ARM控制數(shù)字化逆變焊機(jī)PWM脈沖的實(shí)現(xiàn).

1、李志剛等： ARM控制數(shù)字化逆變焊機(jī)PWM脈沖的實(shí)現(xiàn) ARM控制數(shù)字化逆變焊機(jī)PWM脈沖的實(shí)現(xiàn) 李志剛陳玉喜石紅信朱錦洪(河南科技大學(xué) 河南洛陽(yáng) 471003)摘要：PWM 控制脈沖的實(shí)現(xiàn)難易性、可控性和穩(wěn)定性對(duì)波形控制焊機(jī)的性能起 著重要影響。本文以 LPC2131(ARM)為控制核心，利用其內(nèi)部的 PWM 模塊產(chǎn)生 單路脈沖，并進(jìn)行外圍電路轉(zhuǎn)化為雙路脈沖，可按照焊機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)調(diào) 節(jié)和輸出。通過(guò)仿真和聯(lián)機(jī)調(diào)試，結(jié)果表明實(shí)測(cè)波形和仿真波形一致，具有 PWM 脈沖實(shí)現(xiàn)容易、控制性能良好和運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：數(shù)字化控制 逆變焊機(jī) PWM 脈沖 ARM GAL1 引言在焊接電源中采用數(shù)字

2、化控制，具有靈活、精確、穩(wěn)定可靠和集成度高等特點(diǎn)， 為焊接設(shè)備小體積、輕質(zhì)量，焊接工藝穩(wěn)定性和良好的工藝效果提供了必要條 件。焊接電源的數(shù)字化主要表現(xiàn)在三個(gè)方面1:電源主電路的數(shù)字化、電源控制 電路的數(shù)字化、電源專(zhuān)家系統(tǒng)的數(shù)字化。主電路的數(shù)字化主要表現(xiàn)在以功率開(kāi)關(guān) 器件為核心的逆變部分，節(jié)能降耗優(yōu)勢(shì)顯著；電源控制電路的數(shù)字化主要表現(xiàn)在 以 MCU、DSP、ARM 為控制核心的應(yīng)用上，以集成元件代替分立元件，系統(tǒng)精 度高，穩(wěn)定性好。同時(shí)，控制電路的數(shù)字化為電源專(zhuān)家系統(tǒng)的數(shù)字化提供了基 礎(chǔ)，主要表現(xiàn)在多輸出特性和一元化參數(shù)調(diào)節(jié)的多功能焊機(jī)方面。各個(gè)部分需要 協(xié)調(diào)運(yùn)作，主電路為焊機(jī)提供功率輸出，控制

3、電路為中樞，專(zhuān)家系統(tǒng)為靈魂，靈 魂通過(guò)中樞傳達(dá)直至輸出。波形控制技術(shù)是 CO2 焊機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)和重點(diǎn)，隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的 成熟與發(fā)展，波形控制法從傳統(tǒng)的控制電流上升率和瞬時(shí)短路電流的方法演變到 新型表面張力控制法(STT)、能量控制法以及焊接波形的動(dòng)態(tài)控制2，正在逐 漸實(shí)現(xiàn)從粗略控制到精細(xì)控制，從準(zhǔn)確控制到動(dòng)態(tài)調(diào)整的發(fā)展。焊接專(zhuān)家系統(tǒng)產(chǎn) 生的信號(hào)通過(guò)控制電路的傳遞和轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)主電路功率開(kāi)關(guān)器件，使焊機(jī)主電路 產(chǎn)生相應(yīng)的輸出。對(duì)于目前所應(yīng)用的逆變電源，主要是通過(guò)PWM 方式控制功率器件通斷的頻率及占空比，實(shí)時(shí)得出相應(yīng)的控制波形3。顯然 PWM 控制脈沖的 實(shí)現(xiàn)難易性、可控性和穩(wěn)定性對(duì)

4、波形控制焊機(jī)的性能起著重要影響。有鑒于此， 我們以LPC2131(ARM)為控制核心，利用其內(nèi)部的 PWM 模塊產(chǎn)生脈沖并進(jìn)行外 圍處理，可按照焊機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)和輸出。本文詳細(xì)介紹了PWM 橋式逆變器控制脈沖的實(shí)現(xiàn)方案，并通過(guò)仿真和實(shí)測(cè)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。2 基于 ARM 的單路 PWM 脈沖產(chǎn)生 為使全橋逆變電源正常工作，需要兩路 PWM 分別驅(qū)動(dòng)兩組開(kāi)關(guān)器件以實(shí)現(xiàn)通斷 狀態(tài)控制。通常的數(shù)字化控制方式為用單片機(jī)產(chǎn)生具有一定相位關(guān)系而又相對(duì)獨(dú) 立的兩路 PWM 脈沖分別控制兩組開(kāi)關(guān)器件的通斷狀態(tài)，該方法占用系統(tǒng)資源， 且容易因干擾致使兩路 PWM 相位關(guān)系受到破壞，使焊機(jī)工作不穩(wěn)定，

5、嚴(yán)重則產(chǎn) 生直通，燒損器件，帶來(lái)嚴(yán)重影響4。因此，PWM 脈沖的產(chǎn)生及組合方式尤為 重要?；谝陨蠁?wèn)題的考慮，設(shè)計(jì)了一種基于 ARM 微處理器 LPC2131 的 PWM 脈沖產(chǎn) 生及中間轉(zhuǎn)換電路。圖 1 為系統(tǒng)原理圖。ARM 嵌入式處理器是具有極低功耗、 極低成本的高性能處理器。它具有十分卓越的性能，運(yùn)算速度快，精度高，而且 便于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的移植，真正成為實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)。對(duì)代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的 應(yīng)用可使用 16 位Thumb 指令集， 使代碼規(guī)模降低超過(guò) 30%， 而性能的損失卻很 小。 LPC2131 是 Philips公司推出的一款 16 位 ARM7TDMI-S 內(nèi)核的微控制器,小

6、型 LQFP64 封裝，裝帶有 8K的嵌入的高速 Flash 存儲(chǔ)器， 32K 的 SRAM， 并具有 豐富的片內(nèi)外設(shè)： 8 路 10 位 ADC、2 個(gè) 32 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，6 路 PWM 195 第五屆全國(guó)計(jì)算機(jī)在焊接中的應(yīng)用學(xué)術(shù)與技術(shù)交流會(huì)論文集， 2008 年 10 月 29 日 -11 月 3 日，廣西南寧輸出通道，多個(gè)串行接口，9 個(gè)邊沿或電平觸發(fā)外部中斷，多達(dá) 47 個(gè) 5V 的通用 I/O 口等，能夠大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)的外圍電路設(shè)計(jì)。通過(guò)片內(nèi) PLL 可實(shí)現(xiàn)最高 60MHz 的 CPU 操作頻率，具有極高的運(yùn)行速度5。S380Io圖 1 弧焊逆變器及 PWM 脈沖產(chǎn)生電路LPC2

7、131內(nèi)嵌PWM脈沖模塊， 可產(chǎn)生6路單邊沿控制的PWM脈沖或3路雙邊 沿PWM脈沖。本設(shè)計(jì)中采用一路雙邊沿控制的 PWM 脈沖，下面介紹其產(chǎn)生的 過(guò)程，如圖 2所示。首先對(duì) PWM 脈沖的各個(gè)參數(shù)通過(guò) PWM 寄存器進(jìn)行設(shè)置如 匹配寄存器PWMMR0、PWMMR1、PWMMR2 等的設(shè)置，然后鎖存并使能PWM 和 TC。當(dāng)計(jì)數(shù)器的值等于 PWMMR1 的值時(shí)，PWM 脈沖發(fā)生正跳變；當(dāng) 計(jì)數(shù)器的值等于 PWMMR2 時(shí)，PWM 脈沖發(fā)生負(fù)跳變，當(dāng)計(jì)數(shù)器的值等于PWMMR0 時(shí)，完成一個(gè) PWM 周期，以后按照此步驟輸出預(yù)設(shè)的 PWM，直至預(yù) 設(shè)值改變。主要 PWM 設(shè)置程序如下：LDR RO

8、,=PWM_BASELDR R1,=Ox404j SSTR R1,R0,#0 x4C;設(shè)定為雙邊沿模式控制MOV R1,#0 x02STR R1,R0,#14;匹配時(shí)復(fù)位定時(shí)器MOV R1,0 x10000STR R1,R0,#0 x18;設(shè)定 PWM 周期MOV R1,#2000STR R1,R0,#0 x1C;高電平匹配值MOV R1,#0 x7000STR R1,R0,#0 x20;低電平匹配值MOV R1,0 x07STR R1,R0,#0 x50;鎖存MOV R1,#0 x09STR R1,R0,#0 x04;使能啟動(dòng) PWM 定時(shí)器onnoLow voltagIHigh volta

9、(je電源工作時(shí)通過(guò)霍爾傳感器采集焊接電流和電壓，通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換后經(jīng)A/D 輸入ARM，然后通過(guò)程序判斷焊接狀態(tài)，繼而修改 ARM 內(nèi)部 PWM 模塊的相應(yīng)寄存 器的值，可對(duì)輸出的 PWM 脈沖的頻率、幅值和占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后輸出到驅(qū) 動(dòng)部件控制功率開(kāi)關(guān)器件的通斷，頻率不同則相應(yīng)的電壓就不同，這就實(shí)196李志剛等：ARM 控制數(shù)字化逆變焊機(jī) PWM 脈沖的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)了對(duì)焊接電壓的調(diào)整，如圖 3 所示。3 單路轉(zhuǎn)雙路的脈沖分頻電路在 ARM 內(nèi)部的 PWM 模塊產(chǎn)生一路頻率恒定、占空比可調(diào)的 PWM 后，可以輸 入可編程邏輯器件（GAL ）后經(jīng)內(nèi)部分頻輸出兩路 PWM，再經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路輸出到 功率開(kāi)關(guān)器

10、件。PWM 轉(zhuǎn)化電路如圖 4 所示，D 觸發(fā)器為一個(gè)基本分頻單元，輸 入端 D 與輸出反相端Q 相連，就組成了對(duì)輸入 PWM 脈沖進(jìn)行二分頻的分頻 器。轉(zhuǎn)換器件主要是D 觸發(fā)器和與非門(mén)。圖 5 為對(duì)電路進(jìn)行仿真得出的波形，從 圖中可以看出分頻波形嚴(yán)格按照幅值相同、頻率減半、相位相差180。的原則進(jìn)行轉(zhuǎn)換。經(jīng)過(guò)分析對(duì)比，選擇了 LATTICE 公司生產(chǎn)的可編程邏輯器件GAL22V10。G22V10 器件有 24 個(gè)引腳、11 個(gè)輸入端、多達(dá) 10 個(gè)輸出端，利用其內(nèi)部的與或陣列結(jié)構(gòu)，把輸入信號(hào)進(jìn)行不同組合可實(shí)現(xiàn)各種邏輯功能，產(chǎn)生不 同的控制信號(hào)。我們通過(guò) GAL22V10 將一路 PWM 分頻產(chǎn)

11、生了頻率減半、幅值相 同、相位相差 180的兩路脈沖。另外，還通過(guò) GAL 邏輯組合實(shí)現(xiàn)了對(duì)焊機(jī)交流 接觸器、軟啟動(dòng)開(kāi)關(guān)、氣閥、送絲機(jī)的控制以及對(duì)過(guò)熱過(guò)流信號(hào)的傳遞與顯示。圖 4. PWM 轉(zhuǎn)化原理圖 圖 5. PWM 輸入與輸出 GAL22V10 的波形圖 6 為 GAL 在數(shù)字化 C02 數(shù)字化焊機(jī)承擔(dān)驅(qū)動(dòng)和接口功能時(shí)的輸入輸出引腳， 其中PWM、EV、MH、SF、CJ、OIDO、OHDO 分別為驅(qū)動(dòng)脈沖、氣閥、送絲 機(jī)、軟啟動(dòng)開(kāi)關(guān)、交流接觸器的輸入信號(hào)； A/B 為預(yù)置和實(shí)時(shí)顯示切換信號(hào)；EVO、MHO、SFO、CJO、PWM1、PWM2、OHGO、OIGO 分別為氣閥、送 絲、軟開(kāi)關(guān)、

12、交流接觸器、分頻脈沖、過(guò)熱過(guò)流的輸出信號(hào)。焊機(jī)工作時(shí)， ARM 微處理器根據(jù)檢測(cè)到的信號(hào)輸出相應(yīng)的高低電平序列到 GAL，從而控制焊機(jī)主控 板上的繼電器和驅(qū)動(dòng)電路。PWMEVMHSFCJOIDOOHDCABEVOMHOSFOCJOPWMPWM2OHGCOIGO圖 6. GAL 輸入輸出引腳4 PWM 脈沖電路調(diào)試在確定原理， 編制程序， 燒寫(xiě)器件之后， 我們進(jìn)行了聯(lián)機(jī)調(diào)試： 經(jīng) ARM 輸出一 路 PWM波形之后，經(jīng)過(guò) GAL 分頻輸入 IGBT 的驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路，然后對(duì)其實(shí)際 波形進(jìn)行了測(cè)試。圖 7 為 PWM 產(chǎn)生與轉(zhuǎn)化波 197第五屆全國(guó)計(jì)算機(jī)在焊接中的應(yīng)用學(xué)術(shù)與技術(shù)交流會(huì)論文集，200

13、8 年 10 月 29 日-11 月 3 日，廣西南寧形，其中 1 為 LPC2131 產(chǎn)生的幅值為 3.3V，頻率為 40KHZ 的 PWM 脈沖，2、3 分別為 GAL22V10 產(chǎn)生的兩路幅值為 5V、頻率為 20KHz 相位相差 180o 的兩路 PWM 脈沖。與仿真波形對(duì)照，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出該設(shè)計(jì)方案是符合系統(tǒng)要求 的。圖 7 PWM 產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換的實(shí)測(cè)波形圖 8. EXB841 正常驅(qū)動(dòng)波形 圖 9. EXB841 過(guò)流保護(hù)波形5 結(jié)論(1) 本文設(shè)計(jì)了以LPC2131為控制核心的數(shù)字化焊機(jī)驅(qū)動(dòng) PWM脈沖信號(hào)的產(chǎn)生及 轉(zhuǎn)換電路，脈沖實(shí)現(xiàn)容易，控制方式靈活，為焊接過(guò)程控制提供了基礎(chǔ)。(2) 軟硬件相結(jié)合，通過(guò)對(duì)單路 PWM 信號(hào)分頻實(shí)現(xiàn)雙路脈沖輸出，提高了電源抗 干擾性能，增強(qiáng)焊機(jī)可靠性、穩(wěn)定性。(3) 從使用效果看，不僅減少了器件使用，減小了系統(tǒng)體積，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，而 且實(shí)現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)，給焊機(jī)生產(chǎn)、設(shè)計(jì)和維修帶來(lái)了方便。參考文獻(xiàn)1 胡繩蓀.現(xiàn)代弧焊電源及其控制北京：機(jī)械工業(yè)出社版，2007.2 黃彥源，鐘繼光，陳宇軍.CO2 焊的波形控制法機(jī)電工程技術(shù).2004，33(12):7-9.3