謝 平

（ 西昌學院 信息與數(shù)理學院，西昌 615013）

0 引言

逆變焊接電源已成為焊接電源技術發(fā)展的方向。由于焊接技術的廣泛應用及工作條件的特殊性，其涉及的學科較多，因此，焊接電源的設計需要相關學科的支持。計算機技術、控制技術、電力電子技術及相關學科的發(fā)展為逆變焊接電源的技術帶來了新變革。焊接電源工作條件較惡劣，制造技術也較復雜，各種控制技術在逆變焊接電源設計及控制中的應用還處于發(fā)展階段。焊機的穩(wěn)定性、可靠性及焊接質量是檢驗各種控制應用效果的最終標準。逆變焊接電源跟智能技術相結合的智能型的焊接電源是電焊機的發(fā)展趨勢[1]。

逆變弧焊電源以其穩(wěn)定的電氣性能和良好的焊接效果，成為電焊機重要的發(fā)展方向。而數(shù)字化的逆變焊機具有模擬焊機不可比擬的優(yōu)勢：可靠性和控制精度高、易于大規(guī)模集成、人機界面好等，因此，在工業(yè)加工、船舶制造、核工業(yè)等領域應用越來越廣泛，取代模擬焊機成為大勢所趨[2]。

目前，數(shù)字化的弧焊電源技術優(yōu)勢在歐美，其中奧地利Fronius的TPS系列數(shù)字化弧焊電源最具代表性。另外芬蘭Kemppi，德國EWM，美國Miller、Lincoln 公司以及日本的松下、OTC都有相關的系列產(chǎn)品。對于數(shù)字化焊接系統(tǒng)的研究，國內(nèi)高校主要集中在北京工業(yè)大學、山東大學、上海交通大學、華南理工大學等。國內(nèi)企業(yè)則以山大奧太、唐山松下、北京時代為代表，目前我國也有很多數(shù)字化產(chǎn)品進入市場，但是在穩(wěn)定性和可靠性方面與國外還有一定的差距[3]。

逆變電焊機電源系統(tǒng)包括主電源和輔助電源。主電源一般采用全橋或半橋主電路，功率開關管是大功率的IGBT模塊。為了保證系統(tǒng)的可靠性，IGBT模塊通常不采用自舉電路驅動，半橋或全橋主電流的上橋臂大功率IGBT驅動電路就需要單獨的隔離電源供電。例如全橋主電路四組IGBT有四組驅動電路，需要四個相互隔離的電源分別供電。同時，系統(tǒng)主電路的PWM控制芯片需要一組電源，一些邏輯芯片包括單片機需要一組電源供電，電流傳感器也需要一組正負電源提供能量。因此，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，逆變電焊機電源系統(tǒng)還有一個輔助電源系統(tǒng)，以產(chǎn)生這些驅動和控制電源[4]。本文主要分析和研究逆變焊接系統(tǒng)的單相半橋逆變電路的輸出電壓的大小和頻率的控制，為焊接逆變電源的發(fā)展提供一定的指導作用。

1 主電路和控制結構

數(shù)字化的逆變電源包括逆變主電路、數(shù)字控制電路，其中主電路包括整流、濾波、逆變、濾波，控制部分包括整流的電壓、電流取樣，焊接時的電壓和電流取樣以及開關管的觸發(fā)信號等，如圖1所示。數(shù)字化逆變優(yōu)點：

1）系統(tǒng)的控制通過軟件實現(xiàn)，提高了控制精度。

2）抗干擾能力強，軟件信號可以通過軟件濾波，硬件部分可以通過硬件濾波。

3）模擬控制精度由元件參數(shù)值的誤差決定，而數(shù)字化控制精度取決于系統(tǒng)位數(shù)，精度高。

4）數(shù)字系統(tǒng)性能不受元器件參數(shù)的影響，可以大規(guī)模的進行測試、調試和量產(chǎn)，產(chǎn)品一致性好。

5）數(shù)字控制系統(tǒng)采用高速運算的DSP芯片控制，人機界面好。

圖1 數(shù)字逆變焊接框圖

2 改變焊接交流電壓頻率的實現(xiàn)方法

為了進一步了解逆變電源輸出頻率改變的實現(xiàn)方法，我們通過圖2單相逆變電源進行分析，圖2是通常用的SPWM(正弦脈寬調制)方法，該控制技術分為雙極性調制和單極性調制方式。

圖2 單相半橋逆變器的主電路圖

Ed是直流母線電壓，L是輸出濾波器電感，C是輸出濾波器電容，RL為負載。 K1和K2的觸發(fā)PWM由SPWM生成，其原理如圖3所示。

在圖3中，Ts為采樣周期、 ΔT為脈寬時間、uc為三角載波幅值、Vmsinωt為調制波，其幅值為Vm。當SPWM是線性調制時，輸出脈寬與參考正弦波幅值成正比。

圖3 SPWM生成原理

由三角形相似有：

令

根據(jù)平均等效原理有：

把(1)和(2)帶入(3)有

從公式(4)可以看出，逆變器輸出交流電壓的瞬時值與直流電壓Ed和調值比M有關，根據(jù)焊接工藝的要求調節(jié)直流電壓Ed和調值比M就可以改變輸出的交流電壓的有效值[5]。

逆變器輸出交流電壓的頻率與控制電路的正弦波的頻率一一對應，如圖2所示的正弦波的頻率就是逆變器輸出交流電壓的頻率，因此，只要改變正弦波的頻率就可以改變焊接交流電壓的頻率，可以通過軟件實現(xiàn)并調節(jié)逆變器輸出的頻率，在焊接時通過面板的頻率設定，焊接輸出電壓的頻率就可以改變。從而提高了焊接效率。

3 實驗

我們做了一個3KVA的逆變器的實驗，系統(tǒng)的核心控制器是TI的DSP芯片（TMS320LF2407A）。TMS320LF2407A是一款高性能16位數(shù)字信號處理器，是定點DSP2000系列中的一員，它是專門為控制與運動控制數(shù)字化實現(xiàn)而設計的。DSP主要完成逆變器輸出電壓頻率的控制、負載電壓和電流取樣、開關管的導通時間等[4]。

系統(tǒng)主程序主要完成的工作有系統(tǒng)初始化、讀取設置、故障判斷和處理、顯示和按鍵處理起等控制。

系統(tǒng)的主要控制程序都是使用中斷進行處理的，包括定時器中斷、QEP中斷、AD中斷和CAP3中斷。其中AD中斷和捕獲中斷CAP3是系統(tǒng)最為重要的兩個中斷，兩者共同完成逆變控制。如圖4為開關管觸發(fā)波形。

圖4 開關管觸發(fā)波形

4 結論

逆變式焊機總的發(fā)展趨向是向著大容量、輕量化、高效率、模塊化、智能化發(fā)展并以提高其可靠性、性能及拓寬用途為核心，愈來愈廣泛應用于各種弧焊方法、電阻焊、切割等等工藝中。高效和高功率密度(小型化)是國際上弧焊逆變器追求的主要目標之一。高頻化和降低開關器件的功耗是實現(xiàn)這一目標的主要技術途徑。當前，在日、美、歐等國和地區(qū)，20kHz左右的弧焊逆變器技術已經(jīng)成熟，產(chǎn)品的質量較高且產(chǎn)品已系列化?；『改孀兗夹g得到快速的發(fā)展。為此，本文設計了一個基于DSP逆變的數(shù)字控制系統(tǒng)。使用了具有強大的定點運算能力的DSP的LF2407A作為系統(tǒng)控制核心芯片。該控制系統(tǒng)通過焊接工藝的要求對焊接系統(tǒng)設定或自動控制能改變焊接逆變電源交流輸出電壓的頻率和有效值，從而提高了焊接的效率、焊接質量并能節(jié)約電能。

[1] 吳祥淼,黃石生,王志強,方平,薛家祥.逆變焊接電源的發(fā)展及其可靠性研究[J].電焊機,2001(2):8-11.

[2] 韓永強,曾亮.數(shù)字化逆變焊機的發(fā)展和應用[J].電焊機,2009,39(2):6-11.

[3] 楊通,黃延齡,張光先.數(shù)字化的逆變弧焊電源[J].電焊機,2009,39(2):11-17.

[4] 丁穎,劉松.使用ESBT 設計逆變電焊機的輔助電源[J].電焊機,2009,39(2):85-89.

[5] 曹太強,許建平,吳昊.基于DSP數(shù)字調速直流電機系統(tǒng)設計[J].電力電子技術,2008, 2(24):73-77.