基于嵌入式技術的數字化焊接電源控制系統研究

摘 要：數字化焊接電源是焊接電源更新換代的先進電源，結合數字化焊接電源國內外發展現狀和數字化電源的特點，針對三種基于嵌入式技術的控制系統方案，研究數字化焊接電源控制的現狀以及存在的問題，展望其智能化發展前景。

關鍵詞：DSP；MCU；ARM；CPLD；智能控制

引言

現代數字化焊接逆變電源可采用嵌入式系統來控制整個焊機系統，相對于模擬逆變焊接電源克服了控制電路的元器件多、電路復雜、所占面積大、控制參數調測不方便、功能單一、焊接質量難以得到保證和提高等缺點，對焊接的控制更全面，回路輸出電流的紋波更小，響應速度更快，從而使焊接電源的操作更簡單，參數調試測試更方便，焊縫的質量更好、更具重復性。本文對基于嵌入式技術的數字化焊逆變電源控制系統進行了研究，應用以單片機、ARM、DSP，CPLD，FPGA等嵌入式系統為核心的數字化電源控制電路的設計方案，分析其各自優勢，以減少焊接電源的功率損耗，使焊機可以獲得更好的動態響應特性。

1 基于DSP的電源控制系統

由于單片機內部資源少，運算速度慢，無法用于高精度的控制運算系統，一般多用于簡易控制系統中。基于數字信號處理器（DSP）的控制系統與單片機相比較，DSP采用哈佛總線結構，運算速度，數據處理能力強、能實時完成復雜運算、多功能單周期指令、多達16路的PWM輸出、脈沖輸出穩定，12位AD轉換器，16個通道，性價比高，更適合于數字化控制系統。

數字化焊接電源的整個控制系統中，主電路采用以IGBT為功率開關器件的逆變形式，以DSP（數字信號處理器）TSM320F28016為控制核心，逆變電源的頻率是20kHz；控制電路部分包括DSP主控、電流反饋控制電路和電壓反饋控制電路、逆變驅動電路及保護電路、送絲電路等。設計了特殊的焊絲運動形式，配合專門設計的電流波形，通過12位A/D多重采樣及校正、軟件變參數積分分離的PI調節、通過外接16位D/A轉換，輸出的精確焊接參數，實現了對焊接電流輸出波形的準確控制。整個控制系統精度高、反應速度快，輸出紋波小、工作過程穩定，滿足低熱輸入焊接的要求。

例如：奧地利FRONIUS生產的TPS4000焊機是一臺數字化多功能逆變焊機，焊機的控制中心數字信號處理器DSP可實時檢測焊接過程，并依據內置的專家系統程序對焊機的時序、電流、電壓等參數進行優化輸出。

2 基于DSP+MCU的電源控制系統

在控制系統中，高速的DSP芯片不適合直接擴展人機接口，高速運算的DSP經常與響應慢速的人機接口通信，對DSP的高速運算能力是一個比較大的浪費，降低了系統的效率；然而，單片機（MCU）本身的結構特點，運算速度響度DSP來說比較慢，但其控制功能較強，總線位數較少，適合用于人機結構的擴展。基于上述的考慮，采用將MCU和DSP結合，構成雙機控制系統，充分發揮單片機控制能力強特DSP強大數據處理能力和高運行速度的優勢，為弧焊逆變電源控制系統提供更高的實時性和準確性，提高系統的運行效率。

3 基于ARM+DSP的電源控制系統

為了支持數字化、人性化的人界交互見面，滿足一機多用，使其擁有多任務的處理能力，使用運行穩定的嵌入式處理器代替單片機做為核心控制芯片，并保留做為運算處理的DSP，即數字化焊接電源的控制部分采用由ARM+DSP共同構成，以滿足實時、動態和高效的焊接要求。

ARM內核體系結構復雜，但功能強大，可選擇和移植實時操作系統，操作系統運行穩定，可以通過修改控制程序實現對系統的升級，完善系統的功能提高系統的效率。本設計選取Samsung公司的ARM7TDMI核的S3C44B0X的芯片。通過在ARM嵌入實時操作系統，操作者可以根據現場參數，通過操作系統可以隨時的修改向焊接設備輸入信息、發出指令，實時調節，實現多任務實時處理功能，也可以通過外部設備（如U盤）與焊接設備通訊，實現對數字化焊接電源功能及系統的升級。ARM負責參數的設置和顯示，通過調用儲存的焊接專家系統、完成數據的處理與其他設備的通信的功能故功能，所以稱之為主控芯片；DSP負責電弧電壓電流的閉環反饋計算，保證熔化速度與送絲速度相同，弧長的恒定，同時負責短路處理和引弧、收弧處理；產生PWM脈沖控制逆變器開通與關斷。

4 結束語

分析了基于嵌入式的數字化MIG焊機控制系統的總體方案，與模擬控制系統相比，嵌入式系統硬件電路大大簡化，與DSP控制系統相比，實時的操作系統可靠性高，開發周期短，開發效率高，系統靈活性強，控制精度高，人機見面更加有好，系統的升級改造更加方便，將會給用戶帶來極大的便利。

參考文獻

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