朱偉建1 ，劉連華2
（1.上海大學(xué)電力電子與電力傳動專業(yè)，上海 200072；
2.上海威特力焊接設(shè)備制造股份有限公司，上海 201204）
摘要： 本文設(shè)計(jì)了一款WS-200逆變弧焊數(shù)字化控制電源，采用萊姆公司的LT208-S7型高精度霍爾電流傳感器采樣輸出電流信號。本設(shè)計(jì)采用輸出電流反饋的數(shù)字化PID控制，逆變電源的輸出性能得到改善，兼顧了輸出響應(yīng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)特性。
關(guān)鍵詞： 霍爾電流傳感器；逆變；弧焊電源；數(shù)字化控制；脈寬調(diào)制
中圖分類號：TM382、TG444 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1 , LIU Lian-hua2 (1.Shanghai University，Shanghai，200072；2.Shanghai WTL Welding Equipment Manufacture CO.，LTD，Shanghai，201204)
Abstract ： This paper presents the design of WS-200 digital arc welding power supply. The proposed control scheme uses a new type of LEM hall current transducer LT208-S7 to sample the output current. Based on this, the output current waveform is optimized. The digital PID control of output current feedback is easy to give attention to static and dynamic performance of the power supply. The experimental results show this power supply has perfect performance and stability in this paper.
Key words: Hall Current Transducer; Inverter; Arc Welding Supply; Digital Control; Pulse Width Modulator (PWM) 1 引言
金屬焊接是指通過適當(dāng)?shù)氖侄�，使兩個(gè)分離的金屬物體產(chǎn)生原子或分子間結(jié)合而連接成一體的連接方法。焊接是金屬加工和制造業(yè)的重要加工工藝，它是一種精確、可靠、低成本永久性連接材料的方法。焊接方法種類繁多，但應(yīng)用最廣泛的仍為電弧焊。
我國電焊機(jī)行業(yè)生產(chǎn)的逆變焊機(jī)技術(shù)已基本成熟，產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性已基本滿足用戶需求，逆變技術(shù)正迅速進(jìn)入焊接產(chǎn)品的各個(gè)領(lǐng)域，可以說逆變焊機(jī)是電焊機(jī)的發(fā)展主要方向。1993年在德國埃森焊接展覽會上，芬蘭的KEMPPI(肯比)公司發(fā)布了世界上第一款數(shù)字控制的焊接系統(tǒng)—Kemppi PRO，從此數(shù)字化焊機(jī)的發(fā)展引起了廣泛的關(guān)注。而奧地利Fronius（福尼斯）公司于1998年推出世界上第一批全數(shù)字MIG焊機(jī)標(biāo)志著數(shù)字化焊機(jī)的實(shí)用化。
目前，我國數(shù)字化焊接電源的研究還處于起步階段，有待于更深層次的開發(fā)和研究，有著廣泛的研究空間。根據(jù)中國電器工業(yè)協(xié)會電焊機(jī)分會的電焊機(jī)行業(yè)“十一五”規(guī)劃：“我國的電焊機(jī)行業(yè)任重而道遠(yuǎn)，需盡快調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、提高產(chǎn)品檔次、順應(yīng)市場要求；盡快完善并采用數(shù)字化逆變電源和高效氣體保護(hù)焊機(jī)。大力發(fā)展氣體保護(hù)焊、大力推進(jìn)運(yùn)用逆變焊接電源是今后5年的工作方向。國產(chǎn)數(shù)字化焊機(jī)技術(shù)將達(dá)到國外20世紀(jì)90年代水平。逆變焊機(jī)將向數(shù)字化、輕巧化、節(jié)能化、高可靠性化方向發(fā)展……”。
在現(xiàn)代焊接領(lǐng)域，弧焊逆變電源的數(shù)字化控制技術(shù)為焊接設(shè)備的發(fā)展開拓出了一個(gè)全新的發(fā)展空間，具有控制精度高，焊縫成型一致性好、擴(kuò)展性強(qiáng)、操作方便、便于生產(chǎn)自動化等優(yōu)點(diǎn)，主要用于大型設(shè)備制造、鋼結(jié)構(gòu)、汽車業(yè)、薄板焊接、壓力容器制造、軌道及車輛業(yè)制造及修補(bǔ)、自動化設(shè)備制造、管道、造船業(yè)以及家用設(shè)備制造等眾多行業(yè)。數(shù)字化焊接技術(shù)作為焊接產(chǎn)業(yè)新的發(fā)展方向有著原有模擬設(shè)備不可比擬的優(yōu)越性。
目前我國在數(shù)字化焊機(jī)方面的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外發(fā)達(dá)國家，國外的數(shù)字化焊機(jī)在國內(nèi)占據(jù)了很大的份額，而且國外數(shù)字化焊機(jī)價(jià)格非常昂貴。數(shù)字化焊接電源的研究不僅可以降低國內(nèi)應(yīng)用焊機(jī)的行業(yè)的生產(chǎn)成本，而且可以以低成本、高質(zhì)量、高穩(wěn)定性的優(yōu)勢大量銷往國外，為國家出口創(chuàng)匯。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案簡介
在電弧焊接領(lǐng)域，隨著逆變技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字化控制技術(shù)的應(yīng)用，逐漸形成了由逆變主電路代替?zhèn)鹘y(tǒng)的主電路和由數(shù)字控制代替模擬控制的趨勢。焊機(jī)的數(shù)字化包括兩方面的內(nèi)容即主電路的數(shù)字化和控制電路的數(shù)字化。在主電路方面焊接電源從模擬式焊機(jī)發(fā)展到逆變式焊機(jī)，實(shí)際上是完成了主電路從模擬到數(shù)字化的跨越。因此對于所謂的數(shù)字化逆變弧焊電源來講，一般也就是針對控制電路部分來講的。
圖1 逆變焊接電源主回路原理圖
如圖1所示，逆變焊機(jī)電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法即：50Hz交流電經(jīng)全橋整流變成直流，IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成幾十K至上百K的高頻脈沖波形，經(jīng)高頻變壓器耦合，整流濾波后提供穩(wěn)定的直流電，供電弧使用。
圖2 四種典型直流輸出外特性曲線
圖2所示為弧焊逆變電源的輸出外特性伏安曲線，可以看出總體上可分為兩種即恒壓特性曲線（平特性）和恒流特性曲線（包括緩降特性、陡降特性、垂特性等等）。以上輸出特性是根據(jù)焊接方法的要求不同而輸出特性也不同。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是一款WS系列（即手工焊氬弧焊機(jī)）的弧焊逆變電源，考慮焊接工藝要求，輸出特性為陡降的恒流伏安特性（如圖3所示）。
圖3 WS系列弧焊電源負(fù)載特性曲線
氬弧焊的約定負(fù)載電壓U2與約定焊接電流I2之間的關(guān)系式如下：
U2 ＝10＋0.04 I2 （V）
本設(shè)計(jì)為一款型號為WS-200的逆變弧焊電源，其設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)如下：
表1 技術(shù)參數(shù)列表
型號
技術(shù)參數(shù)
WS-200
輸入電源
單相AC220/230V
工頻（50Hz）
額定輸入電流（A）
27(TIG)
38.9(MMA)
焊接電流
調(diào)節(jié)范圍（A）
10～200
最大空載電壓(V)
63
前送氣時(shí)間（S）
0.1
后送氣時(shí)間（s）
3～10
由于逆變焊接電源的負(fù)載是電弧，是一種特殊的非線性負(fù)載，給定信號與反饋信號的時(shí)間差難以控制，且負(fù)載的變化范圍較大，使得整個(gè)系統(tǒng)的控制模型成為高階性，復(fù)雜性顯著增加。焊接過程是一個(gè)時(shí)變、非線性并有很強(qiáng)干擾的過程，要對焊接電壓、焊接電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制，控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度必須足夠快，可靠性好。因此選用算法簡單的PID參數(shù)整定（如圖4所示），由于調(diào)節(jié)器中積分器的存在可以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，且調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)容易調(diào)整且經(jīng)長期工業(yè)控制中的應(yīng)用控制思想更加完善。
圖4 PWM控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
可從上圖中看出，本系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，其控制思想是由用戶接口即面板得到參數(shù)給定，通過該給定與反饋采樣輸出信號比較運(yùn)算，通過PID參數(shù)整定生成PWM控制波形，控制主回路的功率開關(guān)管動作從而實(shí)現(xiàn)輸出特性跟隨輸入。PID控制以其簡單、參數(shù)易于整定、發(fā)展成熟的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐之中。早期的逆變焊機(jī)采用的控制技術(shù)多為模擬PID控制，但僅僅單純利用輸出電壓有效直反饋或輸出電壓瞬時(shí)值反饋進(jìn)行模擬PID控制調(diào)節(jié)，其電源性能尤其是動態(tài)性能不太理想，若引入電流電壓環(huán)雙環(huán)控制則可使逆變焊接電源的輸出特性得到很大改善。在此控制系統(tǒng)中，微分環(huán)節(jié)的加入對于改善系統(tǒng)的動態(tài)性能有一定好處，但是由于微分環(huán)節(jié)對于穩(wěn)態(tài)性能的提高產(chǎn)生了負(fù)面作用，因此實(shí)際控制中，只在反饋值與輸入給定之間的偏差超限時(shí)才加入微分控制算法，而通常情況下控制算法中摒棄微分環(huán)節(jié)，因此圖4中未標(biāo)識PID調(diào)節(jié)，而僅僅以PI調(diào)節(jié)作為圖示。
3 控制策略
本系統(tǒng)控制部分構(gòu)成為：富士通的16位單片機(jī)構(gòu)成面板參數(shù)給定和A/D系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、焊接即時(shí)狀態(tài)顯示。而PWM脈沖生成部分由FPGA芯片通過與單片機(jī)接口采樣A/D轉(zhuǎn)換的信號，并根據(jù)此數(shù)值與給定參數(shù)比較的差值進(jìn)行PID參數(shù)整定，生成占空比可變的脈沖控制功率開關(guān)管。如下圖5所示：
圖5 數(shù)字控制系統(tǒng)組成
在PWM反饋控制模式的基本工作原理是在輸入電壓、內(nèi)部參數(shù)或外接負(fù)載變化的情況下，控制電路通過被控制信號與基準(zhǔn)信號的差值進(jìn)行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)主電路開關(guān)器件的導(dǎo)通脈沖寬度，使得逆變電源的輸出電流恒定。在此系統(tǒng)控制應(yīng)用中PWM的開關(guān)頻率為恒定值，控制采樣信號有輸出電壓、輸出電流等等。
本系統(tǒng)采用瞬時(shí)值反饋的數(shù)字PID控制，控制算法簡單可靠，系統(tǒng)的魯棒性好，輸出波形既能保證動態(tài)性能又可以兼顧穩(wěn)態(tài)性能。本系統(tǒng)的控制參數(shù)為輸出電流波形，控制精度的好壞以及輸出特性的優(yōu)良與否在很大程度上取決于輸出反饋參數(shù)的精度，傳感器在主回路中安裝位置如圖6所示：
圖6 傳感器安裝位置
本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)恒流特性，需要進(jìn)行恒值控制來實(shí)現(xiàn)，因而必須設(shè)計(jì)好精度高、采樣速度快的恒值反饋采樣電路，尤其是選用精度以及穩(wěn)定性很高的電流傳感器。而霍爾傳感器則是這種需求的最優(yōu)選擇。線性霍爾傳感器一般由霍爾元件、差分放大器和射極跟隨器組成，其體積小、外圍電路簡單、頻帶寬、動態(tài)特性好、壽命長有很高的靈敏度和優(yōu)良的線性度，并具有電磁隔離的功能而被廣泛應(yīng)用于逆變弧焊電源中。
4 電流傳感器選型
在電量參數(shù)測量領(lǐng)域內(nèi)，作為首屈一指的領(lǐng)導(dǎo)廠商萊姆（LEM）公司的霍爾電流傳感器由于其穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品性能成為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首選。（注：此外由于本款焊接電源用于出口德國，德國廠商特別指定優(yōu)先選用LEM傳感器）
LEM的產(chǎn)品線非常豐富，對于本設(shè)計(jì)最大輸出電流為200安培，因此在本設(shè)計(jì)中可選的霍爾電流傳感器有如下幾款：
表2 LEM系列電流傳感器選型
名稱
額定
電流
A
副邊
輸出
總體精度
技術(shù)
類型
LT208-S7
200
100mA
0.5
閉環(huán)
LA200-P
200
100mA
0.4~1.5
閉環(huán)
LA205-S
200
100mA
0.4~1.5
閉環(huán)
BLF200-S7
200
4V
見
線性度表
開環(huán)
開環(huán)電流霍爾傳感器
圖7閉環(huán)與開環(huán)電流霍爾傳感器原理圖
如圖7所示，閉環(huán)霍爾電流傳感器是用霍爾器件作為核心敏感元件、用于隔離檢測電流的模塊化產(chǎn)品，其工作原理是霍爾磁平衡式的(或稱霍爾磁補(bǔ)償式、霍爾零磁通式)。當(dāng)電流流過一根長的直導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，磁場的大小與流過導(dǎo)線的電流的大小成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢測，由于磁場的變化與霍爾器件的輸出電壓信號有良好的線性關(guān)系，因此，可以用測得的輸出信號，直接反應(yīng)導(dǎo)線中電流的大小。
考慮到系統(tǒng)對霍爾電流傳感器精度的要求，因此選擇傳感器時(shí)著重考慮閉環(huán)類型的霍爾電流傳感器，經(jīng)過反復(fù)比較適用的余下幾款傳感器參數(shù)，以及咨詢LEM公司的技術(shù)支持，在性能和性價(jià)比之間做了最佳的折中，最終選定LT208-S7型的霍爾電流傳感器。其具體性能參數(shù)如下：
原邊額定電流有效值IPN ：200A
原邊電流測量范圍IP ：0～±300A
副邊額定有效值電流為IS ：100mA
轉(zhuǎn)換率KN ＝NP ：NS 為：1：2000
測量電阻RM ：0～73歐姆（±15供電）
總精度：±0.5％
線性度：小于0.1％
反應(yīng)時(shí)間：小于500ns
響應(yīng)時(shí)間：小于1us
di /dt 跟隨精度：大于100A/us
如常規(guī)電流傳感器一樣，該傳感器都有正極（+）、負(fù)極（-）、測量端（M）及地（0）四個(gè)管腳， 本設(shè)計(jì)中通過四芯插座接線至控制PCB板。
圖8 系統(tǒng)中霍爾傳感器接線圖
電流傳感器的應(yīng)用計(jì)算公式如下：
NP ×IP = NS ×IS 計(jì)算原邊或副邊電流；VM = RM ×I 計(jì)算測量電壓；（RM 為采樣電阻）
VS = RS ×IS 計(jì)算副邊電壓；
VA = &# 8710;E + VS + VM 計(jì)算供電電壓。
本設(shè)計(jì)中，在給定供電電壓VA 的情況下，計(jì)算測量電壓VM 和測量電阻RM ：
假設(shè)：供電電壓VA=±15V
根據(jù)上述公式得：
測量電壓VM =5V；
測量電阻RM =VM /IS =50Ω；
副邊電流IS =0.1A。
所以當(dāng)我們選用50Ω的精密測量電阻時(shí)（注意：測量電阻選擇一定要考慮其溫度系數(shù)，盡量選擇溫漂小、高精度的電阻），在傳感器測量電流值達(dá)到額定電流200A時(shí)，其輸出電流信號為100mA ，測量電壓為5V。 因?yàn)橄到y(tǒng)中采用16位富士通單片機(jī)自帶的10位A/D轉(zhuǎn)換器，其采樣范圍在0～5V之間，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最大輸出電流為200A，因此選用50歐姆采樣電阻適宜于本設(shè)計(jì)。
為提高采樣精度，安裝霍爾傳感器時(shí)我們著重注意了以下四點(diǎn)：
1、原邊導(dǎo)線應(yīng)放置于傳感器內(nèi)孔中心，盡可能不要放偏；
2、原邊導(dǎo)線盡可能完全填滿傳感器內(nèi)孔，盡量不要留有空隙；
3、需要測量的電流完全對應(yīng)于傳感器的標(biāo)準(zhǔn)額定值；
4、為防止干擾，在霍爾傳感器的供電電源端和地端單獨(dú)并接一只0.1uF的退耦濾波電容。
5 總結(jié)
本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)波形是由泰克的TDS5054B示波器（帶寬1GHz）精確測量的，如下圖9、10、11所示：其中，圖9中通道1波形為輸出電流波形曲線，通道2波形為萊姆霍爾電流反饋采樣電阻上的電壓波形曲線。通道1每格為50安培，通道2每格為5伏；由圖9可以看出，在輸出電流變化時(shí)萊姆霍爾電流采樣不但能即時(shí)跟隨輸出變化，而且采樣精度非常高。在圖10中，同樣通道1波形為輸出電流波形曲線，通道2波形為霍爾電流反饋采樣電阻上的電壓波形曲線。通道1每格為50安培，而通道2每格為1伏；由圖10可以看出，通過在寬負(fù)載范圍中輸出電流變化大范圍變化時(shí)，萊姆霍爾電流采樣能即時(shí)跟隨輸出變化，具有很好的線性度。
圖9 霍爾反饋跟隨輸出電流變換特性
圖10 寬負(fù)載范圍內(nèi)霍爾反饋跟隨輸出特性
圖11 輸出電流波形與霍爾反饋采樣值
在圖11中，通道1波形同樣為輸出電流波形曲線，通道2波形為霍爾電流反饋采樣電阻上的電壓波形曲線。通道1每格為50安培，而通道2每格為5伏；而由圖11可以看出，在正常焊接時(shí)恒定負(fù)載，霍爾電流采樣值基本恒定，從而輸出的波形完全符合逆變電源恒流特性的輸出設(shè)計(jì)要求。
本設(shè)計(jì)采用數(shù)字化的PI和數(shù)字化的PWM調(diào)制。充分利用數(shù)字化PI的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)的PI調(diào)節(jié)器參數(shù)在控制中靈活可變，使得電源在全負(fù)載區(qū)間內(nèi)均能獲得良好的性能。數(shù)字化控制實(shí)現(xiàn)了焊接過程信息實(shí)時(shí)提取處理，而且對電流輸出波形有很好的控制，減少飛濺，提高穩(wěn)定性、焊接質(zhì)量和速度。
在數(shù)字化的主控系統(tǒng)中配合數(shù)字化的PWM，就避免了D/A轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，也提高了精度。另外，采用FPGA不僅可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的PWM，還可以實(shí)現(xiàn)一般的數(shù)字電路功能，這就大大減小了控制板的面積和外擴(kuò)元器件的數(shù)量，同時(shí)也使得系統(tǒng)的可靠性得以提高。
但是，從設(shè)計(jì)中也發(fā)現(xiàn)數(shù)字式PWM控制也存在不足，即數(shù)字式PWM以計(jì)數(shù)器當(dāng)定時(shí)器，因此存在分辨率的問題，數(shù)字式PWM的定時(shí)器采用數(shù)字計(jì)數(shù)器，即若數(shù)字計(jì)數(shù)器的位數(shù)為N（即計(jì)數(shù)值周期為N+1；計(jì)數(shù)值周期不含時(shí)間概念，只有數(shù)值概念），則計(jì)數(shù)脈沖時(shí)鐘的頻率即為數(shù)字PWM的分辨率，而數(shù)字式PWM的分辨率就是其占空比可變化的最小值。用公式表示為：若計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值周期為N+1，則數(shù)字PWM的分辨率為：D=1/(N+1)。模擬式控制時(shí)的PWM理論上可以為占空比區(qū)間內(nèi)的任意值，不存在分辨率的問題，而數(shù)字式的PWM占空比為離散化的。
6結(jié)束語
在本系統(tǒng)應(yīng)用中，霍爾電流傳感器能正確響應(yīng)被測量并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)輸出量，對系統(tǒng)的質(zhì)量起決定性作用。電量傳感器（包括電流和電壓傳感器等），在各個(gè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用于電流、電壓測量。電量傳感器是安裝在系統(tǒng)內(nèi)部的核心部件，對整個(gè)系統(tǒng)和設(shè)備的性能與安全起著至關(guān)重要的作用。
源自瑞士的LEM以電流電壓傳感器行業(yè)開拓者及革新者在業(yè)界著稱，LEM于2006年1月開始對其產(chǎn)品提供5年質(zhì)保，這一舉措充分彰顯了LEM對其產(chǎn)品品質(zhì)的信心。
在本系統(tǒng)研發(fā)的過程中，萊姆（LEM）公司周到的服務(wù)和完善的售后技術(shù)支持，以及其快捷的供貨和優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品性能都給我們留下了深刻的印象，讓我們深深領(lǐng)略了
品牌的魅力。
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[6] LEM.BLF-S7系列電流傳感器DATASHEET [Z]. 北京萊姆電子有限公司
[7] LEM. LT208-S7系列電流傳感器DATASHEET [Z]. 北京萊姆電子有限公司
作者簡介
朱偉建（1980- ）；男；籍貫：山東菏澤；上海大學(xué)電力電子與電力傳動碩士研究生；研究方向：電力電子與電力傳動、逆變電源。
劉連華（1978- ）；男；籍貫：江蘇鹽城；電氣工程師；上海威特力焊接設(shè)備制造股份有限公司研發(fā)中心項(xiàng)目主管；主要從事弧焊逆變電源、電鍍電解電源等研發(fā)。
聯(lián)系方式：
姓名：朱偉建
單位：上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院電力電子與電力傳動專業(yè)
聯(lián)系地址：上海市延長路149號上海大學(xué)西部社區(qū)C3-207室
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