ARM控制数字化逆变焊机PWM脉冲的实现

1、李志刚等：ARM控制数字化逆变焊机PWM脉冲的实现ARM控制数字化逆变焊机PWM脉冲的实现李志刚 陈玉喜 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，并进行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 GAL1 引言在焊接电源中采用数字化控制，具有灵

2、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，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

3、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LPC21

4、31(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。2 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。基于以上问题

5、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 1

6、95第五届全国计算机在焊接中的应用学术与技术交流会论文集，2008年10月29日-11月3日，广西南宁输出通道，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。图1 弧焊逆变器及PWM脉冲产生电路LPC2131内嵌PWM脉冲模块，可产生6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

7、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_BASELDR R1,=Ox404STR R1,R0,#0x4C ；设定为双边沿模式控制MOV R1,#0x02STR R1,R0,#14 ；匹配时复位定时器MOV R1,0x10000STR R1,R0,#0x18 ；设定PWM周期MOV R1,#2000STR R1,R0,#0x1C ；高电平匹配值MO

8、V R1,#0x7000STR R1,R0,#0x20 ；低电平匹配值MOV R1,0x07STR R1,R0,#0x50 ；锁存MOV R1,#0x09STR R1,R0,#0x04 ；使能启动PWM定时器图2 ARM双边沿PWM产生机理 图3电压控制的实现电源工作时通过霍尔传感器采集焊接电流和电压，通过电压转换后经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 196李志刚等：ARM控制数字化逆变焊机PWM脉冲的实现现了对

9、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PWM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、

10、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、软启动开关、气阀、送丝机的控制以及对过热过流信号的传递与显示。图4PWM转化原理图 图5PWM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

11、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。图6GAL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 197第五届全国计算机在焊接中的应用学术与技术交流会论文集，2008年10月29日-11月

12、3日，广西南宁形，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。图7 PWM产生和转换的实测波形图8EXB841正常驱动波形 图9EXB841过流保护波形5 结论(1)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：机械工业出社版，2007.2 黄彦源，钟继光，陈宇军CO2焊的波形控制法机电工程技术2004，33(12):7-93 张文义，杨乐民状态组合法在电