基于FPGA的數字化PMIG焊接電源設計

李莎，何曉陽，徐平平

（1.無錫太湖學院，江蘇無錫214064；2.東南大學信息科學與工程學院，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的數字化PMIG焊接電源設計

李莎1，2，何曉陽3，徐平平2

（1.無錫太湖學院，江蘇無錫214064；2.東南大學信息科學與工程學院，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）全橋式逆變結構設計焊接電源的主電路。根據PWM雙閉環控制思路，選用EP3C10E144為FPGA（現場可編程門陣列）主控芯片，設計了包括IGBT驅動電路和保護電路在內的電源控制系統。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，實現較理想的PWM控制信號。系統采用VHDL硬件描述語言編寫程序，設計靈活便于調試。實現了性能穩定、精度高、適應性強的數字化焊接電源。

FPGA；數字；PM IG；IGBT；焊接電源

引言

PMIG焊，即脈沖熔化極氣體保護焊，是利用焊接電源產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現射滴過渡，適當調節脈沖峰值電流的大小和占空比能控制熔滴過渡能量［2，3］，實現穩定、無飛濺、焊縫美觀的焊接。可見，設計良好性能的焊接電源是保障焊接質量的必要條件，也是提高焊接效率的關鍵。

焊接電源根據驅動方式不同分為模擬式電源和數字化電源。傳統的模擬式電源，焊接效率很低、抗干擾性差、控制精度不高，逆變頻率和相關參數不可調，適用面低，如基于SG3526的電壓型PWM（脈沖寬度調制）電源、基于UC3846的電流型PWM電源等［4-5］。數字化電源主要采用MCU（單片機）、DSP（數字信號處理器）或EDA（電子設計自動化）技術。常見的“MCU+DSP”雖然其內部已經集成了PWM模塊，但PWM信號頻率難于精確控制、信號形式單一從而限制了電路設計的靈活性。FPGA（現場可編程門陣列）是EDA技術之一，能在硬件基礎上，通過VHDL或Verilog HDL硬件描述語言編程設計，可在線仿真、調試，設計靈活，性能穩定。為此，設計了以FPGA為主控單元的數字化焊接電源，系統主要包括主電路、控制電路和顯示電路三個部分。

1　主電路

PMIG焊接電源的主電路采用AC-DC-AC-DC轉換形式，與AC-DC形式的電源相比，具有體積小、高效節能、動態特性好等特點［3］。

由于主電路使用IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）全橋式逆變結構，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，經過IGBT全橋逆變電路轉換為交流電壓，再經中頻變壓器T降壓、整流濾波后轉換為直流電流，由電感L輸出到電弧負載，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

傳統的控制電路是由DSP自帶的AD模塊完成模數轉換，實現PI算法和弧長控制，再由DAC芯片實現PWM輸出，實現焊接電壓和電流的雙閉環控制［6］。這種PWM控制信號是通過模擬電路來實現的，技術成熟，但可靠性差、精度低。本系統采用以FPGA為主控單元的數字化控制電路，其主要功能是為主電路提供所需的PWM信號，同時驅動IGBT正常工作，實現焊接電流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構框圖如圖2所示。霍爾傳感器將獲取的焊接電壓/電流，經A/D采樣后，輸入FPGA，FPGA對采樣值與給定值進行一系列閉環運算，比較輸出PWM信號，再經IGBT驅動電路輸出四路PWM至IGBT，進入電源主電路。FPGA核心芯片選用Altera公司的EP3C10E144，其多達414Kbits的嵌入式RAM總量、23個嵌入式乘法器和94個通用I/O口為實現高速運算提供了保障，可完成A/D采樣、PWM控制、變參數分段PI（比例、積分）控制等功能。FPGA的常用開發軟件QuartusII支持多種設計輸入方式，可使用電路原理圖編輯器設計，也可以通過VHDL或Verilog HDL硬件描述語言編程設計，軟件集成了多個標準模塊，設計簡便。

圖2　控制電路結構框圖

2.2IGBT驅動電路

由于IGBT是電壓驅動，其柵源極間的電壓不能超過額定值。為了保證IGBT可靠的導通與斷開，采用正電壓實現導通、負電壓實現斷開，其輸出電阻應盡量小，以減少柵極電容的充放電時間，提高IGBT的開關速度。驅動電路結構框圖如圖3所示。數字驅動電路將輸入的PWM脈沖信號放大，經MOSFET（金屬-氧化物半導體場效應晶體管）推挽輸出，再經脈沖變壓器隔離進入充放電電路，輸出驅動IGBT。

保護電路主要實現對IGBT的欠壓、過流和過熱保護。欠壓保護是防止供電電壓不穩定，信號由NE555的觸發端輸入。過流保護是防止外界干擾產生的脈沖尖峰電流損壞IGBT。過熱保護采用溫度傳感器進行檢測，可避免IGBT在長時間工作后嚴重發熱從而造成損壞。

圖3　IGBT驅動電路結構框圖

2.3焊接電流PI控制

工業控制中常用PID（比例-積分-微分）控制技術，但微分環節會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，但計算量大、容易出錯。增量式算法，只需加上相鄰偏差值即可，不易出錯，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控制的數學模型：

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

圖4　PI控制的程序流程圖

3　顯示電路

為了提高電源的實用性，顯示電路需包含顯示和輸入兩個主要功能。以MCU為主控單元，選用LED（發光二極管）和數碼管，旋轉編碼器配合鍵盤輸入，實現焊接參數的顯示、設置與輸出等。MCU單元選擇Freescale公司的16位的MC9S12DG128。通過RS-232標準總線將焊接參數輸入FPGA，開始焊接后，FPGA再由RS-232串口通訊發送實時數據給LED和數碼管顯示，同時通過按鍵還能輸出數據波形。

輸入電路采用按鍵與旋轉編碼器相結合的方式。旋轉編碼器具有易調節、響應速度快、精度高的特點，可輸出AB兩相脈沖信號。當A相脈沖超前B相脈沖1/4周期時，稱為正轉；當B相脈沖超前A相脈沖1/4周期時，稱為反轉。

LED主要作為焊接狀態的指示燈。數碼管包括6個七段字符數碼管和2個米字數碼管，其中七段數碼管顯示參數值，米字數碼管以字符形式顯示參數類型。

4　結論

采用IGBT全橋式逆變結構設計主電路，性能穩定、精度高、適應性強。根據PWM雙閉環控制思路，以FPGA為主控單元，配合IGBT驅動電路、保護電路和顯示電路，采用VHDL編程控制，設計靈活便于調試。焊接電流采用增量式PI控制算法，精確控制輸出電流波形，實現較理想的PWM控制信號。為保證焊接質量和焊接效率，完成了性能良好的數字化焊接電源的設計。

［1］趙雪綱.PMIG弧焊電源數字化控制策略的研究與實現［D］.濟南:山東大學，2011.

［2］楊文杰，廖平.基于DSP控制的PMIG焊接設備［J］.焊接學報，2007，28（7）:77-80.

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

［4］徐騰飛.脈沖MIG焊機的數字化控制系統研究與實現［D］.濟南:山東大學，2012.

［5］段彬，孫同景.基于FPGA全數字逆變電源驅動電路設計及應用［J］.焊接學報，2009，30（6）:95-98.

［6］王金柱.基于DSP的脈沖MIG焊全數字化控制［D］.北京:北京工業大學，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技術創新基金項目（13C26113202099）

李莎（1981—），女，工學碩士，畢業于浙江大學，現就職于無錫太湖學院物聯網學院電子工程系，講師，主要從事電子技術與物聯網應用研究。