焊接逆變電源數(shù)字控制的分析

謝 平

（ 西昌學(xué)院 信息與數(shù)理學(xué)院，西昌 615013）

0 引言

逆變焊接電源已成為焊接電源技術(shù)發(fā)展的方向。由于焊接技術(shù)的廣泛應(yīng)用及工作條件的特殊性，其涉及的學(xué)科較多，因此，焊接電源的設(shè)計(jì)需要相關(guān)學(xué)科的支持。計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、電力電子技術(shù)及相關(guān)學(xué)科的發(fā)展為逆變焊接電源的技術(shù)帶來(lái)了新變革。焊接電源工作條件較惡劣，制造技術(shù)也較復(fù)雜，各種控制技術(shù)在逆變焊接電源設(shè)計(jì)及控制中的應(yīng)用還處于發(fā)展階段。焊機(jī)的穩(wěn)定性、可靠性及焊接質(zhì)量是檢驗(yàn)各種控制應(yīng)用效果的最終標(biāo)準(zhǔn)。逆變焊接電源跟智能技術(shù)相結(jié)合的智能型的焊接電源是電焊機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)[1]。

逆變弧焊電源以其穩(wěn)定的電氣性能和良好的焊接效果，成為電焊機(jī)重要的發(fā)展方向。而數(shù)字化的逆變焊機(jī)具有模擬焊機(jī)不可比擬的優(yōu)勢(shì)：可靠性和控制精度高、易于大規(guī)模集成、人機(jī)界面好等，因此，在工業(yè)加工、船舶制造、核工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛，取代模擬焊機(jī)成為大勢(shì)所趨[2]。

目前，數(shù)字化的弧焊電源技術(shù)優(yōu)勢(shì)在歐美，其中奧地利Fronius的TPS系列數(shù)字化弧焊電源最具代表性。另外芬蘭Kemppi，德國(guó)EWM，美國(guó)Miller、Lincoln 公司以及日本的松下、OTC都有相關(guān)的系列產(chǎn)品。對(duì)于數(shù)字化焊接系統(tǒng)的研究，國(guó)內(nèi)高校主要集中在北京工業(yè)大學(xué)、山東大學(xué)、上海交通大學(xué)、華南理工大學(xué)等。國(guó)內(nèi)企業(yè)則以山大奧太、唐山松下、北京時(shí)代為代表，目前我國(guó)也有很多數(shù)字化產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)，但是在穩(wěn)定性和可靠性方面與國(guó)外還有一定的差距[3]。

逆變電焊機(jī)電源系統(tǒng)包括主電源和輔助電源。主電源一般采用全橋或半橋主電路，功率開(kāi)關(guān)管是大功率的IGBT模塊。為了保證系統(tǒng)的可靠性，IGBT模塊通常不采用自舉電路驅(qū)動(dòng)，半橋或全橋主電流的上橋臂大功率IGBT驅(qū)動(dòng)電路就需要單獨(dú)的隔離電源供電。例如全橋主電路四組IGBT有四組驅(qū)動(dòng)電路，需要四個(gè)相互隔離的電源分別供電。同時(shí)，系統(tǒng)主電路的PWM控制芯片需要一組電源，一些邏輯芯片包括單片機(jī)需要一組電源供電，電流傳感器也需要一組正負(fù)電源提供能量。因此，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，逆變電焊機(jī)電源系統(tǒng)還有一個(gè)輔助電源系統(tǒng)，以產(chǎn)生這些驅(qū)動(dòng)和控制電源[4]。本文主要分析和研究逆變焊接系統(tǒng)的單相半橋逆變電路的輸出電壓的大小和頻率的控制，為焊接逆變電源的發(fā)展提供一定的指導(dǎo)作用。

1 主電路和控制結(jié)構(gòu)

數(shù)字化的逆變電源包括逆變主電路、數(shù)字控制電路，其中主電路包括整流、濾波、逆變、濾波，控制部分包括整流的電壓、電流取樣，焊接時(shí)的電壓和電流取樣以及開(kāi)關(guān)管的觸發(fā)信號(hào)等，如圖1所示。數(shù)字化逆變優(yōu)點(diǎn)：

1）系統(tǒng)的控制通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，提高了控制精度。

2）抗干擾能力強(qiáng)，軟件信號(hào)可以通過(guò)軟件濾波，硬件部分可以通過(guò)硬件濾波。

3）模擬控制精度由元件參數(shù)值的誤差決定，而數(shù)字化控制精度取決于系統(tǒng)位數(shù)，精度高。

4）數(shù)字系統(tǒng)性能不受元器件參數(shù)的影響，可以大規(guī)模的進(jìn)行測(cè)試、調(diào)試和量產(chǎn)，產(chǎn)品一致性好。

5）數(shù)字控制系統(tǒng)采用高速運(yùn)算的DSP芯片控制，人機(jī)界面好。

圖1 數(shù)字逆變焊接框圖

2 改變焊接交流電壓頻率的實(shí)現(xiàn)方法

為了進(jìn)一步了解逆變電源輸出頻率改變的實(shí)現(xiàn)方法，我們通過(guò)圖2單相逆變電源進(jìn)行分析，圖2是通常用的SPWM(正弦脈寬調(diào)制)方法，該控制技術(shù)分為雙極性調(diào)制和單極性調(diào)制方式。

圖2 單相半橋逆變器的主電路圖

Ed是直流母線(xiàn)電壓，L是輸出濾波器電感，C是輸出濾波器電容，RL為負(fù)載。 K1和K2的觸發(fā)PWM由SPWM生成，其原理如圖3所示。

在圖3中，Ts為采樣周期、 ΔT為脈寬時(shí)間、uc為三角載波幅值、Vmsinωt為調(diào)制波，其幅值為Vm。當(dāng)SPWM是線(xiàn)性調(diào)制時(shí)，輸出脈寬與參考正弦波幅值成正比。

圖3 SPWM生成原理

由三角形相似有：

令

根據(jù)平均等效原理有：

把(1)和(2)帶入(3)有

從公式(4)可以看出，逆變器輸出交流電壓的瞬時(shí)值與直流電壓Ed和調(diào)值比M有關(guān)，根據(jù)焊接工藝的要求調(diào)節(jié)直流電壓Ed和調(diào)值比M就可以改變輸出的交流電壓的有效值[5]。

逆變器輸出交流電壓的頻率與控制電路的正弦波的頻率一一對(duì)應(yīng)，如圖2所示的正弦波的頻率就是逆變器輸出交流電壓的頻率，因此，只要改變正弦波的頻率就可以改變焊接交流電壓的頻率，可以通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)并調(diào)節(jié)逆變器輸出的頻率，在焊接時(shí)通過(guò)面板的頻率設(shè)定，焊接輸出電壓的頻率就可以改變。從而提高了焊接效率。

3 實(shí)驗(yàn)

我們做了一個(gè)3KVA的逆變器的實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)的核心控制器是TI的DSP芯片（TMS320LF2407A）。TMS320LF2407A是一款高性能16位數(shù)字信號(hào)處理器，是定點(diǎn)DSP2000系列中的一員，它是專(zhuān)門(mén)為控制與運(yùn)動(dòng)控制數(shù)字化實(shí)現(xiàn)而設(shè)計(jì)的。DSP主要完成逆變器輸出電壓頻率的控制、負(fù)載電壓和電流取樣、開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間等[4]。

系統(tǒng)主程序主要完成的工作有系統(tǒng)初始化、讀取設(shè)置、故障判斷和處理、顯示和按鍵處理起等控制。

系統(tǒng)的主要控制程序都是使用中斷進(jìn)行處理的，包括定時(shí)器中斷、QEP中斷、AD中斷和CAP3中斷。其中AD中斷和捕獲中斷CAP3是系統(tǒng)最為重要的兩個(gè)中斷，兩者共同完成逆變控制。如圖4為開(kāi)關(guān)管觸發(fā)波形。

圖4 開(kāi)關(guān)管觸發(fā)波形

4 結(jié)論

逆變式焊機(jī)總的發(fā)展趨向是向著大容量、輕量化、高效率、模塊化、智能化發(fā)展并以提高其可靠性、性能及拓寬用途為核心，愈來(lái)愈廣泛應(yīng)用于各種弧焊方法、電阻焊、切割等等工藝中。高效和高功率密度(小型化)是國(guó)際上弧焊逆變器追求的主要目標(biāo)之一。高頻化和降低開(kāi)關(guān)器件的功耗是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的主要技術(shù)途徑。當(dāng)前，在日、美、歐等國(guó)和地區(qū)，20kHz左右的弧焊逆變器技術(shù)已經(jīng)成熟，產(chǎn)品的質(zhì)量較高且產(chǎn)品已系列化。弧焊逆變技術(shù)得到快速的發(fā)展。為此，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于DSP逆變的數(shù)字控制系統(tǒng)。使用了具有強(qiáng)大的定點(diǎn)運(yùn)算能力的DSP的LF2407A作為系統(tǒng)控制核心芯片。該控制系統(tǒng)通過(guò)焊接工藝的要求對(duì)焊接系統(tǒng)設(shè)定或自動(dòng)控制能改變焊接逆變電源交流輸出電壓的頻率和有效值，從而提高了焊接的效率、焊接質(zhì)量并能節(jié)約電能。

[1] 吳祥淼,黃石生,王志強(qiáng),方平,薛家祥.逆變焊接電源的發(fā)展及其可靠性研究[J].電焊機(jī),2001(2):8-11.

[2] 韓永強(qiáng),曾亮.數(shù)字化逆變焊機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用[J].電焊機(jī),2009,39(2):6-11.

[3] 楊通,黃延齡,張光先.數(shù)字化的逆變弧焊電源[J].電焊機(jī),2009,39(2):11-17.

[4] 丁穎,劉松.使用ESBT 設(shè)計(jì)逆變電焊機(jī)的輔助電源[J].電焊機(jī),2009,39(2):85-89.

[5] 曹太強(qiáng),許建平,吳昊.基于DSP數(shù)字調(diào)速直流電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電力電子技術(shù),2008, 2(24):73-77.