基于FPGA和NiosII的逆變焊接電源控制器

可見(jiàn)，所設(shè)計(jì)的ADC控制器能夠穩(wěn)定地控制AD7863工作，除了稍有抖動(dòng)之外(未加濾波環(huán)節(jié))，采樣結(jié)果準(zhǔn)確可靠。
3．2 DPWM控制器仿真
為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的DPWM控制器是否合理，在保證仿真有效的前提下做如下約定：保護(hù)清除按鍵和DPWM啟動(dòng)按鍵信號(hào)均以直接數(shù)字量置位來(lái)代替；將算法輸出信號(hào)ALG_IN視作給定；反饋電流數(shù)字量設(shè)為恒值500；死區(qū)時(shí)間設(shè)定為3．0μs，最小脈寬占空比為2．4％。
仿真環(huán)境為QuartusII-7．2，仿真結(jié)果如圖8所示。啟動(dòng)信號(hào)STRT有效之前DPWM輸出全部封鎖，輸出均為低電平；STRT有效后，在給定小于最小脈寬時(shí)輸出最小脈寬，隨著給定的增大，脈寬變大；當(dāng)檢測(cè)到過(guò)流信號(hào)(OV_C)時(shí)，4路DPWM輸出立即置低(即全部被封鎖)，且置低狀態(tài)能一直持續(xù)到保護(hù)信號(hào)PRTCT_CLR清除后才結(jié)束?？梢?jiàn)DPWM的輸出嚴(yán)格受控。

3．3 焊接試驗(yàn)波形
3．3．1 靜態(tài)負(fù)載焊接試驗(yàn)
在靜態(tài)負(fù)載條件下，NioslI通過(guò)DPRAM給定定頻100 Hz和帶后中值的脈沖電流。電流脈沖參數(shù)為：峰值300 A，峰值時(shí)間4 ms；中值100 A，中值時(shí)間1 ms；基值電流30 A。采用6段PID參數(shù)。實(shí)際輸出的電流和電壓波形如圖9所示。

圖9中，上面為通道1，波形為輸出電流，每格1 V，代表實(shí)際焊接電流100 A；下面為通道2，波形為輸出電壓，每格1 V，代表實(shí)際焊接電壓10 V。可見(jiàn)，焊接電流波形與給定的脈沖波形(如圖3所示)基本一致。
3．3．2 動(dòng)態(tài)負(fù)載焊接試驗(yàn)
雙閉環(huán)控制策略下，死區(qū)時(shí)間3．0μs，最小脈寬占空比為2．4％。電流脈沖參數(shù)為：峰值450 A，峰值時(shí)間3 ms；中值150 A，中值時(shí)間2 ms；基值電流50 A。6段PID參數(shù)。給定平均電弧電壓為30 V，保護(hù)氣體成分為20％CO2+80％Ar，保護(hù)氣體流量為25 L／min，碳鋼焊絲直徑為1．2 mm，送絲速度為4．5 m／min。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)焊槍大范圍抖動(dòng)時(shí)，為了調(diào)節(jié)電弧的平均電壓以保證焊接電弧穩(wěn)定，電源系統(tǒng)實(shí)時(shí)地穩(wěn)定電弧，且電流脈沖的頻率變化均勻，峰值、基值分別隨焊槍的抖動(dòng)而上下微調(diào)。

4 結(jié)論
本設(shè)計(jì)采用FPGA+NioslI軟核為控制核心，設(shè)計(jì)了全數(shù)字化脈沖MIG逆變焊接電源控制器。試驗(yàn)結(jié)果證明：數(shù)字化的設(shè)計(jì)思路增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性；一塊FPGA在保證控制器功能的前提下，大大降低了開(kāi)發(fā)成本，縮短了開(kāi)發(fā)周期；在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)6段變參數(shù)PID以及改進(jìn)的I-I電流-電弧雙閉環(huán)的控制策略，脈沖電流跟蹤效果良好，焊接電弧調(diào)節(jié)穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)性能良好，實(shí)際焊接效果出色。本設(shè)計(jì)的核心邏輯都是基于統(tǒng)一性較好的VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)，并采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，因此便于推廣和移植。