沙德尚1,2 鮑云杰2 齊鉑金1 單立軍2
（1 北京時(shí)代科技股份有限公司）
(2. 北京航空航天大學(xué))
摘要： 本文設(shè)計(jì)了一款400A全數(shù)字化多功能焊機(jī)，該焊機(jī)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(shù)字化多功能焊接電源對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該傳感器具有穩(wěn)態(tài)精度高，響應(yīng)速度快，噪聲低，性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。
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(guó)鋼產(chǎn)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(yīng)該說是一種必然趨勢(shì)。目前世界上全數(shù)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(jī)的控制為一款Simenses的單片機(jī)，各種工藝和外設(shè)包括PWM波形都是數(shù)字實(shí)現(xiàn)的，而非采用專用的PWM IC，F(xiàn)ronius本身組成了一個(gè)局域網(wǎng)，接口非常豐富，主要缺點(diǎn)是送絲機(jī)上面參數(shù)調(diào)節(jié)不方便，并且有的送絲機(jī)沒有顯示，面板的設(shè)計(jì)上沒有充分考慮到焊接材料擴(kuò)充的需求。Kemmpi Pro主要采用兩片80C196KC分別控制送絲機(jī)和電源，面板通過共地信號(hào)線與送絲機(jī)的控制板相連接，調(diào)節(jié)比較方便，但是不適合遙控，限于其使用功能的進(jìn)一步拓展，接口沒有Fronius豐富。而目前國(guó)內(nèi)，除了時(shí)代公司具有一款單片機(jī)控制的多功能數(shù)字化焊接電源，其它生產(chǎn)廠家未見報(bào)道。但是焊接場(chǎng)合，更多的是多種工藝并存的現(xiàn)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(yīng)自動(dòng)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(tái)設(shè)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(duì)于高頻逆變式焊接電源的實(shí)時(shí)控制成為可能，相對(duì)于傳統(tǒng)的模擬控制，數(shù)字化控制有以下優(yōu)點(diǎn)：①在同一臺(tái)機(jī)器上實(shí)現(xiàn)多種焊接工藝成為可能；②參數(shù)一致性好，減少了可調(diào)電位器的數(shù)量，消除了運(yùn)放溫漂對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能的影響，③系統(tǒng)容易升級(jí)，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(yīng)用場(chǎng)合，如具有機(jī)器人的接口，可以組成自動(dòng)焊系統(tǒng)，具有遙控口，可以遠(yuǎn)距離遙控，方便工人的操作。⑤使得更復(fù)雜的控制算法在焊接電源中的應(yīng)用成為可能，如模糊控制，自適應(yīng)控制在等熔深和恒弧長(zhǎng)方面的應(yīng)用，可以進(jìn)一步提高弧焊電源的工藝性能。⑥數(shù)字化控制平臺(tái)上可以很方便地移植焊接專家數(shù)據(jù)庫(kù)，用焊接專家的經(jīng)驗(yàn)來(lái)調(diào)整焊接工藝，簡(jiǎn)化了對(duì)于焊機(jī)的操作，使得普通沒有經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)的焊工也能成為“焊接專家”。
二 數(shù)字化焊機(jī)對(duì)電流傳感器的要求
本文所提到的全數(shù)字多功能焊接電源平臺(tái)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(zhǔn)恒流特性。不論那種焊接工藝，都需要對(duì)焊接電流進(jìn)行精確的檢測(cè)，檢測(cè)精度要達(dá)到1A等級(jí)。 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(duì)引弧和短路的過程進(jìn)行精確判斷，而對(duì)于輸出電流的精確檢測(cè)是控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素。在脈沖MIG焊中，在小電流焊接的時(shí)候，碳鋼1.2mm焊絲，其基值電流只有20A，而該電流對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)不到100mv，如果檢測(cè)不準(zhǔn)確，則無(wú)法控制焊接的熱輸入量，可能導(dǎo)致未熔合或者燒穿。在氣體保護(hù)焊中不僅要求對(duì)于焊接電流的穩(wěn)態(tài)精度要求高，而且對(duì)于動(dòng)態(tài)性能要求很高，在負(fù)載突變的過程中，電流要求具有快速的跟蹤能力，對(duì)于電流傳感器的響應(yīng)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(shí)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(duì)于di/dt的響應(yīng)能力強(qiáng)。
在全數(shù)字焊接電源中，給定為數(shù)字編碼器而非電位器，傳統(tǒng)的電位器給定只能是一個(gè)變換的趨勢(shì)，而數(shù)字編碼器直接給定了一個(gè)數(shù)字量，該數(shù)字量作為控制系統(tǒng)中的數(shù)字給定，雖然方便了使用者，但是對(duì)于傳感器的線性度提出了更高的要求。同時(shí)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(duì)于控制板的供電、A/D轉(zhuǎn)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(gè)400A的氣保焊電源為例，考慮到其短路時(shí)或大電流引弧時(shí)電流峰值可以達(dá)到700A，如Fronius特殊鋁焊四部的操作中，引弧電流達(dá)到了750A，如果認(rèn)為750A對(duì)應(yīng)數(shù)字轉(zhuǎn)化的最大值，則10位AD轉(zhuǎn)換器中，750A對(duì)應(yīng)的數(shù)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(duì)應(yīng)的模擬電壓為88mV，該信號(hào)很弱，所以對(duì)于電流傳感器的信噪比也有很高的要求。
縱上所述，在數(shù)字化的焊接電源中，電流傳感器做為一個(gè)關(guān)鍵的測(cè)試設(shè)備主要要滿足以下幾個(gè)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(dòng)態(tài)響應(yīng)能力；④ 高的信噪比。
根據(jù)以上需求，在400A的全數(shù)字化多功能焊機(jī)中，輸出電流傳感器采用的型號(hào)為：LT508-S6 其參數(shù)指標(biāo)如下：
原邊額定有效值電流: 500A； 轉(zhuǎn)換率： 1:5000；
總精度： <±0.4%； 線性度： <0.1%；
零點(diǎn)失調(diào)電流：<±0.13mA； 帶寬： >100KHz
di/dt跟隨精度：>100A/us ； 響應(yīng)時(shí)間：<1us
從以上指標(biāo)分析可知，該型電流傳感器具有優(yōu)良的動(dòng)、靜態(tài)性能，且具有很高的信噪比。
