沙德尚1,2 鮑云杰2 齊鉑金1 單立軍2
（1 北京時代科技股份有限公司）
(2. 北京航空航天大學)
摘要： 本文設計了一款400A全數字化多功能焊機，該焊機以下功能：具有手工、直流氬弧、CO2MAG焊，脈沖MIG焊和雙脈沖MIG焊。分析了全數字化多功能焊接電源對于電流傳感器的要求，采用LEM公司的LT508-S6作為系統(tǒng)的電流傳感器，實驗結果表明該傳感器具有穩(wěn)態(tài)精度高，響應速度快，噪聲低，性能穩(wěn)定等優(yōu)點。
Application of LEM Current Transducer in Full Digitalized Multi-function Welding Power Supply
Abstract: A welder machine based on full digital control with rated current 400A is presented in this paper. The proposed welding machine has the following welding procedure: MMA, TIG, CO2 MAG , Pulsed MIG and Double Pulsed MIG. The requirement for the current transducer for the welding machine is analyzed in detail and current transducer LT508-S6 made by LEM Company is chosen to meet the purpose. Experiment results shows the proposed current transducer owes the following advantages: high steady state accuracy , fast dynamic response, low noise.
一 前言
隨著我國鋼產量的不斷增加，用高效率的氣保焊接取代低效率的手工焊應該說是一種必然趨勢。目前世界上全數字化多功能焊接電源的主要代表為：Frounius的TPS系列，Kemmpi Pro系列，ESAB的Aristol系列。Fronius的TPS系列于1998年推出，主控制為1片 Simenses的C167加AD的DSP，送絲機的控制為一款Simenses的單片機，各種工藝和外設包括PWM波形都是數字實現的，而非采用專用的PWM IC，Fronius本身組成了一個局域網，接口非常豐富，主要缺點是送絲機上面參數調節(jié)不方便，并且有的送絲機沒有顯示，面板的設計上沒有充分考慮到焊接材料擴充的需求。Kemmpi Pro主要采用兩片80C196KC分別控制送絲機和電源，面板通過共地信號線與送絲機的控制板相連接，調節(jié)比較方便，但是不適合遙控，限于其使用功能的進一步拓展，接口沒有Fronius豐富。而目前國內，除了時代公司具有一款單片機控制的多功能數字化焊接電源，其它生產廠家未見報道。但是焊接場合，更多的是多種工藝并存的現狀，如三峽壓力鋼管的焊接中，環(huán)縫的搭接采用手工焊，而縱縫的打底采用短路過渡的CO2焊接，為了適應自動焊的需要，填充和蓋面均采用脈沖焊。一般情況下，需要多種不同的類型的焊接電源才能滿足需求，投資很大。如果采用多功能焊接電源，一臺設備就可以完成所有的功能。這樣節(jié)省了投資，并且提高了工作效率。隨著高性能嵌入式微處理器的處理速度不斷提高，使得對于高頻逆變式焊接電源的實時控制成為可能，相對于傳統(tǒng)的模擬控制，數字化控制有以下優(yōu)點：①在同一臺機器上實現多種焊接工藝成為可能；②參數一致性好，減少了可調電位器的數量，消除了運放溫漂對整個系統(tǒng)性能的影響，③系統(tǒng)容易升級，如加入新的焊接材料和焊接工藝；④接口豐富，滿足更多的應用場合，如具有機器人的接口，可以組成自動焊系統(tǒng)，具有遙控口，可以遠距離遙控，方便工人的操作。⑤使得更復雜的控制算法在焊接電源中的應用成為可能，如模糊控制，自適應控制在等熔深和恒弧長方面的應用，可以進一步提高弧焊電源的工藝性能。⑥數字化控制平臺上可以很方便地移植焊接專家數據庫，用焊接專家的經驗來調整焊接工藝，簡化了對于焊機的操作，使得普通沒有經過專業(yè)培訓的焊工也能成為“焊接專家”。
二 數字化焊機對電流傳感器的要求
本文所提到的全數字多功能焊接電源平臺集中了五種焊接工藝，即手工焊、氬弧焊、CO2 MAG焊、脈沖MIG焊和雙脈沖MIG焊，其中前二種焊接工藝為恒流特性，而CO2 MAG焊為恒壓特性，而脈沖焊為準恒流特性。不論那種焊接工藝，都需要對焊接電流進行精確的檢測，檢測精度要達到1A等級。 在TIG焊中，由于是接觸引弧，希望引弧的電流越小越好，以防止鎢極燒損，最好引弧的電流能夠在5A以下。而在 CO2 MAG焊中，為了對引弧和短路的過程進行精確判斷，而對于輸出電流的精確檢測是控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關鍵因素。在脈沖MIG焊中，在小電流焊接的時候，碳鋼1.2mm焊絲，其基值電流只有20A，而該電流對應的電壓信號不到100mv，如果檢測不準確，則無法控制焊接的熱輸入量，可能導致未熔合或者燒穿。在氣體保護焊中不僅要求對于焊接電流的穩(wěn)態(tài)精度要求高，而且對于動態(tài)性能要求很高，在負載突變的過程中，電流要求具有快速的跟蹤能力，對于電流傳感器的響應速度要求很高。在脈沖焊接的過程中，輸出電流的給定不斷地在峰值電流和基值電流之間切換，例如碳鋼1.2mm焊絲，其峰值電流在400A左右，而基值可能只有幾十安培，峰值電流和基值電流相差非常大，此時要求電流傳感器能夠快速敏感到輸出電流的變換，并跟蹤上給定電流的快速突變。這就要求電流傳感器的通頻帶要寬并且對于di/dt的響應能力強。
在全數字焊接電源中，給定為數字編碼器而非電位器，傳統(tǒng)的電位器給定只能是一個變換的趨勢，而數字編碼器直接給定了一個數字量，該數字量作為控制系統(tǒng)中的數字給定，雖然方便了使用者，但是對于傳感器的線性度提出了更高的要求。同時隨著嵌入式微處理器的處理速度的提高，為了降低功耗，必須降低供電電壓，對于控制板的供電、A/D轉換的精度提出了新的挑戰(zhàn)。比如TI的240x和28x系列都是3.3V供電，以一個400A的氣保焊電源為例，考慮到其短路時或大電流引弧時電流峰值可以達到700A，如Fronius特殊鋁焊四部的操作中，引弧電流達到了750A，如果認為750A對應數字轉化的最大值，則10位AD轉換器中，750A對應的數字量為1024，電流傳感器輸出的模擬電壓為3.3V，則20A的輸出對應的模擬電壓為88mV，該信號很弱，所以對于電流傳感器的信噪比也有很高的要求。
縱上所述，在數字化的焊接電源中，電流傳感器做為一個關鍵的測試設備主要要滿足以下幾個方面的要求：① 寬的輸入電流范圍；② 好的線性度；③ 快速的動態(tài)響應能力；④ 高的信噪比。
根據以上需求，在400A的全數字化多功能焊機中，輸出電流傳感器采用的型號為：LT508-S6 其參數指標如下：
原邊額定有效值電流: 500A； 轉換率： 1:5000；
總精度： <±0.4%； 線性度： <0.1%；
零點失調電流：<±0.13mA； 帶寬： >100KHz
di/dt跟隨精度：>100A/us ； 響應時間：<1us
從以上指標分析可知，該型電流傳感器具有優(yōu)良的動、靜態(tài)性能，且具有很高的信噪比。
