賴 誠

(四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川 德陽 618000)

基于STC15W4K系列單片機的逆變焊機控制電路設(shè)計*

賴 誠*

(四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川 德陽 618000)

針對通用逆變焊機控制電路采用模擬控制方案造成的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、系統(tǒng)性能指標(biāo)的一致性和可靠性較差等不足,提出了一種基于STC15W4K系列單片機的逆變焊機控制電路設(shè)計方案。在同一片單片機芯片上實現(xiàn)了控制電路所需的相關(guān)功能,極大地簡化了控制電路結(jié)構(gòu)。通過實際測試,設(shè)計方案具有輸出控制信號的參數(shù)精確(誤差0.3%),頻率、占空比和死區(qū)時間調(diào)節(jié)方便,通用性強等特點,并具有極高的工作可靠性。

逆變焊機;單片機;控制電路設(shè)計;脈寬調(diào)制

1 控制電路總體設(shè)計方案

在弧焊逆變電源中,數(shù)字化PWM信號產(chǎn)生的設(shè)計是弧焊逆變電源實現(xiàn)數(shù)字控制的關(guān)鍵。本設(shè)計的逆變焊機控制電路總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示[4]。

圖1 控制電路結(jié)構(gòu)框圖

控制電路主要包括了MCU主控單元、PWM信號異常檢測單元、電流和電壓檢測反饋單元、隔離驅(qū)動單元,以及人機交互(輸入設(shè)定、數(shù)碼顯示和故障報警指示)單元等[5]。其中,控制電路的核心采用一片STC15W4K61S4單片機,完成了互補PWM控制信號產(chǎn)生、死區(qū)時間設(shè)置、PWM信號異常處理、電流和電壓反饋信號采樣處理,以及參數(shù)設(shè)置與輸出顯示等主要的控制功能。為保護主電路的功率模塊,設(shè)計中除了采用傳統(tǒng)的電流檢測反饋保護而外,還根據(jù)STC15W4K系列單片機的功能特點設(shè)計了PWM信號異常檢測電路,當(dāng)出現(xiàn)兩路互補PWM信號輸出異常(比如同時輸出開通信號)時可以快速地關(guān)閉PWM控制信號輸出,從而實現(xiàn)了對主電路功率器件的快速保護。

2 主要功能實現(xiàn)方法

2.1 PWM控制信號產(chǎn)生方法

STC15W4K系列單片機內(nèi)部具有6路PWM波形發(fā)生器模塊,每路模塊都包含了兩個用于控制PWM波形翻轉(zhuǎn)的計數(shù)器(T1和T2),可以十分靈活地控制輸出PWM信號的高低電平寬度,從而實現(xiàn)對PWM 信號的占空比以及輸出延遲時刻的控制。由于6路PWM模塊相互獨立,而且可以設(shè)定每路PWM信號的初始電平,所以可將任意兩路進行配合使用,即可以實現(xiàn)互補對稱輸出和死區(qū)時間的控制[6]。

2.1.1 PWM控制信號頻率的確定方法

設(shè)計中的PWM控制信號頻率主要是通過對單片機內(nèi)部的PWM時鐘選擇寄存器和PWM計數(shù)器的設(shè)置實現(xiàn)。

政產(chǎn)學(xué)研合作背景下的專利共享機制——基于材料基因組工程研究的分析······················································劉 艷 范小軍 (5,829)

PWM時鐘選擇寄存器(PWMCKS)用于選擇PWM時鐘來源和確定時鐘周期,PWM計數(shù)器實質(zhì)上是一個15位的加法計數(shù)器,PWM信號的周期可以在1～32 767之間的任意數(shù)進行設(shè)定。PWM計數(shù)器的計數(shù)值從0開始計數(shù),每個PWM時鐘周期加1,當(dāng)計數(shù)器的計數(shù)值達到[PWMCH,PWMCL]設(shè)定值時,PWM計數(shù)器又將會從0重新開始計數(shù)。因此,只要確定了PWM計數(shù)器的計數(shù)值和計數(shù)脈沖的周期,即可確定PWM控制信號的頻率。

本設(shè)計中需要輸出的PWM控制信號頻率為20 kHz(周期為50 μs),系統(tǒng)時鐘采用24 MHz時,PWM時鐘選擇寄存器的設(shè)置值為:

PWMCKS=00H(即PWM時鐘源選擇為系統(tǒng)時鐘,周期約為0.041 7 μs)。

PWM計數(shù)器計數(shù)值=50/0.041 7≈1 199,取值為1 200。

因此,PWM計數(shù)器的高字節(jié)和低字節(jié)設(shè)置值分別為:PWMCH(高7位)=04H,PWMCL(低8位)=0B0H。

2.1.2 PWM控制信號占空比和死區(qū)時間確定方法

STC15W4K系列單片機內(nèi)部的每路PWM輸出內(nèi)部有兩個用于控制PWM波形翻轉(zhuǎn)的15位計數(shù)器,可以設(shè)定1～32 767之間的任意數(shù),當(dāng)PWM計數(shù)脈沖的計數(shù)值與第1次翻轉(zhuǎn)計數(shù)器或第2次翻轉(zhuǎn)計數(shù)器的設(shè)定值相匹配時,PWM的輸出波形將發(fā)生翻轉(zhuǎn)。因此,配合PWM時鐘周期即可確定PWM信號的占空比和兩路互補PWM控制信號的死區(qū)時間[7]。

每路4個用于控制PWM信號電平翻轉(zhuǎn)時刻的翻轉(zhuǎn)計數(shù)器分別是:PWMNT1H(第1次翻轉(zhuǎn)計數(shù)器高字節(jié))、PWMNT1L(第1次翻轉(zhuǎn)計數(shù)器低字節(jié))、PWMNT2H(第2次翻轉(zhuǎn)計數(shù)器高字節(jié))和PWMNT2L(第2次翻轉(zhuǎn)計數(shù)器低字節(jié)),字節(jié)中的N可以取值2～7,表示選擇的PWM信號輸出通道。

如果要求使用PWM模塊2和PWM模塊3輸出控制信號,占空比為0.5,死區(qū)時間為2.085 μs,波形圖如圖2所示。

圖2 PWM信號產(chǎn)生原理圖

由圖2可知,PWM波形翻轉(zhuǎn)計數(shù)器的計數(shù)值分別為:

PWM模塊2(PWM(P)初始電平為低電平):

PWM2T1H=00H PWM2T1L=64H

PWM2T2H=02H PWM2T2L=0BCH

PWM模塊3(PWM(N)初始電平為高電平):

PWM3T1H=00H PWM3T1L=96H

PWM3T2H=02H PWM3T2L=8AH

在實際工作過程中,控制系統(tǒng)不斷地將反饋的檢測信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后與設(shè)定值相比較,根據(jù)誤差對PWM波形翻轉(zhuǎn)計數(shù)器的計數(shù)值進行調(diào)整,從而保證實際輸出參數(shù)與設(shè)定值相一致。

2.2 PWM信號異常檢測

由于STC15W4K系列單片機內(nèi)部的PWM控制器設(shè)計了對外部異常事件進行監(jiān)控的功能,可以實現(xiàn)對PWM輸出信號的快速緊急關(guān)閉。因此,在本設(shè)計中除了通常采用的對電壓和電流采樣反饋實現(xiàn)過流、過壓、欠壓等保護措施而外,增加了對控制電路輸出PWM信號的實時檢測。當(dāng)單片機輸出的兩路互補PWM控制信號出現(xiàn)同時為開通電平(高電平)時,可以迅速封閉PWM控制信號輸出,從而實現(xiàn)對主電路功率器件的快速保護,電路原理如圖3所示。

圖3 PWM信號異常檢測電路原理圖

設(shè)計中首先對單片機中的PWM外部異?？刂萍拇嫫?PWMFDCR)進行設(shè)置,要求當(dāng)發(fā)生PWM外部異常(P2.4端口為高電平)時,PWM輸出口立即被設(shè)置成高阻狀態(tài)(無輸出)。

因此,設(shè)置PWM外部異常控制寄存器:PWMFDCR=32H。

圖4 設(shè)定和檢測單元電路原理圖

硬件電路中將單片機P2.1和P2.2接口輸出的兩路互補PWM信號(PWM(P)、PWM(N))送入高速與門電路(CD54HC08)進行相“與”,如果在工作過程中出現(xiàn)兩路PWM同時出現(xiàn)開通電平(高電平)時,與門將輸出高電平到單片機的P2.4端口,當(dāng)單片機檢測到P2.4為高電平時,將立即封鎖PWM信號的輸出,從而及時地避免了主電路逆變橋出現(xiàn)“直通”而燒毀功率器件的現(xiàn)象。

2.3 工作電流設(shè)定和檢測單元

STC15W4K系列單片機內(nèi)部具有8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換器,本設(shè)計中使用了其中3路A/D轉(zhuǎn)換器分別實現(xiàn)工作電流設(shè)定、電壓檢測和電流檢測,輸入設(shè)定和檢測單元的電路原理如圖4所示(圖4中接口J1接電流設(shè)定電位器,J2接霍爾電壓傳感器,J3接霍爾電流傳感器)[8]。

設(shè)計中采用多圈精密電位器作為工作電流設(shè)定旋鈕,電位器的輸出電壓變化范圍限定為0～5 V,通過電壓跟隨器直接輸入到單片機的A/D接口,將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字設(shè)定值并保存[9]。同時,分別使用霍爾電壓和霍爾電流傳感器檢測焊機的電流和電壓信號,檢測過程中首先將傳感器的輸出電壓經(jīng)過各自的電壓跟隨器送至相應(yīng)的單片機A/D轉(zhuǎn)換器輸入端,利用單片機內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器對傳感器的采樣值A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換[10]。將反饋采樣值與設(shè)定值進行比較,根據(jù)比較后得到的實際差值對輸出的互補PWM信號參數(shù)進行調(diào)整,實現(xiàn)了對誤差定量的實時補償。由于使用單片機芯片內(nèi)部自帶的10位A/D轉(zhuǎn)換器,且A/D轉(zhuǎn)換器具有高速轉(zhuǎn)換模式。同時STC15W4K系列單片機具有超高速CPU內(nèi)核和單時鐘模式,從而使檢測的精度和誤差調(diào)節(jié)速度較傳統(tǒng)的單片機控制系統(tǒng)有顯著提高。

3 控制軟件設(shè)計

控制電路的軟件設(shè)計應(yīng)用模塊化設(shè)計思路,采用C語言完成了主程序和各個功能子程序的編制,控制電路的主程序流程圖如圖5所示[11]。

圖5 主程序流程圖

4 系統(tǒng)測試

為測試控制電路的相關(guān)參數(shù)和性能指標(biāo)是否達到設(shè)計要求,將所設(shè)計的逆變焊機控制電路輸出信號經(jīng)過驅(qū)動電路后接到主電路進行實際測試,測試中設(shè)置的輸出PWM信號頻率20 kHz,占空比0.45,死區(qū)時間4 μs,實際輸出的PWM信號波形如圖6所示。由圖6分析可知,控制電路實際輸出的PWM信號主要參數(shù)與設(shè)定值之間的誤差極小,系統(tǒng)具有較高的控制精度。

圖6 控制電路輸出的PWM脈沖信號波形

通過設(shè)定電位器不斷改變工作電流,檢測到實際輸出電流值跟隨設(shè)定值變化的響應(yīng)迅速,電流設(shè)定值和輸出值基本保持一致。在整個測試工作過程中,主電路逆變橋工作穩(wěn)定,各項保護功能正常實現(xiàn),達到了本次設(shè)計的基本要求[12]。

5 結(jié)語

測試結(jié)果表明,采用STC15W4K系列單片機設(shè)計的逆變焊機控制電路在實際的使用過程中,焊機的輸出電流穩(wěn)定,主電路中的功率器件工作安全,系統(tǒng)控制精度高、響應(yīng)速度快。同時,針對不同類型逆變焊機主電路對PWM控制信號參數(shù)的要求,該控制電路可以在不改變硬件電路的基礎(chǔ)上,只需對單片機中有關(guān)產(chǎn)生PWM控制信號的寄存器參數(shù)在軟件上進行修改即可,因而對控制信號相關(guān)參數(shù)的設(shè)置和修改都十分簡便,并具有較強的通用性。

[1] 聶大濤,何建萍,王付鑫,等. 數(shù)字化弧焊電源的現(xiàn)狀與分析[J]. 電焊機,2014,44(6):21-25.

[2] 常國權(quán),彭云峰. 基于STC15單片機和SYN6288的機床語音報警系統(tǒng)設(shè)計[J]. 電子器件,2015,38(3):616-620.

[3] 曾小波,曠永紅. 基于PWM控制的新型極化電源設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 電源技術(shù),2015,39(1):123-124.

[4] 明鑫. 基于單周期控制的PWM電流控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 電子器件,2016,39(1):118-123.

[5] 崔愛玲. 弧焊逆變電源的數(shù)字化控制技術(shù)分析[J]. 通信電源技術(shù),2015,32(3):80-82.

[6] 黃招彬,游林儒,汪兆棟,等. 一種考慮死區(qū)與最小脈寬限制的IPWM算法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報,2014,29(12):11-18.

[7] 丁曉霖. 三相SPWM逆變器死區(qū)特性與補償策略[J]. 電力電子技術(shù),2014,48(1):33-35.

[8] 張臻,金龍,趙劍鋒,等. 高壓大功率逆變電源過流保護電路的實現(xiàn)[J]. 電氣自動化,2015,37(1):34-36.

[9] 劉文靜,王民慧,汪亞霖,等. 強磁場下微弱信號檢測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報,2013,26(6):865-870.

[10] 郝曉明,李杰,黃玉崗. 基于ADS8568的八路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報,2016,29(1):150-154.

[11] 張艷紅,張瑜,祖靜. 基于C8051F920的智能充電器設(shè)計[J]. 電子器件,2014,37(6):1251-1255.

[12] 楊凱,曹彪,劉瀚波. 精密微電弧焊接逆變電源的設(shè)計[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2015,43(6):96-102.

Design of Invert Welding Machine Control Circuit Based on STC15W4K Series MCU*

LAICheng*

(Sichuan Engineering Technical College,Deyang Sichun 618000,China)

In view of the general inverter welding machine control circuit using analog control scheme caused by the complex circuit structure,system performance indicators of consistency and reliability are poor,and a design scheme of inverter welding machine control circuit is presented based on STC15W4K Series MCU. The related functions of controlling circuit are realized on the same MCU,which simplifies the structure of the control circuit. Through the practical test,the design scheme has the advantages of accurate parameters(error 0.3%),frequency,duty cycle and dead time adjustment,high universality and high reliability.

invert welding machine;MCU;control circuit design;PWM

項目來源:德陽市科技支撐計劃項目(2013ZZ073-12)

2016-06-27 修改日期:2016-08-22

TG431

A

1005-9490(2017)03-0646-05

C:8380;1220J

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.03.026