基于DSP的數字化軟開關弧焊電源

白宏偉，姚秋鳳

（河南機電高等專科學校，河南 新鄉 453002）

0 前言

DSP控制技術是目前弧焊電源數字化的核心技術，本設計的數字化軟開關弧焊電源包括主電路數字化和控制電路數字化[1]。主電路采用移相全橋ZVZCS軟開關，功率開關器件IGBT工作在0/1開關狀態，變壓器對送電回路和焊接回路起到電氣隔離的作用且滿足電流、電壓的匹配要求；控制電路以DSP為控制核心，DSP具有很強的實時信號處理能力，運算速度快，提高了弧焊電源的數字控制精度和實時性，且采用PI控制方案，使控制系統具有較高的穩態精度。

1 結構總體設計

基于DSP的數字化軟開關弧焊電源總體結構如圖1所示，主要包括電源的數字主電路系統和數字控制系統。

圖1 基于DSP的數字化軟開關弧焊電源結構框圖

數字化主電路是一個功率變換器，選擇IBGT作為主控器件，將從電網吸取的電能整流濾波、逆變、降壓隔離等處理后，轉換成可供焊機使用的焊接電源。

數字控制系統以DSP為控制核心，DSP主要用于數據處理、控制算法的實現以及PWM控制信號的產生，從而控制驅動電路驅動IGBT主控器件并通過監控逆變電源輸出電壓、電流實現電源的雙閉環控制。

2 數字化主電路設計

系統主電路如圖2所示，包括整流濾波電路、IGBT全橋逆變電路、中頻變壓器、二次整流濾波電路。IGBT逆變電路采用移相式雙零軟開關PWM全橋逆變拓撲[2-3]，將PWM技術和軟開關技術的優點結合在一起。軟開關提高了弧焊電源的可靠性和電源效率，為進一步提高逆變頻率和焊機控制性能提供了可能。

圖2 ZCZVS變換器主電路

移相FB-ZVZCS-PWM變換器中，超前臂上的兩個開關管（IGBT1和IGBT3）和滯后臂上的兩個開關管（IGBT2和IGBT4）輪流導通半個周期，兩個橋臂之間引入移相從而決定變換器的占空比。在超前臂一只IGBT關斷后，主電路進入換相過程，此時飽和電抗Ls仍處于飽和狀態，變壓器一次電流ip在隔直電容Cb和變壓器一次側漏抗的諧振作用下迅速下降。當ip下降到零時，由于飽和電抗Ls已退出了飽和，阻止了阻斷電容峰值電壓Ucbp引起的電流反向流動，從而使滯后臂的關斷在零電壓零電流狀態下完成。隨后，滯后臂上的另一只IGBT管開通，逆變全橋的電源電壓與Ucbp之和加在飽和電抗上，由于飽和電抗進入飽和需要一個短暫的過程，電流不能立即上升，這樣滯后臂的開通也是在零電流下完成[4]。

3 數字控制系統設計

3.1 硬件設計

數字控制系統是以DSP為控制核心的閉環控制系統，對弧焊電源進行整體管理和控制。數字控制電路主要包括DSP系統、鍵盤輸入及顯示電路、光電隔離與驅動電路、焊接參數采集及反饋電路等。由于DSP具有較高的運算精度和較高的信號實時處理能力，可以保證電弧輸出控制準確，電源的動態特性快且具有很高的穩定性、可靠性和可操作性。

3.2 軟件設計

軟件設計是數字化弧焊電源的靈魂，本次軟件設計采用匯編語言進行編程控制硬件操作，主要完成PI雙閉環控制、PWM控制信號的生成、重復控制、A/D轉換等。圖3為恒流外特性控制程序流程，采用電流負反饋控制。焊接過程中，傳感器對焊接電流、電壓進行檢測，檢測信號經A/D轉換由模擬量轉化為數字量，DSP以10 kHz采樣頻率采樣反饋的數字信號，用戶設定的電流、電壓值以數字量的形式由控制面板輸入到DSP，DSP根據電流、電壓設定值與反饋值，采用PI控制算法進行數字信號處理，得到PWM波形控制中的脈沖占空比值，將占空比值送入DSP寄存器中，從而實現逆變器輸出的控制，得到所需要的弧焊電源外特性。

圖3 恒流外特性控制程序流程框圖

PI控制是根據經驗進行的在線調節，使控制系統具有較高的穩態精度。本系統中PI控制模塊完成電壓、電流的雙閉環控制功能，使輸出電壓、電流穩定在設定值上。

4 試驗和結論

通過以上方法，采用TM320LF2407為控制核心、采用FB-ZVZCS變換器設計了一臺350 A恒流特性的弧焊電源，圖4為超前臂和滯后臂的驅動、電流和管壓降波形，超前臂零電壓開關，滯后臂零電流開關，逆變器的占空比損失很小且在箝位續流期間，環路電流很快衰減到零并保持。

移相FB-ZVZCS-PWM變換器與FB-ZVS-PWM變換器相比，增加了隔直電容和飽和電感，隔直電容使負載范圍變大，飽和電感有效減小了變換器的占空比損失，有效提高了逆變器的效率和變壓器的能量傳輸性能。數字控制系統大大提高了系統的靈活性，控制測量通過軟件的方式實現，設計人員在開發的過程中能靈活地對軟件進行修改和升級，以適應不同的焊接情況，實現弧焊電源的柔性控制與多功能集成。

圖4FB-ZVZCS-PWM變換器的波形

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[1]熊振興，黃石生.現代數字化弧焊電源的發展[J].電焊機，2010，40（4）：7-8.

[2]楊 通，黃延齡，張光先.數字化的逆變弧焊電源[J].電焊機，2009，39（2）：13-14.

[3]付煒亮，田松亞，吳冬春，等.零電壓零電流PWM弧焊逆變電源工作過程分析及仿真[J].電焊機，2007，37（10）：54-58.

[4]崔桂梅，劉丕亮.基于DSP的數字弧焊逆變電源系統的研究[J].自動化與儀器儀表，2009（5）：120-122.