交變磁控電源的設計與仿真

陳克選，杜茵茵，陳彥強

1.蘭州理工大學 材料科學與工程學院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州理工大學 省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730050

0 前言

在熔化極氣體保護焊中，增大焊接電流和焊絲伸長長度是提高焊接熔敷率的直接途徑，但在大電流下，當熔滴過渡轉變為旋轉射流過渡時，電弧穩定性變差，飛濺增大，且焊接電流增大的同時也顯著增加了熔滴和熔池上的電弧作用力，過大的電弧力使熔池表面產生劇烈變形，焊縫成形差。在大電流GMAW焊接過程中引入外部磁場，能夠對熔滴過渡形式、焊接電弧行為以及焊接熔池中熔融金屬的流動等產生有益影響［1-4］。通過外加間歇縱向交變磁場讓電弧收縮，使旋轉射流過渡時電弧更穩定，焊接飛濺率降低［5-7］，還可以有效地攪拌焊接熔池，改變熔池金屬結晶狀況，從而使構件的控形和控性都達到較好的效果［8-9］，具有附加裝置簡單、投入成本低、效益高等優勢，受到了國內外不少學者重視。

磁控電源作為核心設備之一，對磁控焊接過程控制有重要影響。目前應用于大電流GMAW中的磁控電源還存在一定的局限性，以往磁控電源多輸出直流電，在焊接過程中引入的磁場多為恒定磁場，未考慮磁場與熔滴過渡的適配問題，即在熔滴過渡的不同階段施加不同強度或頻率的磁場，以降低飛濺、改善成形。此外，焊接過程施加磁場的參數范圍較窄，高頻強磁場對焊接過程的影響規律尚不清楚。

本研究借助MATLAB/Simulink仿真軟件，通過仿真設計和理論計算研制了一臺輸出電流0～15 A，交變頻率0～5 000 Hz的磁控電源。Simulink是基于MATLAB的框圖設計環境，可用來對各種動態系統進行建模、分析和仿真［10］。通過仿真結果和實際設計的對照，論證硬件設計的正確性，同時為硬件實驗提供進一步的依據和支撐。

1 磁控電源主電路結構

磁控電源主電路采用雙逆變拓撲結構，由前級逆變器（直流輸出）和后級逆變器（交流方波輸出）組成，如圖1所示。前級逆變器采用半橋逆變結構，逆變器工作頻率20 kHz，通過PWM脈寬調制技術控制前級開關器件IGBT的導通時間，來實現磁控電源恒電流輸出特性的調節。為改善功率開關管瞬態工況，IGBT管兩端均并聯阻容RC吸收電路和箝位二極管來確保逆變器可靠工作。為避免在工作過程中逆變電路變壓器發生偏磁，在變壓器一次側串入隔直電容C來消除變壓器一次側電壓波形中的直流成分，實踐證明效果良好。后級逆變器選擇全橋式逆變拓撲結構，由IGBT3～IGBT6組成，兩只橋臂開關管交替導通可實現交流方波的頻率和占空比調節。該磁控電源的負載是有鐵心的電感，安裝在與焊絲同軸的保護氣罩上，以產生與磁控電源輸出相匹配的縱向交變磁場，進而控制焊接過程。

圖1 磁控電源主電路拓撲結構Fig.1 Topological structure of main circuit of magnetron power supply

2 磁控電源控制系統

磁控電源控制系統硬件電路設計必須滿足以下原則：（1）系統功能豐富；（2）實時性好；（3）使用界面友好；（4）抗干擾能力強。基于上述原則，采用實時性好且芯片功能豐富的80C196KC單片機為控制系統的核心。該芯片是由INTEL公司生產的MCS96系列16位單片機，具有接口豐富、處理能力強、運算速度快、功耗低的特點。針對磁控電源要實現的功能，設計的磁控電源控制系統結構框圖如圖2所示，硬件電路設計了以微型控制器為核心的單片機最小系統、實現人機交互的參數預置與顯示電路、實時采集實際電流信號的恒值反饋采樣電流、D/A轉換電路、實現磁控電源恒流輸出特性的前級逆變驅動系統電路以及滿足交變電源頻率和占空比獨立調節特性的后級逆變驅動系統電路。

圖2 磁控電源控制系統結構Fig.2 Structure diagram of magnetron power supply control system

2.1 前級逆變控制系統

磁控電源設計通過控制前級逆變電路開關器件來實現電源恒流輸出特性，其控制過程如圖3所示。系統采用定頻率調脈寬（PWM）控制方式，首先將人機交互界面設置的電流給定值存入單片機內存單元，再將電流反饋采樣電路實時采集的勵磁電流值與之進行比較，比較得到的誤差信號進行PI程序運算后由單片機輸出數字控制信號，該信號經D/A轉換成模擬信號輸入給UC3846脈寬調制芯片，其產生的脈寬信號經放大隔離后實時控制前級逆變電路IGBT的導通時間，使得輸出勵磁電流值與電流給定值趨于一致，從而實現磁控電源恒流外特性。磁控電源恒流閉環控制過程如圖4所示。

圖3 前級逆變電路控制原理Fig.3 Control principle diagram of front-stage inverter circuit

圖4 磁控電源恒流閉環控制過程Fig.4 Constant current closed loop control process of magnetron power supply

2.2 后級逆變控制系統

后級逆變實現交變電流頻率和占空比的獨立調節，其控制信號的產生是基于80C196KC單片機的兩路高速輸出口，控制原理如圖5所示。首先根據面板設定所需頻率及占空比參數，通過程序運算后由HSO.0和HSO.1輸出兩路相位互補且帶有一定死區的脈寬信號，此脈寬信號經過反相器反相后，送入專用于驅動IGBT的厚膜集成芯片M57959L，進行放大隔離后驅動后級IGBT的導通與截止，從而實現對交變電流頻率和占空比的調節。

圖5 后級逆變電路控制原理Fig.5 Control principle diagram of back-stage inverter circuit

2.3 控制系統軟件設計

結合磁控電源工作時序及硬件電路設計，文中采用模塊化編程方式來提高軟件設計效率。系統軟件設計以主程序為框架，主程序控制磁控電源整個工作過程，通過調用實現各個功能的子程序模塊（參數設置與顯示模塊、恒流控制模塊、A/D采樣模塊、后級逆變脈寬輸出模塊等），并配合中斷服務程序來實現對磁控電源工作過程的控制。此外，為了提高磁控電源在復雜工況下抵御干擾的能力，設計程序時也采用平均值濾波法、指令冗余、設置監視定時器等軟件抗干擾技術改進系統軟件，進一步提高磁控電源可靠性。設計的主程序流程如圖6所示。

圖6 磁控電源主程序流程Fig.6 Flow chart of main program of magnetron power supply

磁控電源上電后，首先進行系統的初始化設置，然后根據磁控焊接工藝要求預置勵磁電流幅值、頻率和占空比，參數預置工作完成后判斷磁控開關是否閉合，若閉合則進入磁控電源工作過程控制程序，通過軟啟動程序使勵磁電流緩慢上升；當有電流流過負載時，采樣電路開始實時采集勵磁電流值，且與面板給定電流值比較，得到的誤差信號經PI恒流控制程序運算后周而復始地向前級脈寬調制電路發送模擬控制信號。

3 仿真設計及分析

3.1 建立磁控電源仿真模型

文中使用MATLAB/Simullink仿真平臺對設計的電路進行建模與仿真，以驗證設計電路的合理性，同時為實際試驗提供理論依據。磁控電源屬于電力電子系統，利用電力電子系統仿真專用的模塊庫Simscape進行建模。建立磁控電源模型時，在Simscape的PowerSystems子庫中尋找需要的模塊，拖曳到圖形化仿真界面，按照電路原理圖連接器件，根據理論計算參數，設置模型參數。模型建好后可以添加Measurements子庫中電壓表、電流表以及Scope等工具進行測試，能夠直觀地得到系統仿真結果，建立的磁控電源仿真模型如圖7所示。

圖7 磁控電源仿真模型Fig.7 Simulation model of magnetron power supply

3.2 仿真結果分析

仿真時加入powergui模塊用于配置信號仿真的初始條件和時間條件，同時在配置中調節仿真步長以匹配相應的信號頻率，此處仿真步長可設置為9e-2 s。基于圖7建立的仿真模型，設置后級逆變脈沖電源驅動激勵信號。由于交流磁控電源的負載是一個由自行繞制的帶坡莫合金磁心、匝數為160匝的多層螺線管，經測量其電感值為1.78 mH，因此仿真時在輸出端添加電感值為1.78 mH的感性負載，分別得到200 Hz和500 Hz下磁控電源仿真電流輸出波形如圖8所示。

圖8 磁控電源仿真電流輸出波形Fig.8 Simulation current output waveform of magnetron power supply

4 勵磁電流波形測試和交變磁場測試

按圖9所示電路搭建電流和磁感應強度測試系統，測試磁控電源實際輸出勵磁電流。采用USB-6215數據采集卡，結合LabVIEW軟件所編寫的程序，以顯示磁控電源實際輸出的勵磁電流波形。

圖9 磁控電源測試系統Fig.9 Magnetron power supply test system

實際測得不同給定參數下的磁控電源輸出電流波形如圖10所示。其中圖10a為測試頻率200 Hz、占空比80%、電流幅值6 A的勵磁電流波形；圖10b為測試頻率500 Hz、占空比80%、電流幅值10 A的勵磁電流波形，可以看出設計的磁控電源能夠滿足頻率、占空比和勵磁電流幅值調節的特性。從實測電流波形形狀看，隨著輸出頻率的提高波形有畸變，與仿真結果一致。這是由于負載為儲能元件電感，電流方向改變時電流不能突變造成的。

圖10 實測磁控電源輸出電流波形Fig.10 Measured output current waveform of magnetron power supply

當有交流電流過勵磁線圈時，即會產生交變磁場，采用MODL 903型高斯計來測量勵磁線圈產生的磁感應強度。高斯計將采集的數據存儲在計算機上，通過Origin繪圖軟件繪制出磁感應強度波形，即可讀出磁感應強度大小和交變磁場頻率。如圖11所示，磁控電源給定勵磁電流幅值6 A、頻率200 Hz、占空比80%時，霍爾探頭測得距勵磁線圈尾部20 mm處的磁感應強度峰值可達100 Gs，其交變磁場頻率與磁控電源設定的頻率相同，且磁場強度對稱性很好。說明該磁控電源產生的方波交流作用于勵磁線圈上，能產生給定頻率且一定強度的縱向交變磁場，可以將該磁控電源用于后續的縱向交變磁場作用下的大電流GMAW試驗中。

圖11 交變磁場波形Fig.11 Alternating magnetic field waveform

5 結論

（1）交變磁控電源主電路采用雙逆變拓撲結構，一次逆變相當于恒流源，二次逆變獲得所需電流頻率、占空比可獨立調節的交變電流波形。

（2）借助仿真手段建立磁控電源仿真模型，根據計算參數設置模型參數，對交變磁控電源的仿真輸出波形進行分析，論證主電路拓撲結構及參數設計的合理性。

（3）加入電感負載，測試不同給定參數下磁控電源實際電流輸出波形，測試結果顯示設計的磁控電源能夠滿足頻率、占空比和勵磁電流幅值調節的特性。同時也測試了交變磁場，得到了與磁控電源輸出相匹配的交變磁場，可用于大電流GMAW磁控焊接技術中。