ARM控制的数字化逆变焊机PWM脉冲实现研究--李志刚.

1、ARM控制的敷字化逆变焊机PfMJtt沖実亂研丸丈也出撅丸 于2丄甲 电3月空口出版的第_邑期或2_WN 2 4 / 2H t：th皈強苹4瞰梓覆AJKX-H* 拿词力内*卜心升底杆的J.氏吐峭出就弹*屮畫址宙嘉轉*f工科按论丸H计剧锁 中均榊I械亨H样樂輦携岀瓶输号：ISSN 1002 0251; (NI214M/TG*X#tMWfHMM*aMW,阿时也的丸力#.it诺庄卒后输工杵申韓斷取得新的倉负.希唱特倉瓷我嶷情龙扛址济和社金赴曲電片堆戎惕址削冬h讥捕/】 力换光乳闵的辉提*业轍*： 址把催直*UMt,丢芒市御北了*口際机嘩（TWIfiK 毛 EHI 电诂 C? 27SS1BMK-mii

2、lr hjjhiqTaARM 控制的数字化逆变焊机 PWM 脉冲实现研究李志刚石红信朱锦洪(河南科技大学 河南洛阳 471003)摘要：PWM 控制脉冲的实现难易性、可控性和稳定性对波形控制焊机的性能起 着重要影响。本文以 LPC2131(ARM)为控制核心，利用其内部的 PWM 模块产生 单路脉冲，并经过外围电路转化为双路脉冲，可按照焊机的工作状态进行相应调 节和输出。通过仿真和联机调试，结果表明实测波形和仿真波形一致，具有PWM 脉冲实现容易、控制性能良好和运行可靠等优点。关键词：数字化控制 逆变焊机 PWM 脉冲 ARM GALStudy on the PWM of digital in

3、verter power supply for CO2 arc weldi ng based on ARMcon trollerLI Zhi-gang, CHEN Yu-xi, SHI Hong-xin, ZHU Jin-hong (School of Materials Science and輝接技术稿件录用通知A-Engin eeri ng, Henan Uni versity of Scie nce and Tech no logy, Luoya ng 471003)Abstract: The difficult of impleme ntatio n, con trollability

4、 and stability of PWM play significa nt impact on the performa nce of waveform con trolled welder.S in gal cha nnelpulse is produced by the PWM module of the con trol core (LPC2131) of this welder, thenit was changed into twin-channel PWM through peripheral circuit, and it also can beregulated in ac

5、corda nce with the welder worki ng state before outputt ing. The experiment and simulatio n results showed the con siste ncy of the measured waveform andsimulation waveform. It proves that the system has a series of advantages, such as highperformance stabilization、reliability.Key words: digitized c

6、on trol, i nv erter welder, PWM, ARM, GAL0 引言在焊接电源中采用数字化控制，具有灵活、精确、稳定可靠和集成度高等特点，为焊接设备小体积、轻质量，焊接工艺稳定性和良好的工艺效果提供了必要条 件。焊接电源的数字化主要表现在三个方面1:电源主电路的数字化、电源控制 电路的数字化、电源专家系统的数字化。主电路的数字化主要表现在以功率开关 器件为核心的逆变部分，节能降耗优势显著；电源控制电路的数字化主要表现在 以 MCU、DSP、ARM 为控制核心的应用上，以集成元件代替分立元件，系统精 度高，稳定性好。同时，控制电路的数字化为电源专家系统的数字化提供了基 础，

7、 主要表现在多输出特性和一元化参数调节的多功能焊机方面。各个部分需要 协调运作，主电路为焊机提供功率输出，控制电路为中枢，专家系统为灵魂，灵 魂通过中枢传达直至输出。波形控制技术是 CO2 焊机发展的趋势和重点，随着电力电子技术和计算机技术的 成熟与发展， 波形控制法从传统的控制电流上升率和瞬时短路电流的方法演变到 新型表面张力控制法(STT)、能量控制法以及焊接波形的动态控制2，正在逐 渐实现从粗略控制到精细控制，从准确控制到动态调整的发展。焊接专家系统产 生的信号通过控制电路的传递和转换，驱动主电路功率开关器件，使焊机主电路 产生相应的输出。对于目前所应用的逆变电源，主要是通过PWM 方式

8、控制功率器件通断的频率及占空比，实时得出相应的控制波形3。显然 PWM 控制脉冲的实现难易性、可控性和稳定性对波形控制焊机的性能起着重要影响。有鉴于此， 我们以LPC2131(ARM)为控制核心，利用其内部的 PWM 模块产生脉冲并进行外 围处理，可按照焊机的工作状态进行相应调节和输出。本文详细介绍了PWM 桥式逆变器控制脉冲的实现方案，并通过仿真和实测验证了设计的可行性。1 .基于 ARM 的单路 PWM 脉冲产生为使全桥逆变电源正常工作，需要两路 PWM 分别驱动两组开关器件以实现 通断状态控制。通常的数字化控制方式为用单片机产生具有一定相位关系而又相 对独立的两路 PWM脉冲分别控制两组

9、开关器件的通断状态，该方法占用系统资 源，且容易因干扰致使两路PWM 相位关系受到破坏，使焊机工作不稳定，严重 则产生直通，烧损器件，带来严重影响4。因此，PWM 脉冲的产生及组合方式 尤为重要。图 1.弧焊逆变器及 PWM 脉冲产生电路基于以上问题的考虑，设计了一种基于 ARM 微处理器 LPC2131 的 PWM 脉冲产 生及中间转换电路。图 1 为系统原理图。ARM 嵌入式处理器是具有极低功耗、 极低成本的高性能处理器。它具有十分卓越的性能，运算速度快，精度高，而且 便于实时操作系统的移植，真正成为实时多任务系统。对代码规模有严格控制的 应用可使用 16 位 Thumb 指令集，使代码规

10、模降低超过 30%，而性能的损失却很 小。LPC2131 是 Philips 公司推出的一款16 位 ARM7TDMI-S 内核的微控制器,小 型 LQFP64 封装， 装带有 8K 的嵌入的高速 Flash存储器，32K 的 SRAM，并具有 丰富的片内外设：8 路 10 位 ADC、2 个 32 位定时器/计数器，6 路 PWM 输出通 道，多个串行接口，9 个边沿或电平触发外部中断，多达 47 个5V 的通用 I/O 口 等，能够大大简化系统的外围电路设计。通过片内PLL 可实现最高60MHz 的CPU 操作频率，具有极高的运行速度5。LPC2131 内嵌 PWM 脉冲模块， 可产生 6

11、 路单边沿控制的 PWM 脉冲或 3 路双边 沿 PWM脉冲。本设计中采用一路双边沿控制的 PWM 脉冲，下面介绍其产生的 过程，如图 2 所示。首先对 PWM 脉冲的各个参数通过 PWM 寄存器进行设置如 匹配寄存器 PWMMR0、PWMMR1、PWMMR2 等的设置，然后锁存并使能PWM 和 TC。当计数器的值等于 PWMMR1 的值时，PWM 脉冲发生正跳变；当 计数器的值等于 PWMMR2 时，PWM 脉冲发生负跳变，当计数器的值等于 PWMMR0 时，完成一个 PWM 周期，以后按照此步骤输出预设的PWM，直至预设值改变。主要 PWM 设置程序如下：LDR RO,=PWM_BASEL

12、DR R1,=Ox404STR R1,R0,#0 x4C;设定为双边沿模式控制MOV R1,#0 x02STR R1,R0,#14;匹配时复位定时器MOV R1,0 x10000STR R1,R0,#0 x18;设定 PWM 周期MOV R1,#2000STR R1,R0,#0 x1C;高电平匹配值MOV R1,#0 x7000STR R1,R0,#0 x20;低电平匹配值MOV R1,0 x07STR R1,R0,#0 x50;锁存MOV R1,#0 x09STR R1,R0,#0 x04;使能启动 PWM 定时器High voltagen1电源工作时通过霍尔传感器采集焊接电流和电压，通过电

13、压转换后经A/D 输入ARM，然后通过程序判断焊接状态，继而修改 ARM 内部 PWM 模块的相应寄存 器的值，可对输出的 PWM 脉冲的频率、幅值和占空比进行调节，然后输出到驱 动部件控制功率开关器件的通断，频率不同则相应的电压就不同，这就实现了对 焊接电压的调整，如图 3所示。3单路转双路的脉冲分频电路在 ARM 内部的 PWM 模块产生一路频率恒定、占空比可调的 PWM 后，可以输 入可编程逻辑器件（GAL ）后经内部分频输出两路 PWM，再经驱动电路输出到 功率开关器件。PWM 转化电路如图 4 所示，D 触发器为一个基本分频单元，输 入端 D 与输出反相端Q相连，就组成了对输入 PW

14、M 脉冲进行二分频的分频 器。转换器件主要是 D 触发器和与非门。图 5 为对电路进行仿真得出的波形，从 图中可以看出分频波形严格按照幅值相同、频率减半、相位相差180。的原则进行转换。经过分析对比，选择了 LATTICE 公司生产的可编程逻辑器件GAL22V10。G22V10 器件有 24 个引脚、11 个输入端、多达 10 个输出端，利用 其内部的与或阵列结构，把输入信号进行不同组合可实现各种逻辑功能，产生不 同的控制信号。我们通过 GAL22V10 将一路 PWM 分频产生了频率减半、幅值相 同、相位相差 180的两路脉冲。另外，还通过 GAL 逻辑组合实现了对焊机交流 接触器、软启动开

15、关、气阀、送丝机的控制以及对过热过流信号的传递与显示。磁JI*仙卩用：切出CHI 60V CH2 5V MIDusCHl/flfVCH3 5V图 4. PWM 转化原理图 图 5. PWM 输入与输出 GAL22V10 的波形图 6 为 GAL 在数字化 CO2 数字化焊机承担驱动和接口功能时的输入输出引脚， 其中PWM、EV、MH、SF、CJ、OIDO、OHDO 分别为驱动脉冲、气阀、送丝 机、软启动开关、交流接触器的输入信号；A/B 为预置和实时显示切换信号；EVO、MHO、SFO、CJO、PWM1、PWM2、OHGO、OIGO 分别为气阀、送 丝、软开关、交流接触器、分频脉冲、过热过流的

16、输出信号。焊机工作时，ARM微处理器根据检测到的信号输出相应的高低电平序列到GAL，从而控制焊机主控板上的继电器和驱动电路。-PWMEVMHSFCJOIDOOHDOA/BEVOMHOSFOCJOPWM1PWM2OHGOOIGO图 6. GAL 输入输出引脚4.PWM 脉冲电路调试在确定原理，编制程序，烧写器件之后，我们进行了联机调试：经ARM 输出一路 PWM 波形之后，经过 GAL 分频输入 IGBT 的驱动及保护电路，然后对其实际 波形进行了测试。图 7 为 PWM 产生与转化波形，其中 1 为 LPC2131 产生的幅值 为 3.3V，频率为 40KHZ 的 PWM 脉冲，2、3 分别为

17、 GAL22V10 产生的两路幅值 为 5V、频率为 20KHZ相位相差 180o 的两路 PWM 脉冲。与仿真波形对照，由实 验结果可以看出该设计方案是符合系统要求的。5.结论本文设计了以 LPC2131 为控制核心的数字化焊机驱动 PWM 脉冲信号的产生 及转换电路，脉冲实现容易，控制方式灵活，为焊接过程控制提供了基础。(2) 软硬件相结合，通过对单路 PWM 信号分频实现双路脉冲输出，提高了电源抗 干扰性能，增强焊机可靠性、稳定性。(3) 从使用效果看，不仅减少了器件使用，减小了系统体积，简化了电路设计，而 且实现了模块化设计，给焊机生产、设计和维修带来了方便。参考文献1 胡绳荪.现代弧焊电源及其控制北京：机械工业