基于DSP的弧焊逆變電源數字化控制系統

DSP與單片機性能比較分析
單片機 (MCU)廣泛應用于家用電器、工業(yè)控制和智能終端，主要起控制作用。DSP可高速地實(shí)現過(guò)去由軟件實(shí)現的大部分算法。表1 比較了典型單片機和DSP的性能指標。
由表1可知，與單片機相比，DSP的優(yōu)勢表現為：數據處理能力強、高運算速度、能實(shí)時(shí)完成復雜計算、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)現狀，將DSP和單片機結合起來(lái)設計系統是一種很好的方法，充分發(fā)揮單片機控制能力強的特點(diǎn)和DSP強大數據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的精度和實(shí)時(shí)性，滿(mǎn)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(diǎn)TMS320LF2407A為例說(shuō)明DSP的結構，如圖1所示。
由圖1可見(jiàn)DSP的結構特征特別有利于在控制系統中應用，主要表現為：
改進(jìn)的哈佛結構；流水線(xiàn)操作；采用硬件乘法器；快速的指令周期；TMS320LF2407A的時(shí)鐘頻率達到40MHz，即指令周期為25ns，運算能力為40MIPS(每秒百萬(wàn)條指令)。芯片有一套專(zhuān)門(mén)為數字信號處理而設計的指令系統。指令集簡(jiǎn)化了數字信號處理過(guò)程；優(yōu)化的事件管理模塊和外圍電路：從圖1可見(jiàn)在DSP芯片中集成了A/D轉換、大容量存儲器、定時(shí)器、比較單元、捕獲單元、PWM波形發(fā)生器、數字I/O口、SPI、SCI、CAN，其中4個(gè)通用定時(shí)器和12個(gè)比較單元的結合能產(chǎn)生多達16路的PWM輸出，足以滿(mǎn)足IGBT主電路的驅動(dòng)。
此外，TMS320LF2407A具有快速的中斷處理能力、數據指針的逆序尋址功能、硬件尋址控制以及多種節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用。

控制系統組成與工作原理
根據單片機和DSP的各自?xún)?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解決方案，如圖2所示。
控制系統由單片機、DSP、鍵盤(pán)、顯示、電弧電壓和焊接電流采樣系統、送絲控制系統組成，與以單片機為核心的控制系統相比大大簡(jiǎn)化了系統組成。
方案中的單片機采用Winbond公司的W77E58，DSP為T(mén)I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：焊接參數的給定及實(shí)時(shí)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內部完成復雜的算術(shù)邏輯運算，輸出適當寬度的PWM脈沖信號，經(jīng)驅動(dòng)放大后用于IGBT柵級驅動(dòng)，以控制電源的輸出電流、電壓，實(shí)現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(shí)現。
控制系統重要組成部分基本工作原理分述如下：
電流反饋
本系統采用零磁通霍爾元件電流傳感器來(lái)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(jìn)入A/D轉換通道。
PWM輸出和功率驅動(dòng)
TMS320LF240A的PWM發(fā)生電路可產(chǎn)生16路具有可編程死區和可變輸出極性的PWM信號，有從0～16ms的可編程死區發(fā)生器控制PWM輸出，可以避免產(chǎn)生短路而擊穿功率器件。功率驅動(dòng)采用變壓器驅動(dòng)。
保護功能
為了保證系統中功率轉換電路及柵級驅動(dòng)電路安全可靠地工作，TMS320LF240A提供了PDPINT引腳，利用它可方便地實(shí)現控制系統的過(guò)壓、過(guò)流、欠壓、過(guò)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)出現時(shí)PDPINT引腳被拉為低電平，此時(shí)DSP內定時(shí)器立即停止計數，所有PWM輸出引腳全部呈高阻狀態(tài)，現時(shí)產(chǎn)生中斷信號，通知CPU有異常情況發(fā)生。整個(gè)過(guò)程不需要程序干預，全部自動(dòng)完成，這對實(shí)現各種故障狀態(tài)的快速處理非常有用。
控制系統特點(diǎn)
基于DSP從以下各個(gè)方面改善了弧焊逆變電源控制系統的技術(shù)指標：
設計方面
傳統的單片機弧焊逆變電源控制系統其組成元器件較多，元器件易受損，從而增加了維修和維護的工作量；而基于DSP的弧焊逆變電源數字化控制系統元器件顯著(zhù)減少。
速度方面
基于DSP的弧焊逆變電源數字化控制系統充分發(fā)揮了單片機和DSP的優(yōu)勢，從而大大提高了控制系統的實(shí)時(shí)性。
精度、穩定性方面
TMS320LF2407A為16位定點(diǎn)DSP，可以達到10-5的精度。消除了模擬系統中參數的容差、漂移導致的控制器參數的變化，穩定性提高。
靈活性方面
基于DSP的控制系統靈活性好，參數容易改變，便于升級。設計工作主要集中在軟件上，通過(guò)編程可用同一塊控制板實(shí)現不同的焊接工藝控制。
控制算法實(shí)現方面
基于DSP的弧焊逆變電源數字化控制系統有望突破經(jīng)典控制方法，而采用更為先進(jìn)的現代控制技術(shù)。
接口方面
基于DSP的控制系統與其它現代數字技術(shù)為基礎的系統或設備都是相互兼容的，與這樣的系統接口以實(shí)現某種功能要比模擬系統與這些系統接口要容易得多。

結語(yǔ)
DSP技術(shù)的高速發(fā)展和DSP應用的普及，為弧焊逆變電源控制系統的設計提供了一個(gè)很好的選擇。就目前的技術(shù)現狀，以單片機為上位機，負責焊接程序控制和人機接口，以DSP為下位機，負責焊接參數反饋運算和PWM波形的產(chǎn)生，是一種較好的解決方案。
這項技術(shù)在國內剛剛起步，是一項前景廣闊的新技術(shù)，必將得到越來(lái)越廣泛的應用?！?/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.
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3. 劉和平. TMS320LF240X DSP結構、原理及應用[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社. 2002.


圖1 TMS320LF2407A體系結構框圖

圖2 基于DSP的弧焊逆變電源數字化控制系統原理框圖