一种全数字逆变焊接电源控制器的设计

　　1 概述

　　脉冲金属惰性气体保护焊(pulsed metal inert gas welding)，简称MIG焊。MIG焊在工艺上具有以下优点：焊接保护作用好，焊缝金属纯净，焊接过程稳定，焊缝成形好等。目前，国内逆变焊机多采用以DSP为核心或以MCU+DSP为核心的控制结构。当需要实时采集焊接数据并传送到上位机上时，单个DSP将难以胜任，以DSP为核心控制器的一种改进的处理方案是采用MCU+DSP或者多个DSP配合完成焊接控制和实时通信等环节。该方案无疑增加了系统的成本和复杂程度。

　　采用高密度的FPGA取代传统的模拟驱动型控制芯片，可大大提高控制器电路设计的集成度，同时提高逆变电源控制器设计的灵活性和电源系统的抗干扰能力、控制精度。但是，FPGA作为核心控制器也存在缺点，其存储能力和软件的扩展接口能力有限。

　　NioslI软核可以根据用户的要求来定制和拓展，FPGA内部引入NioslI软核采用SOPC的设计思路，可以弥补单独使用FPGA的缺陷，使得基于FPGA硬件逻辑的并行快速性充分发挥的同时，软件接口和扩展通信能力也大大加强。本文采用嵌入NioslI软核的FPGA作为逆变电源的核心控制结构。

　　2 逆变电源控制器的硬件设计

　　全数字逆变焊接电源控制系统的硬件结构如图1所示。主要分为两部分：焊接电源主回路和控制回路。主回路的工作过程为：380 V工频交流电整流滤波后变为520 V左右直流电，经逆变环节变为高频方波交流电，经中频降压变压器和输出整流-滤波环节后变为低压直流电供焊接使用(受控环节为桥式逆变过程)。控制回路的核心器件为FPGA，其内部设计包括：FPGA硬件逻辑部分、NiosII软核部分，以及DPRAM和接口逻辑。

　　2.1 FPGA硬件逻辑设计

　　FPGA硬件逻辑设计主要包括ADC采样控制器、DPWM控制器以及双闭环控制算法的设计。

　　2.1.1 ADO采样控制器

　　全数字逆变焊机工作频率为20～40 kHz，采样速度要求较快;为了满足电源输出控制的精度，要求采样精度要足够高。另外，由图1可知，系统需要同时采集电源的输出电压和电流两路信号。采用ADI公司的AD7863。

　　其转换速率为175 ksps，并行输出接口，转换精度最高为14位，内置两个独立A/D转换器。根据其数据手册中提供的ADC转换时序，可以将ADC控制器分为7个状态：S0，空闲状态;S1，启动转换;S2，A/D正在转换，Busy信号置高电平;S3，转换完成，Busy信号置低，发送读取命令;S4，读取第一个转换值;S5，读完第一个转换值，发送第二个读命令;S6，完成第二个通道的读取，转移至S0。

　　根据以上的设计思路，采用VHDL语言描述、以状态机的形式设计ADC控制器。