朱伟建1 ，刘连华2
（1.上海大学电力电子与电力传动专业，上海 200072；
2.上海威特力焊接设备制造股份有限公司，上海 201204）
摘要： 本文设计了一款WS-200逆变弧焊数字化控制电源，采用莱姆公司的LT208-S7型高精度霍尔电流传感器采样输出电流信号。本设计采用输出电流反馈的数字化PID控制，逆变电源的输出性能得到改善，兼顾了输出响应的动态性能和稳态特性。
关键词： 霍尔电流传感器；逆变；弧焊电源；数字化控制；脉宽调制
中图分类号：TM382、TG444 文献标识码：B 文章编号：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
金属焊接是指通过适当的手段，使两个分离的金属物体产生原子或分子间结合而连接成一体的连接方法。焊接是金属加工和制造业的重要加工工艺，它是一种精确、可靠、低成本永久性连接材料的方法。焊接方法种类繁多，但应用最广泛的仍为电弧焊。
我国电焊机行业生产的逆变焊机技术已基本成熟，产品的质量和可靠性已基本满足用户需求，逆变技术正迅速进入焊接产品的各个领域，可以说逆变焊机是电焊机的发展主要方向。1993年在德国埃森焊接展览会上，芬兰的KEMPPI(肯比)公司发布了世界上第一款数字控制的焊接系统—Kemppi PRO，从此数字化焊机的发展引起了广泛的关注。而奥地利Fronius（福尼斯）公司于1998年推出世界上第一批全数字MIG焊机标志着数字化焊机的实用化。
目前，我国数字化焊接电源的研究还处于起步阶段，有待于更深层次的开发和研究，有着广泛的研究空间。根据中国电器工业协会电焊机分会的电焊机行业“十一五”规划：“我国的电焊机行业任重而道远，需尽快调整产品结构、提高产品档次、顺应市场要求；尽快完善并采用数字化逆变电源和高效气体保护焊机。大力发展气体保护焊、大力推进运用逆变焊接电源是今后5年的工作方向。国产数字化焊机技术将达到国外20世纪90年代水平。逆变焊机将向数字化、轻巧化、节能化、高可靠性化方向发展……”。
在现代焊接领域，弧焊逆变电源的数字化控制技术为焊接设备的发展开拓出了一个全新的发展空间，具有控制精度高，焊缝成型一致性好、扩展性强、操作方便、便于生产自动化等优点，主要用于大型设备制造、钢结构、汽车业、薄板焊接、压力容器制造、轨道及车辆业制造及修补、自动化设备制造、管道、造船业以及家用设备制造等众多行业。数字化焊接技术作为焊接产业新的发展方向有着原有模拟设备不可比拟的优越性。
目前我国在数字化焊机方面的研究远远落后于国外发达国家，国外的数字化焊机在国内占据了很大的份额，而且国外数字化焊机价格非常昂贵。数字化焊接电源的研究不仅可以降低国内应用焊机的行业的生产成本，而且可以以低成本、高质量、高稳定性的优势大量销往国外，为国家出口创汇。
2 系统设计方案简介
在电弧焊接领域，随着逆变技术的发展和数字化控制技术的应用，逐渐形成了由逆变主电路代替传统的主电路和由数字控制代替模拟控制的趋势。焊机的数字化包括两方面的内容即主电路的数字化和控制电路的数字化。在主电路方面焊接电源从模拟式焊机发展到逆变式焊机，实际上是完成了主电路从模拟到数字化的跨越。因此对于所谓的数字化逆变弧焊电源来讲，一般也就是针对控制电路部分来讲的。
图1 逆变焊接电源主回路原理图
如图1所示，逆变焊机电源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)变换的方法即：50Hz交流电经全桥整流变成直流，IGBT组成的PWM高频变换部分将直流电逆变成几十K至上百K的高频脉冲波形，经高频变压器耦合，整流滤波后提供稳定的直流电，供电弧使用。
图2 四种典型直流输出外特性曲线
图2所示为弧焊逆变电源的输出外特性伏安曲线，可以看出总体上可分为两种即恒压特性曲线（平特性）和恒流特性曲线（包括缓降特性、陡降特性、垂特性等等）。以上输出特性是根据焊接方法的要求不同而输出特性也不同。本系统设计的是一款WS系列（即手工焊氩弧焊机）的弧焊逆变电源，考虑焊接工艺要求，输出特性为陡降的恒流伏安特性（如图3所示）。
图3 WS系列弧焊电源负载特性曲线
氩弧焊的约定负载电压U2与约定焊接电流I2之间的关系式如下：
U2 ＝10＋0.04 I2 （V）
本设计为一款型号为WS-200的逆变弧焊电源，其设计技术参数如下：
表1 技术参数列表
型号
技术参数
WS-200
输入电源
单相AC220/230V
工频（50Hz）
额定输入电流（A）
27(TIG)
38.9(MMA)
焊接电流
调节范围（A）
10～200
最大空载电压(V)
63
前送气时间（S）
0.1
后送气时间（s）
3～10
由于逆变焊接电源的负载是电弧，是一种特殊的非线性负载，给定信号与反馈信号的时间差难以控制，且负载的变化范围较大，使得整个系统的控制模型成为高阶性，复杂性显著增加。焊接过程是一个时变、非线性并有很强干扰的过程，要对焊接电压、焊接电流进行实时监测和控制，控制系统的响应速度必须足够快，可靠性好。因此选用算法简单的PID参数整定（如图4所示），由于调节器中积分器的存在可以消除系统的稳态误差，且调节器结构简单，参数容易调整且经长期工业控制中的应用控制思想更加完善。
图4 PWM控制系统设计
可从上图中看出，本系统是一个闭环控制系统，其控制思想是由用户接口即面板得到参数给定，通过该给定与反馈采样输出信号比较运算，通过PID参数整定生成PWM控制波形，控制主回路的功率开关管动作从而实现输出特性跟随输入。PID控制以其简单、参数易于整定、发展成熟的特点，广泛应用于工程实践之中。早期的逆变焊机采用的控制技术多为模拟PID控制，但仅仅单纯利用输出电压有效直反馈或输出电压瞬时值反馈进行模拟PID控制调节，其电源性能尤其是动态性能不太理想，若引入电流电压环双环控制则可使逆变焊接电源的输出特性得到很大改善。在此控制系统中，微分环节的加入对于改善系统的动态性能有一定好处，但是由于微分环节对于稳态性能的提高产生了负面作用，因此实际控制中，只在反馈值与输入给定之间的偏差超限时才加入微分控制算法，而通常情况下控制算法中摒弃微分环节，因此图4中未标识PID调节，而仅仅以PI调节作为图示。
3 控制策略
本系统控制部分构成为：富士通的16位单片机构成面板参数给定和A/D系统数据采集、焊接即时状态显示。而PWM脉冲生成部分由FPGA芯片通过与单片机接口采样A/D转换的信号，并根据此数值与给定参数比较的差值进行PID参数整定，生成占空比可变的脉冲控制功率开关管。如下图5所示：
图5 数字控制系统组成
在PWM反馈控制模式的基本工作原理是在输入电压、内部参数或外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件的导通脉冲宽度，使得逆变电源的输出电流恒定。在此系统控制应用中PWM的开关频率为恒定值，控制采样信号有输出电压、输出电流等等。
本系统采用瞬时值反馈的数字PID控制，控制算法简单可靠，系统的鲁棒性好，输出波形既能保证动态性能又可以兼顾稳态性能。本系统的控制参数为输出电流波形，控制精度的好坏以及输出特性的优良与否在很大程度上取决于输出反馈参数的精度，传感器在主回路中安装位置如图6所示：
图6 传感器安装位置
本系统要实现恒流特性，需要进行恒值控制来实现，因而必须设计好精度高、采样速度快的恒值反馈采样电路，尤其是选用精度以及稳定性很高的电流传感器。而霍尔传感器则是这种需求的最优选择。线性霍尔传感器一般由霍尔元件、差分放大器和射极跟随器组成，其体积小、外围电路简单、频带宽、动态特性好、寿命长有很高的灵敏度和优良的线性度，并具有电磁隔离的功能而被广泛应用于逆变弧焊电源中。
4 电流传感器选型
在电量参数测量领域内，作为首屈一指的领导厂商莱姆（LEM）公司的霍尔电流传感器由于其稳定可靠的产品性能成为本系统设计的首选。（注：此外由于本款焊接电源用于出口德国，德国厂商特别指定优先选用LEM传感器）
LEM的产品线非常丰富，对于本设计最大输出电流为200安培，因此在本设计中可选的霍尔电流传感器有如下几款：
表2 LEM系列电流传感器选型
名称
额定
电流
A
副边
输出
总体精度
技术
类型
LT208-S7
200
100mA
0.5
闭环
LA200-P
200
100mA
0.4~1.5
闭环
LA205-S
200
100mA
0.4~1.5
闭环
BLF200-S7
200
4V
见
线性度表
开环
开环电流霍尔传感器
图7闭环与开环电流霍尔传感器原理图
如图7所示，闭环霍尔电流传感器是用霍尔器件作为核心敏感元件、用于隔离检测电流的模块化产品，其工作原理是霍尔磁平衡式的(或称霍尔磁补偿式、霍尔零磁通式)。当电流流过一根长的直导线时，在导线周围产生磁场，磁场的大小与流过导线的电流的大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测，由于磁场的变化与霍尔器件的输出电压信号有良好的线性关系，因此，可以用测得的输出信号，直接反应导线中电流的大小。
考虑到系统对霍尔电流传感器精度的要求，因此选择传感器时着重考虑闭环类型的霍尔电流传感器，经过反复比较适用的余下几款传感器参数，以及咨询LEM公司的技术支持，在性能和性价比之间做了最佳的折中，最终选定LT208-S7型的霍尔电流传感器。其具体性能参数如下：
原边额定电流有效值IPN ：200A
原边电流测量范围IP ：0～±300A
副边额定有效值电流为IS ：100mA
转换率KN ＝NP ：NS 为：1：2000
测量电阻RM ：0～73欧姆（±15供电）
总精度：±0.5％
线性度：小于0.1％
反应时间：小于500ns
响应时间：小于1us
di /dt 跟随精度：大于100A/us
如常规电流传感器一样，该传感器都有正极（+）、负极（-）、测量端（M）及地（0）四个管脚， 本设计中通过四芯插座接线至控制PCB板。
图8 系统中霍尔传感器接线图
电流传感器的应用计算公式如下：
NP ×IP = NS ×IS 计算原边或副边电流；VM = RM ×I 计算测量电压；（RM 为采样电阻）
VS = RS ×IS 计算副边电压；
VA = &# 8710;E + VS + VM 计算供电电压。
本设计中，在给定供电电压VA 的情况下，计算测量电压VM 和测量电阻RM ：
假设：供电电压VA=±15V
根据上述公式得：
测量电压VM =5V；
测量电阻RM =VM /IS =50Ω；
副边电流IS =0.1A。
所以当我们选用50Ω的精密测量电阻时（注意：测量电阻选择一定要考虑其温度系数，尽量选择温漂小、高精度的电阻），在传感器测量电流值达到额定电流200A时，其输出电流信号为100mA ，测量电压为5V。 因为系统中采用16位富士通单片机自带的10位A/D转换器，其采样范围在0～5V之间，本系统设计的最大输出电流为200A，因此选用50欧姆采样电阻适宜于本设计。
为提高采样精度，安装霍尔传感器时我们着重注意了以下四点：
1、原边导线应放置于传感器内孔中心，尽可能不要放偏；
2、原边导线尽可能完全填满传感器内孔，尽量不要留有空隙；
3、需要测量的电流完全对应于传感器的标准额定值；
4、为防止干扰，在霍尔传感器的供电电源端和地端单独并接一只0.1uF的退耦滤波电容。
5 总结
本系统实验波形是由泰克的TDS5054B示波器（带宽1GHz）精确测量的，如下图9、10、11所示：其中，图9中通道1波形为输出电流波形曲线，通道2波形为莱姆霍尔电流反馈采样电阻上的电压波形曲线。通道1每格为50安培，通道2每格为5伏；由图9可以看出，在输出电流变化时莱姆霍尔电流采样不但能即时跟随输出变化，而且采样精度非常高。在图10中，同样通道1波形为输出电流波形曲线，通道2波形为霍尔电流反馈采样电阻上的电压波形曲线。通道1每格为50安培，而通道2每格为1伏；由图10可以看出，通过在宽负载范围中输出电流变化大范围变化时，莱姆霍尔电流采样能即时跟随输出变化，具有很好的线性度。
图9 霍尔反馈跟随输出电流变换特性
图10 宽负载范围内霍尔反馈跟随输出特性
图11 输出电流波形与霍尔反馈采样值
在图11中，通道1波形同样为输出电流波形曲线，通道2波形为霍尔电流反馈采样电阻上的电压波形曲线。通道1每格为50安培，而通道2每格为5伏；而由图11可以看出，在正常焊接时恒定负载，霍尔电流采样值基本恒定，从而输出的波形完全符合逆变电源恒流特性的输出设计要求。
本设计采用数字化的PI和数字化的PWM调制。充分利用数字化PI的优势，设计的PI调节器参数在控制中灵活可变，使得电源在全负载区间内均能获得良好的性能。数字化控制实现了焊接过程信息实时提取处理，而且对电流输出波形有很好的控制，减少飞溅，提高稳定性、焊接质量和速度。
在数字化的主控系统中配合数字化的PWM，就避免了D/A转换环节，也提高了精度。另外，采用FPGA不仅可以实现数字化的PWM，还可以实现一般的数字电路功能，这就大大减小了控制板的面积和外扩元器件的数量，同时也使得系统的可靠性得以提高。
但是，从设计中也发现数字式PWM控制也存在不足，即数字式PWM以计数器当定时器，因此存在分辨率的问题，数字式PWM的定时器采用数字计数器，即若数字计数器的位数为N（即计数值周期为N+1；计数值周期不含时间概念，只有数值概念），则计数脉冲时钟的频率即为数字PWM的分辨率，而数字式PWM的分辨率就是其占空比可变化的最小值。用公式表示为：若计数器的计数值周期为N+1，则数字PWM的分辨率为：D=1/(N+1)。模拟式控制时的PWM理论上可以为占空比区间内的任意值，不存在分辨率的问题，而数字式的PWM占空比为离散化的。
6结束语
在本系统应用中，霍尔电流传感器能正确响应被测量并转换成相应输出量，对系统的质量起决定性作用。电量传感器（包括电流和电压传感器等），在各个领域被广泛应用于电流、电压测量。电量传感器是安装在系统内部的核心部件，对整个系统和设备的性能与安全起着至关重要的作用。
源自瑞士的LEM以电流电压传感器行业开拓者及革新者在业界著称，LEM于2006年1月开始对其产品提供5年质保，这一举措充分彰显了LEM对其产品品质的信心。
在本系统研发的过程中，莱姆（LEM）公司周到的服务和完善的售后技术支持，以及其快捷的供货和优质的产品性能都给我们留下了深刻的印象，让我们深深领略了
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参考文献
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[6] LEM.BLF-S7系列电流传感器DATASHEET [Z]. 北京莱姆电子有限公司
[7] LEM. LT208-S7系列电流传感器DATASHEET [Z]. 北京莱姆电子有限公司
作者简介
朱伟建（1980- ）；男；籍贯：山东菏泽；上海大学电力电子与电力传动硕士研究生；研究方向：电力电子与电力传动、逆变电源。
刘连华（1978- ）；男；籍贯：江苏盐城；电气工程师；上海威特力焊接设备制造股份有限公司研发中心项目主管；主要从事弧焊逆变电源、电镀电解电源等研发。
联系方式：
姓名：朱伟建
单位：上海大学机自学院电力电子与电力传动专业
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