數(shù)字信號處理器控制焊接電源的抗干擾設(shè)計

吳 迪

（大慶油田信息技術(shù)公司中區(qū)分公司，黑龍江 大慶 163000）

1 數(shù)字處理器的概述

1.1 數(shù)字化處理器的優(yōu)點(diǎn)

從國際焊接電源技術(shù)的發(fā)展來看，有必要對焊接電源進(jìn)行數(shù)字化研究，以實現(xiàn)其未來的數(shù)字化發(fā)展。數(shù)字化是指利用一定規(guī)則表示數(shù)字或字母，用數(shù)字的形式表達(dá)連續(xù)的物理量，使用0/1編碼方式，實現(xiàn)數(shù)字信號的整齊排列[1]。在焊接電源的控制過程中，使用數(shù)字控制技術(shù)可以增加焊接電源的系統(tǒng)靈活性，實現(xiàn)使用同一套硬件設(shè)備完成不同焊接工藝的目的。在焊接機(jī)中只用數(shù)字化技術(shù)可使其具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性，信號通過控制算法完成，保證產(chǎn)品的質(zhì)量。

1.2 數(shù)字處理器的分類

數(shù)字信號處理器相較于模擬信號處理器有精度高、靈活度高及可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以運(yùn)用在大規(guī)模集成方面。目前，數(shù)字信號處理器主要分為三大類型：數(shù)字信號處理器、通用微處理器和微控制器。其中，數(shù)字信號處理器具有高性能、數(shù)值運(yùn)算密集等優(yōu)點(diǎn)；通用微處理器一般用于計算機(jī)的使用；微控制器則適用于以控制為主的處理過程。本文主要分析DSP即數(shù)字信號處理器對焊接電源的抗干擾處理。

自20世紀(jì)80年代以來，DSP芯片憑借高穩(wěn)定性、可重復(fù)性、大規(guī)模集成性等優(yōu)勢得到了廣泛運(yùn)用，特別是其實時處理、可編程的特點(diǎn)，促使數(shù)字信號處理技術(shù)不斷發(fā)展，是數(shù)字信號技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)[2]。DSP的實時信號處理功能與高速運(yùn)算功能，為數(shù)據(jù)信號處理技術(shù)的高速實時控制提供了可能。將DSP技術(shù)融入焊接電源控制中，可促進(jìn)焊接電源的數(shù)字化、智能化、現(xiàn)代化發(fā)展。研究DSP在焊接機(jī)電源控制中的抗干擾技術(shù)，可為焊接電源的發(fā)展提供技術(shù)支持。

2 影響焊接電源數(shù)字處理器的干擾源

2.1 外部干擾源

干擾焊接電源的外部因素主要是“電網(wǎng)污染”。電網(wǎng)上的負(fù)載常常處于變動狀態(tài)，這些變化會對電網(wǎng)產(chǎn)生一定影響。例如，大功率設(shè)備的突然啟動會導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)載突然加大，進(jìn)而可能出現(xiàn)瞬時停電情況。在焊接車間，使用不同的焊接電源經(jīng)常出現(xiàn)地線互連。地線互連可直接影響高頻信號的波動，進(jìn)而影響焊接電源的控制系統(tǒng)，導(dǎo)致死機(jī)或是損壞。當(dāng)安裝使用數(shù)字處理器時，必須整齊排布焊接室的地線，降低對焊接電源的干擾。

2.2 內(nèi)部干擾源

一般情況下，焊接電源是一個強(qiáng)電和一個弱電配合使用的電源系統(tǒng)[3]。在焊接過程中，焊接電源的電流值最高可達(dá)上千安培，導(dǎo)致焊接電源形成較大的電磁場，尤其是高逆變頻率的焊接電源系統(tǒng)。電磁場的產(chǎn)生給焊接電源系統(tǒng)的數(shù)字處理器造成了較大影響，必須加強(qiáng)焊接電源的防干擾能力，以確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。除逆變主電路的焊接電源會產(chǎn)生較大磁場外，鎢極氬弧焊機(jī)在使用高頻引弧時，焊機(jī)產(chǎn)生的電壓可高達(dá)數(shù)千伏，會擊穿空氣間隙形成電弧，對焊接電源干擾極大。在對焊接電源進(jìn)行數(shù)字處理器設(shè)計時，必須提高焊接電源的抗干擾能力，為數(shù)字處理器提供高效、穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境。

3 數(shù)字處理器控制焊接電源的抗干擾設(shè)計

3.1 數(shù)字處理器控制系統(tǒng)供電電源的設(shè)計

通過調(diào)查分析微機(jī)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，它的運(yùn)行過程中至少有70%的電源受電源耦合的干擾[4]，故必須提高焊機(jī)供電電源的抗干擾能力。目前，我國焊接多使用DSP技術(shù)控制焊機(jī)設(shè)備的微機(jī)系統(tǒng)，通過整齊排列雙繞組扼流線圈提高抗干擾能力。雙繞組線主要通過濾波器達(dá)到抗干擾目的，在變壓器輸入端連入低通濾波器，以降低電壓對焊接電源的干擾；在隔離控制變壓器的兩端連接壓敏電阻，以降低對焊接電源的電壓影響。另外，可在繞組之間增加屏蔽層。在焊接電源中可設(shè)計“穩(wěn)壓電源”，采用開關(guān)式穩(wěn)壓集成塊“4960”，通過集成塊保護(hù)電壓和過電流提高焊接電源的抗干擾能力。

3.2 印制板設(shè)計防干擾措施

在電子設(shè)備中，印制板布線情況直接影響電子線路的正常工作，需要重視印制板的防干擾設(shè)計[5]。實際設(shè)計中，要盡量拉大導(dǎo)線間距，對自身抗干擾能力弱的地線采取抗干擾屏蔽措施。為提高地線之間的抗干擾能力，將垂直布線的方法融入雙面板布線中，布線的方式根據(jù)地線的分布進(jìn)行設(shè)計。在印制板布線設(shè)計中，對數(shù)字信號地和模擬信號地進(jìn)行分開布線設(shè)計。當(dāng)需要將多個不同功能的單元集中在同一個印制板上時，可集中不同單元集中的相同功能單元，并接地設(shè)計形成獨(dú)立的電路，達(dá)到降低電源干擾的目的。

3.3 軟件抗干擾措施

在數(shù)字處理器控制焊接電源的抗干擾設(shè)計中，需要對焊接電源的硬件設(shè)施和數(shù)字處理器的軟件進(jìn)行抗干擾設(shè)計[6]。在數(shù)字處理器的軟件抗干擾設(shè)計中，主要分析解決數(shù)據(jù)處理器受干擾的原因、如何攔截失控的程序流和如何使數(shù)據(jù)處理器恢復(fù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行等問題。在數(shù)據(jù)處理器的編程過程中，目前主要采取5個抗干擾措施：（1）編程時盡量用查詢語句代替中斷，以降低中斷源數(shù)量；（2）合理利用數(shù)字處理器的A/D轉(zhuǎn)換模塊，進(jìn)行多次A/D轉(zhuǎn)換，并通過“平均法數(shù)字濾波技術(shù)”過濾干擾信號；（3）利用數(shù)字處理器中的“看門狗”電路，如果出現(xiàn)軟件干擾信號，則立即對數(shù)字處理器的控制系統(tǒng)進(jìn)行警報；（4）編程中，盡量使用單字節(jié)指令，在A/D轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)移指令前后插入2節(jié)操作指令，使受干擾的程序碼能被快速拉回正確的程序運(yùn)行“軌道”中，并重復(fù)執(zhí)行數(shù)據(jù)處理器中輸入、輸出指令，以提高焊接電源的抗干擾能力；（5）利用軟件陷阱技術(shù)，即在數(shù)字處理器的編程設(shè)計中設(shè)計一條轉(zhuǎn)移指令碼，強(qiáng)行將捕獲的程序引向控制出錯程序，使其根據(jù)控制重新回到正常的程序流中。

3.4 數(shù)字處理器輸入輸出信號的防干擾措施

在焊接電源中，輸入、輸出信號的干擾主要是前向、后向接口引入的干擾。結(jié)合數(shù)字處理器輸入、輸出信號的運(yùn)行特點(diǎn)，通常我國主要使用隔離方式加強(qiáng)抗干擾能力。通過切斷焊接電源的干擾源，從源頭上降低電源對數(shù)字處理器運(yùn)行的干擾[7]。目前，隔離技術(shù)主要有變壓器隔離、繼電器隔離及光電隔離等方式，通常使用光電隔離技術(shù)。光電隔離技術(shù)主要有兩個優(yōu)勢：干擾源能量小，不會導(dǎo)致紅外二極管發(fā)光；輸入抗阻低、干擾內(nèi)阻大，干擾不易進(jìn)入數(shù)字處理器。

圖1是研究數(shù)字處理器控制焊接電源采用數(shù)字光電隔離技術(shù)的原理圖。研究中，對數(shù)字信號處理器DSP、主電路以及送絲機(jī)進(jìn)行“光電隔離”，對控制面板采用π型濾波器降低信號干擾。使用控制面板時，必須在濾波允許后才能進(jìn)入數(shù)字處理器中，以隔絕干擾進(jìn)入。

圖1 數(shù)字處理器控制焊接電壓的光電隔離原理

4 結(jié) 論

綜上所述，本文主要研究數(shù)字處理器控制焊接電源的抗干擾設(shè)計，研究焊接電源中的內(nèi)、外干擾因素，分析數(shù)字處理器的系統(tǒng)供電電源、印制板設(shè)計、數(shù)字處理器輸入、輸出信號的防干擾措施以及軟件抗干擾措施，全面提高數(shù)字處理器控制焊接電源的抗干擾能力，為焊接技術(shù)的數(shù)字化、智能化、現(xiàn)代化提供可能。