逆變焊接電源的全數字化控制技術的研究

李天喆

【摘要】 重點介紹了全數字化控制的逆變焊接電源的概念，組成部分及工作原理，對數字信號處理器DSP控制的IGBT逆變焊接電源的主電路、控制電路及接口的數字化控制方式進行了系統的闡述。

【關鍵詞】 數字化控制 逆變電源 軟開關技術 數字信號處理器

隨著電力電子技術、計算機技術、數字技術及控制論的發展，弧焊電源的制造技術也一日千里。于是，全數字化的逆變弧焊電源成為焊接設備的最新發展趨勢。全數字化控制的弧焊逆變電源就是將逆變技術和數字化控制技術相結合，控制電路由數字技術取代傳統的模擬技術，控制信號亦由模擬信號過渡到0/1編碼的數字信號。這種新型的焊接電源不僅體積小，電氣性能穩定、焊接效果好、控制精度高，而且容易大規模集成、便于升級，推動了焊接產業的迅速發展。

一、全數字化控制的逆變焊接電源的構成及工作原理

焊接電源向數字化方向發展，主要包括三方面的內容，一是主電路的數字化；二是電路的多特性控制技術，亦即控制電路的數字化；三是控制接口的數字化。其中一和二是實現弧焊電源數字化的內核。

1.1主電路的數字化

焊接電源的主電路是一種功率轉換電路，其功能是從電網吸取電能，經整流、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。逆變技術的應用使主電路的數字化控制成為可能，而軟開關控制技術的應運而生更使得它成為逆變主電路控制技術的主要發展方向。

軟開關技術是功率變換器得以高頻化的重要技術之一，它應用諧振的原理，使開關器件中的電壓電流按正弦或準正弦規律變化，在功率器件換流的瞬間實現功率器件的零電流或零電壓開關，從而減少開關的損耗，提高了焊接電源的可靠性。本文所研究的是以功率開關管IGBT構成的全橋相移諧振軟開關逆變主電路。其原理圖如圖一所示：

由圖可看出，電路由四個IGBT管構成，其中 IGBT1和IGBT3構成電路的超前臂；IGBT2和IGBT4構成滯后臂，通過控制超前臂與滯后臂的相位差來調節輸出功率。由于超前臂和滯后臂的上下一對開關管導通與關斷相位上互差180度且死區不變，每個橋臂上都有并聯的電容，可錯開功率器件的電流與電壓同時處于較高值的硬開關狀態，實現超前臂與滯后臂的零電壓關斷，在電流連續時完成各橋臂的零電流開通的軟開關過程。并有效克服了感性關斷電壓尖峰和容性開通時管溫過高的缺點，減少了開關損耗與干擾，提高了電路效率。

1.2 控制電路的數字化

控制電路是整個焊接電源至關重要的部分，它直接關系到整機性能的優劣和可靠性，決定著焊接電源的外特性、動特性與調節特性。在全數字化控制的逆變弧焊電源中，通常采用數字信號處理器（DSP）來實現系統的閉環控制。借助DSP的強大功能完成控制算法和PWM信號發生電路的數字化。本文研究的控制系統以TMS320F240 DSP芯片作為控制核心。該芯片內部采用的是哈佛結構，該結構具有獨立的數據存儲空間和程序存儲空間，可同時對數據和程序尋址，形成指令與數據并存；廣泛使用流水線技術，具有專門的硬件乘法器，在一個周期內可并行完成多條指令，從而使其處理能力得到優化，提高了運行速度。其結構框圖如圖二所示：

1.3控制接口的數字化

我們采用的TMS320L240芯片中內嵌了現場總線的應用熱點CAN；帶有串行異步數字通信接口模塊（SCI）；同步串行外設接口模塊（SPI），支持分布式控制和實時控制。因此由它控制的逆變焊接電源與焊接機器人、現場總線、以太網及其它外部設備間可方便地進行大量的信息交換，既可實現焊接電源系統與互聯網的通信，又能積極人機互動和遠程控制，便于焊接功能的改進和升級。

二、結論

全數字化的逆變焊機以其控制精度高、穩定性好、產品一致性好、接口兼容及系統升級方便等優點成為了今后焊接設備發展的趨勢。不僅推動了焊接技術從技藝走向科學，而且是弧焊電源網絡化、信息化的基礎，對整個焊接產業產生了重大影響。

參考文獻

[1] 黃石生. 弧焊電源及其數字化控制[M]. 北京： 機械工業出版社，2006

[2] 陳善本. 焊接過程現代控制技術[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2001