基于嵌入式技术的数字化焊接电源控制系统研究
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作者: 孟昭颖
摘 要：数字化焊接电源是焊接电源更新换代的先进电源，结合数字化焊接电源国内外发展现状和数字化电源的特点，针对三种基于嵌入式技术的控制系统方案，研究数字化焊接电源控制的现状以及存在的问题，展望其智能化发展前景。
关键词：DSP；MCU；ARM；CPLD；智能控制
引言
现代数字化焊接逆变电源可采用嵌入式系统来控制整个焊机系统，相对于模拟逆变焊接电源克服了控制电路的元器件多、电路复杂、所占面积大、控制参数调测不方便、功能单一、焊接质量难以得到保证和提高等缺点，对焊接的控制更全面，回路输出电流的纹波更小，响应速度更快，从而使焊接电源的操作更简单，参数调试测试更方便，焊缝的质量更好、更具重复性。本文对基于嵌入式技术的数字化焊逆变电源控制系统进行了研究，应用以单片机、ARM、DSP，CPLD，FPGA等嵌入式系统为核心的数字化电源控制电路的设计方案，分析其各自优势，以减少焊接电源的功率损耗，使焊机可以获得更好的动态响应特性。
1 基于DSP的电源控制系统
由于单片机内部资源少，运算速度慢，无法用于高精度的控制运算系统，一般多用于简易控制系统中。基于数字信号处理器（DSP）的控制系统与单片机相比较，DSP采用哈佛总线结构，运算速度，数据处理能力强、能实时完成复杂运算、多功能单周期指令、多达16路的PWM输出、脉冲输出稳定，12位AD转换器，16个通道，性价比高，更适合于数字化控制系统。
数字化焊接电源的整个控制系统中，主电路采用以IGBT为功率开关器件的逆变形式，以DSP（数字信号处理器）TSM320F28016为控制核心，逆变电源的频率是20kHz；控制电路部分包括DSP主控、电流反馈控制电路和电压反馈控制电路、逆变驱动电路及保护电路、送丝电路等。设计了特殊的焊丝运动形式，配合专门设计的电流波形，通过12位A/D多重采样及校正、软件变参数积分分离的PI调节、通过外接16位D/A转换，输出的精确焊接参数，实现了对焊接电流输出波形的准确控制。整个控制系统精度高、反应速度快，输出纹波小、工作过程稳定，满足低热输入焊接的要求。
例如：奥地利FRONIUS生产的TPS4000焊机是一台数字化多功能逆变焊机，焊机的控制中心数字信号处理器DSP可实时检测焊接过程，并依据内置的专家系统程序对焊机的时序、电流、电压等参数进行优化输出。
2 基于DSP+MCU的电源控制系统
在控制系统中，高速的DSP芯片不适合直接扩展人机接口，高速运算的DSP经常与响应慢速的人机接口通信，对DSP的高速运算能力是一个比较大的浪费，降低了系统的效率；然而，单片机（MCU）本身的结构特点，运算速度响度DSP来说比较慢，但其控制功能较强，总线位数较少，适合用于人机结构的扩展。基于上述的考虑，采用将MCU和DSP结合，构成双机控制系统，充分发挥单片机控制能力强特DSP强大数据处理能力和高运行速度的优势，为弧焊逆变电源控制系统提供更高的实时性和准确性，提高系统的运行效率。
3 基于ARM+DSP的电源控制系统
为了支持数字化、人性化的人界交互见面，满足一机多用，使其拥有多任务的处理能力，使用运行稳定的嵌入式处理器代替单片机做为核心控制芯片，并保留做为运算处理的DSP，即数字化焊接电源的控制部分采用由ARM+DSP共同构成，以满足实时、动态和高效的焊接要求。
ARM内核体系结构复杂，但功能强大，可选择和移植实时操作系统，操作系统运行稳定，可以通过修改控制程序实现对系统的升级，完善系统的功能提高系统的效率。本设计选取Samsung公司的ARM7TDMI核的S3C44B0X的芯片。通过在ARM嵌入实时操作系统，操作者可以根据现场参数，通过操作系统可以随时的修改向焊接设备输入信息、发出指令，实时调节，实现多任务实时处理功能，也可以通过外部设备（如U盘）与焊接设备通讯，实现对数字化焊接电源功能及系统的升级。ARM负责参数的设置和显示，通过调用储存的焊接专家系统、完成数据的处理与其他设备的通信的功能故功能，所以称之为主控芯片；DSP负责电弧电压电流的闭环反馈计算，保证熔化速度与送丝速度相同，弧长的恒定，同时负责短路处理和引弧、收弧处理；产生PWM脉冲控制逆变器开通与关断。
4 结束语
分析了基于嵌入式的数字化MIG焊机控制系统的总体方案，与模拟控制系统相比，嵌入式系统硬件电路大大简化，与DSP控制系统相比，实时的操作系统可靠性高，开发周期短，开发效率高，系统灵活性强，控制精度高，人机见面更加有好，系统的升级改造更加方便，将会给用户带来极大的便利。
参考文献
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