基于FPGA和NiosII的逆变焊接电源控制器
(2)弧长控制方案
焊接电弧的稳定对于焊接质量的提高和保证焊接电源适应不同的焊接工况十分重要。由于焊接电弧电压直接影响弧长的变化，而电弧电压随着焊接电流的改变而变化，因此弧长控制和电流控制是关联的。
当前对焊接电弧的调节主要有2种方式：以脉冲峰值电流Ip和基值电流Ib均保持不变的I-I方式，以及脉冲电压Up和基值电流Ib保持不变的U-I方式。I-I方式由于Ip和Ib均为恒流外特性，可以达到稳定的熔滴过渡，并且通过控制脉冲电流波形可以精确地控制熔滴过渡行为。但I-I方式是通过调节脉冲频率来实现电弧长度的调节，存在调节速度慢且弧长变化时脉冲周期剧烈变动等缺点。本文采用在不影响熔滴过渡过程的前提下对Ip和Ib进行阈值范围内微调变化的方式，不但可以减小电流脉冲频率变化的剧烈程度，而且可以加快电弧动态调节过程。这样电流控制构成内环，弧长(压)控制构成外环。双闭环控制算法如图5所示。
2．2 NiOSIl软核设计
NiosII是专门针对Altera公司FPGA的32位嵌入式CPU。它是一个完全由Altera FPGA的逻辑单元和嵌入式RAM块实现的RISC结构的软核CPU。NiosIICPU提供3种不同的配置：NioslI／f(快速型)、NiosII／s(标准型)和NiosII／e(经济型)。可以通过SOPC Builder来选择所需的NiosII软核，根据具体的应用需求来定制它的外围设备，还可以通过自定义指令和外围模块来增加NiosII系统的功能。这里考虑到功能需要和FPGA内部资源占用率，选用NioslI／e型CPU。
在本设计中，NiosII／e型CPU任务有：与面板通信，将电流波形和其他焊接参数传送到FPGA的DPRAM中，并且读取DPRAM中的焊机数据传送到面板上；负责保护气体起停、快送丝、慢送丝等焊接的时序控制。因此NiosII软核的软件设计包括：与DPRAM接口、焊接时序控制，以及控制送丝机和面板通信。根据上述要求，通过SOPC Builder配置的NioslI软核系统资源如图6所示。
2．3 DPRAM和接口逻辑设计
NioslI和FPGA硬件逻辑之间的数据交换可以采用DPRAM、SPI和SCI等形式。DPRAM采用并行传输，传输速度快，通信协议简单，而且FPGA中一般有DPRAM的宏模块可供使用。因此，本文采用DPRAM作为各种焊接波形数据和工艺参数的存储媒介。采用FPGA内部DPRAM宏模块，只需根据需要修改位数、容量等参数。考虑本设计的需要，DPRAM选择16位，容量为1K字。采用DPRAM作为通信中间环节，关键问题是如何合理解决以下2个问题：
①DPRAM与NiosII的接口。可以通过为NiosII添加I／O口以模拟DPRAM读写时序进行接口，也可以直接利用NiosII中的Avalon总线和DPRAM互连。采用I／O口模拟读写时序速度较慢且浪费FPGA的内部逻辑资源，本文采用自定义逻辑模块将Avalon总线与DPRAM进行连接，根据Avalon总线的读写时序设计接口模块。
②DPRAM与FPGA硬件逻辑的接口。本文结合SOPC Builder帮助文件中给出的DPRAM读写时序，设计简单的逻辑实现接口。
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