（电力电子与电力传动专业论文）数字化变极性tig电源的研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：璁 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东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、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：乏起 导师签名：础三乏z 日 期：塑2 。生d ， 山东大学硕士学位论文 目录 摘要：i a b s t r a c t i i i 缩略词注释表。v 第一章绪论1 1 1 课题的研究背景1 1 2 氩弧焊的特点1 1 3 铝合金焊接的发展2 1 3 1 直流钨极接负t i g 焊3 1 3 2 直流钨极接正t i g 焊3 1 3 3 正弦波交流t i g 焊3 1 3 4 方波交流t i g 焊4 1 3 5 变极性t i g 焊4 1 4 变极性t i g 电源国内外研究现状5 1 5 本文的主要工作和章节安排6 第二章主电路设计与研究7 2 1 主电路原理7 2 2 主电路的分析与设计7 2 2 1 一次逆变电路7 2 2 2 二次逆变电路1 l 2 3 电路仿真与实验验证：1 2 2 3 1 仿真软件选择1 2 2 3 2 输入整流电路仿真1 3 2 3 3 软开关电路仿真1 4 2 3 4 实验验证1 6 2 4 稳弧电路17 2 4 1 电弧的物理基础1 7 2 4 2 交流电弧的特点1 9 i 山东大学硕士学位论文 2 4 3 稳弧脉冲施加时刻2 1 2 4 4 稳弧电路拓扑结构2 3 2 4 5 工作状态分析及计算2 3 2 5 主电路的计算和器件选择2 4 2 5 1 主电路输入参数2 4 2 5 2 三相整流模块的计算2 5 2 5 3 直流母线输入滤波电容、电阻的设计2 6 2 5 4 主变压器设计2 6 2 5 5 功率模块的计算2 8 2 6 本章小结。3 0 第三章控制系统的硬件设计。3 1 3 1 控制系统的原理框图3 l 3 2 控制芯片选型31 3 2 1 数字信号处理器3l 3 2 2 微控制器3 3 3 3 控制系统硬件实现3 5 3 3 1 焊接电流取样3 5 3 3 2 焊接电压取样3 6 3 3 3 电流型p w m 控制电路3 6 驱动电路的研究与设计3 7 3 4 1 一次逆变驱动设计3 7 3 4 2 二次逆变驱动设计3 8 通讯接口电路4 0 人机交互系统设计4 2 硬件抗干扰设计4 3 3 7 1 电网输入端的抗干扰措施4 4 3 7 2 焊枪开关的抗干扰处理4 5 本章小结4 6 控制系统的软件设计及程序结构4 7 山东大学硕士学位论文 4 1d s p 开发环境。4 7 4 1 1c o d ew a r r i o ri d e 4 7 4 1 2p r o c e s s o re x p e r t 软件开发包4 8 4 2 程序设计4 9 4 2 1 系统流程图4 9 4 2 2 两步和四步工作方式5 0 4 3 控制算法51 4 4 软件抗干扰5 3 4 4 1 软件滤波5 3 4 4 2 软件的其他抗干扰设计5 4 4 5 本章小结。5 5 第五章系统实现及试验结果5 7 5 1 系统实现5 7 5 1 1 控制面板5 7 5 1 2 工作时序5 8 5 2 工作波形分析5 8 5 2 1 焊接电流波形5 9 5 2 2 一次逆变和二次逆变电流对比6 0 5 3 电弧的稳定性分析6 l 5 4 试验结果6 2 5 4 1 正负半波电流占空比和焊接效果的关系6 2 5 4 2 正负半波电流幅值和焊接效果的关系6 4 5 4 3 现场试验焊缝效果6 4 5 5 本章小结6 5 第六章总结与展望。6 7 附录a ：p i 控制子程序6 9 附录b ：试验环境及相关试验设备7 5 参考文献7 7 致谢8 1 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录8 3 i i i 山东大学硕士学位论文 山东大学硕士学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) i i i l i s to fa b b r e v i a t i v ew o r d s v c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n do f l l l ep a p e r 1 1 2c h a r a c t e r i s t i co f a r g o na r cw e l d i n g 1 1 3d e v e l o p m e n to f a l u m i n u ma l l o yw e l d i n g 2 1 - 3 1d c e nt i gw e l d i n gp o w e r 3 1 ：；2d c e pt i gw e l d i n gp o w e r 3 1 3 3s i n e - w a v et i gw e l d i n gp o w e r 3 1 3 4s q u a r e - w a v et i gw e l d i n gp o w e r 。4 1 ：；5v a r i a b l ep o l a r i t yw e l d i n gp o w e r 4 1 4r e s e a r c ho nv a r i a b l ep o l a r i t yt i gw e l d i n gp o w e ra th o m ea n da b r o a d 5 1 5m a i nt a s ka n da r r a n g e m e n t 6 c h a p t e r2c i r c u i td e s i g na n dr e a r c h 7 2 1o u t l i n eo fm a i nc i r c u i t 7 2 2s t r u c t u r eo fm a i nc i r c u i t 7 2 2 1f i r s ti n v e r t e rc i r c u i t 7 2 2 2s e c o n di n v e r t e rc i r c u i t 。1 1 2 3c i r c u i ts i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t 1 2 2 3 1s i m u l a t i o ns o f t w a r e 1 2 2 - 3 2s i m u l a t i o no fi n p u tr e c t i f i c a t i o nc i r c u i t 1 3 2 ：；3s i m u l a t i o no fs o f t 。s w i t c h 1 4 2 3 4e x p e r i m e n tv e r i f i c a t i o n 1 6 2 4t h es t e a d ya r cc i r c u i t 17 2 4 1p h y s i c a lf o u n d a t i o no f a r c 1 7 2 4 2c h a r a c t e r i s t i co f a ca r c 19 v 山东大学硕士学位论文 2 4 3m o m e m o f s t e a d y a r cp u l s e 2 1 2 4 4c i r c u i tt o p o l o g yo fs t e a d ya r c 2 3 2 4 5a c t i v es t a t u sa n a l y s i sa n dc a c u l a t i o n 2 3 2 5p a r a m e t e r sc a c u l a t i o na n dc o m p o n e m sc h o i c e 2 4 2 5 1i n p u tp a r a m e t e r s 2 4 2 5 2t l l r e e p h a s er e c t i f i c a t i o nm o d u l ec a c u l a t i o n 2 5 2 5 3f i l t e re l e c t r i cc a p a c i t ya n dr e s i s t a n c e 2 6 2 5 4m a i nt r a n s f o r m e rd e s i g n 2 6 2 ! i 5p o w e rm o d u l ec a c u l a t i o n 2 8 2 6c h a p t e rs u m m a r y 3 0 c h a p t e r3h a r d w a r ed e s i g no fc o n t r o ls y s t e m 3 1 ：；1b l o c kd i a g r a mo f c o n t r o ls y s t e m 3 1 3 2c o n t r o lc h i ps e l e c t i o n 31 3 2 1d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 31 ：；2 2m i c r oc o n t r o lu n i t 3 3 3 3h a r d w a r es y s t e mi m p l e m e n t 3 5 3 3 1w e l d i n gc u r r e ms a m p l i n g 3 5 3 3 2w e l d i n gv o l t a g es a m p l i n g 3 6 3 3 3c u r r e n tp w mc o n t r o lc i r c r u i t 3 6 ：；4d r i v ec i r c u i tr e s e a r c ha n ds e l e c t i o n 3 7 ：；4 1f i r s ti n v e r t e rd r i v ec i r c u i t 3 7 ：；4 2s e c o n di n v e r t e rd r i v ec i r c u i t 3 8 3 5c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i t 4 0 3 6h u m a n - m a c h i n ei n t e r a c t i o ns y s t e m 4 2 3 7a n t i i n t e r f e r eh a r d w a r ed e s i g n 4 3 3 7 1a n t i i n t e r f e r ed e s i g no f w e l d i n gm a c h i n ea tg r i d 4 4 3 7 2a n t i - i n t e r f e r ed e s i g no f w e l d i n gt o r c hs w i t c h 4 5 3 8c h a p t e rs u m m a r y 4 6 c h a p t e r4s o f t w a r ed e s i g no fc o n t r o ls y s t e m 4 7 山东大学硕士学位论文 4 1t h ei n t r o d u c t i o no fd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t 4 7 4 1 1c o d ew a r r i o ri d e 4 7 4 1 2p r o c e s s o re x p e r t 4 8 4 2p r o g r a md e s i g n 4 9 4 2 1s y s t e mf l o wd i a g r a m 4 9 4 2 2t w os t e pa n df o u rs t e pw o r km o d e 5 0 4 3c o n t r o la l g o r i t h m 51 4 4s o f t w a r ea n t i i n t e r f e r e 5 3 4 4 1s o f t w a r ef i l t e r 5 3 4 4 2a n o t h e rs o f t w a r ef i l t e r 5 4 4 5c h a p t e rs u m m a r y 5 5 c h a p t e r5 s y s t e md e b u g g i n ga n de x p e r i m e n t 5 7 1 i 1s y s t e md e b u g g i n g 5 7 1 ；1 1c o n t r o lb o a r d 5 7 5 1 2w o r kt i m es e q u e n c e 5 8 5 2w a v e f o r ma n a l y s i s 5 8 5 2 1w e l d i n gc u r r e n tw a v e f o r m 5 9 5 2 2c u r r e n tw a v e f o r mo ff i r s ti n v e r t e ra n d s e c o n di n v e r t e r t 6 0 5 3s t a b i l i t ya n a l y s i s 6 1 5 4e x p e r i m e n tr e s u l t s 6 2 5 4 1p l u s m i n u sh a l f - w a v ec u r r e n td u t y f a c t o ra n dw e l d i n ge f f e c t 。6 2 5 4 2p l u s m i n u sh a l f - w a v ec u r r e n ta m p l i t u d ea n dw e l d i n ge f f e c t 6 4 1 ；4 3e f f e c to f w e l d i n g 6 4 5 5c h a p t e rs u m m a r y 6 5 c h a p t e r6s u m m a r ya n ds c o p e 6 7 a d d e n d u ma ：p ic o n t r o lp r o g r a m 6 9 a d d e n d u mb ：e x p e r i m e n te n v i r o m e n ta n de q u i p m e n t 。7 5 r e f e r e n c e s 7 7 a c 】l 【n o w l e d g e m e n t s 8 1 p u b l i s h e dp a p e r s 。8 3 v i i 山东大学硕士学位论文 山东大学硕士学位论文 摘要 数字化逆变弧焊电源可靠性高、控制灵活、易方便升级，成为焊机的发展 方向，推动了焊接产业的巨大发展。数字化变极性电源具有阴极雾化效果好， 钨极烧损少的突出优点，是目前焊接铝合金最理想的焊接方法。 交流电弧在过零点时需要重新引弧，因而重新引弧的稳定性成为变极性电 弧最重要的性能，本文在阅读大量电弧相关文献基础上，对电弧重新引弧时的 状态进行了初步探讨，初步提出了引弧电压及引弧时刻与焊接电流的关系，设 计了一种稳弧电路较好地解决了变极性电弧在小电流情况下的稳定性问题。 本文详细论述了铝合金焊接的发展历程和变极性电源的国内外研究现状， 提出了一种采用两次逆变结构的主回路实现方法：一次逆变拓扑形式采用改进 的相移谐振软开关方式，二次逆变采用串联稳弧电感的全桥结构。通过仿真及 实验对比得出所提出的软开关结构能够有效降低功率器件的功耗。根据焊机的 输入参数对主要元器件进行了计算和选择，并通过热相图分析，验证了采用的 软开关电路的正确性。 控制部分采用“m c u + d s p ”双机控制系统。选用a t m e g a 6 4 l 作为单片机 控制系统的主芯片，主要负责系统的总体管理，给定参数，与d s p 以及上位机 进行通信、传递数据，实时显示焊接数据。选用m c 5 6 f 8 3 4 6 作为d s p 控制系 统主芯片，主要负责焊接电流、焊接电压的反馈和闭环p i 运算以及控制焊接时 序，以确保良好的电源外特性输出。 主控板和前面板之间通过r s 4 8 5 协议来交换数据，解决了光耦对数据传输 过程中的延迟问题。设计了专门的滤波电路，有效抑制了逆变弧焊电源带来的 电磁干扰，并通过e m c 测试，满足欧盟标准。 通过软件设计，实现了对焊接参数和焊接过程的精确控制。利用数字滤波 的软件抗干扰技术，提高了系统的稳定性。 本文研究了变极性t i g 电源波形参数对焊接效果的影响，对不同参数时的 焊接电流、电压波形及焊缝成型进行分析，通过实验和实际应用验证，本课题 设计的变极性电源可以取得良好的焊接效果。 本文的不足之处在于虽然给出了交流电弧过零时刻的电弧模型，但仅进行 i 山东大学硕士学位论文 了初步探讨，对电弧模型的描述还不是非常准确，需要进一步研究。 关键词：氩弧焊；变极| 生；数字化；逆变；软开关技术 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i g i t a li n v e r t e rw e l d i n gp o w e rs o u r c eh a sb e c o m et h ed e v e l o p m e n t a ld i r e c t i o n o fw e l d i n gm a c h i n e st op r o m o t et h eg r e a td e v e l o p m e n to ft h ew e l d i n gi n d u s t r y , b e c a u s eo fi t sh i 【g hr e l i a b i l i t y , a c c u r a c ya n df l e x i b l ec o n t r o la n de a s i l yt e n d i n gt ob e u p g r a d e d d i g i t a lv a r i a b l ep o l a r i t yp o w e rs o u r c ep o s s e s s e st h ec a t h o d ea t o m i z a t i o n e f f e c ta n dt h eo u t s t a n d i n gm e r i t so fs m a l lt u n g s t e nb u r n i n g ，s oi ti st h ep e r f e c t w e l d i n gm e t h o df o rw e l d i n ga l u m i n u ma l l o ya tt h ep r e s e n t t i m e a ca r cn e e dt or e s t a r ta r ca tz e r oc r o s s i n g ，t h u st h es t a b i l i t yo fr e s t r i c ta r ci st h e m o s ti m p o r t a n tp e r f o r m a n c eo fv a r i a b l ep o l a r i t ya r c b a s e do nal a r g en u m b e ro f r e l e v a n ta r t i c l e so nt h ea r c ，t h es t a t eo fr e s t r i c ta r cw a sd i s c u s s e dt op r o p o s et h e r e l a t i o n s h i po fa r cv o l t a g ea n dt i m ea n dw e l d i n gc u r r e n t ，d e v i s i n gas t e a d ya r c c u r r e n tt ow e l ls o l v et h es t a b i l i t yo fv a r i a b l ep o l a r i t ya r ci ns m a l lc u r r e n tc o n d i t i o n t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fa l u m i n u mw e l d i n ga l l o ya n d c u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no fv a r i a b l ep o l a r i t yp o w e rs o u r c ea th o m ea n da b r o a d t h e s t r u c t u r eo fm a i nc i r c u i ti m p l e m e n t a t i o nm e t h o d so fs e c o n di n v e r t e rw a sp r o p o s e d ： p h a s es h i f tr e s o n a n ts o f t - s w i t c h i n gw a sa d o p t e db yf i r s ti n v e r t e rt o p o l o g i c a ls t r u c t u r e ， t h ew h o l eb r i d g es t r u c t u r ew i t hs e r i e ss t a b l ea r cb ys e c o n di n v e n e r s i m u l a t i o na n d c o m p a r i s o n c o n f i r m e dt h a t s o f t - s w i t c h i n g s t r u c t u r ec a n e f f e c t i v e l y r e d u c e c o n s u m p t i o no fp o w e rd e v i c e a c c o r d i n gt ot h ew e l d e ri n p u tp a r a m e t e r s ，t h ep r i m a r y c o m p o n e n t sw e r ec a l c u l a t e da n ds e l e c t e db yt h e r m a lp h a s ed i a g r a ma n a l y s i s ，w h i c h w e r ev e r i f i e dt h a tt h ej u n c t i o nt e m p e r a t u r eo fs e l e c t e dp o w e rm o d u l e sm e e tt h e r e q u i r e m e n t s t h e “m c u + d s p ”d u a lc o n t r o ls y s t e mw a sa d o p t e db yc o n t r o lp a r t a t m e g a 6 4 l w a sc h o s e na st h em a i nc h i po fm c ut ob er e s p o n s i b l ef o rt h eo v e r a l lm a n a g e m e n t o ft h e s y s t e mt og i v e d e f i n i t ep a r a m e t e r sa n dc o m m u n i c a t ew i t hd s pa n dh o s t c o m p u t e ra n dt r a n s m i td a t aa n dd i s p l a yw e l d i n gd a t ai nr e a lt i m e m c 5 6 f 8 3 4 6w a s c h o s e na st h em a i nc h i po fd s pt ob er e s p o n s i b l ef o rt h ef e e d b a c ko fw e l d i n gc u r r e n t a n dw e l d i n gv o l t a g e ，c l o s el o o pp ia l g o r i t h ma n dw e l d i n gt i m es e q u e n c ec o n t r o l ，s o t h a tt h eg o o do u t p u tp e r f o r m a n c eo fp o w e rs o u r c ew a sc e r t i f i e d d a t ae x c h a n g et h r o u g hr s - 4 8 5p r o t o c o lb e t w e e nt h em a i nc o n t r o lb o a r da n d f r o n tp a n e lb ys a m p l i n gs p e e do p tc o u p l e r , s o l v i n gt h ep r o b l e mo ft h ed a t at r a n s f e r i i i 山东大学硕士学位论文 d e l a y as p e c i a lf i l t e rc i r c u i tw a sd e s i g n e dt or e d u c et h eg r i dd i s t u r b a n c e ，p a s s i n ga s p e c i a le m c t e s tt om e e te u r o p e a ns t a n d a r d s t h ep ir e g u l a t i o no fw e l d i n gp a r a m e t e r sa n dp r e c i s ec o n t r o lo fw e l d i n gp r o c e s s w e r ei m p l e m e n t e dt h r o u g hs o f t w a r ed e s i g n t h es y s t e ms t a b i l i t yw a si m p r o v e db y d i g i t a lf i l t e r i n gs o f t w a r ei n t e r f e r e n c er e s i s tt e c h n o l o g y b a s e do nt h ew a v e f o r ma n a l y s i so fw e l d i n gc u r r e n ta n dv o l t a g e ，t h ei n f l u e n c e o ft h ev a r i a b l ep o l a r i t yt i gw e l d i n gp o w e rs o u r c ew a v e f o r mp a r a m e t e r so nw e l d i n g e f f e c tw a sd i s c u s s e d t h r o u g ht h e w e l d i n gc u r r e n ta n dw e l dv o l t a g ew a v e f o r m a n a l y s i sw i t hd i f f e r e n tp a r a m e t e r s ，t e s ta n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o nc o n f i r m e dt h a tt h e v a r i a b l ep o l a r i t yw e l d i n gp o w e rs o u r c ec a na c h i e v eg o o dr e s u l t s t h ed e f i c i e n c i e so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ：a ca r cm o d e la tz e r oc r o s s i n g p o i n tw a sp r o p o s e d ，b u ti tw a so n l yap r e l i m i n a r ys t u d y ；t h ed e s c r i p t i o no ft h ea r c m o d e lw a sn o tv e r ya c c u r a t e ，r e q u i r i n gf u r t h e rs t u d y k e y w o r d s ：t i g ；v a r i a b l ep o l a r i t y ；d i g i t a l ；i n v e r t e r ；s o f t - s w i t c h t i g m c u d s p d | k 们 d c e n d c e p j t a g i g b t p w m e m c e m i 山东大学硕士学位论文 缩略词注释表 t u n g s t e ni n e r tg a s m i c r oc o n t r o l l e ru n i t d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r d i g i t a l a n a l o gc o n v e r t e r a n a l o g d i g i t a lc o n v e r t e r d i r e c tc u r r e n te l e c t r o d en e g a t i v e d i r e c tc u r r e n te l e c t r o d ep o s i t i v e j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n e l e c t r om a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y e l e c t r om a g n e t i ci n t e r f e r e n c e 钨极氩弧焊 微控制器 数字信号处理器 数模转换器 模数转换器 直流钨极接负 直流钨极接正 联合测试行动小组 绝缘栅双极型功率管 脉冲宽度调制 电磁兼容 电磁干扰 v 山东大学硕士学位论文 山东大学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 铝是一种应用非常广泛的金属，从诞生到现在有2 0 0 年历史。因其具有一 系列无可比拟的优点，因而发展十分迅猛。1 9 4 0 年全球的铝产量仅1 百万吨， 1 9 7 0 年猛增至l 千万吨，1 9 8 5 年达2 千万吨，2 0 0 0 年超过2 千4 百万吨【l j 。 目前铝合金在航空航天工业、车辆船舶工业、医药化工、国防军事及民用 工业等领域具有重要地位，随着科学技术的发展，轻质量、高强度金属材料越 来越多的得到应用。 铝合金具有以下一些焊接性能【2 】= ( 1 ) 铝及其合金非常容易与氧作用，在表面生成一层致密难熔的氧化膜 彳厶q ，厚度约o 1 - 0 2 微米，熔点高达2 0 5 0 。c ，比重为2 8 5 9 c m 3 妨碍了基本 金属的熔化，极易造成火渣，焊接时应把氧化膜清除掉。 ( 2 ) 液态铝合金可以熔解大量氢气，固态铝却几乎不熔解氢，因此，焊接 时液态铝合金快速冷却凝固，极易产生气孔。 ( 3 ) 铝合金的线膨胀系数和结晶收缩率比钢大两倍，易产生较大的焊接变 形和内应力，产生裂纹。 ( 4 ) 导热率高，具有较高的导热性和热容量，因此在铝及其合金焊接时， 要求采用能量集中的强热源。 ( 5 ) 高温强度和塑性低，常常不能支持液体熔池金属的重量，焊缝成形不 易控制，易焊穿。 ( 6 ) 固液态转变时无颜色变化，焊接时掌握加热温度很困难。 针对铝及其合金的特殊物理性质，对焊接设备及工艺