弧焊逆變電源的數(shù)字化控制技術(shù)分析

崔愛(ài)玲

（晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 晉中030600）

0 引 言

電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制理論及相關(guān)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為逆變焊接電源控制系統(tǒng)的全數(shù)字化提供了必要的軟硬件基礎(chǔ)，焊接電源的控制技術(shù)逐步向智能化、數(shù)字化、信息化控制方向轉(zhuǎn)變。將數(shù)字信號(hào)處理器引入弧焊逆變電源控制系統(tǒng)，建立弧焊逆變電源的信息化、數(shù)字化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了弧焊逆變電源更高的性能要求。

數(shù)字化控制弧焊逆變電源具有體積小、重量輕、穩(wěn)定性好、控制精度高、功能升級(jí)方便等優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。本文基于TI公司的TMS320F2407為控制平臺(tái)，對(duì)數(shù)字化控制的弧焊逆變電源系統(tǒng)進(jìn)行了研究分析。

1 數(shù)字化弧焊電源系統(tǒng)概述

數(shù)字化弧焊電源將數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用到弧焊電源的控制環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了控制環(huán)節(jié)與外圍電路之間的信息交換，其具體要求如下。

（1）控制系統(tǒng)的數(shù)字化：弧焊電源數(shù)字化控制系統(tǒng)由微控器（MCU）、數(shù)字信號(hào)處理（DSP）芯片，或微處理器加數(shù)字信號(hào)處理芯片等組成，利用微處理器和DSP等強(qiáng)大功能對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)其數(shù)字化控制。

（2）信號(hào)通信數(shù)字化：數(shù)字信號(hào)相比模擬信號(hào)不易失真，且傳輸穩(wěn)定，能通過(guò)系統(tǒng)總線、I／O接口或特定通信協(xié)議口進(jìn)行數(shù)字化傳輸。

（3）硬件模塊設(shè)計(jì)數(shù)字化：根據(jù)弧焊電源的功能分類進(jìn)行數(shù)字化的硬件設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)硬件的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)字化。

（4）網(wǎng)絡(luò)化：利用弧焊電源的數(shù)字化接口，實(shí)現(xiàn)與因特網(wǎng)的通訊。

數(shù)字化弧焊電源系統(tǒng)框圖如圖1，其特征如下。

（1）柔性化控制：電源外特性控制由軟件編程實(shí)現(xiàn)，以適應(yīng)不同焊接方法，實(shí)現(xiàn)焊機(jī)的一機(jī)多用。

圖1 數(shù)字化弧焊電源系統(tǒng)框圖

（2）智能化控制：利用微控器（MCU）和數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）為弧焊電源引入自適應(yīng)控制器、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，提高弧焊電源的控制水平。

（3）數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)控制：通過(guò)DSP提取弧焊電源外特性信息作為智能控制的目標(biāo)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信息控制，提高其穩(wěn)定性。

（4）操作界面友好：通過(guò)操作面板進(jìn)行數(shù)字化輸入，設(shè)置焊接工藝參數(shù)和功能，以實(shí)現(xiàn)精確控制和友好的人機(jī)界面。

（5）在線升級(jí)功能：通過(guò)模塊化軟硬件設(shè)計(jì)，以不同的模塊化組合構(gòu)成不同功能的焊機(jī)。數(shù)字化弧焊電源和PC進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制。

2 弧焊逆變電源工作原理

弧焊逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用全橋逆變主電路，其軟開(kāi)關(guān)控制方式為移相控制方法?；『改孀冸娫吹闹麟娐凡捎肐GBT，提高了開(kāi)關(guān)頻率，降低了功率損耗，獲得了較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，焊接電源效率達(dá)到90%以上。

弧焊逆變電源主電路由整流、濾波、逆變、二次整流等部分組成；其控制電路由PWM電路、電壓補(bǔ)償電路、外特性和動(dòng)特性控制電路、驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路、電流電壓采樣等構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)是其核心部分，決定了電源裝置的可靠性和輸出特性?；『改孀冸娫唇Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 弧焊逆變電源結(jié)構(gòu)圖

弧焊逆變電源的工作原理是交流電壓經(jīng)整流濾波為直流高壓，再經(jīng)過(guò)逆變電路變成中高頻交流電壓，后經(jīng)過(guò)高頻變壓器降壓，高頻整流濾波，將低壓高頻交流變?yōu)榈蛪捍箅娏鞯闹绷麟娸敵觥?/p>

弧焊逆變電源主電路如圖3，利用變壓器的漏感或原邊串聯(lián)電感和功率管的并聯(lián)電容實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)關(guān)。圖中，VD1～VD4分別是VT1～VT4的內(nèi)部寄生二極管，C1～C4為并聯(lián)電容，Lr是諧振電感，它包含變壓器的漏感。每個(gè)橋臂的兩個(gè)功率管成180度互補(bǔ)導(dǎo)通，通過(guò)改變橋臂移相角的大小可調(diào)節(jié)輸出電壓。VT1、VT4為超前橋臂，超前VT2、VT3一個(gè)相位；VT2、VT3為滯后橋臂。移相控制ZVS-PWM電路通過(guò)開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)關(guān)減小了傳統(tǒng)硬開(kāi)關(guān)方式的損耗，提高了效率。

圖3 弧焊逆變電源主電路圖

3 弧焊電源的數(shù)字化控制技術(shù)分析

數(shù)字化焊機(jī)采用數(shù)字技術(shù)完成弧焊工藝過(guò)程的閉環(huán)控制，如主電路數(shù)字化和控制電路數(shù)字化?；贒SP的弧焊逆變電源控制的主要特點(diǎn)是集成多功能、管理功能網(wǎng)絡(luò)化和程序在線升級(jí)，可以方便靈活地進(jìn)行控制策略的調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)MIG／MAG、TIG、手工焊等多種焊接工藝方法。

3.1 弧焊電源數(shù)字化控制的硬件設(shè)計(jì)

TI公司的TMS320F2407芯片是16位CPU，單周期指令執(zhí)行時(shí)間為50 ns，既有豐富的微控制器外設(shè)功能，又有高性能的內(nèi)核。數(shù)字化焊機(jī)利用TMS320F2407芯片豐富的外設(shè)實(shí)現(xiàn)主回路的數(shù)字觸發(fā)，為保證焊機(jī)工作可靠，所有的開(kāi)關(guān)量信號(hào)和模擬量信號(hào)需經(jīng)阻容濾波后送入DSP，輸出電流和電壓經(jīng)采樣、濾波電路，由DSP進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。電壓電流的給定值由控制面板輸入DSP，與反饋值比較，經(jīng)PI運(yùn)算，輸出PWM脈沖控制IGBT。其具體電路包括采樣電路、PWM輸出隔離驅(qū)動(dòng)電路、給定與顯示電路。

（1）采樣電路設(shè)計(jì)

負(fù)載電壓電流經(jīng)采樣電路送入DSP的AD模塊，功率給定信號(hào)通過(guò)DSP的AD模塊讀入與實(shí)際功率進(jìn)行閉環(huán)控制；直流母線電壓和負(fù)載電流經(jīng)直流電壓電流采樣電路送入DSP的AD模塊對(duì)IGBT模塊進(jìn)行保護(hù)。

（2）PWM輸出隔離驅(qū)動(dòng)電路

TMS320LF2407價(jià)格低廉、功能強(qiáng)大、功耗低、抗干擾性強(qiáng)，但其輸出的PWM脈沖幅值較低，工作電平3.3 V難以驅(qū)動(dòng)IGBT，因此，需采用隔離驅(qū)動(dòng)放大電路來(lái)可靠觸發(fā)IGBT。

EXB841集隔離、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)功能于一體，充分體現(xiàn)了“最優(yōu)驅(qū)動(dòng)和分散保護(hù)”原則，其中包括信號(hào)隔離電路、過(guò)流檢測(cè)電路、低速過(guò)流切斷電路等。

（3）給定和顯示電路設(shè)計(jì)

給定和顯示電路實(shí)現(xiàn)了焊接參數(shù)設(shè)置、顯示與保存。鍵盤和液晶顯示屏提供了人機(jī)交互。DSP通過(guò)SCI端口與上位機(jī)進(jìn)行信息交換，實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變焊接電源的監(jiān)測(cè)控制和工作狀態(tài)數(shù)據(jù)的記錄。

硬件設(shè)計(jì)中為保證可靠性，中斷輸入腳需接上拉電阻，不用的引腳接地；對(duì)DSP和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，應(yīng)加0.1 pF去耦電容，盡量靠近電源引腳，以濾除電源噪聲；同時(shí)為了方便運(yùn)行中出現(xiàn)故障時(shí)人工復(fù)位，需設(shè)計(jì)上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位電路。故障檢測(cè)電路可向DSP系統(tǒng)發(fā)出故障中斷請(qǐng)求，封鎖觸發(fā)脈沖。

3.2 弧焊電源的軟件設(shè)計(jì)

弧焊電源控制系統(tǒng)的軟件程序由主程序、各功能子程序、觸發(fā)中斷服務(wù)程序等組成，用匯編或其它語(yǔ)言編寫，實(shí)時(shí)控制程序決定了系統(tǒng)的控制質(zhì)量和效率，如實(shí)時(shí)性、可靠性、易修改性、可移植性等?；『鸽娫纯刂葡到y(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主程序如圖4。這里采用模塊化的程序設(shè)計(jì)方法，分別設(shè)計(jì)了主程序和功能子程序，包括A／D轉(zhuǎn)換、232通訊、鍵盤采樣、顯示、故障中斷處理等。

圖4 弧焊電源控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主程序

系統(tǒng)上電復(fù)位后進(jìn)入主程序：（1）系統(tǒng)初始化。設(shè)置DSP工作模式，進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。（2）檢測(cè)啟動(dòng)條件。如果啟動(dòng)條件具備，則進(jìn)入對(duì)應(yīng)的子程序，例如，當(dāng)檢測(cè)到焊槍合上信號(hào)后進(jìn)行提前送氣和高壓慢送絲引弧，引弧成功后根據(jù)不同的功能選擇開(kāi)關(guān)，進(jìn)入不同的功能子程序。（3）子程序運(yùn)行不正常，顯示相應(yīng)故障信息，并重新設(shè)置參數(shù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

弧焊逆變電源具有高效節(jié)能、輕巧方便、控制性能好、能消除電網(wǎng)諧波、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，已成為焊接電源的主流。數(shù)字化控制技術(shù)提高了弧焊機(jī)的控制精度、穩(wěn)定性和可靠性，減少了體積，降低了重量，其操作更靈活方便。

［1］ 董雅倩.基于DSP逆變直流焊機(jī)控制系統(tǒng)的研究［D］.青島：青島大學(xué)碩士論文，2006.

［2］ 華學(xué)明，吳毅雄，焦馥杰，張 勇.基于DSP控制的晶閘管CO＿2焊接電源研制［J］.電力電子技術(shù)，2002，（06）：16-18.

［3］ 華學(xué)明，張 勇，吳毅雄，焦馥杰，于乾波.基于數(shù)字信號(hào)處理器控制的氣體保護(hù)電弧焊電源研制［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2004，（3）：178-181.

［4］ 張鳳英.高頻直流電源充電系統(tǒng)的軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)［D］.成都：西南交通大學(xué)碩士論文，2007.