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

隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)、數(shù)字技術(shù)及控制論的發(fā)展，弧焊電源的制造技術(shù)也一日千里。于是，全數(shù)字化的逆變弧焊電源成為焊接設(shè)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(shù)和數(shù)字化控制技術(shù)相結(jié)合，控制電路由數(shù)字技術(shù)取代傳統(tǒng)的模擬技術(shù)，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(gòu)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(shù)，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(shù)的應(yīng)用使主電路的數(shù)字化控制成為可能，而軟開關(guān)控制技術(shù)的應(yīng)運而生更使得它成為逆變主電路控制技術(shù)的主要發(fā)展方向。

軟開關(guān)技術(shù)是功率變換器得以高頻化的重要技術(shù)之一，它應(yīng)用諧振的原理，使開關(guān)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(guān)，從而減少開關(guān)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(guān)管IGBT構(gòu)成的全橋相移諧振軟開關(guān)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(gòu)成，其中 IGBT1和IGBT3構(gòu)成電路的超前臂；IGBT2和IGBT4構(gòu)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(guān)管導(dǎo)通與關(guān)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(guān)狀態(tài)，實現(xiàn)超前臂與滯后臂的零電壓關(guān)斷，在電流連續(xù)時完成各橋臂的零電流開通的軟開關(guān)過程。并有效克服了感性關(guān)斷電壓尖峰和容性開通時管溫過高的缺點，減少了開關(guān)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(guān)重要的部分，它直接關(guān)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(gòu)，該結(jié)構(gòu)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)ぶ罚纬芍噶钆c數(shù)據(jù)并存；廣泛使用流水線技術(shù)，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(gòu)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(yīng)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(shè)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(shè)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(shè)備發(fā)展的趨勢。不僅推動了焊接技術(shù)從技藝走向科學，而且是弧焊電源網(wǎng)絡(luò)化、信息化的基礎(chǔ)，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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