前言        數字信號處理相對于模擬信號處理具有很大的優越性，表現在精度高、靈活性大、可靠性好以及易于大規模集成等方面。以錄音系統為例，模擬錄音系統的信噪比一般在60分貝左右，而一個16位的數字錄音系統的信噪比可以達到96分貝，高出模擬錄音系統60多倍^[1]。數字信號處理技術因此在通信、語音處理、圖形/圖象處理、自動控制、儀器儀表、醫學電子、軍事與尖端科技、計算機與工作站、消費電子等諸多領域內得到了廣泛的應用。         作為數字信號處理技術與弧焊工藝結合的產物，數字化焊機的出現引起了業內人士的廣泛關注。關注的焦點，首先是數字化焊接的概念及其特點，其次是數字化焊機的實現方式，最后是數字化焊機對整個焊接生產工藝的推動作用。 1  數字化焊機及其特點         因為數字化焊機出現的比較晚，例如Fronius是在1998年才開始進行數字化焊機的生產，因此到目前為止還沒有形成數字化焊機的統一的，得到各個方面認同的定義。我們理解，所謂數字化焊機應當是指這樣一些焊機，它們主要的控制電路由傳統的模擬技術直接被數字技術所代替，在控制電路中的控制信號也隨之由模擬信號過渡到0/1編碼的數字信號。         在計算控制技術的發展中經歷過兩個關鍵的階段，即開創時期和直接數字控制時期。在開創時期，計算機系統速度慢、價格高，也不可靠，因此這個階段的計算控制主要以兩種方式進行，一種方式是計算機打印出指令給操作者，另一種方式是計算機修改模擬調節器的設定值。進入到直接數字控制時期后，計算機的任務不再局限于向操作者發送指令和修改模擬調節器的設定值，而是直接替代了模擬調節器的功能^[2]。         應當指出，在數字化焊機的發展中同樣有與此類似的兩個階段。以8098或80C196為代表的單片機控制弧焊電源基本上屬于數字化焊機開創時期的產品。其主要特征就是單片機在焊機中的主要作用是完成焊機的管理和焊接參數的給定，焊接工藝中的恒壓、恒流控制則通過模擬的PI控制器來完成。當然這并不是絕對的，并不是所有的單片機控制的弧焊電源都是僅僅利用單片機完成了焊接參數的給定。在某些單片機控制的可控硅焊機中，從參數設定、焊接參數反饋采樣、PI控制，一直到可控硅觸發脈沖的發生都是由單片機完成的。這種情況下的單片機控制的弧焊電源就應當屬于直接數字控制時期的產品。         從某種意義上說，只有在數字化焊機進入到直接數字化階段才真正地實現了數字化，才充分體現出了數字化控制所帶來的種種優勢。總體上講，數字化控制優越于模擬控制主要表現在靈活性好、穩定性強、控制精度高、接口兼容性好等幾個方面。#p#分頁標題#e#         不言而喻，數字化控制具有很好的系統靈活性。對于模擬系統，系統的配置和增益由阻容網絡等硬件參數所決定，一旦確定就很難改變。而對于數字系統，這一切僅僅是改變軟件而已。對于數字化焊機來說，靈活性意味著同一套硬件電路可以實現不同的焊接工藝控制，對于不同焊接工藝方法和不同焊絲材料、直徑可以選用不同的控制策略、控制參數，從而使焊機在實現多功能集成的同時，每一種焊接工藝方法的工藝效果也將得到大幅度的提高。以CO₂焊接短路過渡的波形控制為例，短路時的電流波形決定了其焊接飛濺的大小和焊縫成型的好壞，并且對于不同的焊絲直徑和焊接工藝區間，最佳的電流波形會有所區別。在采用模擬控制時，我們往往是按照兼顧整個工藝區間的原則來選取電流波形，這樣就必然造成部分區間的工藝效果的不理想。數字化控制的靈活性同時也體現在數字化焊機的控制軟件的在線升級的功能上。目前技術上比較先進的數字化焊機在存儲器的選擇上從E²PROM過度到了Flash，在電路設計上也增加了在線的Flash編程功能。因此，對于這種數字化焊機的控制程序升級或在線調試修改，不再需要E²PROM的插拔、紫外線清除、編程寫入，而是簡單地通過通用的RS232串行通訊接口進行Flash編程來完成。         數字化焊機的第二個優勢是它具有更強的穩定性。在模擬系統中，信號的處理是通過有源或無源的電網絡進行的，處理參數的設定通過電阻、電容參數的選擇來完成。這樣在模擬系統中阻容參數的容差、漂移必然導致控制器參數的變化，一方面模擬控制的溫度穩定性較差，另一方面模擬控制時的產品一致性難以保證。而在數字化控制中，信號的處理或控制算法的實施是通過軟件的加/減、乘/除運算來完成的，因此其穩定性好，產品的一致性也得到了很好的保證。         數字化焊機具有更高的控制精度。模擬控制的精度一般由元件參數值引起的誤差和運算放大器非理想特性參數（如A_d、A_CM、U_OS、I_OS、噪聲等）引起的誤差所決定。以反向放大器電阻網絡引起放大倍數的相對誤差為例，放大倍數，其相對誤差 ，這里 為電阻R₁和R₂的相對誤差^[3]。如果R₁和R#p#分頁標題#e#₂的相對誤差同為±5%，則放大倍數的相對誤差為±10%。實際的模擬放大電路的誤差要遠遠低于這個數值，只要保證R₁和R₂具有相同的相對誤差，即保證R₂和R₁比值的精確，就可獲得精確的放大倍數。即使R₁和R₂不相等，當誤差均偏正或偏負也可以補償一部分誤差。但是模擬控制由于多級處理的誤差積累和噪聲的逐級放大，因此它的總體誤差較高。而數字化控制的精度僅僅與模-數轉化的量化誤差及系統有限字長有關，如果對一個0~10V變化的信號進行10位模-數轉化的話，模-數轉化中的量化誤差為，因此數字化控制常常可以獲得很高的精度。         數字化焊機的接口兼容性好。由于數字化焊機大量采用了單片機、DSP等數字芯片，因此PC機與數字化焊機、數字化焊機與機器人以及數字化焊機內部的電源與送絲機、電源與水冷裝置、電源與焊槍之間的通訊接口就可以非常方便地實現。相信隨著現代焊接生產網絡化管理的發展和普及，數字化焊機以其良好的接口兼容性必然會發揮越來越重要的作用。         數字化焊機具有與傳統模擬控制焊機相比具有無可爭議的優勢。但是，處理速度慢和抗干擾能力差是數字控制的主要缺點，因此在數字化焊機的實現中必須通過合理的控制芯片選擇和整體設計滿足弧焊工藝對處理速度的最低要求，并且要采取有效的抗干擾措施，使數字控制電路適應高輻射、強電磁干擾的弧焊工藝環境。 2  數字化焊機的實現         焊機向數字化方向發展，包含兩方面的內容。一個是主電路的數字化，另一個是控制電路的數字化。 2.1  主電路的數字化 圖1  模擬焊機主電路框圖         焊接電源具有低電壓、大電流的特點，為了滿足焊接電源這個特性要求，可以通過多種設計方式來實現。在焊接電源的設計中，變壓器的設計是關鍵。在焊接電源中，變壓器一方面滿足電流、電壓的匹配要求，另一方面對送電回路和焊接回路進行電氣隔離。更為重要的是變壓器在能量傳輸回路中的位置決定了焊接電源的體積和質量。 圖2  模擬焊機輸出電流波形        圖2為模擬式焊機的主電路框圖。這種電源由一個工頻變壓器、三相整流橋和一個晶體管組組成，晶體管組在回路中的作用相當于負載的串聯電阻。晶體管組工作在放大區，焊接中不需要的電壓消耗在晶體管組的#p#分頁標題#e#C、E極之間，因此功耗極大，晶體管組需要水冷。這種焊機的優點是響應速度快，缺點是晶體管組的能耗大，因此基本上已經被其它類型的電源所取代。         與模擬式焊機不同，在開關電源中晶體管組工作在開關態，主電路如圖3所示。開關電源主要由工頻變壓器、整流橋和半導體開關組成。半導體開關按照某一固定頻率周期性地開通/關斷（如每秒開通/關斷20000次，對應頻率20KHz），如果以理想開關來分析圖3所示的電路的話，無論是在開通狀態還是關斷狀態，開關的損耗為零。 圖3開關電源的主電路框圖 在實際的工作中，由于采用IGBT、MOSFET或雙極性晶體管等作為開關器件，總會存在一定的功率損耗，但是與模擬焊機的損耗相比較，這個損耗是可以忽略不計的。以一臺20KW開關電源為例，由于現代電力電子開關多為電壓驅動型，所需要的電流極小，控制電路只需要幾瓦的功率就可以滿足要求。除了效率高而外，開關電源另一個優點是它的工作頻率高。開關電源的工作頻率越高，則回路輸出電流的紋波越小，響應速度就越快，因此焊機就獲得了更好的動態響應特性。表1列舉了在開關型焊機中采用的不同開關器件和與之相對應的典型開關頻率。 表1開關電源中采用的開關器件-開關頻率        在開關電源中為了在一個較寬的范圍內調節功率輸出，觸發脈沖的導通時間與關斷時間的比率（或占空比）必須可調。如圖4所示，占空比高則輸出較高的平均電流值，占空比低則輸出較低的平均電流值。這種調節方式叫做脈沖寬度調節（PWM）。目前幾乎所有的全控功率開關逆變電源和開關電源中都采用PWM形式的控制電路。 圖4  開關電源的輸出電流         焊接電源從模擬式焊機發展到開關式焊機，實際上是完成了焊接電源從模擬到數字化的跨越。焊接電源主電路的數字化使得焊接電源在兩方面的性能上獲得了提高： 1. 焊接電源的功率損耗大大地減少，使得焊接電源的效率達到90%以上。 2. 隨著工作頻率的提高，回路輸出電流的紋波更小，響應速度更快，因此焊機獲得了更好的動態響應特性。      在變壓器的設計中，我們經常使用公式1，  （公式1） 式中：V₁為變壓器一次的感應電動勢，單位為V；             B_m為變壓器鐵心材料的磁通密度的最大值，單位T；             N1為變壓器原邊繞組的匝數；             S為鐵心截面積，單位 cm²；             f為變壓器的工作頻率，單位Hz； #p#分頁標題#e# 圖5 變壓器體積-工作頻率關系曲線 因此，變壓器的質量、體積與頻率成反比。變壓器的工作頻率越高，即f越大，則變壓器繞組的匝數N₁越少及鐵心的截面積S越小，因此它的質量越小、體積越小。圖5為變壓器體積-頻率曲線。如果把變壓器放在開關器件的后面，如圖6所示，我們就得到了弧焊逆變電源的主電路結構。這時，變壓器的工作頻率由50Hz提高到我們經常提到的20KHz的逆變頻率，有些設計甚至可以達到100KHz。因此弧焊逆變電源與開關電源相比，又具有了體積小、質量輕的優點。 圖6  逆變式電源主電路框圖 弧焊逆變電源起源于晶閘管逆變弧焊電源，盡管晶閘管的電壓及電流容量可以制造得較高，控制的功率大，但是由于它是一種半控型開關器件，一旦觸發后不能自行關斷，因此需要強制關斷，造成電路復雜。同時晶閘管的開關速度慢，工作頻率低，只能工作在5KHz以下的范圍內。從80年代開始，功率開關器件無論在種類上，還是在容量（電流、電壓等級）上都有了很大的發展。從目前的應用來看，采用MOSFET、IGBT作為功率開關是弧焊逆變電源的主流，有向智能功率模塊（SPIC）方向發展的趨勢。 2.2  控制電路的數字化         數字信號處理由模擬信號的濾波、模/數轉化、數字化處理、數/模轉化、平滑濾波等環節組成，最終輸出模擬控制量從而完成對模擬信號的數字化處理。對于數字化處理環節，目前的技術發展水平上，我們大致可選擇數字信號處理器（DSP）、通用微處理器（MPU）、微控制器（MCU）三類作為處理芯片。通用微處理器（MPU）大量應用于計算機（PC機），由于其體積大、功耗較高、價格比較高，盡管具有很高的數字信號處理能力，但是很少在工業控制中采用，尤其是嵌入式系統應用。應用比較普遍的是微控制器和數字信號處理器。微控制器就是國內所說的單片機，具有較強的事件處理能力，中斷、I/O資源豐富，國內經過十幾年，近二十年的開發應用，中文資料比較多，開發的軟、硬件條件比較好。但是微控制器的數據處理能力遠遠落后于數據信號處理器，往往在實時性、數據處理量大的系統中不能勝任。數字信號處理器的英文定義如：In brief, DSPs are processors or microcomputers whose hardware, software, and instruction sets are optimized for high-speed numeric processing applications—an essential for processing digital data representing analog signals in real time. ^[4]正是因為數字信號處理器具備了較強的數據處理能力，它在嵌入式系統中得到了極其廣泛的應用，如手機、聲卡、圖象采集卡、馬達控制等等。另外為了提高#p#分頁標題#e#通用微處理器和微控制器的數據處理能力，DSP有與二者融合的趨勢。如Pentium MMX之后的通用微處理器融入了DSP的功能以提高網絡功能，而西門子的32位TriCore系列單片機把RISC（MPU）、MCU與DSP的功能集成在一塊芯片的內核中^[5]。 圖7  模擬控制弧焊逆變電源的控制系統框圖         一般的弧焊逆變電源的如圖7所示，控制回路是由無源或有源器件組成的模擬系統。焊接電流、電壓等參數通過傳感器LEM塊采樣，負反饋到控制回路。反饋量與給定信號比較，經過PI控制器輸出到PWM控制芯片，PWM信號則經過功率放大、隔離來觸發功率開關元件的導通/關斷，完成系統的閉環控制。         模擬控制系統最大的缺點是進行復雜處理的能力有限、元器件數量多，并且控制器的參數由電阻、電容等分立元件的參數決定，控制器的調試復雜、靈活性差。同時電阻、電容的參數分布影響控制器的一致性，參數的穩定性差如溫度漂移影響控制器的穩定性。因此有必要進行弧焊逆變電源的數字化的研究。單片機控制的弧焊逆變電源是弧焊逆變電源數字化控制中非常重要的一個階段。 圖8   單片機控制弧焊逆變電源的控制系統框圖          單片機控制的弧焊逆變電源的原理框圖如圖8所示。在這種系統中單片機主要完成了控制信號的給定功能以及焊機的總體管理。單片機雖然在控制系統中僅僅完成了信號的給定，但是這已經使得弧焊逆變電源在實現焊接工藝控制時，如CO₂波形控制等，獲得極大的靈活性。例如可以通過單片機給出多種斜率、不同幅值的CO₂短路電流波形，使得CO₂焊接的工藝效果在不同的電流范圍內都能接近于最佳。同時，在單片機控制的弧焊逆變電源中我們注意到它的控制核心—PI控制器和PWM控制電路是由模擬元件構成的，PI控制器以運算放大器為核心，PWM控制電路多采用SG3525或SG3526。         #p#分頁標題#e#利用單片機進行弧焊逆變電源的控制雖然在信號的給定部分實現了數字化，但是受到單片機自身處理能力的限制，電源的PI控制器和PWM仍然采用了模擬電路。因此，數字化的特點在單片機控制的焊接逆變電源中并沒有得到充分體現。 圖9  選擇不同的控制周期所得到的電流響應曲線
        我們通過對弧焊逆變電源的Matlab仿真研究表明，對于工作在20KHz逆變頻率下，輸出電感為80uH的弧焊逆變電源，它的最長控制周期為100us。圖9為采用不同的控制周期進行弧焊逆變電源恒流控制的Matlab仿真所得出電流響應曲線。仿真的開始時的電流給定值為100A，仿真到0.01秒時電流給定由100A跳變到150A。由圖9可見，如果控制周期大于 100us，則控制周期的延長將使電源的恒流或恒壓控制效果急劇惡化。而對于一般的單片機來說，在100us內完成模-數轉化、PI運算、顯示、PWM輸出等處理是不可能的。因此，在弧焊逆變電源的數字控制電路設計中為了實現PI控制器和PWM的數字化就必須重新選擇控制芯片，重新考慮控制電路的整體解決方案。我們在前面提到的Matlab仿真的基礎上，借鑒了先進數字化焊機的設計思想，提出了圖10所示的弧焊逆變電源數字化控制解決方案。 圖10  數字化逆變弧焊電源的控制系統原理框圖         圖10中全數字化焊機可以分為功率和控制兩部分。功率部分，三相380V交流電經過整流和電容濾波得到540V的直流電，經過全橋逆變電路、主變壓器和付邊整流橋、輸出濾波電感，最后輸出所需要的電流、電壓。控制部分以DSP和單片機構成的雙機系統為核心，控制中電流和電壓經過采樣、A/D轉換，由DSP讀取反饋值。電流、電壓的給定值則由控制面板輸入，經過單片機C167CR傳送給DSP（ADSP-2181）。DSP則根據電流、電壓的給定與反饋量進行運算，得到相應的#p#分頁標題#e#IGBT導通時間，產生PWM脈沖序列。         DSP芯片為ADI的ADSP-2181，工作中其控制程序由IDMA口進行加載，加載的程序分別存儲于其片上的程序存儲器和數據存儲器內，程序加載由高地址空間向低地址空間進行，最后完成0x0000H的加載。當程序加載完成后，程序由0x0000H開始順序執行。程序的加載由單片機C167CR控制進行。因此，在C167CR與ADSP-2181構成的雙機系統中，C167CR是主控芯片（Host Micro-controller）。         控制面板和送絲機由各自的單片機單獨控制，控制面板中的單片機為ATMEL的AT29C2051，這是一種20引腳的8位單片機，片上有2Kbytes的 Flash。控制面板的數顯和按鍵管理由2片ICM7218A完成。送絲機控制則采用MCS80196KC。面板的主控制芯片AT29C2051、送絲機的MCS80196KC和主控制板的C167CR單片機之間通過RS485接口電路組成的局部串行控制總線進行通訊。工作中面板向C167CR發送焊接參數的給定值、焊接工藝種類、點動送絲信號、試氣信號等，而C167CR則把DSP讀取的電流、電壓反饋值以及焊接中的過流、過熱、欠壓等信號傳送到面板進行顯示。送絲機控制芯片MCS-80C196KC與C167CR的通訊主要進行的是C167CR向MCS80196KC發送指令，如送絲速度、送絲、停止等等。送絲機與面板之間不直接進行通訊。從焊機的總體管理的角度來看，C167CR是核心芯片。         該解決方案中，單片機C167CR可以通過RS232接口與PC機建立串行通訊。C167CR的串行通訊有2個作用，一個是焊接工藝的網絡化管理與控制，另一個作用就是進行控制程序的在線升級，其實質是利用C167CR的串行程序加載（boot loader#p#分頁標題#e#）功能進行控制程序的在線Flash編程。 3  結論         研究和發展弧焊電源的數字化控制技術意義重大。從焊機的工藝效果來看，數字化焊機由于控制策略調整靈活、控制精度高以及控制參數穩定性好，數字化焊機具有更好的工藝穩定性和更好的工藝效果。同時，數字化焊機方便的通訊接口功能為現代化的網絡化生產提供了良好的硬件基礎。從弧焊工藝研究的角度，數字化焊機為實施創新性的工藝控制策略和實現多功能提供了全新的途徑。數字化焊機的在線控制程序升級將發揮作用，為新控制策略的實施提供方便、快捷的途徑。         從技術發展的角度來看，數字化焊機研究的時機是成熟的。首先是數字信號處理理論和計算機技術經過近半個世紀的發展、完善，為弧焊領域的數字化控制技術的應用提供了堅實的理論基礎、積累了寶貴的經驗。其次是數字化控制所涉及的元器件豐富、種類齊全，并且容易獲得。第三，國外數字化焊機的成功經驗和國內的良好反應證明，數字化焊機得到了廣泛的青睞。因此，數字化焊機的研究前景是光明的，其未來的市場也必將更加廣闊。         國際上焊接設備向數字化方向發展，向中國市場大量推銷數字化焊機的現實已經證明，為了在焊接市場上占有一席之地，我們必須加大在這方面的研究力度。也只有在高檔焊機的研究、生產上占有一席之地，民族焊接工業的振興和發展才有出路。