摘要：本文設(shè)計(jì)了款WS-200逆變弧焊數(shù)字化電源，采用萊姆公司的LT208-S7型霍爾電流傳感器采樣輸出電流信號(hào)。本設(shè)計(jì)采用輸出電流反饋的數(shù)字化PID，逆變電源的輸出能得到改善，兼顧了輸出響應(yīng)的動(dòng)態(tài)能和穩(wěn)態(tài)特。
關(guān)鍵詞：霍爾電流傳感器；逆變；弧焊電源；數(shù)字化；脈寬調(diào)制
中圖分類(lèi)號(hào)：TM382、TG444 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：
The Application of LEM Hall Current Transducer in Digital Welding InverterZHU Wei-jian1, LIU Lian-hua2
（1.Shanghai University，Shanghai，200072；2.Shanghai WTL Welding Equipment Manufacture CO.，LTD，Shanghai，201204）
Abstract：This paper presents the design of WS-200 digital arc welding power supply. The proposed control scheme uses a new type of LEM hall current transducer LT208-S7 to sample the output current. Based on this, the output current waveform is optimized. The digital PID control of output current feedback is easy to give attention to staticdynamic performance of the power supply. The experimental results show this power supply has perfect performancestability in this paper.
Key words: Hall Current Transducer; Inverter; Arc Welding Supply; Digital Control; Pulse Width Modulator （PWM）
1引言
金屬焊接是指通過(guò)適當(dāng)?shù)氖侄?，使兩個(gè)分離的金屬物體產(chǎn)生原子或分子間結(jié)合而連接成體的連接方法。焊接是金屬加工和制造業(yè)的重要加工工藝，它是種、可靠、低成本*連接材料的方法。焊接方法種類(lèi)繁多，但應(yīng)用zui的仍為電弧焊。
我國(guó)電焊機(jī)行業(yè)生產(chǎn)的逆變焊機(jī)已基本成熟，產(chǎn)品的質(zhì)量和已基本用戶(hù)需求，逆變正迅速進(jìn)入焊接產(chǎn)品的各個(gè)領(lǐng)域，可以說(shuō)逆變焊機(jī)是電焊機(jī)的發(fā)展主要方向。1993年在德國(guó)埃森焊接展覽會(huì)上，芬蘭的KEMPPI（肯比）公司發(fā)布了上*款數(shù)字的焊接系統(tǒng)—Kemppi PRO，從此數(shù)字化焊機(jī)的發(fā)展引起了的關(guān)注。而奧地利Fronius（福尼斯）公司于1998年推出上*批數(shù)字MIG焊機(jī)標(biāo)志著數(shù)字化焊機(jī)的實(shí)用化。
目前，我國(guó)數(shù)字化焊接電源的研究還處于起步階段，有待于深層次的開(kāi)發(fā)和研究，有著的研究空間。根據(jù)中國(guó)電器工業(yè)電焊機(jī)分會(huì)的電焊機(jī)行業(yè)“十五”規(guī)劃：“我國(guó)的電焊機(jī)行業(yè)任重而道遠(yuǎn)，需盡快調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、提產(chǎn)品檔次、順應(yīng)市場(chǎng)要求；盡快完善并采用數(shù)字化逆變電源和氣體保護(hù)焊機(jī)。大力發(fā)展氣體保護(hù)焊、大力推進(jìn)運(yùn)用逆變焊接電源是今后5年的工作方向。國(guó)產(chǎn)數(shù)字化焊機(jī)將達(dá)到國(guó)外20世紀(jì)90年代水平。逆變焊機(jī)將向數(shù)字化、輕巧化、化、化方向發(fā)展……”。
在現(xiàn)代焊接領(lǐng)域，弧焊逆變電源的數(shù)字化為焊接設(shè)備的發(fā)展開(kāi)拓出了個(gè)新的發(fā)展空間，具有，焊縫成型致好、擴(kuò)展強(qiáng)、操作方便、便于生產(chǎn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，主要用于大型設(shè)備制造、鋼結(jié)構(gòu)、汽車(chē)業(yè)、薄板焊接、壓力容器制造、軌道及車(chē)輛業(yè)制造及修補(bǔ)、自動(dòng)化設(shè)備制造、管道、造船業(yè)以及家用設(shè)備制造等眾多行業(yè)。數(shù)字化焊接作為焊接產(chǎn)業(yè)新的發(fā)展方向有著原有模擬設(shè)備不可比擬的*。
目前我國(guó)在數(shù)字化焊機(jī)方面的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家，國(guó)外的數(shù)字化焊機(jī)在占據(jù)了很大的份額，而且國(guó)外數(shù)字化焊機(jī)價(jià)格昂貴。數(shù)字化焊接電源的研究不可以降低應(yīng)用焊機(jī)的行業(yè)的生產(chǎn)成本，而且可以以低成本、、的優(yōu)勢(shì)大量銷(xiāo)往國(guó)外，為國(guó)家出口創(chuàng)匯。
2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介
在電弧焊接領(lǐng)域，隨著逆變的發(fā)展和數(shù)字化的應(yīng)用，逐漸形成了由逆變主電路代替?zhèn)鹘y(tǒng)的主電路和由數(shù)字代替模擬的趨勢(shì)。焊機(jī)的數(shù)字化包括兩方面的內(nèi)容即主電路的數(shù)字化和電路的數(shù)字化。在主電路方面焊接電源從模擬式焊機(jī)發(fā)展到逆變式焊機(jī)，實(shí)際上是完成了主電路從模擬到數(shù)字化的跨越。因此對(duì)于所謂的數(shù)字化逆變弧焊電源來(lái)講，般也就是針對(duì)電路部分來(lái)講的。
圖1 逆變焊接電源主回路原理圖
如圖1所示，逆變焊機(jī)電源大都采用交流-直流-交流-直流（AC-DC-AC-DC）變換的方法即：50Hz交流電經(jīng)橋整流變成直流，IGBT組成的PWM頻變換部分將直流電逆變成幾十K至上百K的頻脈沖波形，經(jīng)頻變壓器耦合，整流濾波后提供穩(wěn)定的直流電，供電弧使用。
圖2 四種直流輸出外特曲線
圖2所示為弧焊逆變電源的輸出外特伏安曲線，可以看出總體上可分為兩種即恒壓特曲線（平特）和恒流特曲線（包括緩降特、陡降特、垂特等等）。以上輸出特是根據(jù)焊接方法的要求不同而輸出特也不同。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是款WS系列（即手工焊氬弧焊機(jī)）的弧焊逆變電源，考慮焊接工藝要求，輸出特為陡降的恒流伏安特（如圖3所示）。
圖3 WS系列弧焊電源負(fù)載特曲線
氬弧焊的約定負(fù)載電壓U2與約定焊接電流I2之間的關(guān)系式如下：
U2＝10＋0.04 I2（V）
本設(shè)計(jì)為款型號(hào)為WS-200的逆變弧焊電源，其設(shè)計(jì)參數(shù)如下：
表1 參數(shù)列表
| 型號(hào) 參數(shù) | WS-200 |
| 輸入電源 | 單相AC220/230V 工頻（50Hz） |
| 額定輸入電流（A） | 27（TIG） | 38.9（MMA） |
| 焊接電流 調(diào)節(jié)范圍（A） | 10～200 |
| zui大空載電壓（V） | 63 |
| 前送氣時(shí)間（S） | 0.1 |
| 后送氣時(shí)間（s） | 3～10 |
由于逆變焊接電源的負(fù)載是電弧，是種特殊的非線負(fù)載，給定信號(hào)與反饋信號(hào)的時(shí)間差難以，且負(fù)載的變化范圍較大，使得整個(gè)系統(tǒng)的模型成為階，復(fù)雜顯著增加。焊接過(guò)程是個(gè)時(shí)變、非線并有干擾的過(guò)程，要對(duì)焊接電壓、焊接電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和，系統(tǒng)的響應(yīng)速度必須足夠快，好。因此選用算法簡(jiǎn)單的PID參數(shù)整定（如圖4所示），由于調(diào)節(jié)器中積分器的存在可以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，且調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)調(diào)整且經(jīng)長(zhǎng)期工業(yè)中的應(yīng)用思想加完善。
圖4 PWM系統(tǒng)設(shè)計(jì)
可從上圖中看出，本系統(tǒng)是個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，其思想是由用戶(hù)接口即面板得到參數(shù)給定，通過(guò)該給定與反饋采樣輸出信號(hào)比較運(yùn)算，通過(guò)PID參數(shù)整定生成PWM波形，主回路的功率開(kāi)關(guān)管動(dòng)作從而實(shí)現(xiàn)輸出特跟隨輸入。PID以其簡(jiǎn)單、參數(shù)易于整定、發(fā)展成熟的特點(diǎn)，應(yīng)用于工程實(shí)踐之中。早期的逆變焊機(jī)采用的多為模擬PID，但單純利用輸出電壓直反饋或輸出電壓瞬時(shí)值反饋進(jìn)行模擬PID調(diào)節(jié)，其電源能尤其是動(dòng)態(tài)能不太理想，若引入電流電壓環(huán)雙環(huán)則可使逆變焊接電源的輸出特得到很大改善。在此系統(tǒng)中，微分環(huán)節(jié)的加入對(duì)于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)能有好處，但是由于微分環(huán)節(jié)對(duì)于穩(wěn)態(tài)能的提產(chǎn)生了負(fù)面作用，因此實(shí)際中，只在反饋值與輸入給定之間的偏差才加入微分算法，而通常情況下算法中摒棄微分環(huán)節(jié)，因此圖4中未標(biāo)識(shí)PID調(diào)節(jié)，而以PI調(diào)節(jié)作為圖示。
3 策略
本系統(tǒng)部分構(gòu)成為：富士通的16位單片機(jī)構(gòu)成面板參數(shù)給定和A/D系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、焊接即時(shí)狀態(tài)顯示。而PWM脈沖生成部分由FPGA芯片通過(guò)與單片機(jī)接口采樣A/D轉(zhuǎn)換的信號(hào)，并根據(jù)此數(shù)值與給定參數(shù)比較的差值進(jìn)行PID參數(shù)整定，生成占空比可變的脈沖功率開(kāi)關(guān)管。如下圖5所示：
圖5 數(shù)字系統(tǒng)組成
在PWM反饋模式的基本工作原理是在輸入電壓、內(nèi)部參數(shù)或外接負(fù)載變化的情況下，電路通過(guò)被信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的差值進(jìn)行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)主電路開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通脈沖寬度，使得逆變電源的輸出電流恒定。在此系統(tǒng)應(yīng)用中PWM的開(kāi)關(guān)頻率為恒定值，采樣信號(hào)有輸出電壓、輸出電流等等。
本系統(tǒng)采用瞬時(shí)值反饋的數(shù)字PID，算法簡(jiǎn)單可靠，系統(tǒng)的魯棒好，輸出波形既能動(dòng)態(tài)能又可以兼顧穩(wěn)態(tài)能。本系統(tǒng)的參數(shù)為輸出電流波形，的好壞以及輸出特的與否在很大程度上取決于輸出反饋參數(shù)的，傳感器在主回路中安裝位置如圖6所示：
圖6 傳感器安裝位置
本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)恒流特，需要進(jìn)行恒值來(lái)實(shí)現(xiàn)，因而必須設(shè)計(jì)好、采樣速度快的恒值反饋采樣電路，尤其是選用以及穩(wěn)定很的電流傳感器。而霍爾傳感器則是這種需求的*選擇。線霍爾傳感器般由霍爾元件、差分放大器和射跟隨器組成，其體積小、外圍電路簡(jiǎn)單、頻帶寬、動(dòng)態(tài)特好、壽命長(zhǎng)有很的靈敏度和的線度，并具有電磁的功能而被應(yīng)用于逆變弧焊電源中。
4電流傳感器選型
在電量參數(shù)測(cè)量領(lǐng)域內(nèi)，作為的萊姆（LEM）公司的霍爾電流傳感器由于其穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品能成為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的。（注：此外由于本款焊接電源用于出口德國(guó)，德國(guó)廠商特別優(yōu)先選用LEM傳感器）
LEM的產(chǎn)品線豐富，對(duì)于本設(shè)計(jì)zui大輸出電流為200安培，因此在本設(shè)計(jì)中可選的霍爾電流傳感器有如下幾款：
表2 LEM系列電流傳感器選型
| 名稱(chēng) | 額定 電流 A | 副邊 輸出 | 總體 | 類(lèi)型 |
| LT208-S7 | 200 | 100mA | 0.5 | 閉環(huán) |
| LA200-P | 200 | 100mA | 0.4~1.5 | 閉環(huán) |
| LA205-S | 200 | 100mA | 0.4~1.5 | 閉環(huán) |
| BLF200-S7 | 200 | 4V | 見(jiàn) 線度表 | 開(kāi)環(huán) |
開(kāi)環(huán)電流霍爾傳感器
圖7閉環(huán)與開(kāi)環(huán)電流霍爾傳感器原理圖
如圖7所示，閉環(huán)霍爾電流傳感器是用霍爾器件作為核心敏感元件、用于電流的模塊化產(chǎn)品，其工作原理是霍爾磁平衡式的（或稱(chēng)霍爾磁補(bǔ)償式、霍爾零磁通式）。當(dāng)電流流過(guò)根長(zhǎng)的直導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的大小與流過(guò)導(dǎo)線的電流的大小成正比，這磁場(chǎng)可以通過(guò)軟磁材料來(lái)聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行，由于磁場(chǎng)的變化與霍爾器件的輸出電壓信號(hào)有良好的線關(guān)系，因此，可以用測(cè)得的輸出信號(hào)，直接反應(yīng)導(dǎo)線中電流的大小。
考慮到系統(tǒng)對(duì)霍爾電流傳感器的要求，因此選擇傳感器時(shí)著重考慮閉環(huán)類(lèi)型的霍爾電流傳感器，經(jīng)過(guò)反復(fù)比較適用的余下幾款傳感器參數(shù)，以及咨詢(xún)LEM公司的，在能和價(jià)比之間做了*的折中，zui終選定LT208-S7型的霍爾電流傳感器。其具體能參數(shù)如下：
原邊額定電流值IPN：200A
原邊電流測(cè)量范圍IP：0～±300A
副邊額定值電流為IS ：100mA
轉(zhuǎn)換率KN＝NP ：NS為：1：2000
測(cè)量電阻RM：0～73歐姆（±15供電）
總：±0.5％
線度：小于0.1％
反應(yīng)時(shí)間：小于500ns
響應(yīng)時(shí)間：小于1us
di/dt跟隨：大于100A/us
如常規(guī)電流傳感器樣，該傳感器都有正（+）、負(fù)（-）、測(cè)量端（M）及地（0）四個(gè)管腳， 本設(shè)計(jì)中通過(guò)四芯插座接線至PCB板。
圖8 系統(tǒng)中霍爾傳感器接線圖
電流傳感器的應(yīng)用計(jì)算公式如下：
NP×IP = NS×IS 計(jì)算原邊或副邊電流；VM = RM×I 計(jì)算測(cè)量電壓；（RM為采樣電阻）
VS = RS×IS 計(jì)算副邊電壓；
VA = ∆E + VS + VM 計(jì)算供電電壓。
本設(shè)計(jì)中，在給定供電電壓VA的情況下，計(jì)算測(cè)量電壓VM和測(cè)量電阻RM：
假設(shè)：供電電壓VA=±15V
根據(jù)上述公式得：
測(cè)量電壓VM=5V；
測(cè)量電阻RM=VM/IS =50Ω；
副邊電流IS=0.1A。
所以當(dāng)我們選用50Ω的精密測(cè)量電阻時(shí)（注意：測(cè)量電阻選擇要考慮其溫度系數(shù)，盡量選擇溫漂小、的電阻），在傳感器測(cè)量電流值達(dá)到額定電流200A時(shí)，其輸出電流信號(hào)為100mA ，測(cè)量電壓為5V。 因?yàn)橄到y(tǒng)中采用16位富士通單片機(jī)自帶的10位A/D轉(zhuǎn)換器，其采樣范圍在0～5V之間，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的zui大輸出電流為200A，因此選用50歐姆采樣電阻適宜于本設(shè)計(jì)。
為提采樣，安裝霍爾傳感器時(shí)我們著重注意了以下四點(diǎn)：
1、原邊導(dǎo)線應(yīng)放置于傳感器內(nèi)孔中心，盡可能不要放偏；
2、原邊導(dǎo)線盡可能填滿(mǎn)傳感器內(nèi)孔，盡量不要留有空隙；
3、需要測(cè)量的電流對(duì)應(yīng)于傳感器的額定值；
4、為防止干擾，在霍爾傳感器的供電電源端和地端單并接只0.1uF的退耦濾波電容。
5 總結(jié)
本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)波形是由泰克的TDS5054B示波器（帶寬1GHz）測(cè)量的，如下圖9、10、11所示：其中，圖9中通道1波形為輸出電流波形曲線，通道2波形為萊姆霍爾電流反饋采樣電阻上的電壓波形曲線。通道1每格為50安培，通道2每格為5伏；由圖9可以看出，在輸出電流變化時(shí)萊姆霍爾電流采樣不但能即時(shí)跟隨輸出變化，而且采樣。在圖10中，同樣通道1波形為輸出電流波形曲線，通道2波形為霍爾電流反饋采樣電阻上的電壓波形曲線。通道1每格為50安培，而通道2每格為1伏；由圖10可以看出，通過(guò)在寬負(fù)載范圍中輸出電流變化大范圍變化時(shí)，萊姆霍爾電流采樣能即時(shí)跟隨輸出變化，具有很好的線度。
圖9 霍爾反饋跟隨輸出電流變換特
圖10 寬負(fù)載范圍內(nèi)霍爾反饋跟隨輸出特
圖11 輸出電流波形與霍爾反饋采樣值
在圖11中，通道1波形同樣為輸出電流波形曲線，通道2波形為霍爾電流反饋采樣電阻上的電壓波形曲線。通道1每格為50安培，而通道2每格為5伏；而由圖11可以看出，在正常焊接時(shí)恒定負(fù)載，霍爾電流采樣值基本恒定，從而輸出的波形逆變電源恒流特的輸出設(shè)計(jì)要求。
本設(shè)計(jì)采用數(shù)字化的PI和數(shù)字化的PWM調(diào)制。充分利用數(shù)字化PI的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)的PI調(diào)節(jié)器參數(shù)在中靈活可變，使得電源在負(fù)載區(qū)間內(nèi)均能獲得良好的能。數(shù)字化實(shí)現(xiàn)了焊接過(guò)程信息實(shí)時(shí)提取處理，而且對(duì)電流輸出波形有很好的，減少飛濺，提、焊接質(zhì)量和速度。
在數(shù)字化的主控系統(tǒng)中配合數(shù)字化的PWM，就避免了D/A轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，也提了。另外，采用FPGA不可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的PWM，還可以實(shí)現(xiàn)般的數(shù)字電路功能，這就大大減小了板的面積和外擴(kuò)元器件的數(shù)量，同時(shí)也使得系統(tǒng)的得以提。
但是，從設(shè)計(jì)中也發(fā)現(xiàn)數(shù)字式PWM也存在不足，即數(shù)字式PWM以計(jì)數(shù)器當(dāng)定時(shí)器，因此存在分辨率的問(wèn)題，數(shù)字式PWM的定時(shí)器采用數(shù)字計(jì)數(shù)器，即若數(shù)字計(jì)數(shù)器的位數(shù)為N（即計(jì)數(shù)值周期為N+1；計(jì)數(shù)值周期不含時(shí)間概念，只有數(shù)值概念），則計(jì)數(shù)脈沖時(shí)鐘的頻率即為數(shù)字PWM的分辨率，而數(shù)字式PWM的分辨率就是其占空比可變化的zui小值。用公式表示為：若計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值周期為N+1，則數(shù)字PWM的分辨率為：D=1/（N+1）。模擬式時(shí)的PWM理論上可以為占空比區(qū)間內(nèi)的任意值，不存在分辨率的問(wèn)題，而數(shù)字式的PWM占空比為離散化的。
6結(jié)束語(yǔ)
在本系統(tǒng)應(yīng)用中，霍爾電流傳感器能正確響應(yīng)被測(cè)量并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)輸出量，對(duì)系統(tǒng)的質(zhì)量起決定作用。電量傳感器（包括電流和電壓傳感器等），在各個(gè)領(lǐng)域被應(yīng)用于電流、電壓測(cè)量。電量傳感器是安裝在系統(tǒng)內(nèi)部的核心部件，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)和設(shè)備的能與起著至關(guān)重要的作用。
源自瑞士的LEM以電流電壓傳感器行業(yè)*及革新者在業(yè)界著稱(chēng)，LEM于2006年1月開(kāi)始對(duì)其產(chǎn)品提供5年質(zhì)保，這舉措充分彰顯了LEM對(duì)其產(chǎn)品品質(zhì)的信心。
在本系統(tǒng)研發(fā)的過(guò)程中，萊姆（LEM）公司周到的服務(wù)和完善的售后，以及其快捷的供貨和的產(chǎn)品能都給我們留下了深刻的印象，讓我們深深領(lǐng)略了
的魅力。
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