摘要：本文設計了款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。本設計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，兼顧了輸出響應的動態(tài)能和穩(wěn)態(tài)特。
關鍵詞：霍爾電流傳感器；逆變；弧焊電源；數(shù)字化；脈寬調(diào)制
中圖分類號：TM382、TG444 文獻標識碼：B 文章編號：
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
金屬焊接是指通過適當?shù)氖侄?，使兩個分離的金屬物體產(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。焊接方法種類繁多，但應用zui的仍為電弧焊。
我國電焊機行業(yè)生產(chǎn)的逆變焊機已基本成熟，產(chǎn)品的質(zhì)量和已基本用戶需求，逆變正迅速進入焊接產(chǎn)品的各個領域，可以說逆變焊機是電焊機的發(fā)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(fā)布了上*款數(shù)字的焊接系統(tǒng)—Kemppi PRO，從此數(shù)字化焊機的發(fā)展引起了的關注。而奧地利Fronius（福尼斯）公司于1998年推出上*批數(shù)字MIG焊機標志著數(shù)字化焊機的實用化。
目前，我國數(shù)字化焊接電源的研究還處于起步階段，有待于深層次的開發(fā)和研究，有著的研究空間。根據(jù)中國電器工業(yè)電焊機分會的電焊機行業(yè)“十五”規(guī)劃：“我國的電焊機行業(yè)任重而道遠，需盡快調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構、提產(chǎn)品檔次、順應市場要求；盡快完善并采用數(shù)字化逆變電源和氣體保護焊機。大力發(fā)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(chǎn)數(shù)字化焊機將達到國外20世紀90年代水平。逆變焊機將向數(shù)字化、輕巧化、化、化方向發(fā)展……”。
在現(xiàn)代焊接領域，弧焊逆變電源的數(shù)字化為焊接設備的發(fā)展開拓出了個新的發(fā)展空間，具有，焊縫成型致好、擴展強、操作方便、便于生產(chǎn)自動化等優(yōu)點，主要用于大型設備制造、鋼結(jié)構、汽車業(yè)、薄板焊接、壓力容器制造、軌道及車輛業(yè)制造及修補、自動化設備制造、管道、造船業(yè)以及家用設備制造等眾多行業(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備不可比擬的*。
目前我國在數(shù)字化焊機方面的研究遠遠落后于國外發(fā)達國家，國外的數(shù)字化焊機在占據(jù)了很大的份額，而且國外數(shù)字化焊機價格昂貴。數(shù)字化焊接電源的研究不可以降低應用焊機的行業(yè)的生產(chǎn)成本，而且可以以低成本、、的優(yōu)勢大量銷往國外，為國家出口創(chuàng)匯。
2系統(tǒng)設計方案簡介
在電弧焊接領域，隨著逆變的發(fā)展和數(shù)字化的應用，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。焊機的數(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發(fā)展到逆變式焊機，實際上是完成了主電路從模擬到數(shù)字化的跨越。因此對于所謂的數(shù)字化逆變弧焊電源來講，般也就是針對電路部分來講的。
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(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)設計的是款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，輸出特為陡降的恒流伏安特（如圖3所示）。
圖3 WS系列弧焊電源負載特曲線
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）
本設計為款型號為WS-200的逆變弧焊電源，其設計參數(shù)如下：
表1 參數(shù)列表
| 型號 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，是種特殊的非線負載，給定信號與反饋信號的時間差難以，且負載的變化范圍較大，使得整個系統(tǒng)的模型成為階，復雜顯著增加。焊接過程是個時變、非線并有干擾的過程，要對焊接電壓、焊接電流進行實時監(jiān)測和，系統(tǒng)的響應速度必須足夠快，好。因此選用算法簡單的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)構簡單，參數(shù)調(diào)整且經(jīng)長期工業(yè)中的應用思想加完善。
圖4 PWM系統(tǒng)設計
可從上圖中看出，本系統(tǒng)是個閉環(huán)系統(tǒng)，其思想是由用戶接口即面板得到參數(shù)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(shù)整定生成PWM波形，主回路的功率開關管動作從而實現(xiàn)輸出特跟隨輸入。PID以其簡單、參數(shù)易于整定、發(fā)展成熟的特點，應用于工程實踐之中。早期的逆變焊機采用的多為模擬PID，但單純利用輸出電壓直反饋或輸出電壓瞬時值反饋進行模擬PID調(diào)節(jié)，其電源能尤其是動態(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)的加入對于改善系統(tǒng)的動態(tài)能有好處，但是由于微分環(huán)節(jié)對于穩(wěn)態(tài)能的提產(chǎn)生了負面作用，因此實際中，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中未標識PID調(diào)節(jié)，而以PI調(diào)節(jié)作為圖示。
3 策略
本系統(tǒng)部分構成為：富士通的16位單片機構成面板參數(shù)給定和A/D系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、焊接即時狀態(tài)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(zhuǎn)換的信號，并根據(jù)此數(shù)值與給定參數(shù)比較的差值進行PID參數(shù)整定，生成占空比可變的脈沖功率開關管。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)或外接負載變化的情況下，電路通過被信號與基準信號的差值進行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)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(tǒng)應用中PWM的開關頻率為恒定值，采樣信號有輸出電壓、輸出電流等等。
本系統(tǒng)采用瞬時值反饋的數(shù)字PID，算法簡單可靠，系統(tǒng)的魯棒好，輸出波形既能動態(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)要實現(xiàn)恒流特，需要進行恒值來實現(xiàn)，因而必須設計好、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、外圍電路簡單、頻帶寬、動態(tài)特好、壽命長有很的靈敏度和的線度，并具有電磁的功能而被應用于逆變弧焊電源中。
4電流傳感器選型
在電量參數(shù)測量領域內(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)設計的。（注：此外由于本款焊接電源用于出口德國，德國廠商特別優(yōu)先選用LEM傳感器）
LEM的產(chǎn)品線豐富，對于本設計zui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 | 類型 |
| 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 線度表 | 開環(huán) |
開環(huán)電流霍爾傳感器
圖7閉環(huán)與開環(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（或稱霍爾磁補償式、霍爾零磁通式）。當電流流過根長的直導線時，在導線周圍產(chǎn)生磁場，磁場的大小與流過導線的電流的大小成正比，這磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進行，由于磁場的變化與霍爾器件的輸出電壓信號有良好的線關系，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(tǒng)對霍爾電流傳感器的要求，因此選擇傳感器時著重考慮閉環(huán)類型的霍爾電流傳感器，經(jīng)過反復比較適用的余下幾款傳感器參數(shù)，以及咨詢LEM公司的，在能和價比之間做了*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
測量電阻RM：0～73歐姆（±15供電）
總：±0.5％
線度：小于0.1％
反應時間：小于500ns
響應時間：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（-）、測量端（M）及地（0）四個管腳， 本設計中通過四芯插座接線至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 = ∆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(jù)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：測量電阻選擇要考慮其溫度系數(shù)，盡量選擇溫漂小、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(tǒng)中采用16位富士通單片機自帶的10位A/D轉(zhuǎn)換器，其采樣范圍在0～5V之間，本系統(tǒng)設計的zui大輸出電流為200A，因此選用50歐姆采樣電阻適宜于本設計。
為提采樣，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(nèi)孔中心，盡可能不要放偏；
2、原邊導線盡可能填滿傳感器內(nèi)孔，盡量不要留有空隙；
3、需要測量的電流對應于傳感器的額定值；
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)實驗波形是由泰克的TDS5054B示波器（帶寬1GHz）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。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，具有很好的線度。
圖9 霍爾反饋跟隨輸出電流變換特
圖10 寬負載范圍內(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，在正常焊接時恒定負載，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計要求。
本設計采用數(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，設計的PI調(diào)節(jié)器參數(shù)在中靈活可變，使得電源在負載區(qū)間內(nèi)均能獲得良好的能。數(shù)字化實現(xiàn)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，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不可以實現(xiàn)數(shù)字化的PWM，還可以實現(xiàn)般的數(shù)字電路功能，這就大大減小了板的面積和外擴元器件的數(shù)量，同時也使得系統(tǒng)的得以提。
但是，從設計中也發(fā)現(xiàn)數(shù)字式PWM也存在不足，即數(shù)字式PWM以計數(shù)器當定時器，因此存在分辨率的問題，數(shù)字式PWM的定時器采用數(shù)字計數(shù)器，即若數(shù)字計數(shù)器的位數(shù)為N（即計數(shù)值周期為N+1；計數(shù)值周期不含時間概念，只有數(shù)值概念），則計數(shù)脈沖時鐘的頻率即為數(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：若計數(shù)器的計數(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，不存在分辨率的問題，而數(shù)字式的PWM占空比為離散化的。
6結(jié)束語
在本系統(tǒng)應用中，霍爾電流傳感器能正確響應被測量并轉(zhuǎn)換成相應輸出量，對系統(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），在各個領域被應用于電流、電壓測量。電量傳感器是安裝在系統(tǒng)內(nèi)部的核心部件，對整個系統(tǒng)和設備的能與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(yè)*及革新者在業(yè)界著稱，LEM于2006年1月開始對其產(chǎn)品提供5年質(zhì)保，這舉措充分彰顯了LEM對其產(chǎn)品品質(zhì)的信心。
在本系統(tǒng)研發(fā)的過程中，萊姆（LEM）公司周到的服務和完善的售后，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，讓我們深深領略了
的魅力。
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