基于DSP的弧焊逆變電源數(shù)字化控制系統(tǒng)

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。

dsp與單片機性能比較分析

單片機(mcu)廣泛應用于家用電器、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

就目前技術現(xiàn)狀，將dsp和單片機結合起來設計系統(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的結構。

由圖1可見dsp的結構特征特別有利于在控制系統(tǒng)中應用，主要表現(xiàn)為：

改進的哈佛結構；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堋⒂布ぶ房刂埔约岸喾N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)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

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。

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bsp; 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，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)的技術指標：

設計方面

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。

接口方面

基于dsp的控制系統(tǒng)與其它現(xiàn)代數(shù)字技術為基礎的系統(tǒng)或設備都是相互兼容的，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。

結語

dsp技術的高速發(fā)展和dsp應用的普及，為弧焊逆變電源控制系統(tǒng)的設計提供了一個很好的選擇。就目前的技術現(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。 這項技術在國內(nèi)剛剛起步，是一項前景廣闊的新技術，必將得到越來越廣泛的應用。