逆變點(diǎn)焊電源軟開關(guān)的數(shù)字控制

1、逆變點(diǎn)焊電源軟開關(guān)的數(shù)字控制    摘要：數(shù)字信號處理器(dsp)具有高速運(yùn)算特性及獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，其在逆變點(diǎn)焊電源領(lǐng)域中的應(yīng)用研究已引起人們的關(guān)注。采用ti& 司的tms320lf2407a芯片為全橋移相零電壓點(diǎn)焊逆變電路提供pwm驅(qū)動脈沖。分析表明：利用軟件編程可對pwm方波脈沖的頻率、移相角及死區(qū)時間進(jìn)行靈活的設(shè)定和修改，可對焊接電流、電弧電壓采樣實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)字控制。硬件，軟件測試結(jié)果與專用移相控制芯片進(jìn)行了對比驗(yàn)證。關(guān)鍵詞：逆變點(diǎn)焊電源；數(shù)字信號處理器；pwm方波：數(shù)字控制中國分類號：tg4382：tp2735 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：b在航空和汽車等制

2、造行業(yè)，逆變點(diǎn)焊電源以其焊接變壓器輕小、動態(tài)響應(yīng)速度快、控制精度高、焊接電流脈動小、熱效率高、電網(wǎng)三相平衡、無次級感抗及功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)得到了日益廣泛的應(yīng)用。但傳統(tǒng)的逆變電源多為模擬控制或者模擬與數(shù)字相結(jié)合的控制系統(tǒng)雖然模擬控制技術(shù)已經(jīng)非常成熟但其存在很多固有的缺點(diǎn)如控制電路的元器件較多、靈活性不夠、不便于調(diào)試等 。而焊接是強(qiáng)非線性、強(qiáng)耦合性、多變性和復(fù)雜性的過程，若采用數(shù)字化控制技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬控制技術(shù)，充分利用逆變主電路準(zhǔn)數(shù)字化的特點(diǎn)，可以提高焊接質(zhì)量，促進(jìn)焊接電源的發(fā)展。數(shù)字信號處理器(dsp)用于工業(yè)控制近幾年來發(fā)展非常迅速，控制理論及新型控制算法和方案的提出，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和快

3、速運(yùn)算能力都為焊接信號的實(shí)時處理提供了技術(shù)基礎(chǔ)，促進(jìn)了焊接電源實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。從國內(nèi)外各高校及研究所的研究成果來看dsp在焊接領(lǐng)域已有不少的應(yīng)用。在此分析討論了零電壓開關(guān)脈寬調(diào)制(zvspwm)逆變點(diǎn)焊電源的工作原理及pwm方波產(chǎn)生的機(jī)理并在此基礎(chǔ)上對逆變點(diǎn)焊電源的數(shù)字控制進(jìn)行了研究。1 逆變點(diǎn)焊電源主電路工作原理l_1 主電路工作原理零電壓開關(guān)(zvs)逆變點(diǎn)焊電源主電路包括輸入整流濾波電路、軟開關(guān)逆變器、中頻變壓器和輸出整流濾波電路等，其核心是由4只功率開關(guān)管及其并聯(lián)的二極管和電容組成的軟開關(guān)逆變器如圖1a所示。圖1a中，定義先導(dǎo)通的開關(guān)管q 和q，組成的橋臂為超前橋臂，滯后導(dǎo)通管q 和q 組

4、成滯后橋臂。q ，q，和q ，q 分別輪流導(dǎo)通180。，其中q 和q3的導(dǎo)通時刻不收稿日期：20070316：修回日期：20070714變，控制q 和q ，使q ，q 和q3，q 的導(dǎo)通相差在0。-180。之間變化，開關(guān)管重疊導(dǎo)通時間的長短決定了逆變器輸出的大小。如圖1b所示，當(dāng)q 先開通，經(jīng)移相 后開通q ，關(guān)斷q 后，一次側(cè)電流從q 中轉(zhuǎn)移到c 和c3支路中，給c 充電，同時給c3放電，由于c 兩端電壓不能突變，q 是零電壓關(guān)斷。當(dāng)c3的電壓下降到零，d，自然導(dǎo)通，d，的導(dǎo)通使q，兩端電壓近似為零，為q，提供了零電壓開通的條件嘲。滯后臂管子的開關(guān)原理與此類似(a)軟開關(guān)點(diǎn)焊逆變電源主電路(

5、b)igbt驅(qū)動波形圖1 逆變器主電路和igbt驅(qū)動波形weldinz technology vol_36 no5 oct2007 ·焊接設(shè)備與材料· 41主電路中分別給4只開關(guān)管并聯(lián)了電容c。g，實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)。控制策略上如果采用傳統(tǒng)的pwm控制方式即斜對角的2只開關(guān)管同時開通和關(guān)斷， 由于會出現(xiàn)4只開關(guān)管全部處于關(guān)斷的狀態(tài)，其并聯(lián)電容就會與漏感產(chǎn)生諧振。那么，當(dāng)斜對角開關(guān)管開通時并聯(lián)電容上的電壓可能不為零，其電荷就直接通過開關(guān)管釋放。電容的能量將全部消耗在開關(guān)管中，且在開關(guān)管中還將產(chǎn)生開通電流尖峰。開關(guān)管不能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。因此，采用了圖1b所示的斜對角2只開關(guān)管錯開切

6、換的移相pwm控制。12 死區(qū)時間為實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通。必須有足夠的電路諧振能量來抽走將要開通的開關(guān)管的諧振緩沖電容上的電荷，并給同一橋臂將要關(guān)斷開關(guān)管的并聯(lián)諧振電容充電。當(dāng)諧振電容充放電結(jié)束要開通開關(guān)管的反并聯(lián)二極管，將開關(guān)管兩端電壓箝至接近零位時，驅(qū)動開關(guān)管，即可實(shí)現(xiàn)零電壓開通。所以要實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通除了要有足夠的能量來抽走并聯(lián)電容上的電荷既要滿足一定的能量條件，又必須滿足一定的時間條件。可見，在軟開關(guān)逆變點(diǎn)焊電源中，死區(qū)時間一方面可以防止同一橋臂的2只開關(guān)管發(fā)生直通現(xiàn)象。同時也是為了滿足開關(guān)管零電壓換流的時間條件。超      

7、前臂和滯后臂的諧振換流能量來源是不一樣的。對于超前臂而言，變壓器二次回路的等效電感厶和一次漏感 共同參與諧振。能量較大，容易實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)。而滯后臂的諧振能量只由一次漏感 提供。二次回路的等效電感不參與諧振，顯然滯后臂實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)要困難一些。因此在設(shè)計計算兩橋臂的死區(qū)時間時，只要滿足了滯后臂的時間條件。也就確保了超前臂的時間條件。2 驅(qū)動方波的產(chǎn)生與控制21 pwm方波系統(tǒng)采用tms320lf2407a dsp為控制核心，該控制器的工作電壓為33 v，指令執(zhí)行速度最高可達(dá)到40 mips，高性能10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)的轉(zhuǎn)換時間為500 n8，提供多達(dá)l6路的模擬輸入。在逆變電源系統(tǒng)中ds

8、p的作用是產(chǎn)生輸出pwm波形、對反饋電壓進(jìn)行ad采樣并實(shí)時監(jiān)測電壓波動情況，調(diào)整輸出pwm波形占空比。穩(wěn)定輸出電壓。利用dsp的事件管理器模塊，通過軟件算法可以使其輸出移相pwm波形。2個事件管理器模塊的比較單元能同時輸出6對獨(dú)立的pwm波形，通過對死區(qū)單元寄存器進(jìn)行賦值可得n0128的死區(qū)時間。在比較單元中的比較操作，為通用定時器的計數(shù)器持續(xù)與比較寄存器的值進(jìn)行比較，當(dāng)一個匹配產(chǎn)生時。比較單元的輸出按照動作控制寄存器(actra)中的位進(jìn)行跳變，即或者從高有效跳變?yōu)榈陀行Щ蛘邚牡陀行優(yōu)楦哂行?。在跳變?yōu)楦哂行Щ虻陀行Ш蟆４藸顟B(tài)一直保持到另一個匹配的產(chǎn)生3。此時比較單元的輸出又發(fā)生跳變，依此

9、dsp可連續(xù)輸出有一定脈寬且高低有效的方波。pwm波產(chǎn)生原理如圖2所示。由圖可見產(chǎn)生比較匹配時則發(fā)生輸出跳變。此模式下，在一個定時器周期內(nèi)發(fā)生2次比較中斷。即產(chǎn)生對稱pwm波形。l一定時器周期_j比較匹配點(diǎn) 圈2 帶有死區(qū)的p1 m波形產(chǎn)生原理圈22 軟件控制設(shè)計主電路中4只功率開關(guān)管之間的驅(qū)動脈沖有嚴(yán)格的時序要求。編寫程序時應(yīng)注意dsp各寄存器的初始化。程序流程如圖3所示。dsp中adc模塊對中頻變壓器一次側(cè)電流及輸出電壓進(jìn)行采樣。實(shí)現(xiàn)電源的雙閉環(huán)控制； 當(dāng)要產(chǎn)生的波形其占空比不同時，只需在線計算出相對于占空比的寬度的值。并加載到比較寄存器中即可，即根據(jù)實(shí)際采樣值。通過計算、修改軟件而不斷改

10、變輸出pwm方波的占空比，從而控制輸出電壓。開始調(diào)入頭文件2407h系統(tǒng)寄存器初始化adc模塊初始化eva和evb模塊初始化分配i，o口采集電流、電壓信號調(diào)用ad轉(zhuǎn)換子程序dsp運(yùn)算處理調(diào)整pwm波形圖3 pwm信號流程圖驅(qū)動igbt焊接完成?結(jié)柬3 pwm波形測試采用seedxds型仿真器對軟件進(jìn)行仿真調(diào)試。設(shè)定系統(tǒng)逆變頻率為1 khz， 用tds2014型數(shù)字示波器測試dsp輸出的pwm波形。圖4和圖5為實(shí)測dsp輸出pwm波形及死區(qū)時間由圖可見，波形1和2互補(bǔ)導(dǎo)通，波形3和4互補(bǔ)導(dǎo)通。波形1，3和波形2，4之間有時延。因此，波形1，2，3，4分別對應(yīng)圖1b中的q ，q：，q 和q，波形，

11、滿足了軟開關(guān)逆變點(diǎn)焊電源功率開關(guān)管的驅(qū)動時序要求。圖6為通過修改程序得到的不同移相角及死區(qū)時間的波形。圖7為專用移相控制芯片uc3875輸出的移相pwm波形及死區(qū)時間波形。42 ·焊接設(shè)備與材料· 焊接技術(shù) 第36卷第5期2o07年l0月1，2，3，4一uge：5 vdiv t：250 izsdiv圉4 移相角90。波形1，2，3，4一uge：5 vdiv t：250 tsdiv81t5 死區(qū)時間lits1，2，3，4- uge：5vdiv t：250 izsdiv(a)移相角180。波形1，2，3，4一uge：5 vdiv t：5 izsdiv(b)無移相角且死區(qū)時間2 s圖6 修改程序輸出的pwm波形2341，2，3，4-uge：20 vdiv t：250 psdiv(a)輸出的pwm波形1，2-uge： 10vdivt：1 sdiv(b)死區(qū)時間22 izs圉7 試驗(yàn)測得uc3875輸出波形與專用移相控制芯片uc3875輸出的波形對比分析及系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證，dsp輸出的pwm波形完全滿足要求，通過修改軟件即可得到不同的移相角及死區(qū)時間。4 結(jié)論選取能夠?qū)崿F(xiàn)逆變點(diǎn)焊電源功率開關(guān)管零電壓開關(guān)的移相pwm控制模式。波形檢測表明，dsp輸出的pwm方波，可以滿足零電壓軟開關(guān)逆變點(diǎn)焊電源逆變橋功率管的驅(qū)動時序要求： 系統(tǒng)在以d