数字化软开关弧焊逆变电源的设计.pdf

数字化软开关弧焊逆变电源的设计数字化软开关弧焊逆变电源的设计刘钊康勇段善旭李勋朱国荣肖白露电力安全与高效湖北省重点实验室(武汉4 3 0 0 7 4)摘要：本文给出了软开关逆变弧焊电源的Z V S 主电路和数字化控制电路的设计方法。文中首先给出了主电路参数的设计方法，控制电路采用基于D S P 的数字化控制系统，其中详细地给出了移相P W M 的实现原理和控制系统的软件流程图。文章的最后根据以上原理试制了一台逆变焊机，实验结果证明了设计原理的有效性和可行性。叙词：数字信号处理器软开关弧焊逆变电源数字控制系统1引言随着电力电子技术、信号处理技术及计算机控制技术的迅速发展和广泛应用，各种生产设备的性能更加完善，功能更加丰富，而且智能化程度不断提高，在焊接领域逐渐形成了由逆变主电路代替传统主电路，由数字控制代替模拟控制的局面。电焊机的数字化主要包括两方面的内容：一个是主电路的数字化，另一个是控制电路的数字化 1 。逆变焊机控制系统的数字化是指在逆变电源的基础上，结合计算机技术，采用数字信号处理器(D s P)，通过微处理器的精确运算来控制焊机的各项性能和工作全过程，控制电路高度集成、简化，且实现了数控化。相对于采用以运算放大器、电阻、电容等为核心的控制系统，不存在固有的元件参数漂移、性能随环境和时间而变化等缺点 2 。本文设计了基于美国T I 公司的数字信号处理芯片T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 的数字控制系统，并在该硬件电路的基础上对其进行了软件控制的设计。2 软开关弧焊逆变电源系统设计软开关弧焊逆变电源由D S P 最小系统、软开关逆变器主电路、采样电路和各种保护电路组成，见图1，其中以T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 芯片作为控制系统的核心。软开关逆变器采用移相全桥Z V SP W M 变换电路。由D S P软件算法使P W M 波形移相，经过隔离放大电路控制逆变器开关管I G B T，实现零开关。焊接电流和电弧电压等参数通过霍尔传感器采样，由D S P 片内A-D 转换器进行转换，经过处理后，通过输出P W M 波形对电弧电压和焊接电流进行控制。图1 软开关弧焊逆变电源系统结构框图3 移相全桥Z V S 主电路的设计3 3 1 主变压器的设计变压器变比7 7 6K V V i n(7 m i 瓦n)D(p。(m _“)(1)一次测绕组匝数N，一锗(2)二次测绕组匝数N 2 一N a i N l(3)其中，K c 血)为输入电压的最小值；D p(一，为原边最大占空比；D s“一)为副边最大占空比；V o 为额定输出电压；K r 为波形系数，正弦时取4 4 4，方波取4；民为所选磁芯最高工作磁密(单位：G s)；，为开关频率(单位：H z)；S c 为磁芯有效截面积(单位：C 1 T 1 2)。3 2 超前桥臂并联电容的设计并联电容C 1 一C 3 一I z o K(“n)t d(1 e a d)。(4)其中，I o(m n)为最小输出电流；V l(一)为最大输入电压；t d(1 衄d)为超前桥臂两开关管驱动信号之间的死区时间。3 3 滞后桥臂并联电容的设计并联电容C 2 一C 4 V i n(m a x)i。(血)(6)3 5 输出滤波电感的设计输出滤波电感L F 蔽旁(1 一瓦j 雨C o(m 丽a x)(7)其中，厂为输出滤波电感的工作频率；叽为滤波电感上压降；u。为整流二极管导通压降。4 控制系统的设计4 1 焊接电源外特性要求 4 弧焊电源空载时采用恒压特性，负载时采用恒流特性，并且第十七届全国电源技术年会论文集最好能增加电流外拖特性，在短路时通过外拖增大短路电流，提高了引弧性能和电弧熔透能力。图2 垂降带外托的外特性4 2 移相P W M 波的实现方法对移相全桥D C _ D C 电路来说，其主开关管的驱动脉冲为移相P W M 波。移相P W M 波生成的基本原理是：利用D S P 事件管理器中的两个全比较单元输出四路脉冲。由全比较单元1 输出超前臂上下管脉冲，全比较单元2 输出滞后臂上下管脉冲。两个全比较单元的比较寄存器数值按照调节器输出的要求在下溢中断和周期中断当中不断的修改，如图3 所示。在下溢中断中赋给C M P R l&2 在计数器计数下降沿比较值，在周期中断中赋给C M P R l 8 L 2 在计数器计数上升沿比较值。计数器计数周期为脉冲周期 5 。实际编程时，需要按照全比较输出对称脉冲的设置方法设置。图3 移相脉冲生成原理4 3 数字控制系统的软件流程系统软件主要有主程序和中断程序两大部分。主程序主要是完成系统初始化，开关机检测，开关机初始化，然后进入主程序循环等待中断。周期中断程序、下溢中断程序和P D P I N T A 程序共同构成系统中断程序。在周期中断程序中完成空载电压的软启动，读取电压电流采样值，通过检测输出电流实现空载和负载两种不同工况的切换，在两种不同工况下实施各自的控制算法，当输出短路时增加电流指令等工作。周期中断中主要完成空载电压的建立、负载电流的恒定以及推力电流的调节。下溢中断程序用来更新C M P R l 和C M P R 2 的值。当主电路出现故障时，如输出过压过流、直流母线过流、输入过压欠压以及机器过热等，外部硬件产生信号去封锁脉冲放大和整形电路，同时产生P D P I N T A 信号送D S P，D S P 内部产生P D P I N T A 中断封锁脉冲输出。图5 和图6 分别为T-的周期中断和下溢中断子程序。图4 主程序流程图图5T。周期中断子程序图6T。下溢中断子程序5 实验结果通过以上方法设计了一台2 5 0 A 1 0 k W 逆变弧焊电源，输入为三相3 8 0 V 1 5，输出空载电压为7 8 V，最大输出焊接电流为5 0 0 A。图1 1 为空载一负载过程焊接电压电流波形，从图中可以看出，从空载到负载的过程十分短暂，只有大概5 0 个毫秒。负载后，电流稳定。一般情况下滞后桥臂难于实现软开关，现给出3 0 A 时滞后桥臂软开关波形，从图8,9 中可以看出较好的实现了Z V S。6 结语本文设计基于T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 为核心的逆变焊弧焊机，并按照弧焊电源的性能要求设计了其控制系统，给出了软件部分(下转第7 6 8 页)7 7 7 最大电流均流技术的研究表2 同时给电池充电和电阻负载供电时的两套模块电源输出情况负载模块I 输出模块I 输出模块I I 输出模块I I 输出充电电阻Q电流A电压V电流A电压V电流A4 64 9 94 65 0 19 21 2 32 55 1 02 5 55 1 19 40 7 l4 0 95 1 84 0 95 1 69 6数据表明在单独给电阻负载供电的时候均流效果和同时输出时候的均流效果有差别，原因是一方面由于两个模块电源的电路有微小的差异，调节能力不尽相同；另一方面由于各个模块电源的均流电压环和限流均流环上的P I 调节函数G c。和G。对负载变化的调节能力也不一样，因此两个控制环在均流调节时会随着负载的变化出现不同的效果，通过表1 和表2 中的数据可以得知，限流均流环的调节能力比均流电压环的调节能力要好，优化和调整均流电压环的G e，参数可以改善其调节能力。实验数据中在单独给0 7 1 f l 电阻负载供电时最大差距的电流不均衡度为(3 8 2-3 6 5)(3 8 2+3 6 5)*1 0 0 一2 2。表2 中的数据验证了之前所论述到的随着负载的加重，限流支路上的电流也会跟着增加，同样的也要通过优化G i v 来尽量减少增加量，实验里从空载到重载的过程中电流增加了0 4 A，对于蓄电池来说是可以承受的。5 结语最大电流均流法能够较好的满足模块化电源的均流要求，因此应用也较广泛。为了满足给蓄电池充电和给负载供电能同时安全进行的需要，在最大电流均流法的基础上形成的限流最大电流均流控制法，采用电压环和限流环互补式自动选择工作，来达到输出电压稳定、充电支路限流、总电流均流的共同实现，理论分析和试验结果表明这种控制方法能够比较好的实现上述控制目标，但在限流和均流一起作用时输出电压会有略微的抬升。对此一方面可以优化当前控制方案的控制参数，一方面可以调整控制方案，目的就是要将这种输出电压的抬升控制到最小(要求范围内)，使均流和限流的共司作用更稳定。参考文献 1 张军明，谢小高等D C-D C 有源均流技术的研究I-J 中国电机工程学报，2 0 0 5，2 5(1 9)：3 1 3 6 2 邱东元，张波等改进式自主均流技术的研究 J 北京：电工技术学报，2 0 0 5，2 0(1 0)：4 1-4 7 E 3 施三保开关电源的分布式并联均流技术概述E J 北京：船电技术，2 0 0 6(2)：1 9 2 3 I-4-1 张敏娟开关电源的平均电流自动均流技术 J 北京：通信电源技术，2 0 0 6，2 3(5)：1 9 2 1 5 刘胜利现代高频开关电源使用技术 M 北京：电子工业出版社，5 0 5 5 0 7 作者简介周伟成，男，1 9 8 2 年生，硕士，研究方向为功率因数校正和I X-D C 变换技术。周永忠，男，1 9 6 8 年生，硕士，研究方向为特种电源。张海军，男，1 9 8 3 年生，学士，研究方向I X-D C 变换器。马皓，男，1 9 6 9 年生，博士，副教授，研究方向为电力电子技术及其应用、电力电子先进控制技术、电力电子系统故障诊断。(上接第7 7 7 页)r霜0 f：ll王I。l c f，_ j p i 鳓”删“图9 滞后桥臂开通Z V S 波形图7 空载一负载过程焊接电压波形图8 滞后桥臂关断z V S 波形详细的工作流程。根据上述原理设计的逆变弧焊机，通过实验机，2 0 0 4，3 4(1 2)：2 8 3 1 证明性能良好。E 4 黄石生新型弧焊电源及其智能控制 M 北京：机械工业出参考文献E l i 李峰，李亮玉，李香国内全数字化焊机的研究现状I-J 焊接技术，2 0 0 6，3 5(4)：6 8 E 2 3 李鹤岐，李春旭，高忠林等基于D S P-M C U 实现焊接电源系统数字化控制的设计I-J 焊接学报，2 0 0 5，2 6(3)：1 7 2 0 3 段善旭，余新颜，康勇便携逆变弧焊电源的研究I-J 电焊7 6 8版社，2 0 0 0 5 刘和平等T M S 3 2 0 L F 2 4 0 x D S P 结构、原理及应用 M 北京：北京航空航天大学出版社，2 0 0 2 作者简介刘钊，男，1 9 8 3 年生，博士研究生，研究方向为电力电子与电力传动，