基于FPGA的数字化PMIG焊接电源设计

李莎，何晓阳，徐平平

（1.无锡太湖学院，江苏无锡214064；2.东南大学信息科学与工程学院，江苏南京210096；3.无锡汉神电气股份有限公司，江苏无锡214193）

信息化

基于FPGA的数字化PMIG焊接电源设计

李莎1，2，何晓阳3，徐平平2

（1.无锡太湖学院，江苏无锡214064；2.东南大学信息科学与工程学院，江苏南京210096；3.无锡汉神电气股份有限公司，江苏无锡214193）

采用IGBT（绝缘栅双极型晶体管）全桥式逆变结构设计焊接电源的主电路。根据PWM双闭环控制思路，选用EP3C10E144为FPGA（现场可编程门阵列）主控芯片，设计了包括IGBT驱动电路和保护电路在内的电源控制系统。焊接电流采用增量式PI控制算法，分析了算法的程序流程，能够得到较精确地输出电流波形，实现较理想的PWM控制信号。系统采用VHDL硬件描述语言编写程序，设计灵活便于调试。实现了性能稳定、精度高、适应性强的数字化焊接电源。

FPGA；数字；PM IG；IGBT；焊接电源

引言

PMIG焊，即脉冲熔化极气体保护焊，是利用焊接电源产生的脉冲电流来控制电弧的熔滴［1］，能在焊接平均电流低于临界值情况下实现射滴过渡，适当调节脉冲峰值电流的大小和占空比能控制熔滴过渡能量［2，3］，实现稳定、无飞溅、焊缝美观的焊接。可见，设计良好性能的焊接电源是保障焊接质量的必要条件，也是提高焊接效率的关键。

焊接电源根据驱动方式不同分为模拟式电源和数字化电源。传统的模拟式电源，焊接效率很低、抗干扰性差、控制精度不高，逆变频率和相关参数不可调，适用面低，如基于SG3526的电压型PWM（脉冲宽度调制）电源、基于UC3846的电流型PWM电源等［4-5］。数字化电源主要采用MCU（单片机）、DSP（数字信号处理器）或EDA（电子设计自动化）技术。常见的“MCU+DSP”虽然其内部已经集成了PWM模块，但PWM信号频率难于精确控制、信号形式单一从而限制了电路设计的灵活性。FPGA（现场可编程门阵列）是EDA技术之一，能在硬件基础上，通过VHDL或Verilog HDL硬件描述语言编程设计，可在线仿真、调试，设计灵活，性能稳定。为此，设计了以FPGA为主控单元的数字化焊接电源，系统主要包括主电路、控制电路和显示电路三个部分。

1　主电路

PMIG焊接电源的主电路采用AC-DC-AC-DC转换形式，与AC-DC形式的电源相比，具有体积小、高效节能、动态特性好等特点［3］。

由于主电路使用IGBT（绝缘栅双极型晶体管）全桥式逆变结构，这种焊接电源又称为逆变电源，其电路原理图如图1所示。输入的三相交流电通过整流、滤波输出直流电压，经过IGBT全桥逆变电路转换为交流电压，再经中频变压器T降压、整流滤波后转换为直流电流，由电感L输出到电弧负载，从而控制电弧的熔滴，完成焊接。

图1　主电路原理图

2　控制电路

传统的控制电路是由DSP自带的AD模块完成模数转换，实现PI算法和弧长控制，再由DAC芯片实现PWM输出，实现焊接电压和电流的双闭环控制［6］。这种PWM控制信号是通过模拟电路来实现的，技术成熟，但可靠性差、精度低。本系统采用以FPGA为主控单元的数字化控制电路，其主要功能是为主电路提供所需的PWM信号，同时驱动IGBT正常工作，实现焊接电流PI（比例-积分）控制。

2.1FPGA主控单元

以FPGA为主控单元的电源控制电路结构框图如图2所示。霍尔传感器将获取的焊接电压/电流，经A/D采样后，输入FPGA，FPGA对采样值与给定值进行一系列闭环运算，比较输出PWM信号，再经IGBT驱动电路输出四路PWM至IGBT，进入电源主电路。FPGA核心芯片选用Altera公司的EP3C10E144，其多达414Kbits的嵌入式RAM总量、23个嵌入式乘法器和94个通用I/O口为实现高速运算提供了保障，可完成A/D采样、PWM控制、变参数分段PI（比例、积分）控制等功能。FPGA的常用开发软件QuartusII支持多种设计输入方式，可使用电路原理图编辑器设计，也可以通过VHDL或Verilog HDL硬件描述语言编程设计，软件集成了多个标准模块，设计简便。

图2　控制电路结构框图

2.2IGBT驱动电路

由于IGBT是电压驱动，其栅源极间的电压不能超过额定值。为了保证IGBT可靠的导通与断开，采用正电压实现导通、负电压实现断开，其输出电阻应尽量小，以减少栅极电容的充放电时间，提高IGBT的开关速度。驱动电路结构框图如图3所示。数字驱动电路将输入的PWM脉冲信号放大，经MOSFET（金属-氧化物半导体场效应晶体管）推挽输出，再经脉冲变压器隔离进入充放电电路，输出驱动IGBT。

保护电路主要实现对IGBT的欠压、过流和过热保护。欠压保护是防止供电电压不稳定，信号由NE555的触发端输入。过流保护是防止外界干扰产生的脉冲尖峰电流损坏IGBT。过热保护采用温度传感器进行检测，可避免IGBT在长时间工作后严重发热从而造成损坏。

图3　IGBT驱动电路结构框图

2.3焊接电流PI控制

工业控制中常用PID（比例-积分-微分）控制技术，但微分环节会放大噪声干扰使电流剧烈变化。PID控制算法又分为位置式和增量式。位置式算法，是从初始值开始累加，算法简单，但计算量大、容易出错。增量式算法，只需加上相邻偏差值即可，不易出错，控制效果较好。综合考虑以上因素，在此选用增量式PI控制算法。

增量式PI控制的数学模型：

式中，e（t）是阈值与实际值的偏差，kp是比例系数，ki是积分系数。由于采用数字化控制，信号是离散的，将式（1）化为：

图4　PI控制的程序流程图

3　显示电路

为了提高电源的实用性，显示电路需包含显示和输入两个主要功能。以MCU为主控单元，选用LED（发光二极管）和数码管，旋转编码器配合键盘输入，实现焊接参数的显示、设置与输出等。MCU单元选择Freescale公司的16位的MC9S12DG128。通过RS-232标准总线将焊接参数输入FPGA，开始焊接后，FPGA再由RS-232串口通讯发送实时数据给LED和数码管显示，同时通过按键还能输出数据波形。

输入电路采用按键与旋转编码器相结合的方式。旋转编码器具有易调节、响应速度快、精度高的特点，可输出AB两相脉冲信号。当A相脉冲超前B相脉冲1/4周期时，称为正转；当B相脉冲超前A相脉冲1/4周期时，称为反转。

LED主要作为焊接状态的指示灯。数码管包括6个七段字符数码管和2个米字数码管，其中七段数码管显示参数值，米字数码管以字符形式显示参数类型。

4　结论

采用IGBT全桥式逆变结构设计主电路，性能稳定、精度高、适应性强。根据PWM双闭环控制思路，以FPGA为主控单元，配合IGBT驱动电路、保护电路和显示电路，采用VHDL编程控制，设计灵活便于调试。焊接电流采用增量式PI控制算法，精确控制输出电流波形，实现较理想的PWM控制信号。为保证焊接质量和焊接效率，完成了性能良好的数字化焊接电源的设计。

［1］赵雪纲.PMIG弧焊电源数字化控制策略的研究与实现［D］.济南:山东大学，2011.

［2］杨文杰，廖平.基于DSP控制的PMIG焊接设备［J］.焊接学报，2007，28（7）:77-80.

［3］崔佳梅，刘丕亮.基于DSP的数字弧焊逆变电源系统的研究［J］.自动化与仪器仪表，2009（5）:120-122；129.

［4］徐腾飞.脉冲MIG焊机的数字化控制系统研究与实现［D］.济南:山东大学，2012.

［5］段彬，孙同景.基于FPGA全数字逆变电源驱动电路设计及应用［J］.焊接学报，2009，30（6）:95-98.

［6］王金柱.基于DSP的脉冲MIG焊全数字化控制［D］.北京:北京工业大学，2007.

（编辑：李媛）

Design of Digital PM IG W elding Power Source Based on FPGA

Li Sha1，2，He Xiaoyang3，Xu Pingping2
（1.Taihu University ofW uxi，WuxiJiangsu 214064；2.School of Information Science and Engineering，Southeast University，NanjingJiangsu 214122；3.Wuxi HANSHEN Electrical Co.，Ltd.，W uxiJiangsu 214193）

Themain circuitofwelding power source is designed according to IGBT full-bridge converter.EP3C10E144 is themain control chip of FPGA.The control system includes IGBT drive circuitand protection circuit.To get precise output pulse，incremental PI algorithm is used to analyze flowchart.The system is easy to design and debug by VHDL，and it is stable performance，high precision and strong adaptability.

FPGA；digital；PMIG；IGBT；welding power source

TG434

A

2095-0748（2016）17-0081-03

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.17.34

2016-08-10

科技部科技型中小企业技术创新基金项目（13C26113202099）

李莎（1981—），女，工学硕士，毕业于浙江大学，现就职于无锡太湖学院物联网学院电子工程系，讲师，主要从事电子技术与物联网应用研究。