基于混合信號FPGA的脈沖MIG焊接電源數字控制系統

郭民，段彬，孫同景，王海全，張禎濱

(山東大學控制科學與工程學院，山東濟南250061)

基于混合信號FPGA的脈沖MIG焊接電源數字控制系統

郭民，段彬，孫同景，王海全，張禎濱

(山東大學控制科學與工程學院，山東濟南250061)

針對脈沖MIG焊中采用模擬電路控制方法時可靠性差、精度低、靈活性差、部分工藝區間的工藝效果不理想等缺點，設計了基于混合信號FPGA的數字控制系統，采用變基值時間的弧長控制策略，實現了脈沖電流的輸出與焊接弧長的穩定控制。焊接結果表明，所設計的基于混合信號FPGA的脈沖MIG焊接電源系統動態響應快、可靠性高，焊接過程弧長穩定，焊縫質量較高。

混合信號FPGA；脈沖MIG焊；弧長控制策略；數字控制系統

0 前言

脈沖MIG焊(P－MIG)具有電流可控范圍大、電弧穩定、無飛濺等優點，在現代焊接領域中應用廣泛[1－2]。P－MIG電源在采用傳統控制方式時，通常兼顧整個工藝區間來選取電流波形，而這容易造成部分區間工藝效果不理想[3－4]。數字化焊接電源控制方式靈活、穩定性好，具有更高的控制精度。隨著復雜可編程邏輯器件(Complex Programmable Logic Device，CPLD)、現場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)以及數字信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)等數字集成芯片的發展，焊接電源的控制系統逐步實現了數字化，其中FPGA具有低功耗、便于維護、速度快、集成度高、通用性強等優勢，能夠更好地滿足P－MIG工藝的高要求[5－6]。文獻[7]介紹了一種以ColdFire V2核芯片為主控制器，FPGA為協處理器的全數字化P－MIG焊接電源控制系統的實現方法，但雙控制芯片的電路設計復雜，并且FPGA的優勢并沒有完全體現出來。在此采用單控制芯片的理念，不僅電路設計簡潔，而且焊接電源控制系統主要功能通過Actel公司SmartFusion系列混合信號FPGA(A2F200M3F)實現，其FLASH架構、硬件ARM Cortex－M3內核和可編程的ACE模擬功能模塊，使系統具有高速并行、模數混合、控制靈活和集成度高的優勢。

1 P－MIG焊接電源數字控制系統控制方案

P－MIG焊是一種利用焊接電源輸出脈沖電流來控制電弧中熔滴的焊接方法，即使在較小的焊接參數條件下，也能夠產生穩定的電弧和可控的熔滴過渡。在一脈一滴的熔滴過渡方式中，脈沖電流主要有兩個作用：一是提供熱量以熔化焊絲；二是產生熔滴過渡所需要的力。該方法對焊接電源的控制性能要求較高，通過輸出合理的脈沖波形，匹配脈沖參數，實現熔滴過渡的精細控制，以保證焊接過程的電弧穩定。

1.1 焊接過程的總體控制方案

要實現穩定的熔滴過渡過程和弧長自適應調節功能，需要對電弧進行精確控制。脈沖單元能量調節模式常用的有脈沖電流與基值電流模式I－I和脈沖電壓與基值電流模式U－I。在I－I模式下，焊接脈沖電流Ip、tp基本不變，電弧長度調節通過改變脈沖頻率來完成；在U－I模式下，脈沖單元采用恒電壓控制，頻率基本不變，電弧調節能力強，但是脈沖單元的一致性較差。

在此設計的P－MIG焊接電源控制系統采用I－I外特性，在保證維弧期間不熄弧的情況下，實現脈沖峰值時的大電流穩定；同時通過對電弧電壓的控制，解決I－I控制方式易造成弧壓波動的難題，避免了維弧期間常發生的短路現象。整個系統采用雙閉環控制方式(電流內環和電壓外環)，其控制系統的總體框圖如圖1所示。焊接電流的閉環控制采用變參數PID算法，電弧電壓的控制通過調節基值時間來實現壓頻控制算法。

圖1 P－MIG焊接電源控制系統框圖Fig.1 Functional block of P－MIG welding power source control system

1.2 弧長控制方案設計

弧長的動態變化特性可表示為

式中La為電弧長度；Ls為焊絲干伸長；vf(t)為焊絲熔化速度；vw為恒速送絲速度。由式(1)可得電弧長度表達式

式中La(t)為焊接電弧在t時刻的長度；La(t0)為焊接電弧的起始長度。因為P－MIG焊采用恒速送絲，因此當系統穩定時，必然存在vf(t)=vw，其中焊絲熔化速度vf由焊接電流產生的熱量決定

式中α為焊絲熔化系數；β為焊絲干伸長的影響系數；I為焊接電流。可以看出焊絲熔化熱量包含電弧熱與焊絲干伸長電阻熱。

在I－I控制模式中，由峰值電流大小Ip和峰值持續時間tp共同作用來保證一脈一滴工作方式，因此一個電流周期內，焊絲熔化速度僅與基值時間tb長短有關。在此提出的弧長控制策略也是在調節基值時間tb的基礎上實現的，通過不斷計算平均電壓Ua來表征電弧弧長，并與設定電壓Ug比較，當Ua＜Ug時，起動新一個周期的脈沖電流，平均電壓的計算方法為

式中U(i)為第i次采樣的電壓值；Np為峰值時間采樣點數；nb為基值時間采樣點數。最終通過改變基值電流時間實現對電弧弧長的閉環調節。

2 基于混合FPGA的P－MIG焊接電源系統硬件設計

2.1 系統硬件整體方案設計

設計的脈沖MIG焊接電源系統硬件框圖如圖2所示。主電路采用全橋逆變，三相交流電經過整流和濾波之后，形成520 V左右的直流電。然后通過全橋逆變得到30 kHz的交流電，經過隔直電容與中頻變壓器，得到低壓大電流的交流電。最后通過二次整流和電抗器及阻容濾波，供給焊接使用。控制系統中采用混合信號FPGA(A2F200M3F)為主控芯片，通過電流傳感器與電壓傳感器采集輸出電流與電弧電壓信號，經過控制算法處理輸出PWM信號驅動IGBT的導通與關斷。其中采集到電流、電壓的模擬信號通過混合信號FPGA內部的A／D轉換器，完成模數轉換，并且在FPGA內部實現了變參數PID控制器與PWM發生器。

圖2 系統整體功能框圖Fig.2 Functional block of system hardware

2.2 電流、電壓閉環控制硬件設計

為了實現電流、電壓雙閉環控制，需要同時對焊接電流與電弧電壓信號進行采樣。Actel公司研制的SmartFusion系列的A2F200M3F混合信號FPGA的片內集成有兩個ADC模塊，單個ADC模塊最高精度為12 bits，最快采樣速度達600 ksps，并且精度與采樣速率可自由配置。ADC模塊的參考電壓可采用片內2.56 V或片外3.3 V。為保證系統可靠性，采用片內基準源。

電流內環設計中采用100 A／1 V的霍爾電流傳感器對焊接電流進行測量，最終將0～400 A的大電流轉換為0～4 V的可測量電壓信號。該信號經過信號調理電路與放大器電路后將信號轉換為0～2.5 V信號后輸入ADC模塊進行采樣，為兼顧采樣精度與控制周期，采樣速率設置為100 ksps。電壓外環的設計采用25∶10變比的霍爾電壓傳感器，將0～100 V目標電壓轉換成0～2.5 V，送入A／D采樣，采樣速率配置為60 ksps。電流內環與電壓外環A／D采樣電路如圖3所示。

圖3 電流、電壓A／D采樣電路框圖Fig.3 Functional block of A／D sample circuit of current and voltage

3 P－MIG焊接電源主控系統功能實現

3.1 脈沖電流波形給定

在P－MIG焊中，脈沖電流如果加入中值電流，能夠增加熔滴過渡過程的可控性。根據脈沖電流波形有無中值電流，可將脈沖電流波形分為：有中值波形與無中值波形。在有中值波形中，根據中值電流相對峰值電流的位置，可將脈沖電流波形分為：前中值波形、中中值波形與后中值波形[8]。在此設計的P－MIG焊接電源的脈沖電流采用后中值波形來增加熔滴過渡過程的可控性，保證熔滴過渡速度和大小一致，提高弧長快速自適應調節能力。

后中值脈沖電流波形的數據存放在FPGA的雙口RAM(DPRAM)中，通過對DPRAM中數據進行讀寫操作，來改變脈沖電流波形給定數據，整個脈沖電流波形由600個點組成。DPRAM中存儲數據作為輸出電流的給定值，如圖4所示，設計變比為8∶1，即當DPRAM中數據為1600時，輸出電流應為200A。為了方便調試，波形數據中的所有參數都可以自由調節，包括峰值、中值以及基值電流的大小與持續時間，電流的上升與下降斜率等。

圖4 脈沖電流波形給定Fig.4 Waveform of theoretical pulse current

3.2 變參數限幅PID的功能實現

變參數PID能夠保證電流輸出針對電流波形的不同階段快速準確地達到給定電流。但在焊接引弧期間，由于焊絲與工件之間電弧波動劇烈，導致相鄰周期內PID輸出脈寬大幅度變化，從而向主回路引入較大的直流分量，引起主變壓器偏磁，最終致使引弧失敗。因此，設計時在電流閉環的變參數PID算法中加入限幅模塊，限制引弧期間相鄰兩次PID輸出脈寬變化大小，能夠有效地抑制向主回路引入直流分量，從而有效抑制了引弧期間偏磁現象的發生，保證了引弧成功。進入正常焊接后，屏蔽變參數PID的限幅模塊，從而保證焊接電源電流輸出的快速調節。

FPGA內實現PID運算速度較快，加入限幅模塊之后，在引弧期間可以將相鄰兩個周期內的IGBT打開時間變化限制在2 μ s內，既保證了引弧電流的爬升速度，又能防止主電路直流分量的引入。實驗時在引弧期間對變壓器一次電流進行監控，如圖5所示，IGBT開通后的一段時間內，脈沖寬度沒有發生大幅度跳變，有效減少了引弧期間主變壓器偏磁情況的發生，保證引弧成功。

圖5 一次電流波形Fig.5 Waveform of primary current

4 焊接試驗與分析

4.1 焊接電源的恒電流源特性測試

在調試過程中，首先需要測試電流環的跟隨性能。在給定電流情況下，測試電流環是否能夠在負載變化的情況下保持輸出不變。實驗中設定電流150A，采用100 A／1 V的電流霍爾傳感器對二次電流進行測量，采樣波形如圖6所示。由圖6可知，電流環的輸出可以實現跟隨輸入，輸出的平均電流約150 A，并且電流的上下波動不超過3%，表明所設計的系統很好地實現了恒電流源的功能。

圖6 恒電流源電流波形Fig.6 Waveform of constant current source

4.2 焊接試驗

焊接試驗中采用碳鋼焊絲，保護氣體采用φ(Ar) 80%＋φ(CO2)20%，工藝參數如表1所示。采用400 A／ 1V的霍爾電流傳感器實時檢測輸出電流，如圖7所示。由圖7可知，脈沖電流的頻率能夠根據弧長的變化自行調節，并且能夠快速的起弧，焊接過程穩定，基本無飛濺現象，完全滿足脈沖焊接工藝的要求。

圖7 焊接電流輸出波形Fig.7 Waveform of welding current output

表1 焊接工藝參數Tab.1Welding parameters

5 結論

(1)設計了基于混合信號FPGA的脈沖MIG焊接電源軟、硬件系統，不僅提高了系統的可靠性、穩定性，而且具有集成度高、功耗低和防輻射的優點，可結合成熟的主電路應用于脈沖MIG焊。

(2)焊接結果表明，所設計的脈沖MIG焊電源輸出電流穩定且精度高，能夠順利實現起弧、回燒、短路等工藝控制要求，焊接過程電弧穩定、無飛濺、焊縫成形良好。

[1]陳祝年.焊接工程師手冊[M].北京：機械工業出版社，2009：422－425.

[2]Klas Weman.Mig Welding guide[M].北京：機械工業出版社，2009：75－81.

[3]柯利濤，黃石生，蔣東，等.脈沖MIG焊逆變電源的研究現狀[J].電焊機，2006，36(6)：1－4.

[4]劉嘉.電焊機數字化[J].焊接學報，2002，23(1)：88－92.

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[7]徐衛.脈沖MIG焊全數字化控制系統研制[D].濟南：山東大學，2008：1－7.

[8]吳開源，黃石生，蒙永民，等.脈沖MIG焊熔滴過渡中值波形的控制策略[J].焊接學報，2004，25(4)：51－55.

Design on digital control system of the pulse MIG welding power source base on mixed－signal FPGA

GUO Min，DUAN Bin，SUN Tong－jing，WANG Hai－quan，ZHANG Zhen－bin
(School of Control Science and Engineering，Shandong University，Ji'nan 250061，China)

Digital control system based on mixed－signal FPGA for pulse MIG welding power source is designed to solve the deficiencies in control system based on analogous control technology，such as poor reliability，poor flexibility and unsatisfactory process effect and to realize the welding arc length stable control.This paper proposes one kind of arc length control strategy based on adjusting the base current time，the design of the control system hardware circuit and realizes the pulse current waveform output.The welding experiment shows that the pulse MIG welding power source based on mixed－signal FPGA has advantages，such as high－speed dynamic response，high reliability，stable welding arc length control and high welding quality.

mixed－signal FPGA；pulse MIG welding；welding arc length control strategy；digital control system

book=6,ebook=31

TG409；TG434.5

A

1001－2303(2012)06－0047－04

2012－05－18

郭民(1989—)，男，山西潞城人，在讀碩士，主要從事全數字化逆變焊接電源的研究工作。