李莎，何曉陽，徐平平

（1.無錫太湖學(xué)院，江蘇無錫214064；2.東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210096；3.無錫漢神電氣股份有限公司，江蘇無錫214193）

信息化

基于FPGA的數(shù)字化PMIG焊接電源設(shè)計(jì)

李莎1，2，何曉陽3，徐平平2

（1.無錫太湖學(xué)院，江蘇無錫214064；2.東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210096；3.無錫漢神電氣股份有限公司，江蘇無錫214193）

采用IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）全橋式逆變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)焊接電源的主電路。根據(jù)PWM雙閉環(huán)控制思路，選用EP3C10E144為FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）主控芯片，設(shè)計(jì)了包括IGBT驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路在內(nèi)的電源控制系統(tǒng)。焊接電流采用增量式PI控制算法，分析了算法的程序流程，能夠得到較精確地輸出電流波形，實(shí)現(xiàn)較理想的PWM控制信號(hào)。系統(tǒng)采用VHDL硬件描述語言編寫程序，設(shè)計(jì)靈活便于調(diào)試。實(shí)現(xiàn)了性能穩(wěn)定、精度高、適應(yīng)性強(qiáng)的數(shù)字化焊接電源。

FPGA；數(shù)字；PM IG；IGBT；焊接電源

引言

PMIG焊，即脈沖熔化極氣體保護(hù)焊，是利用焊接電源產(chǎn)生的脈沖電流來控制電弧的熔滴［1］，能在焊接平均電流低于臨界值情況下實(shí)現(xiàn)射滴過渡，適當(dāng)調(diào)節(jié)脈沖峰值電流的大小和占空比能控制熔滴過渡能量［2，3］，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、無飛濺、焊縫美觀的焊接?？梢?，設(shè)計(jì)良好性能的焊接電源是保障焊接質(zhì)量的必要條件，也是提高焊接效率的關(guān)鍵。

焊接電源根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式不同分為模擬式電源和數(shù)字化電源。傳統(tǒng)的模擬式電源，焊接效率很低、抗干擾性差、控制精度不高，逆變頻率和相關(guān)參數(shù)不可調(diào)，適用面低，如基于SG3526的電壓型PWM（脈沖寬度調(diào)制）電源、基于UC3846的電流型PWM電源等［4-5］。數(shù)字化電源主要采用MCU（單片機(jī)）、DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）或EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）技術(shù)。常見的“MCU+DSP”雖然其內(nèi)部已經(jīng)集成了PWM模塊，但PWM信號(hào)頻率難于精確控制、信號(hào)形式單一從而限制了電路設(shè)計(jì)的靈活性。FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）是EDA技術(shù)之一，能在硬件基礎(chǔ)上，通過VHDL或Verilog HDL硬件描述語言編程設(shè)計(jì)，可在線仿真、調(diào)試，設(shè)計(jì)靈活，性能穩(wěn)定。為此，設(shè)計(jì)了以FPGA為主控單元的數(shù)字化焊接電源，系統(tǒng)主要包括主電路、控制電路和顯示電路三個(gè)部分。

1　主電路

PMIG焊接電源的主電路采用AC-DC-AC-DC轉(zhuǎn)換形式，與AC-DC形式的電源相比，具有體積小、高效節(jié)能、動(dòng)態(tài)特性好等特點(diǎn)［3］。

由于主電路使用IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）全橋式逆變結(jié)構(gòu)，這種焊接電源又稱為逆變電源，其電路原理圖如圖1所示。輸入的三相交流電通過整流、濾波輸出直流電壓，經(jīng)過IGBT全橋逆變電路轉(zhuǎn)換為交流電壓，再經(jīng)中頻變壓器T降壓、整流濾波后轉(zhuǎn)換為直流電流，由電感L輸出到電弧負(fù)載，從而控制電弧的熔滴，完成焊接。

圖1　主電路原理圖

2　控制電路

傳統(tǒng)的控制電路是由DSP自帶的AD模塊完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)PI算法和弧長控制，再由DAC芯片實(shí)現(xiàn)PWM輸出，實(shí)現(xiàn)焊接電壓和電流的雙閉環(huán)控制［6］。這種PWM控制信號(hào)是通過模擬電路來實(shí)現(xiàn)的，技術(shù)成熟，但可靠性差、精度低。本系統(tǒng)采用以FPGA為主控單元的數(shù)字化控制電路，其主要功能是為主電路提供所需的PWM信號(hào)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)IGBT正常工作，實(shí)現(xiàn)焊接電流PI（比例-積分）控制。

2.1FPGA主控單元

以FPGA為主控單元的電源控制電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示?；魻杺鞲衅鲗@取的焊接電壓/電流，經(jīng)A/D采樣后，輸入FPGA，F(xiàn)PGA對(duì)采樣值與給定值進(jìn)行一系列閉環(huán)運(yùn)算，比較輸出PWM信號(hào)，再經(jīng)IGBT驅(qū)動(dòng)電路輸出四路PWM至IGBT，進(jìn)入電源主電路。FPGA核心芯片選用Altera公司的EP3C10E144，其多達(dá)414Kbits的嵌入式RAM總量、23個(gè)嵌入式乘法器和94個(gè)通用I/O口為實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)算提供了保障，可完成A/D采樣、PWM控制、變參數(shù)分段PI（比例、積分）控制等功能。FPGA的常用開發(fā)軟件QuartusII支持多種設(shè)計(jì)輸入方式，可使用電路原理圖編輯器設(shè)計(jì)，也可以通過VHDL或Verilog HDL硬件描述語言編程設(shè)計(jì)，軟件集成了多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊，設(shè)計(jì)簡便。

圖2　控制電路結(jié)構(gòu)框圖

2.2IGBT驅(qū)動(dòng)電路

由于IGBT是電壓驅(qū)動(dòng)，其柵源極間的電壓不能超過額定值。為了保證IGBT可靠的導(dǎo)通與斷開，采用正電壓實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通、負(fù)電壓實(shí)現(xiàn)斷開，其輸出電阻應(yīng)盡量小，以減少柵極電容的充放電時(shí)間，提高IGBT的開關(guān)速度。驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路將輸入的PWM脈沖信號(hào)放大，經(jīng)MOSFET（金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）推挽輸出，再經(jīng)脈沖變壓器隔離進(jìn)入充放電電路，輸出驅(qū)動(dòng)IGBT。

保護(hù)電路主要實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT的欠壓、過流和過熱保護(hù)。欠壓保護(hù)是防止供電電壓不穩(wěn)定，信號(hào)由NE555的觸發(fā)端輸入。過流保護(hù)是防止外界干擾產(chǎn)生的脈沖尖峰電流損壞IGBT。過熱保護(hù)采用溫度傳感器進(jìn)行檢測(cè)，可避免IGBT在長時(shí)間工作后嚴(yán)重發(fā)熱從而造成損壞。

圖3　IGBT驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)框圖

2.3焊接電流PI控制

工業(yè)控制中常用PID（比例-積分-微分）控制技術(shù)，但微分環(huán)節(jié)會(huì)放大噪聲干擾使電流劇烈變化。PID控制算法又分為位置式和增量式。位置式算法，是從初始值開始累加，算法簡單，但計(jì)算量大、容易出錯(cuò)。增量式算法，只需加上相鄰偏差值即可，不易出錯(cuò)，控制效果較好。綜合考慮以上因素，在此選用增量式PI控制算法。

增量式PI控制的數(shù)學(xué)模型：

式中，e（t）是閾值與實(shí)際值的偏差，kp是比例系數(shù)，ki是積分系數(shù)。由于采用數(shù)字化控制，信號(hào)是離散的，將式（1）化為：

圖4　PI控制的程序流程圖

3　顯示電路

為了提高電源的實(shí)用性，顯示電路需包含顯示和輸入兩個(gè)主要功能。以MCU為主控單元，選用LED（發(fā)光二極管）和數(shù)碼管，旋轉(zhuǎn)編碼器配合鍵盤輸入，實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)的顯示、設(shè)置與輸出等。MCU單元選擇Freescale公司的16位的MC9S12DG128。通過RS-232標(biāo)準(zhǔn)總線將焊接參數(shù)輸入FPGA，開始焊接后，F(xiàn)PGA再由RS-232串口通訊發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)給LED和數(shù)碼管顯示，同時(shí)通過按鍵還能輸出數(shù)據(jù)波形。

輸入電路采用按鍵與旋轉(zhuǎn)編碼器相結(jié)合的方式。旋轉(zhuǎn)編碼器具有易調(diào)節(jié)、響應(yīng)速度快、精度高的特點(diǎn)，可輸出AB兩相脈沖信號(hào)。當(dāng)A相脈沖超前B相脈沖1/4周期時(shí)，稱為正轉(zhuǎn)；當(dāng)B相脈沖超前A相脈沖1/4周期時(shí)，稱為反轉(zhuǎn)。

LED主要作為焊接狀態(tài)的指示燈。數(shù)碼管包括6個(gè)七段字符數(shù)碼管和2個(gè)米字?jǐn)?shù)碼管，其中七段數(shù)碼管顯示參數(shù)值，米字?jǐn)?shù)碼管以字符形式顯示參數(shù)類型。

4　結(jié)論

采用IGBT全橋式逆變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主電路，性能穩(wěn)定、精度高、適應(yīng)性強(qiáng)。根據(jù)PWM雙閉環(huán)控制思路，以FPGA為主控單元，配合IGBT驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和顯示電路，采用VHDL編程控制，設(shè)計(jì)靈活便于調(diào)試。焊接電流采用增量式PI控制算法，精確控制輸出電流波形，實(shí)現(xiàn)較理想的PWM控制信號(hào)。為保證焊接質(zhì)量和焊接效率，完成了性能良好的數(shù)字化焊接電源的設(shè)計(jì)。

［1］趙雪綱.PMIG弧焊電源數(shù)字化控制策略的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.濟(jì)南:山東大學(xué)，2011.

［2］楊文杰，廖平.基于DSP控制的PMIG焊接設(shè)備［J］.焊接學(xué)報(bào)，2007，28（7）:77-80.

［3］崔佳梅，劉丕亮.基于DSP的數(shù)字弧焊逆變電源系統(tǒng)的研究［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2009（5）:120-122；129.

［4］徐騰飛.脈沖MIG焊機(jī)的數(shù)字化控制系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)［D］.濟(jì)南:山東大學(xué)，2012.

［5］段彬，孫同景.基于FPGA全數(shù)字逆變電源驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］.焊接學(xué)報(bào)，2009，30（6）:95-98.

［6］王金柱.基于DSP的脈沖MIG焊全數(shù)字化控制［D］.北京:北京工業(yè)大學(xué)，2007.

（編輯：李媛）

Design of Digital PM IG W elding Power Source Based on FPGA

Li Sha1，2，He Xiaoyang3，Xu Pingping2
（1.Taihu University ofW uxi，WuxiJiangsu 214064；2.School of Information Science and Engineering，Southeast University，NanjingJiangsu 214122；3.Wuxi HANSHEN Electrical Co.，Ltd.，W uxiJiangsu 214193）

Themain circuitofwelding power source is designed according to IGBT full-bridge converter.EP3C10E144 is themain control chip of FPGA.The control system includes IGBT drive circuitand protection circuit.To get precise output pulse，incremental PI algorithm is used to analyze flowchart.The system is easy to design and debug by VHDL，and it is stable performance，high precision and strong adaptability.

FPGA；digital；PMIG；IGBT；welding power source

TG434

A

2095-0748（2016）17-0081-03

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.17.34

2016-08-10

科技部科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金項(xiàng)目（13C26113202099）

李莎（1981—），女，工學(xué)碩士，畢業(yè)于浙江大學(xué)，現(xiàn)就職于無錫太湖學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院電子工程系，講師，主要從事電子技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研究。