高頻逆變螺柱焊機系統設計與實現

彭 偉 王景川 黃永志 李國波 趙洪丹

(1.上海交通大學電子信息與電氣工程學院；2.上海悅合自動化技術有限公司；3.吉林省電力有限公司遼源供電公司)

高頻逆變螺柱焊機系統設計與實現

彭 偉1王景川1黃永志2李國波3趙洪丹3

(1.上海交通大學電子信息與電氣工程學院；2.上海悅合自動化技術有限公司；3.吉林省電力有限公司遼源供電公司)

針對傳統PID控制的逆變螺柱焊機在負載電流突變時動態特性差、調節時間長的問題，設計了一種高頻逆變螺柱焊機，采用DSP作為主控芯片，IGBT全橋拓撲實現高頻逆變，高頻變壓器實現電氣隔離和能量傳輸，并基于電容充電平衡原理，提出了改進的時間最優控制算法，實現了對焊機電壓、電流的快速控制，保證了焊機的動態特性和焊接效果。仿真和實驗結果表明：所設計的高頻逆變螺柱焊機工作性能穩定，焊接效果良好。

螺柱焊接 IGBT全橋電路 電容充電平衡 時間最優控制

逆變螺柱焊接技術由于具有快速、可靠、程序簡單及成本低等一系列優點，在鋼結構、汽車、建筑及橋梁等領域得到廣泛應用。逆變螺柱焊接中由于開關元件的使用，使系統呈現較強的非線性，同時焊接負載存在突變，這些都對焊接的控制提出了挑戰。傳統的PID控制在負載突變時，響應慢、調節時間長，不適合用于動態響應要求高的場合。而基于DSP的智能儀表具有快速響應和易于實現先進控制算法的特點[1],因此筆者所設計的高頻逆變螺柱焊機采用DSP為主控芯片，該逆變螺柱焊機可以等效為數字控制的大功率全橋DC-DC隔離電源。對于數字控制的DC-DC電源，傳統的控制方法包括PID控制、電壓反饋的多級PI控制[2，3]、自適應控制[4]、前饋控制、模糊PI控制[5]和模型預測控制,以上控制方法雖然改善了DC-DC隔離電源的動態響應速度，但是仍然存在輸出穩態誤差或者沒有獲得最小電壓波動和最小調節時間。基于電容充電平衡原理，有研究者提出時間最優控制，實現了在負載突變時的快速動態響應，但是沒有考慮到電感最大電流，會導致電感電流飽和以及電氣元器件過載工作[6]。帶電流約束的時間最優控制方法[7]考慮了最大電感電流,但是它假設輸出電壓和負載電流在整個調節過程中保持不變，而實際輸出電壓會經歷先下降然后再恢復到參考值的過程，負載電流也會產生波動。

筆者設計了一種高頻逆變螺柱焊機，它運用IGBT全橋逆變技術和DSP控制技術，并基于電容充電平衡原理，考慮最大電感電流、輸出電壓和負載電流的實變特性，提出了改進的時間最優控制算法，在負載出現較劇烈變化時，采用該時間最優控制算法，實現快速調節，當系統趨于穩定狀態時，采用PID控制。

1 焊機系統結構

筆者所設計的焊機分為功率系統、控制系統和執行機構3部分，其結構如圖1所示。功率系統由輸入電路、逆變電路和輸出電路組成，輸入電路包括EMI濾波模塊、三相整流模塊和輸入濾波模塊；逆變電路采用IGBT全橋逆變，將高壓直流電轉換為高頻交流電；輸出電路包括降壓變壓器、輸出整流電路和輸出濾波模塊。功率系統開關管開通和關斷由控制系統調節。控制系統以TMS320F28335為主控芯片，外圍電路包括通信接口、隔離電路、按鍵與顯示電路。控制系統的主要功能是對輸出電流、輸出電壓、母線電壓、系統各模塊溫度進行實時采樣并實現控制算法。

圖1 高頻逆變螺柱焊機控制系統框圖

焊機功率系統的拓撲可以等效為全橋DC-DC降壓型隔離電源。DC-DC隔離電源每半個周期具有兩種工作狀態，分別對應開關管開通和關斷：

(1)

(2)

其中，iL是電感電流；io是輸出電流；Vin是輸入電壓；Vo是輸出電壓，Vo=Varc+io·R，Varc是弧壓，R是線纜電阻；Vo′是等效輸出電壓，Vo′=Vo+io·Rloss，Rloss是系統損耗的等效電阻。

2 控制器設計

針對傳統控制方法的不足，筆者基于電容充電平衡原理，提出改進的時間最優控制算法，主要的改進在于，動態響應期間實時估計負載電流并檢測輸出電壓，用于對T1、T2、T3、T4[7]以及T3時間段的PWM占空比進行實時調整，當系統輸出特性趨于穩定狀態時，切換控制模式，采用傳統PID控制算法進行調節。改進的時間最優控制算法核心是計算T1、T2、T3、T4以及T3期間的PWM占空比和到達穩定狀態后的PWM占空比。根據電感電流iL,k的值及其變化情況，將iL,k變化曲線過程分為A、B、C、D 4個區間(圖2a)，然后按以下方法實現改進的時間最優控制策略。

預測負載電流io,k。根據末端電路中電量消耗可以得到：

(3)

(4)

其中io,k、iL,k分別是(t0+kT)時刻的負載電流和電感電流,ΔVC,k-1是電容電壓在[t0+(k-1)T]到(t0+kT)期間的變化值，T是PWM波周期。則有：

ΔVC,k-1=VC,k-VC,k-1

=Vo,k-Vo,k-1-(iC,k-iC,k-1)·ESR

(5)

iC,k=iL,k-io,k

(6)

其中，iC,k是(t0+kT)時刻電容兩端的電流，ESR是電容等效阻抗。將式(5)、(6)代入式(4)中，可以得到：

(7)

計算T1、T2、T4和占空比dk。根據式(1)、(2)可知，電感電流上升速率m1,k=(Vin/n-Vo,k′)/L,下降速率m2,k=-Vo,k′/L,Vo,k′是Vo′在(t0+kT)時刻的值，因此可得：

(8)

iL,valley=iL,max+m2,k(1-dkT)

(9)

(10)

其中，n為變壓器原邊和副邊線圈匝數比。

計算大電流保持時間T3。根據電容充電平衡原理Q1=Q2+Q3+Q4,其中，Q1、Q2、Q3、Q4分別對應A、B、C、D區間的電容充電量。根據iL,k所屬區間，計算T3分為4種情形。

情形1，當iL,k位于區間A時(圖2b)：

(11)

其中Q1,i=[(i-1)T+iT](iL,i-iL,i-1)/2。

情形2，當iL,k位于區間B時：

(12)

其中Q2，i=[(i-1)T+iT](iL,i-iL,i-1)/2，Q3、Q4按式(11)計算，N1是iL,k首次等于io,k時k的值。

情形3，當iL,k位于區間C時，Q1、Q2由之前計算得出，Q3由下式計算得出：

(13)

如圖2c所示，Q4如式(11)中所示，N2是iL,k首次

圖2 電容電壓和電感電流預測波形

等于iL,valley時k的值。

情形4，當iL,k位于區間D時：

T3=0

(14)

3 仿真與實驗

為驗證筆者提出的時間最優控制算法，在Matlab/Simulink下進行仿真實驗。Vin=510V，Vref=40V，iL,max=260A，C=140μF,L=10μH,ESR=2mΩ,f=100kHz,變壓器變比n∶1=6∶1。圖3是負載電流由100A突變到200A時電感電流和電容電壓變化曲線。根據仿真結果可知，從負載電流突變到系統恢復至穩定狀態，調節時間是微秒級的。

圖3 負載電流突變仿真結果

為測試該逆變螺柱焊機的實際焊接性能，在輸入電壓為3×380V(AC)、PWM頻率為50kHz、先導電流為50A、先導電流持續時間為40ms、焊接電流為600A、焊接電流持續時間為50ms的條件下，將M6的螺釘植焊在汽車車身鋼板上。通過焊接效果可以看出，筆者設計的高頻逆變螺柱焊機可以有效地將M6螺柱焊接在汽車車身鋼板上，金屬飛濺少，鋼板沒有形變,在經過扭矩測試后證明能夠滿足工業螺柱焊接的要求。

4 結束語

筆者設計了一種短周期高頻逆變螺柱焊機，使用IGBT全橋技術實現高頻逆變，在保證焊接功率的條件下，有效減小了焊機的體積和重量，同時采用DSP作為主控芯片，基于電容充電平衡原理，在考慮輸出電壓與負載電流動態特性的情況下，提出了改進的時間最優控制算法，結合傳統PID控制實現對焊接電流和輸出電壓的快速、精確控制。仿真與實驗結果表明：該焊機動態響應快，調節時間短，能有效實現螺柱焊接，可以滿足工業螺柱焊接的需求，能夠應用于汽車、建筑及橋梁等應用環境。未來筆者將在所設計的高頻逆變螺柱焊機的基礎上，設計自動上釘機并結合工業機械臂實現全自動螺柱焊接。

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[2] 王金玉,孔德健,姜泳,等.高頻多PI控制的電化學直流電源研究[J].化工機械,2015,42(3):350～354.

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[6] Kapat S, Krein P T.Improved Time Optimal Control of a Buck Converter Based on Capacitor Current[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2012, 27(3): 1444～1454.

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DesignandImplementationofStudWeldingMachineSystemwithHigh-frequencyInverter

PENG Wei1, WANG Jing-chuan1, HUANG Yong-zhi2, LI Guo-bo3, ZHAO Hong-dan3

(1.School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University; 2.Shanghai Yuehe Automation Technology Co.,Ltd.; 3.Liaoyuan Power Supply Company, Jilin Province Power Company Limited)

Considering PID-controlled inverter stud welding machine’s poor dynamic property and long settling time at the time the machine’s load current jumps a stud welding machine with a high-frequency inverter was designed, which adopts DSP as the master chip and the full-bridge topology to realize high-frequency inversion and the high-frequency transformer to guarantee electric isolation and energy transmission; basing on the capacitor charge balance, an improved time-optimal control algorithm was proposed to regulate the welding machine’s voltage and current quickly so that the welding machine’s dynamic property and welding effect can be ensured. Simulation and experimental results show that, this welding machine designed has stable working performance and fine welding effect.

stud welding, IGBT full-bridge circuit, capacitor charge balance, time-optimal control

TH865

A

1000-3932(2017)05-0462-04

上海市科委創新行動計劃項目(16111104802)。

彭偉(1992-)，碩士研究生，從事高頻逆變螺柱焊機的研究,pw_sjtu@163.com。

2016-11-20，

2016-12-29)