數字信號處理器控制焊接電源的抗干擾設計

吳 迪

（大慶油田信息技術公司中區分公司，黑龍江 大慶 163000）

1 數字處理器的概述

1.1 數字化處理器的優點

從國際焊接電源技術的發展來看，有必要對焊接電源進行數字化研究，以實現其未來的數字化發展。數字化是指利用一定規則表示數字或字母，用數字的形式表達連續的物理量，使用0/1編碼方式，實現數字信號的整齊排列[1]。在焊接電源的控制過程中，使用數字控制技術可以增加焊接電源的系統靈活性，實現使用同一套硬件設備完成不同焊接工藝的目的。在焊接機中只用數字化技術可使其具有更強的穩定性，信號通過控制算法完成，保證產品的質量。

1.2 數字處理器的分類

數字信號處理器相較于模擬信號處理器有精度高、靈活度高及可靠性強等優點，可以運用在大規模集成方面。目前，數字信號處理器主要分為三大類型：數字信號處理器、通用微處理器和微控制器。其中，數字信號處理器具有高性能、數值運算密集等優點；通用微處理器一般用于計算機的使用；微控制器則適用于以控制為主的處理過程。本文主要分析DSP即數字信號處理器對焊接電源的抗干擾處理。

自20世紀80年代以來，DSP芯片憑借高穩定性、可重復性、大規模集成性等優勢得到了廣泛運用，特別是其實時處理、可編程的特點，促使數字信號處理技術不斷發展，是數字信號技術發展的基礎[2]。DSP的實時信號處理功能與高速運算功能，為數據信號處理技術的高速實時控制提供了可能。將DSP技術融入焊接電源控制中，可促進焊接電源的數字化、智能化、現代化發展。研究DSP在焊接機電源控制中的抗干擾技術，可為焊接電源的發展提供技術支持。

2 影響焊接電源數字處理器的干擾源

2.1 外部干擾源

干擾焊接電源的外部因素主要是“電網污染”。電網上的負載常常處于變動狀態，這些變化會對電網產生一定影響。例如，大功率設備的突然啟動會導致電網負載突然加大，進而可能出現瞬時停電情況。在焊接車間，使用不同的焊接電源經常出現地線互連。地線互連可直接影響高頻信號的波動，進而影響焊接電源的控制系統，導致死機或是損壞。當安裝使用數字處理器時，必須整齊排布焊接室的地線，降低對焊接電源的干擾。

2.2 內部干擾源

一般情況下，焊接電源是一個強電和一個弱電配合使用的電源系統[3]。在焊接過程中，焊接電源的電流值最高可達上千安培，導致焊接電源形成較大的電磁場，尤其是高逆變頻率的焊接電源系統。電磁場的產生給焊接電源系統的數字處理器造成了較大影響，必須加強焊接電源的防干擾能力，以確保系統正常運行。除逆變主電路的焊接電源會產生較大磁場外，鎢極氬弧焊機在使用高頻引弧時，焊機產生的電壓可高達數千伏，會擊穿空氣間隙形成電弧，對焊接電源干擾極大。在對焊接電源進行數字處理器設計時，必須提高焊接電源的抗干擾能力，為數字處理器提供高效、穩定的運行環境。

3 數字處理器控制焊接電源的抗干擾設計

3.1 數字處理器控制系統供電電源的設計

通過調查分析微機系統發現，它的運行過程中至少有70%的電源受電源耦合的干擾[4]，故必須提高焊機供電電源的抗干擾能力。目前，我國焊接多使用DSP技術控制焊機設備的微機系統，通過整齊排列雙繞組扼流線圈提高抗干擾能力。雙繞組線主要通過濾波器達到抗干擾目的，在變壓器輸入端連入低通濾波器，以降低電壓對焊接電源的干擾；在隔離控制變壓器的兩端連接壓敏電阻，以降低對焊接電源的電壓影響。另外，可在繞組之間增加屏蔽層。在焊接電源中可設計“穩壓電源”，采用開關式穩壓集成塊“4960”，通過集成塊保護電壓和過電流提高焊接電源的抗干擾能力。

3.2 印制板設計防干擾措施

在電子設備中，印制板布線情況直接影響電子線路的正常工作，需要重視印制板的防干擾設計[5]。實際設計中，要盡量拉大導線間距，對自身抗干擾能力弱的地線采取抗干擾屏蔽措施。為提高地線之間的抗干擾能力，將垂直布線的方法融入雙面板布線中，布線的方式根據地線的分布進行設計。在印制板布線設計中，對數字信號地和模擬信號地進行分開布線設計。當需要將多個不同功能的單元集中在同一個印制板上時，可集中不同單元集中的相同功能單元，并接地設計形成獨立的電路，達到降低電源干擾的目的。

3.3 軟件抗干擾措施

在數字處理器控制焊接電源的抗干擾設計中，需要對焊接電源的硬件設施和數字處理器的軟件進行抗干擾設計[6]。在數字處理器的軟件抗干擾設計中，主要分析解決數據處理器受干擾的原因、如何攔截失控的程序流和如何使數據處理器恢復系統的正常運行等問題。在數據處理器的編程過程中，目前主要采取5個抗干擾措施：（1）編程時盡量用查詢語句代替中斷，以降低中斷源數量；（2）合理利用數字處理器的A/D轉換模塊，進行多次A/D轉換，并通過“平均法數字濾波技術”過濾干擾信號；（3）利用數字處理器中的“看門狗”電路，如果出現軟件干擾信號，則立即對數字處理器的控制系統進行警報；（4）編程中，盡量使用單字節指令，在A/D轉換模塊的轉移指令前后插入2節操作指令，使受干擾的程序碼能被快速拉回正確的程序運行“軌道”中，并重復執行數據處理器中輸入、輸出指令，以提高焊接電源的抗干擾能力；（5）利用軟件陷阱技術，即在數字處理器的編程設計中設計一條轉移指令碼，強行將捕獲的程序引向控制出錯程序，使其根據控制重新回到正常的程序流中。

3.4 數字處理器輸入輸出信號的防干擾措施

在焊接電源中，輸入、輸出信號的干擾主要是前向、后向接口引入的干擾。結合數字處理器輸入、輸出信號的運行特點，通常我國主要使用隔離方式加強抗干擾能力。通過切斷焊接電源的干擾源，從源頭上降低電源對數字處理器運行的干擾[7]。目前，隔離技術主要有變壓器隔離、繼電器隔離及光電隔離等方式，通常使用光電隔離技術。光電隔離技術主要有兩個優勢：干擾源能量小，不會導致紅外二極管發光；輸入抗阻低、干擾內阻大，干擾不易進入數字處理器。

圖1是研究數字處理器控制焊接電源采用數字光電隔離技術的原理圖。研究中，對數字信號處理器DSP、主電路以及送絲機進行“光電隔離”，對控制面板采用π型濾波器降低信號干擾。使用控制面板時，必須在濾波允許后才能進入數字處理器中，以隔絕干擾進入。

圖1 數字處理器控制焊接電壓的光電隔離原理

4 結 論

綜上所述，本文主要研究數字處理器控制焊接電源的抗干擾設計，研究焊接電源中的內、外干擾因素，分析數字處理器的系統供電電源、印制板設計、數字處理器輸入、輸出信號的防干擾措施以及軟件抗干擾措施，全面提高數字處理器控制焊接電源的抗干擾能力，為焊接技術的數字化、智能化、現代化提供可能。