基于STC15W4K系列單片機(jī)的逆變焊機(jī)控制電路設(shè)計(jì)*

賴(lài) 誠(chéng)

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

基于STC15W4K系列單片機(jī)的逆變焊機(jī)控制電路設(shè)計(jì)*

賴(lài) 誠(chéng)*

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

針對(duì)通用逆變焊機(jī)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(jī)的逆變焊機(jī)控制電路設(shè)計(jì)方案。在同一片單片機(jī)芯片上實(shí)現(xiàn)了控制電路所需的相關(guān)功能,極大地簡(jiǎn)化了控制電路結(jié)構(gòu)。通過(guò)實(shí)際測(cè)試,設(shè)計(jì)方案具有輸出控制信號(hào)的參數(shù)精確(誤差0.3%),頻率、占空比和死區(qū)時(shí)間調(diào)節(jié)方便,通用性強(qiáng)等特點(diǎn),并具有極高的工作可靠性。

逆變焊機(jī);單片機(jī);控制電路設(shè)計(jì);脈寬調(diào)制

1 控制電路總體設(shè)計(jì)方案

在弧焊逆變電源中,數(shù)字化PWM信號(hào)產(chǎn)生的設(shè)計(jì)是弧焊逆變電源實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制的關(guān)鍵。本設(shè)計(jì)的逆變焊機(jī)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(hào)異常檢測(cè)單元、電流和電壓檢測(cè)反饋單元、隔離驅(qū)動(dòng)單元,以及人機(jī)交互(輸入設(shè)定、數(shù)碼顯示和故障報(bào)警指示)單元等[5]。其中,控制電路的核心采用一片STC15W4K61S4單片機(jī),完成了互補(bǔ)PWM控制信號(hào)產(chǎn)生、死區(qū)時(shí)間設(shè)置、PWM信號(hào)異常處理、電流和電壓反饋信號(hào)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(hù)主電路的功率模塊,設(shè)計(jì)中除了采用傳統(tǒng)的電流檢測(cè)反饋保護(hù)而外,還根據(jù)STC15W4K系列單片機(jī)的功能特點(diǎn)設(shè)計(jì)了PWM信號(hào)異常檢測(cè)電路,當(dāng)出現(xiàn)兩路互補(bǔ)PWM信號(hào)輸出異常(比如同時(shí)輸出開(kāi)通信號(hào))時(shí)可以快速地關(guān)閉PWM控制信號(hào)輸出,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)主電路功率器件的快速保護(hù)。

2 主要功能實(shí)現(xiàn)方法

2.1 PWM控制信號(hào)產(chǎn)生方法

STC15W4K系列單片機(jī)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(gè)用于控制PWM波形翻轉(zhuǎn)的計(jì)數(shù)器(T1和T2),可以十分靈活地控制輸出PWM信號(hào)的高低電平寬度,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)PWM 信號(hào)的占空比以及輸出延遲時(shí)刻的控制。由于6路PWM模塊相互獨(dú)立,而且可以設(shè)定每路PWM信號(hào)的初始電平,所以可將任意兩路進(jìn)行配合使用,即可以實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)輸出和死區(qū)時(shí)間的控制[6]。

2.1.1 PWM控制信號(hào)頻率的確定方法

設(shè)計(jì)中的PWM控制信號(hào)頻率主要是通過(guò)對(duì)單片機(jī)內(nèi)部的PWM時(shí)鐘選擇寄存器和PWM計(jì)數(shù)器的設(shè)置實(shí)現(xiàn)。

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

PWM時(shí)鐘選擇寄存器(PWMCKS)用于選擇PWM時(shí)鐘來(lái)源和確定時(shí)鐘周期,PWM計(jì)數(shù)器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)15位的加法計(jì)數(shù)器,PWM信號(hào)的周期可以在1～32 767之間的任意數(shù)進(jìn)行設(shè)定。PWM計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值從0開(kāi)始計(jì)數(shù),每個(gè)PWM時(shí)鐘周期加1,當(dāng)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值達(dá)到[PWMCH,PWMCL]設(shè)定值時(shí),PWM計(jì)數(shù)器又將會(huì)從0重新開(kāi)始計(jì)數(shù)。因此,只要確定了PWM計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值和計(jì)數(shù)脈沖的周期,即可確定PWM控制信號(hào)的頻率。

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

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

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

因此,PWM計(jì)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(hào)占空比和死區(qū)時(shí)間確定方法

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

每路4個(gè)用于控制PWM信號(hào)電平翻轉(zhuǎn)時(shí)刻的翻轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器分別是:PWMNT1H(第1次翻轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器高字節(jié))、PWMNT1L(第1次翻轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器低字節(jié))、PWMNT2H(第2次翻轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器高字節(jié))和PWMNT2L(第2次翻轉(zhuǎn)計(jì)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(hào)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(hào),占空比為0.5,死區(qū)時(shí)間為2.085 μs,波形圖如圖2所示。

圖2 PWM信號(hào)產(chǎn)生原理圖

由圖2可知,PWM波形翻轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器的計(jì)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(shí)際工作過(guò)程中,控制系統(tǒng)不斷地將反饋的檢測(cè)信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后與設(shè)定值相比較,根據(jù)誤差對(duì)PWM波形翻轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值進(jìn)行調(diào)整,從而保證實(shí)際輸出參數(shù)與設(shè)定值相一致。

2.2 PWM信號(hào)異常檢測(cè)

由于STC15W4K系列單片機(jī)內(nèi)部的PWM控制器設(shè)計(jì)了對(duì)外部異常事件進(jìn)行監(jiān)控的功能,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)PWM輸出信號(hào)的快速緊急關(guān)閉。因此,在本設(shè)計(jì)中除了通常采用的對(duì)電壓和電流采樣反饋實(shí)現(xiàn)過(guò)流、過(guò)壓、欠壓等保護(hù)措施而外,增加了對(duì)控制電路輸出PWM信號(hào)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。當(dāng)單片機(jī)輸出的兩路互補(bǔ)PWM控制信號(hào)出現(xiàn)同時(shí)為開(kāi)通電平(高電平)時(shí),可以迅速封閉PWM控制信號(hào)輸出,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)主電路功率器件的快速保護(hù),電路原理如圖3所示。

圖3 PWM信號(hào)異常檢測(cè)電路原理圖

設(shè)計(jì)中首先對(duì)單片機(jī)中的PWM外部異常控制寄存器(PWMFDCR)進(jìn)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(shí),PWM輸出口立即被設(shè)置成高阻狀態(tài)(無(wú)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(cè)單元電路原理圖

硬件電路中將單片機(jī)P2.1和P2.2接口輸出的兩路互補(bǔ)PWM信號(hào)(PWM(P)、PWM(N))送入高速與門(mén)電路(CD54HC08)進(jìn)行相“與”,如果在工作過(guò)程中出現(xiàn)兩路PWM同時(shí)出現(xiàn)開(kāi)通電平(高電平)時(shí),與門(mén)將輸出高電平到單片機(jī)的P2.4端口,當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到P2.4為高電平時(shí),將立即封鎖PWM信號(hào)的輸出,從而及時(shí)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(cè)單元

STC15W4K系列單片機(jī)內(nèi)部具有8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換器,本設(shè)計(jì)中使用了其中3路A/D轉(zhuǎn)換器分別實(shí)現(xiàn)工作電流設(shè)定、電壓檢測(cè)和電流檢測(cè),輸入設(shè)定和檢測(cè)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(jì)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(guò)電壓跟隨器直接輸入到單片機(jī)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(shí),分別使用霍爾電壓和霍爾電流傳感器檢測(cè)焊機(jī)的電流和電壓信號(hào),檢測(cè)過(guò)程中首先將傳感器的輸出電壓經(jīng)過(guò)各自的電壓跟隨器送至相應(yīng)的單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器輸入端,利用單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)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(jìn)行比較,根據(jù)比較后得到的實(shí)際差值對(duì)輸出的互補(bǔ)PWM信號(hào)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,實(shí)現(xiàn)了對(duì)誤差定量的實(shí)時(shí)補(bǔ)償。由于使用單片機(jī)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(shí)STC15W4K系列單片機(jī)具有超高速CPU內(nèi)核和單時(shí)鐘模式,從而使檢測(cè)的精度和誤差調(diào)節(jié)速度較傳統(tǒng)的單片機(jī)控制系統(tǒng)有顯著提高。

3 控制軟件設(shè)計(jì)

控制電路的軟件設(shè)計(jì)應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)思路,采用C語(yǔ)言完成了主程序和各個(gè)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(cè)試

為測(cè)試控制電路的相關(guān)參數(shù)和性能指標(biāo)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求,將所設(shè)計(jì)的逆變焊機(jī)控制電路輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路后接到主電路進(jìn)行實(shí)際測(cè)試,測(cè)試中設(shè)置的輸出PWM信號(hào)頻率20 kHz,占空比0.45,死區(qū)時(shí)間4 μs,實(shí)際輸出的PWM信號(hào)波形如圖6所示。由圖6分析可知,控制電路實(shí)際輸出的PWM信號(hào)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(hào)波形

通過(guò)設(shè)定電位器不斷改變工作電流,檢測(cè)到實(shí)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(gè)測(cè)試工作過(guò)程中,主電路逆變橋工作穩(wěn)定,各項(xiàng)保護(hù)功能正常實(shí)現(xiàn),達(dá)到了本次設(shè)計(jì)的基本要求[12]。

5 結(jié)語(yǔ)

測(cè)試結(jié)果表明,采用STC15W4K系列單片機(jī)設(shè)計(jì)的逆變焊機(jī)控制電路在實(shí)際的使用過(guò)程中,焊機(jī)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(shí),針對(duì)不同類(lèi)型逆變焊機(jī)主電路對(duì)PWM控制信號(hào)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(duì)單片機(jī)中有關(guān)產(chǎn)生PWM控制信號(hào)的寄存器參數(shù)在軟件上進(jìn)行修改即可,因而對(duì)控制信號(hào)相關(guān)參數(shù)的設(shè)置和修改都十分簡(jiǎn)便,并具有較強(qiáng)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(jī),2014,44(6):21-25.

[2] 常國(guó)權(quán),彭云峰. 基于STC15單片機(jī)和SYN6288的機(jī)床語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[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(jì)與實(shí)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(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電子器件,2016,39(1):118-123.

[5] 崔愛(ài)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(bào),2014,29(12):11-18.

[7] 丁曉霖. 三相SPWM逆變器死區(qū)特性與補(bǔ)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(guò)流保護(hù)電路的實(shí)現(xiàn)[J]. 電氣自動(dòng)化,2015,37(1):34-36.

[9] 劉文靜,王民慧,汪亞霖,等. 強(qiáng)磁場(chǎng)下微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),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(jì)[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),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(jì)[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(jì)[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(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(xiàng)目來(lái)源:德陽(yáng)市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)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