基于FPGA和NiosII的逆变焊接电源控制器
3 仿真与实验
3．1 ADC控制器仿真
ADC控制器可以使用QuartusII自带的SignalTapII逻辑分析仪进行仿真验证。SignalTapII逻辑分析仪可以直观地观测ADC控制器采集到的当前ADC的转换结果，准确而高效。为了加快仿真速度，对ADC的转换值不加滤波处理；为避免最低位剧烈抖动，仿真时仅仅采用高12位，去掉最低两位的结果。参考电压5 V，将电压通道接到了模拟地(理论值为0000h)，电流通道连接到2．54 V左右的模拟电压(理论值为0820h)。 SignalTapII仿真结果如图7所示。
可见，所设计的ADC控制器能够稳定地控制AD7863工作，除了稍有抖动之外(未加滤波环节)，采样结果准确可靠。
3．2 DPWM控制器仿真
为了验证所设计的DPWM控制器是否合理，在保证仿真有效的前提下做如下约定：保护清除按键和DPWM启动按键信号均以直接数字量置位来代替；将算法输出信号ALG_IN视作给定；反馈电流数字量设为恒值500；死区时间设定为3．0μs，最小脉宽占空比为2．4％。
仿真环境为QuartusII-7．2，仿真结果如图8所示。启动信号STRT有效之前DPWM输出全部封锁，输出均为低电平；STRT有效后，在给定小于最小脉宽时输出最小脉宽，随着给定的增大，脉宽变大；当检测到过流信号(OV_C)时，4路DPWM输出立即置低(即全部被封锁)，且置低状态能一直持续到保护信号PRTCT_CLR清除后才结束。可见DPWM的输出严格受控。
3．3 焊接试验波形
3．3．1 静态负载焊接试验
在静态负载条件下，NioslI通过DPRAM给定定频100 Hz和带后中值的脉冲电流。电流脉冲参数为：峰值300 A，峰值时间4 ms；中值100 A，中值时间1 ms；基值电流30 A。采用6段PID参数。实际输出的电流和电压波形如图9所示。
图9中，上面为通道1，波形为输出电流，每格1 V，代表实际焊接电流100 A；下面为通道2，波形为输出电压，每格1 V，代表实际焊接电压10 V。可见，焊接电流波形与给定的脉冲波形(如图3所示)基本一致。
3．3．2 动态负载焊接试验
双闭环控制策略下，死区时间3．0μs，最小脉宽占空比为2．4％。电流脉冲参数为：峰值450 A，峰值时间3 ms；中值150 A，中值时间2 ms；基值电流50 A。6段PID参数。给定平均电弧电压为30 V，保护气体成分为20％CO2+80％Ar，保护气体流量为25 L／min，碳钢焊丝直径为1．2 mm，送丝速度为4．5 m／min。试验结果表明，当焊枪大范围抖动时，为了调节电弧的平均电压以保证焊接电弧稳定，电源系统实时地稳定电弧，且电流脉冲的频率变化均匀，峰值、基值分别随焊枪的抖动而上下微调。
4 结论
本设计采用FPGA+NioslI软核为控制核心，设计了全数字化脉冲MIG逆变焊接电源控制器。试验结果证明：数字化的设计思路增强了系统的稳定性和灵活性；一块FPGA在保证控制器功能的前提下，大大降低了开发成本，缩短了开发周期；在FPGA内部实现6段变参数PID以及改进的I-I电流-电弧双闭环的控制策略，脉冲电流跟踪效果良好，焊接电弧调节稳定，动态性能良好，实际焊接效果出色。本设计的核心逻辑都是基于统一性较好的VHDL语言设计，并采用模块化的设计方案，因此便于推广和移植。
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