（材料加工工程专业论文）dsp控制的软开关弧焊逆变电源的研究.pdf

摘要 摘要 逆变技术在焊接电源中的应用使得焊接设备在小型化、高效化的方 面有了较大的发展。同时，弧焊逆变电源良好的动特性更为焊接工艺控 制提供了一个充分发挥的平台。然而，传统的硬开关弧焊逆变电源所存 在的诸如开关损耗大，电路效率低等弊端限制了弧焊逆变电源的进一步 发展。另外，随着微电子技术和数字信号处理技术的不断发展，传统的 以单片机为控制核心的逆变弧焊电源在抗干扰能力、集成度、运算能力、 实时性等各个方面暴露出自身的不足。 本文给出了数字化焊接电源的设计思想，详细介绍了软开关弧焊逆 变电源数字控制系统的设计。针对硬开关逆变电源的不足，我们设计了 以u c 3 8 7 9 为核心的软开关脉宽调制电路；控制系统以美国t i 公司专为 电机控制而设计的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 为控制核心，设计出完整的控制 系统硬件和软件；对系统进行了可靠的软、硬件抗干扰设计。对系统的 调试表明，硬件完全达到了功能要求。 针对短路过渡减小飞溅、提高稳定性的要求，提出了将电流波形分 短路阶段和燃弧阶段分别加以控制的波控方式。短路阶段首先保持小电 流一一定时间、然后电流快速上升至一定电流后电流较慢上升至最大值， 促进熔滴平稳过渡；燃弧阶段采用大电流加小电流的恒流特性控制方法 实施控制，大电流阶段形成熔滴，小电流阶段维持电弧稳定。论文中设 计了相应的电流波控软件。 关键词：弧焊逆变电源：软开关技术；数字信号处理器( d s p ) ；波形控 制 a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no fi n v e r t e r t e c h n o l o g yi nw e l d i n gp o w e rs o u r c eh a s m a d et h eg r e a td e v e l o p m e n t so ft h em i n i a t u r i z a t i o na n dh i g he f f i c i e n c yi n w e l d i n ge q u i p m e n t s m e a n w h i l e ，t h eg o o dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c o f a r c w e l d i n gi n v e r t e rg i v e s a p l a t f o r m f o rc o n t r o l l i n go fw e l d i n gp r o c e s s b u tt h ed e f e c to fh e a v ys w i t c hl o s sa n dl o w e f f i c i e n c y 1 i m i tt h ef u r t h e r d e v e l o p m e n t s o f w e l d i n g i n v e r t e r w i t ht h ec o n s t a n t p r o g r e s s o f m i c r o e l e c t r o n i c s t e c h n i q u e a n d d i g i t a lp r o c e s st e c h n o l o g y ，t r a d i t i o n a l a r c w e l d i n gp o w e rs o u r c e w h i c hr e g a r d s i n g l e c h i pc o m p u t e r a sc o n t r o l c o r e e x p o s u r e s t h el a c ko fa n t i i n t e r f e r e n c e a b i l i t y ，i n t e g r a t e d l e v e l ， c o m p u t ea b i l i t ya n dr e a l - t i m ea b i l i t y t h i sp a p e rg i v e st h ed e s i g ni d e ao fd i g i t a l i z a t i o nw e l d i n gp o w e r s o u r c e ， i n t r o d u c et h ed e s i g no fs o f ts w i t c hn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mi nd e t a i l f o r t h ed e f i c i e n c i e so fh a r ds w i t c h ，w ed e s i g nt h es o f ts w i t c hc i r c u i tw h i c ht a k e u c 3 9 7 9a st h ec o r eo fp w m c o n t r o l l i n ga n dt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a st h ec o r eo f a l l c o n t r o l l i n gs y s t e m s i m u l t a n e o u s l yt h es o f t w a r e o fc o n t r o l s y s t e m i s p r o g r a m m e d a n dt h ea n t i i n t e r f e r e n c ef o rs o f t w a r ea n dh a r d w a r ea r e d e s i g n e d ，t h e r e s u l to f d e b u g g i n gs y s t e m i n d i c a t e dt h a tt h eh a r d w a r e c i r c u i tf u i f i l l st h ed e m a n do ff u n c t i o nw e l l f o rt h ed e m a n do fd e c r e a s i n gt h es p a t t e ra n de n h a n c i n gt h es t a b i l i t yi n s h or tc i r c u i tt r a n s i t i o n ，w eb r i n g f o r w a r da c o n t r o l l i n g m e t h o dw h i c h d i v i d e st h ec u r r e n tw a v e f o r mi n t os h o r tc i r c u i ts t a g ea n da r cs t a g e i nt h e s h o r tc i r c u i ts t a g ew em a i n t e n a n c es m a l lc u r r e n tf o raw h i l ef i r s t l y ，b e f o r e r e a c h e dt h em a x i m a lv a l u eo fs h o r tc i r c u i ti ns l o wr a t i ot h ec u r r e n tr i s et oa f i x e dv a l u e r a p i d l y i n a r c s t a g e ，t h ec o n t r o l l i n gm e t h o do fb i g c o n s t a n t c u r r e n ta n ds m a l lc o n s t a n tc u r r e n ti sa p p l i e d t h ew e l d i n gd r o p p i n gf o r m e d i n b i g c o n s t a n tc u r r e n t p h a s ea n d t h ea r c k e e ps t e a d y i ns m a l lc o n s t a n t c u r r e n t p h a s e w e a l s o d e s i g n e d t h es o f t w a r ef o rc u r r e n tw a v e f o r m c o n t r o l l i n g 一i i - k e y w o r d s ：a r cw e l d i n gp o w e rs o u r c e ，t e c h n o l o g y o fs o f t s w i t c h ，d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s ，w a v e f o r mc o n t r 0 1 卜 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指争下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 穿辑拇 日期：h 删年占月辟日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：刃讲年6 月勺日 日期：肿年石月，牛同 物缈，釉从一毒 名 名 签 签 者 师 作 导 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的学术背景与实际意义 逆变焊接电源具有节能省材、轻巧灵便、性能良好、效率和功率因 数都高的特点，已成为我国大力提倡的换代产品。目前，逆变弧焊电源 多采用硬开关电路，但因其开关损耗大，降低了电路效率，甚至使电路 不能正常工作，软开关的出现可使功率器件在零电压和零电流下自然开 通或关断，从本质上克服了硬开关电路的缺点，较大程度的解决了功率 器件开关损耗过大的问题，并降低了功率器件的d u d t 和d i d t ，减少了电 磁干扰( e m i ) 和射频干扰( r f i ) ，减少了变换器重量，减少了电路中变 压器、电感、电容的体积，降低了输出纹波，提高了功率密度，增强了 系统的动态特性。近年来，国外和国内科研人员对软开关电路拓扑结构 以及控制技术等进行了广泛的探讨和深入的研究。产生了一系列很有应 用前景的变换电路。从而展示了软开关技术在逆变器中应用的广泛前景， 代表了当今逆变技术的发展方向。这些技术的进一步完善发展和实用化， 都将为实现较理想的高功率密度、低开关损耗、低电磁干扰和噪声以及 良好动态品质的逆变器打下坚实的基础。 单片机控制弧焊逆变电源是弧焊逆变电源数字化控制中一个重要的 发展阶段。在单片机控制系统中单片机主要完成了控制信号的给定功能 以及焊机的总体管理。单片机虽然在控制系统中仅仅完成了信号的给定， 但是已经使得弧焊逆变电源在实现焊接工艺控制时，如c 0 2 波形控制等， 获得极大的灵活性。例如可以通过单片机给出多种斜率、不同幅值的c 0 2 短路电流波形，使得c 0 2 焊接的工艺效果在不同的电流范围内都能接近 于最佳。同时，在单片机控制的弧焊逆变电源中，我们注意到它的控制 核心p i 控制器和p w m 控制电路通常都是由模拟元件构成。p i 控制器以 运算放大器为核心，p w m 控制电路多采用s g 3 5 2 5 和s g 3 5 2 6 。利用单片 机进行弧焊逆变电源的控制虽然在信号的给定部分实现了数字化，但是 受到单片机自身处理能力的限制，电源的p i 控制器和p w m 仍然采用了 模拟电路【1 1 。因此，数字化的特点在单片机控制的弧焊逆变电源中并没 有得到充分体现。同时单片机也有抗干扰能力差、集成度不高、运算量 华南理工大学工学硕士学位论文 小、实时性和精度较差等限制。 近年来随着微电子技术的迅速发展和数字信号处理理论与技术的不 断完善，数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s or ，即d s p ) 得到广泛的 普及和应用。d s p 强大的数据能力和高运行速度为弧焊逆变电源的数字 化控制注入了新的生机，特别是t i 、a d 、m o t o r o l a 等公司相继研制成功 了以d s p 为内核的集成控制芯片，为弧焊逆变电源控制系统的全数字化 提供了必要的硬件和软件基础。图1 1 给出了数字化焊接电源系统功能示 意图【2 1 。 图1 1 数字化焊接电源系统功能示意图 f i g 1 1 s k e t c ho fs y s t e mf u n c t i o ni nd i g i t a lw e l d i n gp o w e r 研究和发展弧焊逆变电源的数字化控制技术意义重大。现在焊机的 数字化还处于刚刚起步阶段，但是由于数字系统本身具有的优势以及总 结现有的数字化焊机的特点。数字化焊机的优势是十分明显的。从焊机 的工艺效果看，数字化焊机由于控制策略调整灵活、控制精度高以及控 制参数稳定性好，数字化焊机具有更好的工艺稳定性和更好的工艺效果。 同时，数字化焊机方便的通讯接口功能为现代化的网络化生产提供了良 好的硬件基础。从弧焊工艺研究的角度，数字化焊机为实施创新性的工 艺控制策略和实现多功能提供了全新的途径。数字化焊机的在线控制程 序升级将发挥作用，为新控制策略的实施提供方便、快捷的途径。 该课题涉及数字新信号处理技术、单片机技术、电力电子技术、智 第一蕈绪论 能控制技术等多个领域，对该课题的研究与开发，必将促进这些领域的 交叉融合，有利于形成一个高新技术产业和拥有独立自主的知识产权； 同时可以促进数字信号处理技术、单片机技术、电力电子技术和智能控 制技术的推广应用。该控制系统的研究无论是从科学研究的先进性和前 沿性上，还是从国民经济建设和国防建设上都有十分重要的意义，因此， 本课题具有重大的学术价值和实用价值。 1 2 弧焊逆变及其控制技术研究的进展 1 。2 1 弧焊逆变器电路拓扑的研究进展 弧焊逆变器电路拓扑研究经历了脉宽调制硬开关电路、频率调制谐 振电路和脉宽调制软开光电路等三个发展阶段。 1 2 1 1 脉宽调制硬开关电路 脉宽调制硬开关电路出现于二十世纪五十年代，主要类型有全桥式、 半桥式、双晶体管单端j 下激式等三种【3 ，4 1 。为了增大逆变器输出功率，常 常采用两个逆变主电路并联方式。双管正激式变换电路的突出优点是既 无直通的危险，又没有变压器偏磁、磁饱和问题，因此，可靠性高。但 是存在功率变压器磁芯利用率低且要求较大输出滤波电感的缺点。半桥 式、全桥式变换电路的优点和缺点则与之相反。但是，人们逐渐发现， 在脉宽调制硬开关电路中，由于功率器件存在开通时的电流冲击和关断 时的电压应力，因此，功率器件的工作安全性下降。而且，开通和关断 过程中产生可观的能量损耗，降低了电源的能量转换效率。另外，过高 的电压和电流变化率，不可避免地产生电磁干扰，在大功率硬开关弧焊 逆变器中尤其严重。 1 2 1 2 频率调制谐振电路 弧焊逆变器中采用频率调制谐振电路的最初目的是为了解决半控器 件晶闸管不能自动关断的问题，这种电路采用固定脉冲宽度、调节逆交 频率的方式，通过谐振换流，从而控制弧焊逆变器的输出特性。半桥式 频率调制谐振电路广泛应用于晶闸管弧焊逆变器【3 4 5 1 。 华南理工大学工学硕士学位论文 八十年代中期，频率调制谐振技术进一步被用来克服上述脉宽调制 硬开关变换电路的缺点。在采用全控型开关器件的弧焊逆变器中，应用 电感电容网络的谐振原理，迫使功率开关器件的电流或电压按正弦规律 变化，当电流或电压过零时，使器件自然开通和自然关断。因为解决了 开关动态损耗、电流冲击及电压应力和电磁干扰等问题，频率调制谐振 也被应用于全控型开关器件构成的弧焊逆变器中。另一方面，由于既用 谐振换流，又用谐振传递功率，频率调制谐振变换技术不可避免的带来 以下新问题：对负载变化的适应性较差，控制比较复杂。功率器件 的导通损耗、电压或电流应力变高，器件容量需要更大。开关频率大 范围变化导致滤波器、变压器难以优化。频率调制谐振电路拓扑在弧焊 逆变器中的成功应用，曾经极大的推动了弧焊逆变技术的发展。但是， 随着i g b t 等新型开关器件的大量商品化，尤其是脉宽调制软开关技术的 逐渐成熟，频率调制谐振电路拓扑的应用范围将逐步缩小。 1 2 1 3 脉宽调制软开关电路 1 脉宽调制软开关电路的基本特点以及分类 八十年代末期，脉宽调制软开关电路拓扑的问世，推动了大功率逆 变技术的研究与应用水平又上了一个新的台阶。该电路巧妙地将脉宽调 制硬开关电路和频率调制谐振电路的优点集于一身，同时又克服了两者 的缺点1 6 , 7 j 。在基本全桥式软开关电路中，领先桥臂是利用输出滤波电感 中的能量限制实现零电压转换的，软开关范围很宽。而滞后桥臂换流时， 变压器次边正处于短路续流状态，滞后桥臂只能利用变压器漏感中的能 量，它的软开关范围窄。近年来，针对基本全桥软开关电路中滞后桥臂 软开关范围较窄、占空比损失较大、整流二极管电压振荡、初级有换流 损耗等方面存在的问题，众多专家争先致力于进一步的深入研究，取得 了许多重要的进展。 脉宽调制软开关电路的基本特征是，仅在短暂的功率器件换流期问， 应用谐振原理，实现零电压或零电流自然导通和自然关断，而在其它大 部分时间采用恒频脉宽调制方式，完成对电源输出电压或电流的控制。 它的本质是将器件换流过程和能量转换、控制过程分时加以区别处理。 根据开关波形的特征，全桥式软开关电路，可以分为z v s 和z v z c s 两大类。所谓z v s 类型，就是领先桥臂、滞后桥臂均实现零电压开关； z v z c s 类型就是领先桥臂实现零电压开关，滞后桥臂实现零电流开关。 改进z v s 全桥式软开关电路的技术关键是，以尽可能简洁的结构，在负 第一章绪论 载小和输入电压高的时候，保证滞后桥臂的换流能量不短缺；在负载大 和输入电压低时，保证换流能量又不严重过剩。如果换流能量不足，则 必然失去零电压软开关条件；如果换流能量严重过剩，则终将导致开关 管电流应力大大增加。在移项控制的全桥z v z c s 软开关电路中，领先桥 臂的工作机理与基本z v s 全桥软开关电路是相同的。滞后桥臂实现零电 流的技术关键是，续流器件必须在变压器漏感上加一个足够高的反电压， 使原边电流降到零，并且维持零电流到续流器件结束。 2 移项控制专业芯片u c 3 8 7 9 u c 3 8 7 9 是u n i t r o d e 公司新推出的相移式p w m 控制i c 。与传统的 u c 3 8 7 5 6 7 8 相比，该i c 具有控制、译码、保护和驱动等功能。通过相 移控制全桥变换器，该i c 大大地简化了设计步聚，缩小了印刷电路板的 体积，并节省了调试时间。u c 3 8 7 9 是一种能进行相位调制的p w m 集成芯 片，通过移相的开关方式改变半桥电路驱动脉冲电压，来控制全桥逆变 器的开关管。普通p w m 集成芯片( 如s g 3 5 2 5 ) 构成电源的开关频率与 开关损耗成正函数关系，即其开关频率越高效率越低，而u c 3 8 7 9 可在恒 频脉宽调制时结合谐振过程实现高效率高性能的零电压开关，因而由其 构成的全桥电路使开关电源智能化向前跨了一大步。 1 2 2 弧焊逆变器脉宽调制控制技术的研究进展 3 糍 嬲v 麓馈 图1 2 模拟控制弧焊逆变电源的控制框图 f i g 1 2t h ed i a g r a mo fa n a l o gc o n t r o l l e dw e l d i n gi n v e r t e r 传统控制系统如图1 2 所示【1 1 。它的输出反馈检测量一般为输出电压， 输出电流或两者的综合。参考电压与检测电路输出的差值就产生误差信 号，再经误差调节而获得控制信号。通常，弧焊逆变器的误差调节采用 华南理工人学工学硕士学位论文 比例积分( p i ) 控制方法，从而使系统获得比较好的稳态精度和抗高频干扰 能力。传统的弧焊逆变器的控制电路是将一个频率和幅值恒定的三角波 跟误差调节电信号进行比较。因此，被调制脉冲的宽度和误差调节电路 的输出信号成f 比。也就是说传统弧焊逆变器的脉宽调节环节是一个非 常简单的单变量输入一单变量输出的比例环节，导通比仅仅取决于误差调 节电路的输出信号【8 】。模拟控制系统最大的缺点是进行复杂处理的能力 有限，元器件数量多，并且控制系统的参数由电阻、电容等分立元件的 参数决定，控制系统的调试复杂，灵活性差；同时电阻、电容的参数分 布影响控制系统的一致性，参数的稳定性差，如温度漂移影响控制系统 的稳定性。目前已很少采用。 随着微机技术的不断发展，单片机在逆变焊接电源控制中的作用也 越来越大，单片机主要完成了控制信号的给定功能和焊机的整体管理， 它可以通过对焊接电流焊接电压的检测来对焊接过程电源输出做出快速 的反应和控制。再加上单片机系统本身所具有的数据处理能力和逻辑判 断能力使得多功能焊接、智能化焊接成为可能。单片机控制的弧焊电源 有许多优点：它可以简化硬件控制电路，改善系统的可靠性；软件设计 灵活，容易实现一机多用，并可方便的加以修改和更新以适应焊接工艺 的要求；且可以存储大量的相关信息。可迅速调用，以适应复杂的焊接 过程，易实现实时焊接过程控制，监控和诊断工作。国外，相当一部分 的弧焊电源的控制部分是由单片机系统来实现的。在国内，华南理工大 学、北京工业大学、上海交通大学等高等院校在这方面的研究也取得了 较大的成果。 但是我们注意到，单片机控制的弧焊逆变电源中，由于运算速度和 存储能力的限制。数字化的优势并没有在单片机控制的焊接逆变电源中 完全得到体现。近年来，随着数字化技术的成熟和焊接电源本身控制要 求的提高，越来越多的研究者对数字信号处理器( d s p ) 在焊接中的应用 产生了极大的兴趣。数字化焊接电源实现了柔性化控制和多功能集成， 具有精度高、系统稳定性好、产品一致性好、功能升级方便等优点。如 f r o n i u s 公司的t r a n s p l u ss y n e r g i c2 7 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 系列产品在一台焊接上 实现了m i g m a g 、t i g 和手工电弧焊等多种焊接方法，可存储近8 0 个 焊接程序，实时显示规范参数，通过单旋钮以及按键给定焊接规范参数 和电流波形参数，可以实现熔滴过渡和弧长变化的精确控制。同时，此 类焊接电源还町以通过网络进行工艺管理和控制软件升级。在国内，焊 机数字化研究起步较晚。北京工业大学，华南理工大学，时代焊接公司 在这方面走在了研究的前列。华南理工大学首次将d s p 应用于电阻焊电 第一章绪论 源的控制上。在2 0 0 2 年北京埃森国际焊接展览会上，北京时代焊接有限 公司推出了型号为p n e 2 1 4 0 0 p 的全数字脉冲氩弧焊机。该焊机采用了 d s p ，模糊控制，波形控制以及自适应控制等多种控制方案，取得了很好 的焊接效果。 图1 - 3 数字化焊接的控制系统框图 f i g 1 2t h ed i a g r a mo fc o n t r o ls y s t e mo fd i g i t a lw e l d i n gi n v e r t e r 绝大多数的数字化焊接电源都是采用的d s p 和单片机的双机系统， 如图1 3 所示。以便充分发挥d s p 运算能力强和单片机逻辑能力强的优 点。但是随着d s p 技术的不断发展，先进d s p 芯片的逻辑运算能力越来 越强，完全可以取代单片机在数字化焊接电源中的作用，加之双机系统 在设计过程中具有复杂性高。稳定性难以保证的缺点。我们设计出一种 完全以d s p 为控制核心的软开关逆变焊接电源，其控制系统图1 3 所示。 在实际运行过程中，电流，电压以及各种给定的参数由控制面板输入， 交由d s p 送给l c d 显示。电流、电压的反馈信号经过前置放大电路的处 理送给d s p ，与给定的参数值进行比较。根据比较的结果。控制核心将 输出合适的信号值给以u c 3 8 7 9 为核心的脉宽调制与驱动电路。从而实现 整个软开关逆变电路的运行。 1 3 逆变c o ：焊接电源波控技术的发展与现状 从分析c 0 2 焊熔滴短路过渡和飞溅的产生机理知道，缩颈的顺利进 行需要较大的短路电流，而液桥爆断时对飞溅的抑制又需要短路电流小 传统上采用的主回路串联电抗器限制d i d t 及i 。的方式难以兼顾短路过程 华南理 ：大学t 学硕士学位论文 这两个阶段对电流大小的需求，因此只能一定程度上减小飞溅但不能实 现少飞溅甚至无飞溅焊接。随着逆变技术和对飞溅机理认识的不断深入， 具有分时控制特点的波形控制法便应运而生了。人们已经认识到必须在 熔滴过渡的不同时刻迅速进行相应的控制，满足过渡熔滴的受力和受热 的不同要求，这样才能既保证稳定的熔滴过渡过程又可以最大程度地减 小飞溅。即在缩颈形成过程，提高电流上升速度，促进缩颈形成：而在短 路过渡后期，降低电流，使液桥爆破在低的爆炸能量下完成，获得无飞 溅的短路过渡过程。电流波形控制法便可以达到这一控制要求。尤其是 弧焊逆变器的应用为波形控制法又增添了新的活力，使波控法的实现更 加容易。目前波控研究主要有以下两个方面的趋势【3 9 1 0 】： 1 控制的微机化和智能化 焊接过程本身是一个非常复杂的物理和化学过程，影响焊接质量的 因素很多。而且精细的波形控制方法在大大提高了对熔滴过渡的控制能 力的同时，也带来了可控参数的增多如日本日立公司的电流波形控制电 源，可控参数多达1 4 个，若全部用硬件来完成，则控制电路会很复杂。 这不但影响了系统的可靠性，而且使参数的调整和控制极不灵活。为此 有更多的学者开始了弧焊电源的电流波形微机控制的研究。国内这方面 研究较早的是蒋立培教授等人采用c m c 8 0 机对常规c 0 2 焊电流波形的 局部削波控制。随着微机技术的进一步发展，越来越多的微机控制方法 被运用到波控中，而且由于逆变电源的出现以及一些控制方法研究取得 的进展，使得焊接电源智能化的趋向也越来越明显。日本松下公司推出 的第二代机器人用智能型i g b t 弧焊逆变器a a i i 3 5 0 5 0 0 能自动识别焊 接电流变化时焊丝伸长的变化量，利用模糊逻辑，建立焊缝宽度或熔深 与送丝速度、输出电压的关系，稳定焊接质量，同时该机还配有专家系 统，存储4 0 0 万种电流波形，以实现高质量的焊接。国内天津大学赵举 东等采用自适应模糊控制对脉冲m i g m a g 焊的熔滴过渡进行实时控制。 西安交通大学的王雅生等采用8 0 c 1 9 6 单片机为核心研制的模糊控制系 统对c o ：焊的短路过渡进行一元化调节，提出了一种靠稳定电弧电压来 控制c 0 2 焊短路过渡频率的新思路。天津大学的吴爱国等提出c 0 2 焊电 源的双模糊控制方法。分别对电弧电压和电弧电流进行控制，使c 0 2 焊 的飞溅率减少。清华大学韩赞东等以燃弧大电流时间为控制量设计的模 糊控制器通过对c 0 2 焊熔滴过渡频率的控制达到稳定焊接过程的目的 【1 1 。】5 1 。 2 控制精细化 随着对短路过渡过程研究的深入，人们对熔滴短路过渡控制的能力 第一章绪论 已经愈来愈强了。波控法经历了由粗糙控制到精细控制的过程，而控制 效果随之增强，焊接工艺性能得到了改善 1 5 , 1 6 】。这方面有代表性的是美 国林肯公司的表面张力过渡电源( 即s t t 电源) 。此电源将短路过渡过程 细分为：液桥形成段、缩颈段、液桥爆断段、重燃弧段、稳定燃烧段、 u ，一一 一 t k 。? l i vv lt 图1 4s t t 电源焊接电压电流波形图 f i g 1 - 4w a v e f o r m o fa r cv o l t a g ea n dw e l d i n gc u r r e n ti ns t t 燃弧后期段等六个阶段加以控制，由图1 4 所示。由此得出少飞溅甚至无 飞溅，烟尘少的焊接，焊缝成形美观1 1 7 1 1 9 1 。 1 4 本论文研究的技术方案及主要内容 1 4 1 本论文的技术方案 针对目前弧焊逆变软开关电路控制研究中所存在的问题以及逆变电 源的特点，首先要进行技术方案的合理选择。 1 采用i g b t 逆变电源作为基本工作平台； 2 选择u c 3 8 7 9 作为软开关脉宽调制的器件； 3 以d s p 系统的电流波形控制为控制系统的核心； 4 对弧焊电源的具体特点，有针对性的对其进行波形控制。 1 4 ，2 本论文研究的拟解决的关键问题 有 根据c 0 2 弧焊逆变软开关电源的要求，本论文研究拟解决的关键问题 1 软开关逆变电路的选择与实现 华南理工大学工学硕十学位论文 2 对短路过渡过程中波形控制参数的设定： 3 电流电压反馈信号的采样、放大和运算； 4 d s p 控制系统的设计； 5 稳定性和可靠性的设计。 1 。4 3 本论文研究的主要内容 对弧焊软开关逆变电源做深入研究，探索逆变电源逆变过程各部件 的运行情况； 1 对d s p 组成的控制系统进行研究，将此方案运用于弧焊逆变电源 的控制上，以实现弧焊逆变电源的数字化控制。设计该方案的硬 件系统； 2 对波形控制方法进行研究，重点研究波形控制过程中的波形控制 参数，设计该控制方案的软件系统； 3 对控制系统进行初步试验研究，联机调试，对系统的各项功能进 行测试。 第二章数字化焊机的总体设计方案 第二章 数字化焊机的总体设计方案 2 1 数字化焊机的特点 数字化焊机在国内的研究刚刚起步，但是由于数字系统本身具有的 优势以及总结现有的数字化焊机的特点，数字化焊机的优势已初见端倪， 大致可以归纳为以下6 点： 1 数字化焊机实现了柔性化控制和多功能集成。系统的控制策略通 过软件的方式加以实现( 以软代硬) ，系统的控制是柔性的，利于进行控制 系统的优化设计与多功能集成。 2 控制精度高。数字系统的控制精度取决于系统的位数。以一个1 6 位系统来说，它的精度可以达到2 。1 5 。随着系统位数的增加，如3 2 位、 6 4 位，系统的控制精度还将进一步提高。 3 稳定性好。d s p 系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的 影响较小、可靠性高。 4 产品的一致性好。模拟系统的性能受元器件参数性能变化的影响 比较大，而数字系统基本不受影响，因此数字系统便于测试、调试和大 规模生产。 5 接口兼容性好。d s p 系统与其他的现代数字技术为基础的系统或 设备都是相互兼容的，与这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统 与这些系统接口容易得多。 6 焊机功能升级方便。d s p 系统中的可编程芯片可使设计人员在开 发过程中能灵活方便地对软件进行修改和升级。 图1 是f r o n i u s 焊机t r a n ss y n e r g i c4 0 0 0 c 的控制面板。由图可 以看出在一台焊机上可以实现脉冲m i g 、直流m i g 、手弧焊、t i g 焊等 多种工艺方法的不同材质，不同焊丝直径的焊接功能，多功能性可见一 斑，同时，参数的给定旋钮只有一个，给操作者带来了极大的方便，及 其操作界面是友好的。友好的操作界面不仅仅给我们带来的是操作上的 方便，由于现在焊机的发展趋势是数字化和智能化，所以操作界面的多 功能对于焊机的数字化和智能化的能力也是一个有力的体现。从这一点 上来说，国外的研究要远远走在国内研究的前面【2 。 华南理工人学工学硕十学位论文 图2 - 1f r o n i u s 焊机的控制面板 f i g 2 1c o n t r o lp a n e lo ff r o n i u sw e l d e r 2 2 数字化焊机的总体构想 近一些年以来，国内外弧焊机的发展标志是在逆变电源的基础上， 引入微处理器实时控制，实现焊接多功能和智能化。随着单片机以及数 字技术的不断发展，焊机中采用的微控制器的级别也越来越高。但是， 直到现在，弧焊电源中出现的诸如飞溅、开关管功率损耗等问题仍然没 有得到很好的解决。鉴于软开关逆变数字化焊接电源所具备的一些优点， 我们所要研制的就是一台能够实现软开关功能的数字化焊机。 在整个设计中，焊机的主电路我们采用的是广州同诚焊接设备有限 公司提供的主电路模式，并加以改进。其中用于逆变的开关管采用大功 率的i g b t ，i g b t 的型号是德国西门康公司的1 0 0 g b l 2 4 d 。焊机的控制 部分采用t i 公司专为电机控制而推出的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s p 控制芯片。 软开关部分同样采用了t i 公司的移项控制芯片u c 3 8 7 9 。采用软开关加 适当的波形控制是为了实现焊接过程的平稳、优化和低飞溅、低功耗。 其余部分自行设计制作。 2 3 数字化焊机的主回路以及p w m 控制电路设计 2 3 1 数字化焊机的主电路设计 逆交焊接电源的主电路形式主要有三种单端j 下激、半桥和全桥。其 中全桥逆变方式适用于大功率的场合，但其电路结构复杂，对元器件的 选择、制作工艺要求以及变压器的温升设计和偏磁等设计提出了更高的 要求。我校从8 0 年代开始研制逆变电源，并在国内率先研制出m o s f e t 第二章数字化焊机的总体设计方案 弧焊逆变器，于1 9 9 0 年研制出i g b t 弧焊逆变器，同时对弧焊逆变器进 行了故期的产品尝试，对其设计及制作都积累了丰富的经验。本课题在 此基础上，采用全桥逆变作为主电路形式。整个电路原理图如2 2 所示。 c x 为抑制环流电容，l x l 为变压器回路等效漏感，l x 2 为饱和电感，b 为变压器。其工作原理如下：交流3 8 0 v 经整流滤波后成低纹波的直流电 压，然后提供给由i g b t 和变压器组成的逆变器：q 1 、q 4 和q 2 、q 3 由 控制电路提供驱动波形而交替导通，在经过变压器，在变压器的次级得 到交变的电压；然后由整流管组成的整流电路整流成直流电。经输出电 抗器滤波提供给负载使用【2 1 1 。 + 图2 - 2 软开关逆变电路原理图 f i g 2 2t h es c h e m a t i cd i a g r a mo ft h es o f t s w i t c hi n v e r t e rm a i n c i r c u i t 2 3 2p w m 控制电路的设计 p w m 电路一方面给开关管提供脉冲波形，另一方面是接收d s p 系统 的信号进行脉宽调制。p w m 控制电路还设有故障保护、软启动、死区时 问控制等功能，在本课题中采用u c 3 8 7 9 做p w m 控制，下面是对它的说 明。 移项控制芯片u c 3 8 7 9 从总体结构上可以划分为三个部分：1 脉宽调 制信号发生电路：它由振荡器、误差放大器、p w m 比较器和p w m 锁存 器等单元组成。振荡器的频率决定于外接定时电阻和定时电容。在实际 设计时，可以先根据芯片应用手册推荐的数据选择定时电容。p w m 比较 器和锁存器的功能是形成工作频率等于振荡器频率并且脉冲宽度被调制 的内部数字信号；2 移项驱动指令形成电路：它由2 分频触发器、逻辑门 电路和死区时间设置电路构成，是整个控制芯片的核心部分。振荡器产 生的时钟信号经过d 触发器2 分频后，从d 触发器的输出端得到两个1 8 0 1 3 - 华南理工大学t ：学硕士学位论文 度互补的方波信号，在经过死区时间设置电路而从o u t a 和o u t b 两端 输出；3 工作电源及保护等辅助电路：u c 3 8 7 9 的工作电源有两个，其中 v i n 供给内部控制电路用，它对应于信号地g n d ；v c 供给输出极用，它 对应于电源地p w r g n d 。这两个工作电源应分别接相应的高频滤波电容 和解耦电容，而且，信号地和电源地应该单点连接以减小共地阻抗导致 的干扰。图2 3 给出了它的内部结构示意图。 o o _ “ 图2 - 3u c 3 8 7 9 的内部结构图 f i g 2 3f u n c t i o nd i a g r a mo fu c 3 8 7 9 d 自群 椿 0 图2 。4 是u c 3 8 7 9 常用的外围电路接法。用户可通过u v s e l 脚来选 定欠压锁定电平，一般情况下，可预先确定两个门限。若u v s e l 脚悬空， 当v in 脚电源电压超过1 5 2 5 v 时，芯片启动。当u v s e l 脚按v i n 脚时， 工作启动电压为1 0 7 5 v 。当输入电压低于9 2 5 v 时，u c 3 8 7 9 进入欠压锁 定状态，与选定的启动电压无关。门限电平反映出两个最常用的辅助电 源产生模式：自举或离线。 同步振荡器的工作频率由两个外部元件决定。r t 脚和地之间的电阻 决定定时电容的充电电流，而放电电流被内部固定在1 0 m a 。当多个 u c 3 8 7 9 一起使用时，同步时钟信号可由其中的一个产生，也可由外部的 时钟信号提供，但此时所有u c 3 8 7 9 的c l k s y n c 脚要连在一起，并且每 麓 竹时 创 一 一 糟 第二章数字化焊机的总体设计方案 个u c 3 8 7 9 的c l k s y n c 脚到地之间应接一个电阻，以保证时钟脉冲边沿 的齐整。误差放大器增益带宽1 0 m h z 。误差放大器的正输入内接2 ，5 v 的 基准。放大器的反相输入( e a 1 和输出( e a o u t ) 也可用于反馈和补偿。误 差放大器的输出用于控制高速p w m 电路。软启动由接在s s 脚和地之间 的电容完成。软启动时，误差放大器的启动输出被箝位至电容电压，该 电压缓慢地从零升至4 8 v 。故障保护由两个独立的电流限制电路完成， 在c s 输入脚，该电路允许最大电流取样信号范围是0 - 2 5 v 。在电压型或 电流型工作状态下，保护电路可实现逐周和关断型限流保护。c s 脚的瞬 时电压低于2 v 门限时，故障保护电路不起作用，直到c s 脚的电压超过 2 v ，这时输出脉冲被终止。这是第一级保护电路，它可避免初级半导体 承受源源不断的电流冲击。但是，该保护方法对于严重的过载情况并非 完全奏效。因此，u c 3 8 7 9 还设计有二级保护电路。当c s 脚的电流取样 信号瞬间超过2 5 v 最大门限时，i c 进行一次全周期的软启动，以避免器 件产生严重损坏。若过载条件得不到改变，器件会进入中断模式，这样 可避免元件平均功耗过高，导致元件损坏。u c 3 8 7 9 的四个推挽式输出中 单路的峰值驱动电流为1 0 0 m a ，这些输出可用于驱动外部门极驱动电路。 为了进一步减小传输给模拟电路的噪声，输出部分有自己的集电极电源 和地线。1 5 脚和5 脚用于设定输出驱动命令和z v s 开始工作之间的时间 延迟 2 2 2 4 】。 图2 4u c 3 8 7 9 常用的外围电路接法 f i g 2 4c o m m o np e r i p h e r yc i r c u i to fu c 3 8 7 9 2 3 3p w m 控制板上的电源的设计 电路板上的电源稳定与否是关系到整个电路板能不能正确工作的重 华南理工大学工学硕士学位论文 要因素之一。所以p w m 驱动板和前置放大电路板上必须需要稳定的直流 电源，我们通常在设计中采用如下的措施：首先将变压器输出的交流电 经整流桥整流，整流往往采用集成的整流器件，根据电路中的电流和电 压选择合适的型号，经过整流后得到的直流电必须经过电容滤波，再接 入稳压芯片进行稳压，最后得到多需要的稳定的直流电压。可以根据所 要得到的直流电压的大小来选择稳压电源器件。例如在我们的设计中用 到的稳压芯片有m c 7 8 m 1 5 b 、m c 7 9 1 5 t 和m c 7 8 2 4 t 。图2 5 给出了p w m 板和前置放大电路板上的电源设计电路。 图3 5 控制电路板电源设计电路 f i g 3 5t h ed e s i g nc i r c u i to fp o w e r s o u r c ei nc o n t r o lp a n e l 2 4d s p 控制系统的设计 2 4 1 焊接过程信息数字信号处理的控制思想 2 4 1 1 焊接过程信息的多样性和不确定性 焊机控制的最终目的是获得优质的焊缝，与其他加工工艺相比焊接 过程由于控制参数的交互作用以及模型的不确定性，往往很难精确地描 述焊接过程，使得焊缝很难达到一致性，焊接过程稳定性较差。传统的 焊接控制方法是通过试验来确定焊接工艺参数，然后在生产中限制这些 工艺参数变化在一定范围内来保证焊接质量。但实际焊接过程具有信息 量大、信息变化速度快，而且易受外界干扰的特点，存在很大的不确定 性，造成焊接过程的不稳定。为使控制系统能够适应外界干扰，保证焊 接过程稳定而生产出较好的焊缝，关键问题是如何正确、迅速检测表征 焊接过程稳定性的信号，并能够采用一定的信号处理算法进行实时控制。 我们可以通过分析电弧传感器的焊接电流、电弧电压信号来评价引弧质 量、电弧的稳定性、气体流量的稳定性、送丝的稳定性、焊枪与工件的 第二章数字化焊机的总体设计方案 距离变化、装配间隙的变化、焊丝的对中以及导电嘴的磨损状况等问题。 2 4 1 2 焊接过程信息的d s p 实时提取与处理 为了能够保证焊接过程的稳定和达到良好的焊接工艺性能，就必须 对焊接过程信息进行实时的提取与处理，形成闭环系统进行实时控制。 这就要求控制系统有足够的速度、反应精度和灵敏性，而采用高速、高 运算量的d s p 芯片正好适应了这一迫切的需求。实现这种信息化控制关 键是信息的实时采集和信息的实时处理方法等方