逆變焊接電源的全數(shù)字化控制技術的研究

李天喆

【摘要】 重點介紹了全數(shù)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(shù)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(shù)字化控制方式進行了系統(tǒng)的闡述。

【關鍵詞】 數(shù)字化控制 逆變電源 軟開關技術 數(shù)字信號處理器

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

一、全數(shù)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(shù)字化方向發(fā)展，主要包括三方面的內(nèi)容，一是主電路的數(shù)字化；二是電路的多特性控制技術，亦即控制電路的數(shù)字化；三是控制接口的數(shù)字化。其中一和二是實現(xiàn)弧焊電源數(shù)字化的內(nèi)核。

1.1主電路的數(shù)字化

焊接電源的主電路是一種功率轉(zhuǎn)換電路，其功能是從電網(wǎng)吸取電能，經(jīng)整流、濾波、逆變、降壓隔離等處理后，轉(zhuǎn)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(shù)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(fā)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(guī)律變化，在功率器件換流的瞬間實現(xiàn)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(diào)節(jié)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(qū)不變，每個橋臂上都有并聯(lián)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(tài)，實現(xiàn)超前臂與滯后臂的零電壓關斷，在電流連續(xù)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(shù)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(yōu)劣和可靠性，決定著焊接電源的外特性、動特性與調(diào)節(jié)特性。在全數(shù)字化控制的逆變弧焊電源中，通常采用數(shù)字信號處理器（DSP）來實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。借助DSP的強大功能完成控制算法和PWM信號發(fā)生電路的數(shù)字化。本文研究的控制系統(tǒng)以TMS320F240 DSP芯片作為控制核心。該芯片內(nèi)部采用的是哈佛結(jié)構，該結(jié)構具有獨立的數(shù)據(jù)存儲空間和程序存儲空間，可同時對數(shù)據(jù)和程序?qū)ぶ?，形成指令與數(shù)據(jù)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(nèi)可并行完成多條指令，從而使其處理能力得到優(yōu)化，提高了運行速度。其結(jié)構框圖如圖二所示：

1.3控制接口的數(shù)字化

我們采用的TMS320L240芯片中內(nèi)嵌了現(xiàn)場總線的應用熱點CAN；帶有串行異步數(shù)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(xiàn)場總線、以太網(wǎng)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(xiàn)焊接電源系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)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(jié)論

全數(shù)字化的逆變焊機以其控制精度高、穩(wěn)定性好、產(chǎn)品一致性好、接口兼容及系統(tǒng)升級方便等優(yōu)點成為了今后焊接設備發(fā)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(wǎng)絡化、信息化的基礎，對整個焊接產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了重大影響。

參考文獻

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