張 敏，趙敬云，姚秋鳳

(河南機(jī)電高等專(zhuān)科學(xué)校，河南 新鄉(xiāng) 453002)

基于TMS320F2812的變極性弧焊電源

張 敏，趙敬云，姚秋鳳

(河南機(jī)電高等專(zhuān)科學(xué)校，河南 新鄉(xiāng) 453002)

數(shù)字化是現(xiàn)代電源的發(fā)展趨勢(shì)，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是當(dāng)代電源技術(shù)的研究熱點(diǎn)，將兩者融合，設(shè)計(jì)了以DSP芯片TMS320F2812為核心的雙逆變控制系統(tǒng)。一次逆變采用移相全橋逆變電路軟開(kāi)關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)輸出電流大小控制；二次逆變采用耦合電感的半橋逆變電路拓?fù)?。該系統(tǒng)在具有良好的變極性輸出性能的同時(shí)，又具有硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、系統(tǒng)效率高等優(yōu)點(diǎn)。使用DSP控制使焊機(jī)的可靠性得到提高，保證了焊縫成形美觀，實(shí)現(xiàn)了焊機(jī)數(shù)字化控制。

變極性電源；TMS320F2812；脈沖寬度調(diào)制；軟開(kāi)關(guān)技術(shù)

0 前言

變極性電源是在交流方波電源基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型電源，通過(guò)調(diào)節(jié)正負(fù)半波時(shí)間比、幅值比，在保證陰極清理作用前提下，最大限度地減少負(fù)極性時(shí)間，使電弧具有直流正極性特點(diǎn)，從而獲得較大的熔深，提高生產(chǎn)率，延長(zhǎng)鎢極壽命。通常變極性焊接電源是由一次逆變和二次逆變組成，一次逆變控制使弧焊電源具有快速響應(yīng)特性，二次逆變控制使弧焊電源具有良好的變極性能力。

數(shù)字化是現(xiàn)代電源的發(fā)展趨勢(shì)，以DSP為控制核心的數(shù)字化弧焊電源已成為現(xiàn)代焊接設(shè)備的主要發(fā)展方向。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是當(dāng)代電源技術(shù)的研究熱點(diǎn)，將兩者融合，勢(shì)必極大地提高電源的效率，改善電源的控制精度。本研究的變極性弧焊電源控制系統(tǒng)以TI公司的TMS320F2812(F2812)數(shù)字信號(hào)處理器為核心，采用IGBT二次逆變技術(shù)，一次逆變采用移相式零電壓、零電流全橋逆變電路軟開(kāi)關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)輸出電流大小控制；二次逆變采用半橋式電路實(shí)現(xiàn)極性轉(zhuǎn)換控制電流方向。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于DSP的雙逆變變極性電源控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。其功能包括：對(duì)變極性焊接電流輸出波形的控制、焊接工作程序控制以及電路保護(hù)、參數(shù)的設(shè)置與顯示、與計(jì)算機(jī)的通信等。

主電路分為一次逆變電路和二次逆變電路兩部分。一次逆變電路采用移相式零電壓、零電流全橋逆變電路，可以在很大程度上降低功率管的開(kāi)關(guān)損耗，提高一次逆變的頻率，在很寬的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的能力[1]。二次逆變電路采用變壓器帶中心抽頭的推挽式變換電路(PFM)，符合其大電流和低開(kāi)關(guān)頻率的工作特性。兩次逆變主電路均采用功率IGBT模塊作為主控開(kāi)關(guān)器件；中頻變壓器采用納米晶(超微晶)材料；IGBT模塊驅(qū)動(dòng)電路采用EXB841電路，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 DSP控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)是以TMS320F2812芯片為核心的閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)[2]，具有運(yùn)算速度快、處理能力強(qiáng)、接口豐富等特點(diǎn)。通過(guò)內(nèi)部通用定時(shí)器生成一次逆變PWM和二次逆變控制信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的人機(jī)信息交互等開(kāi)關(guān)量的給定與控制以及計(jì)算機(jī)串口通信等事務(wù)管理。

2.2 一次逆變電路

一次逆變電路采用移相式零電壓、零電流全橋逆變電路。主電路四個(gè)開(kāi)關(guān)管(IGBT)的控制信號(hào)與移相全橋ZVS是完全一致，通過(guò)移相方式控制主電路的有效占空比。由VD整流成540 V直流電，再由IGBT模塊和Tr、隔直電容、飽和電抗器等組成軟開(kāi)關(guān)DC／AC變換環(huán)節(jié)，將直流電變成頻率17 kHz、脈沖寬度可調(diào)的交流電；最后由中頻變壓器Tr1將能量傳遞到二次逆變電路。該設(shè)計(jì)運(yùn)用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，使得橋式變換器的兩個(gè)橋臂開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換能工作在零電壓、零電流下，具有較高動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的可控恒電流為二次逆變橋供電，電路原理如圖2所示。

圖2 一次逆變電路

由于控制系統(tǒng)要實(shí)時(shí)控制輸出電壓和輸出電流，這就要求TMS320F2812對(duì)給定信號(hào)和反饋型號(hào)進(jìn)行及時(shí)處理，然后進(jìn)行輸出控制。輸出信號(hào)(電流和電壓)由霍爾傳感器檢測(cè)，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換器傳遞到DSP系統(tǒng)，由TMS320F2812進(jìn)行信號(hào)處理，然后向PWM移相控制器UC3875發(fā)送控制信號(hào)，通過(guò)EXB841驅(qū)動(dòng)電路控制IGBT模塊的導(dǎo)通或截止，從而實(shí)現(xiàn)一次逆變電路的恒電流閉環(huán)控制。ZVZCS的主要波形如圖3所示，Ug1～Ug4為四個(gè)功率管的驅(qū)動(dòng)波形，Uo為整流濾波電壓，Ip為一次電流。

由圖3可知，滯后臂處于ZCS開(kāi)通和ZCS關(guān)斷；超前臂ZVS開(kāi)通，關(guān)斷靠并聯(lián)在管子上的電容實(shí)現(xiàn)近似ZVS關(guān)斷。

經(jīng)ZVZCS PWM軟開(kāi)關(guān)變換，輸出經(jīng)過(guò)中頻變壓器實(shí)現(xiàn)阻抗和電壓匹配，經(jīng)過(guò)整流濾波后成為具有較高動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的可控恒流或脈沖電源，為二次逆變供電。

圖3 ZVZCS的主要波形

2.3 二次逆變電路

二次逆變采用電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、系統(tǒng)效率相對(duì)較高的半橋電路，電路原理如圖4所示。三相380 V電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)輸入整流、濾波，轉(zhuǎn)換為較為穩(wěn)定的脈動(dòng)直流電壓。經(jīng)過(guò)一次全橋逆變電路的開(kāi)關(guān)控制，得到方波交流電壓(頻率17 kHz，幅值537 V)，輸送到變壓器T1的一次線(xiàn)圈。經(jīng)過(guò)變壓器的降壓作用，T1的二次線(xiàn)圈輸出方波交流電壓。DSP控制輸出波形，一次逆變和二次逆變同步工作，這樣就做到低頻方波交流電DCEP和DCEN電流幅值分別可調(diào)[3]。

圖4 二次逆變電路

VD1、VD2、VD3和VD4構(gòu)成二次整流電路，T1的二次線(xiàn)圈輸出的方波交流電壓經(jīng)過(guò)二次整流后轉(zhuǎn)換為30 kHz的脈沖直流電壓(幅值65 V)。L1、L2構(gòu)成二次逆變電路中的續(xù)流耦合電感，起對(duì)輸出電流濾波、維持焊接電流連續(xù)的作用。開(kāi)關(guān)管IGBT5、IGBT6構(gòu)成二次逆變電路中的半橋逆變環(huán)節(jié)，通過(guò)續(xù)流耦合電感的作用和開(kāi)關(guān)管的切換控制，最終得到變極性焊接電流波形。Rarc是焊接電弧的等效電阻，L0表示焊接電纜的回路電感以及串聯(lián)在輸出回路中的高頻引弧器二次電感的總和。

3 控制和脈沖寬度調(diào)整流程

在控制方面，采用了專(zhuān)為工業(yè)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的DSP TMS320F2812(F2812)數(shù)字處理芯片，它能方便地對(duì)一、二次驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，提高電源的安全性、穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量。

DSP工業(yè)控制芯片TMS320F2812(F2812)是目前控制領(lǐng)域最先進(jìn)的微處理器之一。它集成了兩個(gè)事件管理器EVA和EVB，每個(gè)包括：兩個(gè)16位通用定時(shí)器；8個(gè)16位的脈寬調(diào)制通道，16通道的A／D轉(zhuǎn)換器等。4個(gè)通用定時(shí)器分別用做一次逆變PWM的生成、二次逆變控制信號(hào)的生成、A／D轉(zhuǎn)換的定時(shí)、工作過(guò)程控制的所有定時(shí)。其中由定時(shí)器1控制的比較單元1生成相位互補(bǔ)的兩路二次逆變控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換后直接傳送到二次驅(qū)動(dòng)來(lái)控制二次逆變的功率開(kāi)關(guān)管。定時(shí)器2生成頻率為20 kHz的PWM，經(jīng)過(guò)IGBT模塊驅(qū)動(dòng)電路EXB841送給一次逆變，控制一次逆變。

電源輸出電壓、輸出電流采用霍爾傳感器進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過(guò)整流濾波后送入DSP。TMS320F2812對(duì)電壓、電流信號(hào)進(jìn)行A／D采樣、PID運(yùn)算后修改PWM值寄存器的值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)一次逆變輸出脈寬的控制，并根據(jù)焊接方法切換輸出電流極性，修改電流給定值，所有這些任務(wù)均在一個(gè)PWM控制周期內(nèi)完成。

DSP產(chǎn)生PWM輸出過(guò)程中，每個(gè)系列DSP可產(chǎn)生多達(dá)16路的PWM輸出，故采用通用定時(shí)器的比較操作。因?yàn)槊總€(gè)通用定時(shí)器都有一個(gè)相關(guān)的比較寄存器和一個(gè)PWM輸出引腳。通用定時(shí)器的值總是與相關(guān)的比較寄存器的值進(jìn)行比較，當(dāng)定時(shí)計(jì)數(shù)器的值與比較寄存器的值相等時(shí)，就產(chǎn)生比較匹配。發(fā)生匹配后的一個(gè)CPU時(shí)鐘周期后，相關(guān)的PWM輸出將發(fā)生跳變。由于采用一系列等幅不等寬的矩形波代替正弦波，所以使通用定時(shí)器處于連續(xù)增／減計(jì)數(shù)模式下來(lái)產(chǎn)生對(duì)稱(chēng)波形，通過(guò)比較產(chǎn)生所需脈寬脈沖的波形。軟件設(shè)計(jì)時(shí)，需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是PWM與二次逆變控制信號(hào)的同步問(wèn)題。同步問(wèn)題的解決主要是通過(guò)DSP中通用定時(shí)器的同步來(lái)解決，通過(guò)正確的配置兩個(gè)通用定時(shí)器可實(shí)現(xiàn)同步[4]。

為了進(jìn)一步說(shuō)明電源的脈寬調(diào)制和變極性控制過(guò)程，可以參看二次逆變的信號(hào)控制過(guò)程，如圖5所示。圖中，tPP＝tBP，tPN＝tBN。在tPP時(shí)段，二次逆變產(chǎn)生正極性控制信號(hào)，而輸出電流的給定值為峰值電流，則電源輸出正極性峰值電流。PID控制算法對(duì)電流給定值和反饋采樣值進(jìn)行運(yùn)算得到一次逆變值寄存器的值，寫(xiě)入值寄存器，從而實(shí)現(xiàn)輸出恒電流控制。tPP時(shí)段結(jié)束，控制程序根據(jù)tPP時(shí)段二次逆變控制信號(hào)的極性確定其在tPN時(shí)段為負(fù)極性，同時(shí)修改電流給定值。類(lèi)似地，tPN時(shí)段結(jié)束，程序根據(jù)tPN時(shí)段二次逆變控制信號(hào)的極性確定其在tBP時(shí)段為正極性。如此循環(huán)，通過(guò)軟件可以控制輸出電流的大小和極性，從而得到變極性輸出的電流。

圖5 變極性控制示意

4 結(jié)論

將該設(shè)計(jì)用于WSE-300逆變電源樣機(jī)的試制中，在一次逆變變換中采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，超前臂和滯后臂有可調(diào)的死區(qū)時(shí)間，能夠保證橋臂均工作在ZVS或ZCS狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了一次逆變。在二次PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制下，并聯(lián)橋臂變換得到低頻方波，二次逆變控制系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作。平均電流為25 A和100 A時(shí)的電流、電壓波形如圖6所示。

使用DSP控制的變極性焊接電源系統(tǒng)焊接電弧穩(wěn)定，換向效果理想。在具有良好的變極性輸出性能的同時(shí)，又具有硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、系統(tǒng)效率高等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)兼顧了“小電流焊接”情況下的電弧穩(wěn)定性以及“大電流焊接”情況下二次逆變電路的安全性，使電源系統(tǒng)具有較寬的輸出電流調(diào)節(jié)范圍。

圖6 焊接電流、電壓波形

[1]初中原，沈錦飛.基于DSP的軟開(kāi)關(guān)移相控制100 kHz逆變電源[J].電力電子技術(shù)，2008(1)：40-42.

[2]蘇奎峰.TMS320F2812原理與開(kāi)發(fā)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[3]李中友，劉秀忠.變極性方波電源的換向和控制[J].焊接學(xué)報(bào)，2002，23(2)：68-71.

[4]TMS320F2810，TMS320F2811，TMS320F2812，TMS320C210，TMS320C2811，TMS320C2812.Digital Signal Processodata manual SPRS170[Z].USA：Texas Instruments Inc，2007：3-5.

Study on variable polarity welding power source based on TMS320F2812

ZHANG Min，ZHAO Jing-yun，YAO qiu-feng
(He'nan Mechanical and Electrical Engineering College，Xinxiang 453002，China)

Digitalization is the trends of modern welding power source，soft-switching technology is the research focus of the modern welding power source technology research focus.This combination of the two，designed a TMS320F2812 DSP chip as the core of the dual inverter control system.An inverter with phase-shifted full-bridge inverter circuit output current soft-switching technology to achieve size control.Second inverter half-bridge inverter with coupled inductor topology.The system has good performance of variable polarity output，they also have a hardware circuit structure is simple，low cost，the system efficiency.With DSP control to improve the reliability of welding to ensure that the weld appearance，the basic realization of digital control of welding machine.

variable polarity power supply；TMS320F2812；pulse width modulation；soft switch technology

TG434

A

1001-2303(2011)07-0030-04

2011-01-26；

2011-03-02

張 敏(1973—)，女，河南新鄉(xiāng)人，工程師，碩士，主要從事電氣自動(dòng)化教學(xué)和焊接工藝研究的工作。