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基于DSP的弧焊逆變電源數(shù)字化控制系統(tǒng)的設(shè)計

發(fā)布時間:2007/8/23 0:00:00 訪問次數(shù):482

弧焊逆變電源(亦稱弧焊逆變器)是一種高效、節(jié)能、輕便的新型弧焊電源。目前,采用ICBT作為功率控制器件來提高功率主電路的控制 性和穩(wěn)定性,以8位和16位單片機(jī)作為控制核心進(jìn)行焊接程序控制和焊接參數(shù)運算處理,提高了弧焊逆變電源的操作性。 數(shù)字信號處理器(DSP)的廣泛普及和應(yīng)用,為弧焊逆變電源控制系統(tǒng)的全數(shù)字化提供了必要的硬件和軟件基礎(chǔ)。


DSP與單片機(jī)性能比較分析


單片機(jī)(MCU)廣泛應(yīng)用于家用電器、工業(yè)控制和智能終端,主要起控制作用。DSP可高速地實現(xiàn)過去由軟件實現(xiàn)的大部分算法。表1比較了典型單片機(jī)和DSP的性能指標(biāo)。


由表1可知,與單片機(jī)相比,DSP的優(yōu)勢表現(xiàn)為:數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、高運算速度、能實時完成復(fù)雜計算、單周期多功能指令、PWM分辨率 高、更短的采樣周期。



表1 典型單片機(jī)和DSP的性能比較 


就目前技術(shù)現(xiàn)狀,將DSP和單片機(jī)結(jié)合起來設(shè)計系統(tǒng)是一種很好的方法,充分發(fā)揮單片機(jī)控制能力強(qiáng)的特點和DSP強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度的優(yōu)勢。從而提高弧焊逆變電源控制系統(tǒng)的精度和實時性,滿足弧焊逆變電源更高的性能要求。


目前適用于弧焊逆變電源控制的DSP主要有TI公司的TMS320C2000系列、ADI公司的ADSP2100系列、Motorola公司的 DSP56F800系列。下面以TI公司的16位定點TMS320LF2407A為例說明DSP的結(jié)構(gòu)。



由圖1可見DSP的結(jié)構(gòu)特征特別有利于在控制系統(tǒng)中應(yīng)用,主要表現(xiàn)為:


改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu);流水線操作;采用硬件乘法器;快速的指令周期;TMS320LF2407A的時鐘頻率達(dá)到40MHz,即指令周期為25ns,運算能力為40MIPS(每秒百萬條指令)。芯片有一套專門為數(shù)字信號處理而設(shè)計的指令系統(tǒng)。指令簡化了數(shù)字信號處理過程,優(yōu)化的事件管理模塊和外圍電路:從圖1可見在DSP芯片中集成了A/D轉(zhuǎn)換、大容量存儲器、定時器、比較單元、捕獲單元、PWM波形發(fā)生器、數(shù)字I/O口、SPI、SCI、 CAN,其中4個通用定時器和12個比較單元的結(jié)合能產(chǎn)生多達(dá)16路的PWM輸出,足以滿足IGBT主電路的驅(qū)動。


此外,TMS320LF2407A具有快速的中斷處理能力、數(shù)據(jù)指針的逆序?qū)ぶ饭δ、硬件尋址控制以及多種節(jié)電模式等特有的性能,這些特性將有利于TMS320LF2407A在弧焊逆變電源控制中的應(yīng)用。


控制系統(tǒng)組成與工作原理


根據(jù)單片機(jī)和DSP的各自優(yōu)勢,我們選擇了以單片機(jī)為上位機(jī),DSP為下位機(jī)的弧焊逆變電源控制系統(tǒng)解決方案.



控制系統(tǒng)由單片機(jī)、DSP、鍵盤、顯示、電弧電壓和焊接電流采樣系統(tǒng)、送絲控制系統(tǒng)組成,與以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)相比大大簡化了系統(tǒng)組成。


方案中的單片機(jī)采用Winbond公司的W77E58,DSP為TI公司的TMS320LF2407A。


在這一方案中單片機(jī)主要完成焊接程序控制和人機(jī)接口, 因人機(jī)接口對速度要求是比較低的, 對控制能力的要求較高,人機(jī)接口功能包括:焊接參數(shù)的給定及實時顯示。


DSP主要完成采樣信號的反饋運算及PWM脈沖序列的生成,DSP根據(jù)電弧電壓和焊接電流的反饋量和單片機(jī)提供的給定值在DSP內(nèi)部完成 復(fù)雜的算術(shù)邏輯運算,輸出適當(dāng)寬度的PWM脈沖信號,經(jīng)驅(qū)動放大后用于IGBT柵極驅(qū)動,以控制電源的輸出電流、電壓,實現(xiàn)弧焊逆變電源的控制。單片機(jī)和DSP之間的通信由SCI串行接口實現(xiàn)。
控制系統(tǒng)重要組成部分基本工作原理分述如下:


電流反饋


本系統(tǒng)采用零磁通霍爾元件電流傳感器來檢測電流,由于TMS320LF2407A的A/D輸入信號范圍為0~5V,因此,必須將霍爾元件輸出的小電流信號首先變換為電壓信號,再經(jīng)放大濾波后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換通道。


PWM輸出和功率驅(qū)動


TMS320LF2407A的PWM發(fā)生電路可產(chǎn)生16路具有可編程死區(qū)和可變輸出極性的PWM信號,有從0~16us的可編程死區(qū)發(fā)生器控制PWM輸出,可以避免產(chǎn)生短路而擊穿功率器件。功率驅(qū)動采用變壓器驅(qū)動。
 
保護(hù)功能


為了保證系統(tǒng)中功率轉(zhuǎn)換電路及柵極驅(qū)動電路安全可靠地工作。TMS320LF2407A提供了PDPINT引腳,利用它可方便地實現(xiàn)控制系統(tǒng)的過壓、過流、欠壓、過溫等保護(hù)功能。


各種故障信號經(jīng)光電隔離后輸入到PDPINT引腳,有任何故障狀態(tài)出現(xiàn)時PDPINT引腳被拉為低電平,此時DSP內(nèi)定時器立即停止計數(shù),所有PWM輸出引腳全部呈高阻狀態(tài),現(xiàn)時產(chǎn)生中斷信號,通知CPU有異常情況發(fā)生。整個過程不需要程序干預(yù),全部自動完成,這對實現(xiàn)各種故障狀態(tài)的快速處理非常有用。


控制系統(tǒng)特點


基于DSP從以下各個方面改善了弧焊逆變電源控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo):


設(shè)計方面


傳統(tǒng)的單片機(jī)弧焊逆變電源控制系統(tǒng)其組成元器件較多,元

弧焊逆變電源(亦稱弧焊逆變器)是一種高效、節(jié)能、輕便的新型弧焊電源。目前,采用ICBT作為功率控制器件來提高功率主電路的控制 性和穩(wěn)定性,以8位和16位單片機(jī)作為控制核心進(jìn)行焊接程序控制和焊接參數(shù)運算處理,提高了弧焊逆變電源的操作性。 數(shù)字信號處理器(DSP)的廣泛普及和應(yīng)用,為弧焊逆變電源控制系統(tǒng)的全數(shù)字化提供了必要的硬件和軟件基礎(chǔ)。


DSP與單片機(jī)性能比較分析


單片機(jī)(MCU)廣泛應(yīng)用于家用電器、工業(yè)控制和智能終端,主要起控制作用。DSP可高速地實現(xiàn)過去由軟件實現(xiàn)的大部分算法。表1比較了典型單片機(jī)和DSP的性能指標(biāo)。


由表1可知,與單片機(jī)相比,DSP的優(yōu)勢表現(xiàn)為:數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、高運算速度、能實時完成復(fù)雜計算、單周期多功能指令、PWM分辨率 高、更短的采樣周期。



表1 典型單片機(jī)和DSP的性能比較 


就目前技術(shù)現(xiàn)狀,將DSP和單片機(jī)結(jié)合起來設(shè)計系統(tǒng)是一種很好的方法,充分發(fā)揮單片機(jī)控制能力強(qiáng)的特點和DSP強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度的優(yōu)勢。從而提高弧焊逆變電源控制系統(tǒng)的精度和實時性,滿足弧焊逆變電源更高的性能要求。


目前適用于弧焊逆變電源控制的DSP主要有TI公司的TMS320C2000系列、ADI公司的ADSP2100系列、Motorola公司的 DSP56F800系列。下面以TI公司的16位定點TMS320LF2407A為例說明DSP的結(jié)構(gòu)。



由圖1可見DSP的結(jié)構(gòu)特征特別有利于在控制系統(tǒng)中應(yīng)用,主要表現(xiàn)為:


改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu);流水線操作;采用硬件乘法器;快速的指令周期;TMS320LF2407A的時鐘頻率達(dá)到40MHz,即指令周期為25ns,運算能力為40MIPS(每秒百萬條指令)。芯片有一套專門為數(shù)字信號處理而設(shè)計的指令系統(tǒng)。指令簡化了數(shù)字信號處理過程,優(yōu)化的事件管理模塊和外圍電路:從圖1可見在DSP芯片中集成了A/D轉(zhuǎn)換、大容量存儲器、定時器、比較單元、捕獲單元、PWM波形發(fā)生器、數(shù)字I/O口、SPI、SCI、 CAN,其中4個通用定時器和12個比較單元的結(jié)合能產(chǎn)生多達(dá)16路的PWM輸出,足以滿足IGBT主電路的驅(qū)動。


此外,TMS320LF2407A具有快速的中斷處理能力、數(shù)據(jù)指針的逆序?qū)ぶ饭δ、硬件尋址控制以及多種節(jié)電模式等特有的性能,這些特性將有利于TMS320LF2407A在弧焊逆變電源控制中的應(yīng)用。


控制系統(tǒng)組成與工作原理


根據(jù)單片機(jī)和DSP的各自優(yōu)勢,我們選擇了以單片機(jī)為上位機(jī),DSP為下位機(jī)的弧焊逆變電源控制系統(tǒng)解決方案.



控制系統(tǒng)由單片機(jī)、DSP、鍵盤、顯示、電弧電壓和焊接電流采樣系統(tǒng)、送絲控制系統(tǒng)組成,與以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)相比大大簡化了系統(tǒng)組成。


方案中的單片機(jī)采用Winbond公司的W77E58,DSP為TI公司的TMS320LF2407A。


在這一方案中單片機(jī)主要完成焊接程序控制和人機(jī)接口, 因人機(jī)接口對速度要求是比較低的, 對控制能力的要求較高,人機(jī)接口功能包括:焊接參數(shù)的給定及實時顯示。


DSP主要完成采樣信號的反饋運算及PWM脈沖序列的生成,DSP根據(jù)電弧電壓和焊接電流的反饋量和單片機(jī)提供的給定值在DSP內(nèi)部完成 復(fù)雜的算術(shù)邏輯運算,輸出適當(dāng)寬度的PWM脈沖信號,經(jīng)驅(qū)動放大后用于IGBT柵極驅(qū)動,以控制電源的輸出電流、電壓,實現(xiàn)弧焊逆變電源的控制。單片機(jī)和DSP之間的通信由SCI串行接口實現(xiàn)。
控制系統(tǒng)重要組成部分基本工作原理分述如下:


電流反饋


本系統(tǒng)采用零磁通霍爾元件電流傳感器來檢測電流,由于TMS320LF2407A的A/D輸入信號范圍為0~5V,因此,必須將霍爾元件輸出的小電流信號首先變換為電壓信號,再經(jīng)放大濾波后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換通道。


PWM輸出和功率驅(qū)動


TMS320LF2407A的PWM發(fā)生電路可產(chǎn)生16路具有可編程死區(qū)和可變輸出極性的PWM信號,有從0~16us的可編程死區(qū)發(fā)生器控制PWM輸出,可以避免產(chǎn)生短路而擊穿功率器件。功率驅(qū)動采用變壓器驅(qū)動。
 
保護(hù)功能


為了保證系統(tǒng)中功率轉(zhuǎn)換電路及柵極驅(qū)動電路安全可靠地工作。TMS320LF2407A提供了PDPINT引腳,利用它可方便地實現(xiàn)控制系統(tǒng)的過壓、過流、欠壓、過溫等保護(hù)功能。


各種故障信號經(jīng)光電隔離后輸入到PDPINT引腳,有任何故障狀態(tài)出現(xiàn)時PDPINT引腳被拉為低電平,此時DSP內(nèi)定時器立即停止計數(shù),所有PWM輸出引腳全部呈高阻狀態(tài),現(xiàn)時產(chǎn)生中斷信號,通知CPU有異常情況發(fā)生。整個過程不需要程序干預(yù),全部自動完成,這對實現(xiàn)各種故障狀態(tài)的快速處理非常有用。


控制系統(tǒng)特點


基于DSP從以下各個方面改善了弧焊逆變電源控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo):


設(shè)計方面


傳統(tǒng)的單片機(jī)弧焊逆變電源控制系統(tǒng)其組成元器件較多,元

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