LT508-S6电流传感器在全数字化多功能焊接电源中的应用

一前言

　　随着我国钢产量的不断增加，用高效率的气保焊接取代低效率的手工焊应该说是一种必然趋势。目前世界上全数字化多功能焊接电源的主要代表为：Frounius的TPS系列，Kemmpi Pro系列，ESAB的Aristol系列。Fronius的TPS系列于1998年推出，主控制为1片 Simenses的C167加AD的DSP，送丝机的控制为一款Simenses的单片机，各种工艺和外设包括PWM波形都是数字实现的，而非采用专用的PWM IC，Fronius本身组成了一个局域网，接口非常丰富，主要缺点是送丝机上面参数调节不方便，并且有的送丝机没有显示，面板的设计上没有充分考虑到焊接材料扩充的需求。Kemmpi Pro主要采用两片80C196KC分别控制送丝机和电源，面板通过共地信号线与送丝机的控制板相连接，调节比较方便，但是不适合遥控，限于其使用功能的进一步拓展，接口没有Fronius丰富。而目前国内，除了时代公司具有一款单片机控制的多功能数字化焊接电源，其它生产厂家未见报道。

　　但是焊接场合，更多的是多种工艺并存的现状，如三峡压力钢管的焊接中，环缝的搭接采用手工焊，而纵缝的打底采用短路过渡的CO2焊接，为了适应自动焊的需要，填充和盖面均采用脉冲焊。一般情况下，需要多种不同的类型的焊接电源才能满足需求，投资很大。如果采用多功能焊接电源，一台设备就可以完成所有的功能。这样节省了投资，并且提高了工作效率。随着高性能嵌入式微处理器的处理速度不断提高，使得对于高频逆变式焊接电源的实时控制成为可能，相对于传统的模拟控制，数字化控制有以下优点：①在同一台机器上实现多种焊接工艺成为可能；②参数一致性好，减少了可调电位器的数量，消除了运放温漂对整个系统性能的影响，③系统容易升级，如加入新的焊接材料和焊接工艺；④接口丰富，满足更多的应用场合，如具有机器人的接口，可以组成自动焊系统，具有遥控口，可以远距离遥控，方便工人的操作。⑤使得更复杂的控制算法在焊接电源中的应用成为可能，如模糊控制，自适应控制在等熔深和恒弧长方面的应用，可以进一步提高弧焊电源的工艺性能。⑥数字化控制平台上可以很方便地移植焊接专家数据库，用焊接专家的经验来调整焊接工艺，简化了对于焊机的操作，使得普通没有经过专业培训的焊工也能成为“焊接专家”。

二 数字化焊机对电流传感器的要求

　　本文所提到的全数字多功能焊接电源平台集中了五种焊接工艺，即手工焊、氩弧焊、CO2 MAG焊、脉冲MIG焊和双脉冲MIG焊，其中前二种焊接工艺为恒流特性，而CO2 MAG焊为恒压特性，而脉冲焊为准恒流特性。不论那种焊接工艺，都需要对焊接电流进行精确的检测，检测精度要达到1A等级。在TIG焊中，由于是接触引弧，希望引弧的电流越小越好，以防止钨极烧损，最好引弧的电流能够在5A以下。而在 CO2 MAG焊中，为了对引弧和短路的过程进行精确判断，而对于输出电流的精确检测是控制系统稳定运行的关键因素。在脉冲MIG焊中，在小电流焊接的时候，碳钢1.2mm焊丝，其基值电流只有20A，而该电流对应的电压信号不到100mv，如果检测不准确，则无法控制焊接的热输入量，可能导致未熔合或者烧穿。在气体保护焊中不仅要求对于焊接电流的稳态精度要求高，而且对于动态性能要求很高，在负载突变的过程中，电流要求具有快速的跟踪能力，对于电流传感器的响应速度要求很高。在脉冲焊接的过程中，输出电流的给定不断地在峰值电流和基值电流之间切换，例如碳钢1.2mm焊丝，其峰值电流在400A左右，而基值可能只有几十安培，峰值电流和基值电流相差非常大，此时要求电流传感器能够快速敏感到输出电流的变换，并跟踪上给定电流的快速突变。这就要求电流传感器的通频带要宽并且对于di/dt的响应能力强。

　　在全数字焊接电源中，给定为数字编码器而非电位器，传统的电位器给定只能是一个变换的趋势，而数字编码器直接给定了一个数字量，该数字量作为控制系统中的数字给定，虽然方便了使用者，但是对于传感器的线性度提出了更高的要求。同时随着嵌入式微处理器的处理速度的提高，为了降低功耗，必须降低供电电压，对于控制板的供电、A/D转换的精度提出了新的挑战。比如TI的240x和28x系列都是3.3V供电，以一个400A的气保焊电源为例，考虑到其短路时或大电流引弧时电流峰值可以达到700A，如Fronius特殊铝焊四部的操作中，引弧电流达到了750A，如果认为750A对应数字转化的最大值，则10位AD转换器中，750A对应的数字量为1024，电流传感器输出的模拟电压为3.3V，则20A的输出对应的模拟电压为88mV，该信号很弱，所以对于电流传感器的信噪比也有很高的要求。

　　纵上所述，在数字化的焊接电源中，电流传感器做为一个关键的测试设备主要要满足以下几个方面的要求：① 宽的输入电流范围；② 好的线性度；③ 快速的动态响应能力；④ 高的信噪比。

　　根据以上需求，在400A的全数字化多功能焊机中，输出电流传感器采用的型号为：LT508-S6 其参数指标如下：

原边额定有效值电流: 500A；转换率： 1:5000；

总精度： <±0.4%；线性度： <0.1%；

零点失调电流：<±0.13mA；带宽： >100KHz

di/dt跟随精度：>100A/us ；响应时间：<1us

从以上指标分析可知，该型电流传感器具有优良的动、静态性能，且具有很高的信噪比。

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