基于DSP的弧焊逆變電源數(shù)字化控制系統(tǒng)

DSP與單片機性能比較分析
單片機 (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 比較了典型單片機和DSP的性能指標(biāo)。
由表1可知，與單片機相比，DSP的優(yōu)勢表現(xiàn)為：數(shù)據(jù)處理能力強、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。
就目前技術(shù)現(xiàn)狀，將DSP和單片機結(jié)合起來設(shè)計系統(tǒng)是一種很好的方法，充分發(fā)揮單片機控制能力強的特點和DSP強大數(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)，如圖1所示。
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)。指令集簡化了數(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)單片機和DSP的各自優(yōu)勢，我們選擇了以單片機為上位機，DSP為下位機的弧焊逆變電源控制系統(tǒng)解決方案，如圖2所示。
控制系統(tǒng)由單片機、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。
方案中的單片機采用Winbond公司的W77E58，DSP為TI公司的TMS320LF2407A。
在這一方案中單片機主要完成焊接程序控制和人機接口，因人機接口對速度要求是比較低的，對控制能力的要求較高，人機接口功能包括：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柵級驅(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TMS320LF240A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)放大濾波后進入A/D轉(zhuǎn)換通道。
PWM輸出和功率驅(qū)動
TMS320LF240A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0～16ms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。
保護功能
為了保證系統(tǒng)中功率轉(zhuǎn)換電路及柵級驅(qū)動電路安全可靠地工作，TMS320LF240A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)的單片機弧焊逆變電源控制系統(tǒng)其組成元器件較多，元器件易受損，從而增加了維修和維護的工作量；而基于DSP的弧焊逆變電源數(shù)字化控制系統(tǒng)元器件顯著減少。
速度方面
基于DSP的弧焊逆變電源數(shù)字化控制系統(tǒng)充分發(fā)揮了單片機和DSP的優(yōu)勢，從而大大提高了控制系統(tǒng)的實時性。
精度、穩(wěn)定性方面
TMS320LF2407A為16位定點DSP，可以達到10-5的精度。消除了模擬系統(tǒng)中參數(shù)的容差、漂移導(dǎo)致的控制器參數(shù)的變化，穩(wěn)定性提高。
靈活性方面
基于DSP的控制系統(tǒng)靈活性好，參數(shù)容易改變，便于升級。設(shè)計工作主要集中在軟件上，通過編程可用同一塊控制板實現(xiàn)不同的焊接工藝控制。
控制算法實現(xiàn)方面
基于DSP的弧焊逆變電源數(shù)字化控制系統(tǒng)有望突破經(jīng)典控制方法，而采用更為先進的現(xiàn)代控制技術(shù)。
接口方面
基于DSP的控制系統(tǒng)與其它現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)或設(shè)備都是相互兼容的，與這樣的系統(tǒng)接口以實現(xiàn)某種功能要比模擬系統(tǒng)與這些系統(tǒng)接口要容易得多。

結(jié)語
DSP技術(shù)的高速發(fā)展和DSP應(yīng)用的普及，為弧焊逆變電源控制系統(tǒng)的設(shè)計提供了一個很好的選擇。就目前的技術(shù)現(xiàn)狀，以單片機為上位機，負(fù)責(zé)焊接程序控制和人機接口，以DSP為下位機，負(fù)責(zé)焊接參數(shù)反饋運算和PWM波形的產(chǎn)生，是一種較好的解決方案。
這項技術(shù)在國內(nèi)剛剛起步，是一項前景廣闊的新技術(shù)，必將得到越來越廣泛的應(yīng)用?！?/P>

參考文獻：
1. 黃石生. 新型弧焊電源及其智能控制 [M]. 北京： 機械工業(yè)再版社. 2000.
2. 張雄偉，曹鐵勇. DSP芯片的原理與開發(fā)應(yīng)用(第2版)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社. 2000.
3. 劉和平. TMS320LF240X DSP結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社. 2002.


圖1 TMS320LF2407A體系結(jié)構(gòu)框圖

圖2 基于DSP的弧焊逆變電源數(shù)字化控制系統(tǒng)原理框圖