芯片的電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，并且FPGA的優(yōu)勢(shì)并沒有完全體現(xiàn)出來。在此采用單控制芯片的理念，不僅電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，而且焊接電源控制系統(tǒng)主要功能通過Actel公司SmartFusion系列混合信號(hào)FPGA(A2F200M3F)實(shí)現(xiàn)，其FLASH架構(gòu)、硬件ARM Cortex－M3內(nèi)核和可編程的ACE模擬功能模塊，使系統(tǒng)具有高速并行、模數(shù)混合、控制靈活和集成度高的優(yōu)勢(shì)。

1 P－MIG焊接電源數(shù)字控制系統(tǒng)控制方案

P－MIG焊是一種利用焊接電源輸出脈沖電流來控制電弧中熔滴的焊接方法，即使在較小的焊接參數(shù)條件下，也能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的電弧和可控的熔滴過渡。在一脈一滴的熔滴過渡方式中，脈沖電流主要有兩個(gè)作用：一是提供熱量以熔化焊絲；二是產(chǎn)生熔滴過渡所需要的力。該方法對(duì)焊接電源的控制性能要求較高，通過輸出合理的脈沖波形，匹配脈沖參數(shù)，實(shí)現(xiàn)熔滴過渡的精細(xì)控制，以保證焊接過程的電弧穩(wěn)定。

1.1 焊接過程的總體控制方案

要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的熔滴過渡過程和弧長(zhǎng)自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能，需要對(duì)電弧進(jìn)行精確控制。脈沖單元能量調(diào)節(jié)模式常用的有脈沖電流與基值電流模式I－I和脈沖電壓與基值電流模式U－I。在I－I模式下，焊接脈沖電流Ip、tp基本不變，電弧長(zhǎng)度調(diào)節(jié)通過改變脈沖頻率來完成；在U－I模式下，脈沖單元采用恒電壓控制，頻率基本不變，電弧調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，但是脈沖單元的一致性較差。

在此設(shè)計(jì)的P－MIG焊接電源控制系統(tǒng)采用I－I外特性，在保證維弧期間不熄弧的情況下，實(shí)現(xiàn)脈沖峰值時(shí)的大電流穩(wěn)定；同時(shí)通過對(duì)電弧電壓的控制，解決I－I控制方式易造成弧壓波動(dòng)的難題，避免了維弧期間常發(fā)生的短路現(xiàn)象。整個(gè)系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制方式(電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán))，其控制系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。焊接電流的閉環(huán)控制采用變參數(shù)PID算法，電弧電壓的控制通過調(diào)節(jié)基值時(shí)間來實(shí)現(xiàn)壓頻控制算法。

圖1 P－MIG焊接電源控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Functional block of P－MIG welding power source control system

1.2 弧長(zhǎng)控制方案設(shè)計(jì)

弧長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)變化特性可表示為

式中La為電弧長(zhǎng)度；Ls為焊絲干伸長(zhǎng)；vf(t)為焊絲熔化速度；vw為恒速送絲速度。由式(1)可得電弧長(zhǎng)度表達(dá)式

式中La(t)為焊接電弧在t時(shí)刻的長(zhǎng)度；La(t0)為焊接電弧的起始長(zhǎng)度。因?yàn)镻－MIG焊采用恒速送絲，因此當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，必然存在vf(t)=vw，其中焊絲熔化速度vf由焊接電流產(chǎn)生的熱量決定

式中α為焊絲熔化系數(shù)；β為焊絲干伸長(zhǎng)的影響系數(shù)；I為焊接電流。可以看出焊絲熔化熱量包含電弧熱與焊絲干伸長(zhǎng)電阻熱。

在I－I控制模式中，由峰值電流大小Ip和峰值持續(xù)時(shí)間tp共同作用來保證一脈一滴工作方式，因此一個(gè)電流周期內(nèi)，焊絲熔化速度僅與基值時(shí)間tb長(zhǎng)短有關(guān)。在此提出的弧長(zhǎng)控制策略也是在調(diào)節(jié)基值時(shí)間tb的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，通過不斷計(jì)算平均電壓Ua來表征電弧弧長(zhǎng)，并與設(shè)定電壓Ug比較，當(dāng)Ua＜Ug時(shí)，起動(dòng)新一個(gè)周期的脈沖電流，平均電壓的計(jì)算方法為

式中U(i)為第i次采樣的電壓值；Np為峰值時(shí)間采樣點(diǎn)數(shù)；nb為基值時(shí)間采樣點(diǎn)數(shù)。最終通過改變基值電流時(shí)間實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧弧長(zhǎng)的閉環(huán)調(diào)節(jié)。

2 基于混合FPGA的P－MIG焊接電源系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件整體方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的脈沖MIG焊接電源系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。主電路采用全橋逆變，三相交流電經(jīng)過整流和濾波之后，形成520 V左右的直流電。然后通過全橋逆變得到30 kHz的交流電，經(jīng)過隔直電容與中頻變壓器，得到低壓大電流的交流電。最后通過二次整流和電抗器及阻容濾波，供給焊接使用?？刂葡到y(tǒng)中采用混合信號(hào)FPGA(A2F200M3F)為主控芯片，通過電流傳感器與電壓傳感器采集輸出電流與電弧電壓信號(hào)，經(jīng)過控制算法處理輸出PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷。其中采集到電流、電壓的模擬信號(hào)通過混合信號(hào)FPGA內(nèi)部的A／D轉(zhuǎn)換器，完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，并且在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了變參數(shù)PID控制器與PWM發(fā)生器。

圖2 系統(tǒng)整體功能框圖Fig.2 Functional block of system hardware

2.2 電流、電壓閉環(huán)控制硬件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)電流、電壓雙閉環(huán)控制，需要同時(shí)對(duì)焊接電流與電弧電壓信號(hào)進(jìn)行采樣。Actel公司研制的SmartFusion系列的A2F200M3F混合信號(hào)FPGA的片內(nèi)集成有兩個(gè)ADC模塊，單個(gè)ADC模塊最高精度為12 bits，最快采樣速度達(dá)600 ksps，并且精度與采樣速率可自由配置。ADC模塊的參考電壓可采用片內(nèi)2.56 V或片外3.3 V。為保證系統(tǒng)可靠性，采用片內(nèi)基準(zhǔn)源。

電流內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)中采用100 A／1 V的霍爾電流傳感器對(duì)焊接電流進(jìn)行測(cè)量，最終將0～400 A的大電流轉(zhuǎn)換為0～4 V的可測(cè)量電壓信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路與放大器電路后將信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～2.5 V信號(hào)后輸入ADC模塊進(jìn)行采樣，為兼顧采樣精度與控制周期，采樣速率設(shè)置為100 ksps。電壓外環(huán)的設(shè)計(jì)采用25∶10變比的霍爾電壓傳感器，將0～100 V目標(biāo)電壓轉(zhuǎn)換成0～2.5 V，送入A／D采樣，采樣速率配置為60 ksps。電流內(nèi)環(huán)與電壓外環(huán)A／D采樣電路如圖3所示。

圖3 電流、電壓A／D采樣電路框圖Fig.3 Functional block of A／D sample circuit of current and voltage

3 P－MIG焊接電源主控系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

3.1 脈沖電流波形給定

在P－MIG焊中，脈沖電流如果加入中值電流，能夠增加熔滴過渡過程的可控性。根據(jù)脈沖電流波形有無中值電流，可將脈沖電流波形分為：有中值波形與無中值波形。在有中值波形中，根據(jù)中值電流相對(duì)峰值電流的位置，可將脈沖電流波形分為：前中值波形、中中值波形與后中值波形[8]。在此設(shè)計(jì)的P－MIG焊接電源的脈沖電流采用后中值波形來增加熔滴過渡過程的可控性，保證熔滴過渡速度和大小一致，提高弧長(zhǎng)快速自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力。

后中值脈沖電流波形的數(shù)據(jù)存放在FPGA的雙口RAM(DPRAM)中，通過對(duì)DPRAM中數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作，來改變脈沖電流波形給定數(shù)據(jù)，整個(gè)脈沖電流波形由600個(gè)點(diǎn)組成。DPRAM中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)作為輸出電流的給定值，如圖4所示，設(shè)計(jì)變比為8∶1，即當(dāng)DPRAM中數(shù)據(jù)為1600時(shí)，輸出電流應(yīng)為200A。為了方便調(diào)試，波形數(shù)據(jù)中的所有參數(shù)都可以自由調(diào)節(jié)，包括峰值、中值以及基值電流的大小與持續(xù)時(shí)間，電流的上升與下降斜率等。

圖4 脈沖電流波形給定Fig.4 Waveform of theoretical pulse current

3.2 變參數(shù)限幅PID的功能實(shí)現(xiàn)

變參數(shù)PID能夠保證電流輸出針對(duì)電流波形的不同階段快速準(zhǔn)確地達(dá)到給定電流。但在焊接引弧期間，由于焊絲與工件之間電弧波動(dòng)劇烈，導(dǎo)致相鄰周期內(nèi)PID輸出脈寬大幅度變化，從而向主回路引入較大的直流分量，引起主變壓器偏磁，最終致使引弧失敗。因此，設(shè)計(jì)時(shí)在電流閉環(huán)的變參數(shù)PID算法中加入限幅模塊，限制引弧期間相鄰兩次PID輸出脈寬變化大小，能夠有效地抑制向主回路引入直流分量，從而有效抑制了引弧期間偏磁現(xiàn)象的發(fā)生，保證了引弧成功。進(jìn)入正常焊接后，屏蔽變參數(shù)PID的限幅模塊，從而保證焊接電源電流輸出的快速調(diào)節(jié)。

FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)PID運(yùn)算速度較快，加入限幅模塊之后，在引弧期間可以將相鄰兩個(gè)周期內(nèi)的IGBT打開時(shí)間變化限制在2 μ s內(nèi)，既保證了引弧電流的爬升速度，又能防止主電路直流分量的引入。實(shí)驗(yàn)時(shí)在引弧期間對(duì)變壓器一次電流進(jìn)行監(jiān)控，如圖5所示，IGBT開通后的一段時(shí)間內(nèi)，脈沖寬度沒有發(fā)生大幅度跳變，有效減少了引弧期間主變壓器偏磁情況的發(fā)生，保證引弧成功。

圖5 一次電流波形Fig.5 Waveform of primary current

4 焊接試驗(yàn)與分析

4.1 焊接電源的恒電流源特性測(cè)試

在調(diào)試過程中，首先需要測(cè)試電流環(huán)的跟隨性能。在給定電流情況下，測(cè)試電流環(huán)是否能夠在負(fù)載變化的情況下保持輸出不變。實(shí)驗(yàn)中設(shè)定電流150A，采用100 A／1 V的電流霍爾傳感器對(duì)二次電流進(jìn)行測(cè)量，采樣波形如圖6所示。由圖6可知，電流環(huán)的輸出可以實(shí)現(xiàn)跟隨輸入，輸出的平均電流約150 A，并且電流的上下波動(dòng)不超過3%，表明所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)很好地實(shí)現(xiàn)了恒電流源的功能。

圖6 恒電流源電流波形Fig.6 Waveform of constant current source

4.2 焊接試驗(yàn)

焊接試驗(yàn)中采用碳鋼焊絲，保護(hù)氣體采用φ(Ar) 80%＋φ(CO2)20%，工藝參數(shù)如表1所示。采用400 A／ 1V的霍爾電流傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)輸出電流，如圖7所示。由圖7可知，脈沖電流的頻率能夠根據(jù)弧長(zhǎng)的變化自行調(diào)節(jié)，并且能夠快速的起弧，焊接過程穩(wěn)定，基本無飛濺現(xiàn)象，完全滿足脈沖焊接工藝的要求。

圖7 焊接電流輸出波形Fig.7 Waveform of welding current output

表1 焊接工藝參數(shù)Tab.1Welding parameters

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了基于混合信號(hào)FPGA的脈沖MIG焊接電源軟、硬件系統(tǒng)，不僅提高了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性，而且具有集成度高、功耗低和防輻射的優(yōu)點(diǎn)，可結(jié)合成熟的主電路應(yīng)用于脈沖MIG焊。

(2)焊接結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的脈沖MIG焊電源輸出電流穩(wěn)定且精度高，能夠順利實(shí)現(xiàn)起弧、回?zé)?、短路等工藝控制要求，焊接過程電弧穩(wěn)定、無飛濺、焊縫成形良好。

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Design on digital control system of the pulse MIG welding power source base on mixed－signal FPGA

GUO Min，DUAN Bin，SUN Tong－jing，WANG Hai－quan，ZHANG Zhen－bin
(School of Control Science and Engineering，Shandong University，Ji'nan 250061，China)

Digital control system based on mixed－signal FPGA for pulse MIG welding power source is designed to solve the deficiencies in control system based on analogous control technology，such as poor reliability，poor flexibility and unsatisfactory process effect and to realize the welding arc length stable control.This paper proposes one kind of arc length control strategy based on adjusting the base current time，the design of the control system hardware circuit and realizes the pulse current waveform output.The welding experiment shows that the pulse MIG welding power source based on mixed－signal FPGA has advantages，such as high－speed dynamic response，high reliability，stable welding arc length control and high welding quality.

mixed－signal FPGA；pulse MIG welding；welding arc length control strategy；digital control system

book=6,ebook=31

TG409；TG434.5

A

1001－2303(2012)06－0047－04

2012－05－18

郭民(1989—)，男，山西潞城人，在讀碩士，主要從事全數(shù)字化逆變焊接電源的研究工作。