白宏偉，姚秋鳳

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

0 前言

DSP控制技術(shù)是目前弧焊電源數(shù)字化的核心技術(shù)，本設(shè)計(jì)的數(shù)字化軟開關(guān)弧焊電源包括主電路數(shù)字化和控制電路數(shù)字化[1]。主電路采用移相全橋ZVZCS軟開關(guān)，功率開關(guān)器件IGBT工作在0/1開關(guān)狀態(tài)，變壓器對送電回路和焊接回路起到電氣隔離的作用且滿足電流、電壓的匹配要求；控制電路以DSP為控制核心，DSP具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)信號(hào)處理能力，運(yùn)算速度快，提高了弧焊電源的數(shù)字控制精度和實(shí)時(shí)性，且采用PI控制方案，使控制系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)態(tài)精度。

1 結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

基于DSP的數(shù)字化軟開關(guān)弧焊電源總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括電源的數(shù)字主電路系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)。

圖1 基于DSP的數(shù)字化軟開關(guān)弧焊電源結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)字化主電路是一個(gè)功率變換器，選擇IBGT作為主控器件，將從電網(wǎng)吸取的電能整流濾波、逆變、降壓隔離等處理后，轉(zhuǎn)換成可供焊機(jī)使用的焊接電源。

數(shù)字控制系統(tǒng)以DSP為控制核心，DSP主要用于數(shù)據(jù)處理、控制算法的實(shí)現(xiàn)以及PWM控制信號(hào)的產(chǎn)生，從而控制驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)IGBT主控器件并通過監(jiān)控逆變電源輸出電壓、電流實(shí)現(xiàn)電源的雙閉環(huán)控制。

2 數(shù)字化主電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主電路如圖2所示，包括整流濾波電路、IGBT全橋逆變電路、中頻變壓器、二次整流濾波電路。IGBT逆變電路采用移相式雙零軟開關(guān)PWM全橋逆變拓?fù)鋄2-3]，將PWM技術(shù)和軟開關(guān)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起。軟開關(guān)提高了弧焊電源的可靠性和電源效率，為進(jìn)一步提高逆變頻率和焊機(jī)控制性能提供了可能。

圖2 ZCZVS變換器主電路

移相FB-ZVZCS-PWM變換器中，超前臂上的兩個(gè)開關(guān)管（IGBT1和IGBT3）和滯后臂上的兩個(gè)開關(guān)管（IGBT2和IGBT4）輪流導(dǎo)通半個(gè)周期，兩個(gè)橋臂之間引入移相從而決定變換器的占空比。在超前臂一只IGBT關(guān)斷后，主電路進(jìn)入換相過程，此時(shí)飽和電抗Ls仍處于飽和狀態(tài)，變壓器一次電流ip在隔直電容Cb和變壓器一次側(cè)漏抗的諧振作用下迅速下降。當(dāng)ip下降到零時(shí)，由于飽和電抗Ls已退出了飽和，阻止了阻斷電容峰值電壓Ucbp引起的電流反向流動(dòng)，從而使滯后臂的關(guān)斷在零電壓零電流狀態(tài)下完成。隨后，滯后臂上的另一只IGBT管開通，逆變?nèi)珮虻碾娫措妷号cUcbp之和加在飽和電抗上，由于飽和電抗進(jìn)入飽和需要一個(gè)短暫的過程，電流不能立即上升，這樣滯后臂的開通也是在零電流下完成[4]。

3 數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

數(shù)字控制系統(tǒng)是以DSP為控制核心的閉環(huán)控制系統(tǒng)，對弧焊電源進(jìn)行整體管理和控制。數(shù)字控制電路主要包括DSP系統(tǒng)、鍵盤輸入及顯示電路、光電隔離與驅(qū)動(dòng)電路、焊接參數(shù)采集及反饋電路等。由于DSP具有較高的運(yùn)算精度和較高的信號(hào)實(shí)時(shí)處理能力，可以保證電弧輸出控制準(zhǔn)確，電源的動(dòng)態(tài)特性快且具有很高的穩(wěn)定性、可靠性和可操作性。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是數(shù)字化弧焊電源的靈魂，本次軟件設(shè)計(jì)采用匯編語言進(jìn)行編程控制硬件操作，主要完成PI雙閉環(huán)控制、PWM控制信號(hào)的生成、重復(fù)控制、A/D轉(zhuǎn)換等。圖3為恒流外特性控制程序流程，采用電流負(fù)反饋控制。焊接過程中，傳感器對焊接電流、電壓進(jìn)行檢測，檢測信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換由模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，DSP以10 kHz采樣頻率采樣反饋的數(shù)字信號(hào)，用戶設(shè)定的電流、電壓值以數(shù)字量的形式由控制面板輸入到DSP，DSP根據(jù)電流、電壓設(shè)定值與反饋值，采用PI控制算法進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，得到PWM波形控制中的脈沖占空比值，將占空比值送入DSP寄存器中，從而實(shí)現(xiàn)逆變器輸出的控制，得到所需要的弧焊電源外特性。

圖3 恒流外特性控制程序流程框圖

PI控制是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的在線調(diào)節(jié)，使控制系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)態(tài)精度。本系統(tǒng)中PI控制模塊完成電壓、電流的雙閉環(huán)控制功能，使輸出電壓、電流穩(wěn)定在設(shè)定值上。

4 試驗(yàn)和結(jié)論

通過以上方法，采用TM320LF2407為控制核心、采用FB-ZVZCS變換器設(shè)計(jì)了一臺(tái)350 A恒流特性的弧焊電源，圖4為超前臂和滯后臂的驅(qū)動(dòng)、電流和管壓降波形，超前臂零電壓開關(guān)，滯后臂零電流開關(guān)，逆變器的占空比損失很小且在箝位續(xù)流期間，環(huán)路電流很快衰減到零并保持。

移相FB-ZVZCS-PWM變換器與FB-ZVS-PWM變換器相比，增加了隔直電容和飽和電感，隔直電容使負(fù)載范圍變大，飽和電感有效減小了變換器的占空比損失，有效提高了逆變器的效率和變壓器的能量傳輸性能。數(shù)字控制系統(tǒng)大大提高了系統(tǒng)的靈活性，控制測量通過軟件的方式實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員在開發(fā)的過程中能靈活地對軟件進(jìn)行修改和升級(jí)，以適應(yīng)不同的焊接情況，實(shí)現(xiàn)弧焊電源的柔性控制與多功能集成。

圖4FB-ZVZCS-PWM變換器的波形

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[1]熊振興，黃石生.現(xiàn)代數(shù)字化弧焊電源的發(fā)展[J].電焊機(jī)，2010，40（4）：7-8.

[2]楊 通，黃延齡，張光先.數(shù)字化的逆變弧焊電源[J].電焊機(jī)，2009，39（2）：13-14.

[3]付煒亮，田松亞，吳冬春，等.零電壓零電流PWM弧焊逆變電源工作過程分析及仿真[J].電焊機(jī)，2007，37（10）：54-58.

[4]崔桂梅，劉丕亮.基于DSP的數(shù)字弧焊逆變電源系統(tǒng)的研究[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2009（5）：120-122.