弧焊逆變電源的數(shù)字化控制技術(shù)分析

崔愛玲

（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)、計算機技術(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，實現(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、功能升級方便等優(yōu)點，在生產(chǎn)實踐中得到廣泛應(yīng)用。本文基于TI公司的TMS320F2407為控制平臺，對數(shù)字化控制的弧焊逆變電源系統(tǒng)進行了研究分析。

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)字信號處理（DSP）芯片，或微處理器加數(shù)字信號處理芯片等組成，利用微處理器和DSP等強大功能對焊接過程進行實時數(shù)字信號處理，實現(xiàn)其數(shù)字化控制。

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

（3）硬件模塊設(shè)計數(shù)字化：根據(jù)弧焊電源的功能分類進行數(shù)字化的硬件設(shè)計，可實現(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現(xiàn)，以適應(yīng)不同焊接方法，實現(xiàn)焊機的一機多用。

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)字信號處理系統(tǒng)控制：通過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：通過操作面板進行數(shù)字化輸入，設(shè)置焊接工藝參數(shù)和功能，以實現(xiàn)精確控制和友好的人機界面。

（5）在線升級功能：通過模塊化軟硬件設(shè)計，以不同的模塊化組合構(gòu)成不同功能的焊機。數(shù)字化弧焊電源和PC進行通信，以實現(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，其軟開關(guān)控制方式為移相控制方法。弧焊逆變電源的主電路采用IGBT，提高了開關(guān)頻率，降低了功率損耗，獲得了較好的動態(tài)響應(yīng)，焊接電源效率達到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、電壓補償電路、外特性和動特性控制電路、驅(qū)動與保護電路、電流電壓采樣等構(gòu)成。控制系統(tǒng)是其核心部分，決定了電源裝置的可靠性和輸出特性。弧焊逆變電源結(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)過逆變電路變成中高頻交流電壓，后經(jīng)過高頻變壓器降壓，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)電容實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開關(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。每個橋臂的兩個功率管成180度互補導(dǎo)通，通過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、VT3一個相位；VT2、VT3為滯后橋臂。移相控制ZVS-PWM電路通過開關(guān)管的零電壓開關(guān)減小了傳統(tǒng)硬開關(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)字化焊機采用數(shù)字技術(shù)完成弧焊工藝過程的閉環(huán)控制，如主電路數(shù)字化和控制電路數(shù)字化。基于DSP的弧焊逆變電源控制的主要特點是集成多功能、管理功能網(wǎng)絡(luò)化和程序在線升級，可以方便靈活地進行控制策略的調(diào)整，以實現(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

TI公司的TMS320F2407芯片是16位CPU，單周期指令執(zhí)行時間為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)字化焊機利用TMS320F2407芯片豐富的外設(shè)實現(xiàn)主回路的數(shù)字觸發(fā)，為保證焊機工作可靠，所有的開關(guān)量信號和模擬量信號需經(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)動電路、給定與顯示電路。

（1）采樣電路設(shè)計

負(fù)載電壓電流經(jīng)采樣電路送入DSP的AD模塊，功率給定信號通過DSP的AD模塊讀入與實際功率進行閉環(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IGBT模塊進行保護。

（2）PWM輸出隔離驅(qū)動電路

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

EXB841集隔離、驅(qū)動和保護功能于一體，充分體現(xiàn)了“最優(yōu)驅(qū)動和分散保護”原則，其中包括信號隔離電路、過流檢測電路、低速過流切斷電路等。

（3）給定和顯示電路設(shè)計

給定和顯示電路實現(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交互。DSP通過SCI端口與上位機進行信息交換，實現(xiàn)對逆變焊接電源的監(jiān)測控制和工作狀態(tài)數(shù)據(jù)的記錄。

硬件設(shè)計中為保證可靠性，中斷輸入腳需接上拉電阻，不用的引腳接地；對DSP和數(shù)據(jù)存儲器，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；同時為了方便運行中出現(xiàn)故障時人工復(fù)位，需設(shè)計上電復(fù)位和手動復(fù)位電路。故障檢測電路可向DSP系統(tǒng)發(fā)出故障中斷請求，封鎖觸發(fā)脈沖。

3.2 弧焊電源的軟件設(shè)計

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，用匯編或其它語言編寫，實時控制程序決定了系統(tǒng)的控制質(zhì)量和效率，如實時性、可靠性、易修改性、可移植性等。弧焊電源控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計主程序如圖4。這里采用模塊化的程序設(shè)計方法，分別設(shè)計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)計主程序

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

4 結(jié)束語

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，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。

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