朱偉建1 ，劉連華2
（1.上海大學電力電子與電力傳動專業，上海 200072；
2.上海威特力焊接設備制造股份有限公司，上海 201204）
摘要： 本文設計了一款WS-200逆變弧焊數字化控制電源，采用萊姆公司的LT208-S7型高精度霍爾電流傳感器采樣輸出電流信號。本設計采用輸出電流反饋的數字化PID控制，逆變電源的輸出性能得到改善，兼顧了輸出響應的動態性能和穩態特性。
關鍵詞： 霍爾電流傳感器；逆變；弧焊電源；數字化控制；脈寬調制
中圖分類號：TM382、TG444 文獻標識碼：B 文章編號：1 , 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 static and dynamic performance of the power supply. The experimental results show this power supply has perfect performance and stability in this paper.
Key words: Hall Current Transducer; Inverter; Arc Welding Supply; Digital Control; Pulse Width Modulator (PWM) 1 引言
金屬焊接是指通過適當的手段，使兩個分離的金屬物體產生原子或分子間結合而連接成一體的連接方法。焊接是金屬加工和制造業的重要加工工藝，它是一種精確、可靠、低成本永久性連接材料的方法。焊接方法種類繁多，但應用最廣泛的仍為電弧焊。
我國電焊機行業生產的逆變焊機技術已基本成熟，產品的質量和可靠性已基本滿足用戶需求，逆變技術正迅速進入焊接產品的各個領域，可以說逆變焊機是電焊機的發展主要方向。1993年在德國埃森焊接展覽會上，芬蘭的KEMPPI(肯比)公司發布了世界上第一款數字控制的焊接系統—Kemppi PRO，從此數字化焊機的發展引起了廣泛的關注。而奧地利Fronius（福尼斯）公司于1998年推出世界上第一批全數字MIG焊機標志著數字化焊機的實用化。
目前，我國數字化焊接電源的研究還處于起步階段，有待于更深層次的開發和研究，有著廣泛的研究空間。根據中國電器工業協會電焊機分會的電焊機行業“十一五”規劃：“我國的電焊機行業任重而道遠，需盡快調整產品結構、提高產品檔次、順應市場要求；盡快完善并采用數字化逆變電源和高效氣體保護焊機。大力發展氣體保護焊、大力推進運用逆變焊接電源是今后5年的工作方向。國產數字化焊機技術將達到國外20世紀90年代水平。逆變焊機將向數字化、輕巧化、節能化、高可靠性化方向發展……”。
在現代焊接領域，弧焊逆變電源的數字化控制技術為焊接設備的發展開拓出了一個全新的發展空間，具有控制精度高，焊縫成型一致性好、擴展性強、操作方便、便于生產自動化等優點，主要用于大型設備制造、鋼結構、汽車業、薄板焊接、壓力容器制造、軌道及車輛業制造及修補、自動化設備制造、管道、造船業以及家用設備制造等眾多行業。數字化焊接技術作為焊接產業新的發展方向有著原有模擬設備不可比擬的優越性。
目前我國在數字化焊機方面的研究遠遠落后于國外發達國家，國外的數字化焊機在國內占據了很大的份額，而且國外數字化焊機價格非常昂貴。數字化焊接電源的研究不僅可以降低國內應用焊機的行業的生產成本，而且可以以低成本、高質量、高穩定性的優勢大量銷往國外，為國家出口創匯。
2 系統設計方案簡介
在電弧焊接領域，隨著逆變技術的發展和數字化控制技術的應用，逐漸形成了由逆變主電路代替傳統的主電路和由數字控制代替模擬控制的趨勢。焊機的數字化包括兩方面的內容即主電路的數字化和控制電路的數字化。在主電路方面焊接電源從模擬式焊機發展到逆變式焊機，實際上是完成了主電路從模擬到數字化的跨越。因此對于所謂的數字化逆變弧焊電源來講，一般也就是針對控制電路部分來講的。
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交流電經全橋整流變成直流，IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成幾十K至上百K的高頻脈沖波形，經高頻變壓器耦合，整流濾波后提供穩定的直流電，供電弧使用。
圖2 四種典型直流輸出外特性曲線
圖2所示為弧焊逆變電源的輸出外特性伏安曲線，可以看出總體上可分為兩種即恒壓特性曲線（平特性）和恒流特性曲線（包括緩降特性、陡降特性、垂特性等等）。以上輸出特性是根據焊接方法的要求不同而輸出特性也不同。本系統設計的是一款WS系列（即手工焊氬弧焊機）的弧焊逆變電源，考慮焊接工藝要求，輸出特性為陡降的恒流伏安特性（如圖3所示）。
圖3 WS系列弧焊電源負載特性曲線
氬弧焊的約定負載電壓U2與約定焊接電流I2之間的關系式如下：
U2 ＝10＋0.04 I2 （V）
本設計為一款型號為WS-200的逆變弧焊電源，其設計技術參數如下：
表1 技術參數列表
型號
技術參數
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
調節范圍（A）
10～200
最大空載電壓(V)
63
前送氣時間（S）
0.1
后送氣時間（s）
3～10
由于逆變焊接電源的負載是電弧，是一種特殊的非線性負載，給定信號與反饋信號的時間差難以控制，且負載的變化范圍較大，使得整個系統的控制模型成為高階性，復雜性顯著增加。焊接過程是一個時變、非線性并有很強干擾的過程，要對焊接電壓、焊接電流進行實時監測和控制，控制系統的響應速度必須足夠快，可靠性好。因此選用算法簡單的PID參數整定（如圖4所示），由于調節器中積分器的存在可以消除系統的穩態誤差，且調節器結構簡單，參數容易調整且經長期工業控制中的應用控制思想更加完善。
圖4 PWM控制系統設計
可從上圖中看出，本系統是一個閉環控制系統，其控制思想是由用戶接口即面板得到參數給定，通過該給定與反饋采樣輸出信號比較運算，通過PID參數整定生成PWM控制波形，控制主回路的功率開關管動作從而實現輸出特性跟隨輸入。PID控制以其簡單、參數易于整定、發展成熟的特點，廣泛應用于工程實踐之中。早期的逆變焊機采用的控制技術多為模擬PID控制，但僅僅單純利用輸出電壓有效直反饋或輸出電壓瞬時值反饋進行模擬PID控制調節，其電源性能尤其是動態性能不太理想，若引入電流電壓環雙環控制則可使逆變焊接電源的輸出特性得到很大改善。在此控制系統中，微分環節的加入對于改善系統的動態性能有一定好處，但是由于微分環節對于穩態性能的提高產生了負面作用，因此實際控制中，只在反饋值與輸入給定之間的偏差超限時才加入微分控制算法，而通常情況下控制算法中摒棄微分環節，因此圖4中未標識PID調節，而僅僅以PI調節作為圖示。
3 控制策略
本系統控制部分構成為：富士通的16位單片機構成面板參數給定和A/D系統數據采集、焊接即時狀態顯示。而PWM脈沖生成部分由FPGA芯片通過與單片機接口采樣A/D轉換的信號，并根據此數值與給定參數比較的差值進行PID參數整定，生成占空比可變的脈沖控制功率開關管。如下圖5所示：
圖5 數字控制系統組成
在PWM反饋控制模式的基本工作原理是在輸入電壓、內部參數或外接負載變化的情況下，控制電路通過被控制信號與基準信號的差值進行閉環反饋，調節主電路開關器件的導通脈沖寬度，使得逆變電源的輸出電流恒定。在此系統控制應用中PWM的開關頻率為恒定值，控制采樣信號有輸出電壓、輸出電流等等。
本系統采用瞬時值反饋的數字PID控制，控制算法簡單可靠，系統的魯棒性好，輸出波形既能保證動態性能又可以兼顧穩態性能。本系統的控制參數為輸出電流波形，控制精度的好壞以及輸出特性的優良與否在很大程度上取決于輸出反饋參數的精度，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
本系統要實現恒流特性，需要進行恒值控制來實現，因而必須設計好精度高、采樣速度快的恒值反饋采樣電路，尤其是選用精度以及穩定性很高的電流傳感器。而霍爾傳感器則是這種需求的最優選擇。線性霍爾傳感器一般由霍爾元件、差分放大器和射極跟隨器組成，其體積小、外圍電路簡單、頻帶寬、動態特性好、壽命長有很高的靈敏度和優良的線性度，并具有電磁隔離的功能而被廣泛應用于逆變弧焊電源中。
4 電流傳感器選型
在電量參數測量領域內，作為首屈一指的領導廠商萊姆（LEM）公司的霍爾電流傳感器由于其穩定可靠的產品性能成為本系統設計的首選。（注：此外由于本款焊接電源用于出口德國，德國廠商特別指定優先選用LEM傳感器）
LEM的產品線非常豐富，對于本設計最大輸出電流為200安培，因此在本設計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
額定
電流
A
副邊
輸出
總體精度
技術
類型
LT208-S7
200
100mA
0.5
閉環
LA200-P
200
100mA
0.4~1.5
閉環
LA205-S
200
100mA
0.4~1.5
閉環
BLF200-S7
200
4V
見
線性度表
開環
開環電流霍爾傳感器
圖7閉環與開環電流霍爾傳感器原理圖
如圖7所示，閉環霍爾電流傳感器是用霍爾器件作為核心敏感元件、用于隔離檢測電流的模塊化產品，其工作原理是霍爾磁平衡式的(或稱霍爾磁補償式、霍爾零磁通式)。當電流流過一根長的直導線時，在導線周圍產生磁場，磁場的大小與流過導線的電流的大小成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進行檢測，由于磁場的變化與霍爾器件的輸出電壓信號有良好的線性關系，因此，可以用測得的輸出信號，直接反應導線中電流的大小。
考慮到系統對霍爾電流傳感器精度的要求，因此選擇傳感器時著重考慮閉環類型的霍爾電流傳感器，經過反復比較適用的余下幾款傳感器參數，以及咨詢LEM公司的技術支持，在性能和性價比之間做了最佳的折中，最終選定LT208-S7型的霍爾電流傳感器。其具體性能參數如下：
原邊額定電流有效值IPN ：200A
原邊電流測量范圍IP ：0～±300A
副邊額定有效值電流為IS ：100mA
轉換率KN ＝NP ：NS 為：1：2000
測量電阻RM ：0～73歐姆（±15供電）
總精度：±0.5％
線性度：小于0.1％
反應時間：小于500ns
響應時間：小于1us
di /dt 跟隨精度：大于100A/us
如常規電流傳感器一樣，該傳感器都有正極（+）、負極（-）、測量端（M）及地（0）四個管腳， 本設計中通過四芯插座接線至控制PCB板。
圖8 系統中霍爾傳感器接線圖
電流傳感器的應用計算公式如下：
NP ×IP = NS ×IS 計算原邊或副邊電流；VM = RM ×I 計算測量電壓；（RM 為采樣電阻）
VS = RS ×IS 計算副邊電壓；
VA = &# 8710;E + VS + VM 計算供電電壓。
本設計中，在給定供電電壓VA 的情況下，計算測量電壓VM 和測量電阻RM ：
假設：供電電壓VA=±15V
根據上述公式得：
測量電壓VM =5V；
測量電阻RM =VM /IS =50Ω；
副邊電流IS =0.1A。
所以當我們選用50Ω的精密測量電阻時（注意：測量電阻選擇一定要考慮其溫度系數，盡量選擇溫漂小、高精度的電阻），在傳感器測量電流值達到額定電流200A時，其輸出電流信號為100mA ，測量電壓為5V。 因為系統中采用16位富士通單片機自帶的10位A/D轉換器，其采樣范圍在0～5V之間，本系統設計的最大輸出電流為200A，因此選用50歐姆采樣電阻適宜于本設計。
為提高采樣精度，安裝霍爾傳感器時我們著重注意了以下四點：
1、原邊導線應放置于傳感器內孔中心，盡可能不要放偏；
2、原邊導線盡可能完全填滿傳感器內孔，盡量不要留有空隙；
3、需要測量的電流完全對應于傳感器的標準額定值；
4、為防止干擾，在霍爾傳感器的供電電源端和地端單獨并接一只0.1uF的退耦濾波電容。
5 總結
本系統實驗波形是由泰克的TDS5054B示波器（帶寬1GHz）精確測量的，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，在輸出電流變化時萊姆霍爾電流采樣不但能即時跟隨輸出變化，而且采樣精度非常高。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，通過在寬負載范圍中輸出電流變化大范圍變化時，萊姆霍爾電流采樣能即時跟隨輸出變化，具有很好的線性度。
圖9 霍爾反饋跟隨輸出電流變換特性
圖10 寬負載范圍內霍爾反饋跟隨輸出特性
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，在正常焊接時恒定負載，霍爾電流采樣值基本恒定，從而輸出的波形完全符合逆變電源恒流特性的輸出設計要求。
本設計采用數字化的PI和數字化的PWM調制。充分利用數字化PI的優勢，設計的PI調節器參數在控制中靈活可變，使得電源在全負載區間內均能獲得良好的性能。數字化控制實現了焊接過程信息實時提取處理，而且對電流輸出波形有很好的控制，減少飛濺，提高穩定性、焊接質量和速度。
在數字化的主控系統中配合數字化的PWM，就避免了D/A轉換環節，也提高了精度。另外，采用FPGA不僅可以實現數字化的PWM，還可以實現一般的數字電路功能，這就大大減小了控制板的面積和外擴元器件的數量，同時也使得系統的可靠性得以提高。
但是，從設計中也發現數字式PWM控制也存在不足，即數字式PWM以計數器當定時器，因此存在分辨率的問題，數字式PWM的定時器采用數字計數器，即若數字計數器的位數為N（即計數值周期為N+1；計數值周期不含時間概念，只有數值概念），則計數脈沖時鐘的頻率即為數字PWM的分辨率，而數字式PWM的分辨率就是其占空比可變化的最小值。用公式表示為：若計數器的計數值周期為N+1，則數字PWM的分辨率為：D=1/(N+1)。模擬式控制時的PWM理論上可以為占空比區間內的任意值，不存在分辨率的問題，而數字式的PWM占空比為離散化的。
6結束語
在本系統應用中，霍爾電流傳感器能正確響應被測量并轉換成相應輸出量，對系統的質量起決定性作用。電量傳感器（包括電流和電壓傳感器等），在各個領域被廣泛應用于電流、電壓測量。電量傳感器是安裝在系統內部的核心部件，對整個系統和設備的性能與安全起著至關重要的作用。
源自瑞士的LEM以電流電壓傳感器行業開拓者及革新者在業界著稱，LEM于2006年1月開始對其產品提供5年質保，這一舉措充分彰顯了LEM對其產品品質的信心。
在本系統研發的過程中，萊姆（LEM）公司周到的服務和完善的售后技術支持，以及其快捷的供貨和優質的產品性能都給我們留下了深刻的印象，讓我們深深領略了
品牌的魅力。
參考文獻
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[6] LEM.BLF-S7系列電流傳感器DATASHEET [Z]. 北京萊姆電子有限公司
[7] LEM. LT208-S7系列電流傳感器DATASHEET [Z]. 北京萊姆電子有限公司
作者簡介
朱偉建（1980- ）；男；籍貫：山東菏澤；上海大學電力電子與電力傳動碩士研究生；研究方向：電力電子與電力傳動、逆變電源。
劉連華（1978- ）；男；籍貫：江蘇鹽城；電氣工程師；上海威特力焊接設備制造股份有限公司研發中心項目主管；主要從事弧焊逆變電源、電鍍電解電源等研發。
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