劉瑜，鄭明輝

（江蘇科技大學(xué)電信工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212000）

弧焊電源從模擬式到開(kāi)關(guān)式的發(fā)展，逐步的縮小體積，減輕重量，提高效率，被廣泛的應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)和通信技術(shù)等重要領(lǐng)域。就目前而言，高頻化、模塊化、數(shù)字化、智能化是弧焊電源發(fā)展的必然趨勢(shì)。伴隨著數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）控制技術(shù)的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)弧焊電源數(shù)字控制提供了可行性的方案。本文將DSP控制技術(shù)和數(shù)字PID控制算法很好的結(jié)合起來(lái)進(jìn)行研究，大大提高了弧焊電源的工作效率。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的焊接電源組成結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由主電路、保護(hù)電路和以DSP芯片為核心的控制電路3部分組成，其中主電路由4部分組成，包括：整流濾波電路、IGBT功率橋逆變電路、高頻變壓電路、二次整流濾波電路。控制電路則由DSP芯片TMS320F2812為核心，通過(guò)DSP芯片產(chǎn)生的PWM脈沖控制IGBT功率橋中三極管導(dǎo)通時(shí)間弧焊電源開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)。此外，IGBT功率橋驅(qū)動(dòng)電路是對(duì)DSP產(chǎn)生的PWM脈沖進(jìn)行隔離放大，并產(chǎn)生可以驅(qū)動(dòng)IGBT功率橋正常工作的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。檢測(cè)電路則主要是對(duì)主電路輸出后加載到負(fù)載上的電流和電壓進(jìn)行檢測(cè)取樣，之后送到DSP控制單元進(jìn)行控制。保護(hù)電路當(dāng)主電路的輸出產(chǎn)生過(guò)流、過(guò)壓的情況時(shí)，及時(shí)封鎖PWM脈沖的輸出，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。

2 弧焊電源的硬件設(shè)計(jì)

2.1 主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

焊接電源主電路采用“AC-DC-AC-DC”變換的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。其工作的基本原理是：220 V交流電經(jīng)過(guò)整流濾波后得到直流電壓，再經(jīng)過(guò)IGBT全橋逆變和高頻變壓后得到高頻交流信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)一次高頻整流濾波最終得到焊接電源所需的直流電壓。圖中 IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4分別為主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中4個(gè)功率開(kāi)關(guān)三極管，對(duì)角線上的功率開(kāi)關(guān)三極管均留有一定的死區(qū)，防止開(kāi)關(guān)的損壞。其中D1、D2、D3、D4是功率開(kāi)關(guān)三極管內(nèi)部的寄生二極管，起到保護(hù)三極管的作用。D5、D6為全波整流。若IGBT1、IGBT4導(dǎo)通，IGBT2、IGBT3截止，感應(yīng)線圈產(chǎn)生上端為正，下端為負(fù)的感應(yīng)電流，此時(shí)D5導(dǎo)通，D6截止，電流經(jīng)過(guò)負(fù)載R回到線圈形成回路。相反，D5截止，D6導(dǎo)通，由于電感L的存在，流經(jīng)負(fù)載R的電流不跳變；電容C3的存在，負(fù)載R的兩端電壓不跳變。

圖2 弧焊電源主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 IGBT全橋逆變電路設(shè)計(jì)

IGBT全橋逆變電路是弧焊電源系統(tǒng)工作的核心部位。IGBT功率全橋逆變電路如圖3所示。圖中在每一個(gè)IGBT功率三極管漏極和源極兩端均并有一個(gè)222 K的電容和200Ω/20 W的水泥電阻，不僅可以吸收IGBT功率管的高頻開(kāi)關(guān)干擾，同時(shí)還可以避免當(dāng)系統(tǒng)過(guò)流時(shí)對(duì)IGBT功率管的損壞，起到對(duì)IGBT功率管的保護(hù)作用。同時(shí)在每個(gè)IGBT功率三極管并有穩(wěn)壓管，起到穩(wěn)壓的作用，進(jìn)一步保護(hù)IGBT功率管。當(dāng)IGBT功率管導(dǎo)通的瞬間，產(chǎn)生較大的反向電動(dòng)勢(shì)，則 D1、D2、D3導(dǎo)通，C2、C3、C4將反向電動(dòng)勢(shì)吸收，進(jìn)而保護(hù)電路中元器件，此時(shí)IGBT功率管內(nèi)部寄生二極管導(dǎo)通對(duì)IGBT功率管進(jìn)行保護(hù)。IGBT功率管導(dǎo)通后，C3、C4儲(chǔ)存的電動(dòng)勢(shì)通過(guò)R1、R2進(jìn)行釋放，IGBT功率管正常工作。

圖3 IGBT功率全橋逆變電路

2.3 IGBT全橋驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

IGBT全橋驅(qū)動(dòng)電路主要對(duì)DSP輸出的PWM信號(hào)進(jìn)行隔離放大，然后驅(qū)動(dòng)逆變電路中的功率元件，將對(duì)應(yīng)的IBGT功率管導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接參數(shù)的控制。IGBT全橋驅(qū)動(dòng)電路其中一路如圖4所示。本文設(shè)計(jì)的IGBT全橋驅(qū)動(dòng)電路采用的是日本三菱公司生產(chǎn)的專用驅(qū)動(dòng)芯片M57962L。該芯片內(nèi)部設(shè)有保護(hù)電路，輸入輸出均有很好的元器件隔離，并且輸入端口為TTL門電平，因此用DSP對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制較為容易。由于M57962L芯片工作電壓為+5 V，而DSP控制單元輸出電壓只有+3.3 V，因此選用了74HC245芯片作為DSP到M57962輸入之間的隔離保護(hù)和電平轉(zhuǎn)換芯片。M57962L芯片的工作原理如下：當(dāng)系統(tǒng)上電后，M57962L芯片首先開(kāi)啟自檢，檢測(cè)IGBT是否存在過(guò)載或者短路，若過(guò)載或者短路，IGBT集點(diǎn)位升高，柵極關(guān)斷電路動(dòng)作，切斷IGBT柵極的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，保護(hù)IGBT功率管。若IGBT正常工作時(shí)，輸入信號(hào)則經(jīng)過(guò)光電耦合接口電路，經(jīng)過(guò)功率放大后對(duì)IGBT功率管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

2.4 采集電路設(shè)計(jì)

弧焊電源控制芯片TMS320F2812主要通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制，系統(tǒng)輸出電壓的采樣電路由4部分組成，第一部分是由LF353的運(yùn)放構(gòu)成的電壓跟隨器，R131和C109是為了抑制干擾。第二部分為電平抬升電路，將圍繞零電平波動(dòng)的信號(hào)提升為單極性信號(hào)，第三部分進(jìn)行跟隨，第四部分為進(jìn)入A/D前的保護(hù)部分，防止信號(hào)異常導(dǎo)致DSP芯片損壞。采集電路同時(shí)可以采集電路中輸出電流電壓，對(duì)弧焊電源期望電流實(shí)時(shí)控制。信號(hào)采集電路如圖5所示。

圖4 IGBT全橋驅(qū)動(dòng)電路

圖5 信號(hào)采集電路

3 系統(tǒng)控制算法及軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 PID控制算法

自PID控制器產(chǎn)生以來(lái)，涌現(xiàn)出來(lái)很多新型的控制器，但PID控制器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用。PID控制器是由比例單元、積分單元、微分單元組成的一種線性控制器。其原理框圖如圖6所示。PID控制在一般連續(xù)時(shí)間內(nèi)，其控制算法表達(dá)式為：

式中：Kp為比列系數(shù)；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)。

本設(shè)計(jì)采用的是數(shù)字PID控制，只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差時(shí)計(jì)算控制量，因此式（1）中積分和微分需要進(jìn)行離散化處理。其離散表達(dá)式為：

因?yàn)槊看屋敵龅膗(k)值直接與執(zhí)行裝置的位置一一對(duì)應(yīng)，所以式（2）稱為位置型PID算法。由位置PID算法離散表達(dá)式得出第（K-1）次PID控制算法表達(dá)式為：

用式（2）減去式（3）可得增量式PID控制算法的表達(dá)式：

式中可以看出，一般控制單元采樣恒定的周期T，只需要確定kp、ki、kd，即可由式（4）求出控制增量。

通過(guò)PID控制原理是通過(guò)修改DSP控制芯片輸出的PWM信號(hào)占空比，改變IGBT功率管導(dǎo)通時(shí)間，從而控制輸出電壓的大小。當(dāng)采集電路檢測(cè)到輸出電壓超出期望值，則增大輸出的PWM信號(hào)占空比，使得功率管導(dǎo)通時(shí)間變短，輸出電壓降低。

圖6 PID控制系統(tǒng)原理框圖

3.2 軟件的實(shí)現(xiàn)

軟件設(shè)計(jì)主要包括：主程序、中斷程序、PID控制程序等，主程序中則對(duì)系統(tǒng)CPU頻率、采樣周期、中斷標(biāo)志等進(jìn)行配置及系統(tǒng)各模塊進(jìn)行初始化。程序流程圖如圖7所示。

4 實(shí)驗(yàn)分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)鍵盤對(duì)電路系統(tǒng)每次給定一個(gè)期望電流時(shí)，系統(tǒng)的輸出電流都能夠自動(dòng)、穩(wěn)定的跟蹤上來(lái)，能夠很好的完成對(duì)系統(tǒng)電流的恒定控制問(wèn)題。由此也可以證明本文對(duì)氬弧焊機(jī)控制器恒流控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件電路以及驅(qū)動(dòng)程序的正確性以及合理性。

圖7 程序流程圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)氬弧焊機(jī)控制器的恒電流控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究，在傳統(tǒng)控制器基礎(chǔ)上提出了部分改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的智能化控制。更深入的方法改進(jìn)將在以后的科研中做進(jìn)一步的研究，本文的PID的智能控制算法只單純的使用了PID控制算法。其他較為先進(jìn)的算法比如粒子群神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的智能控制算法在硬件電路中能否很好的使用，以及它與單純的PID控制方式相比能否產(chǎn)生明顯的優(yōu)勢(shì)有待于進(jìn)一步的研究。

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