逆变点焊电源软开关的数字控制

1、逆变点焊电源软开关的数字控制        摘要：数字信号处理器(dsp)具有高速运算特性及独特的结构，其在逆变点焊电源领域中的应用研究已引起人们的关注。采用ti& 司的tms320lf2407a芯片为全桥移相零电压点焊逆变电路提供pwm驱动脉冲。分析表明：利用软件编程可对pwm方波脉冲的频率、移相角及死区时间进行灵活的设定和修改，可对焊接电流、电弧电压采样实现系统的数字控制。硬件，软件测试结果与专用移相控制芯片进行了对比验证。关键词：逆变点焊电源；数字信号处理器；pwm方波：数字控制中国分类号：tg438

2、2：tp2735 文献标识码：b在航空和汽车等制造行业，逆变点焊电源以其焊接变压器轻小、动态响应速度快、控制精度高、焊接电流脉动小、热效率高、电网三相平衡、无次级感抗及功率因数高等优点得到了日益广泛的应用。但传统的逆变电源多为模拟控制或者模拟与数字相结合的控制系统虽然模拟控制技术已经非常成熟但其存在很多固有的缺点如控制电路的元器件较多、灵活性不够、不便于调试等 。而焊接是强非线性、强耦合性、多变性和复杂性的过程，若采用数字化控制技术代替传统的模拟控制技术，充分利用逆变主电路准数字化的特点，可以提高焊接质量，促进焊接电源的发展。数字信号处理器(dsp)用于工业控制近几年来发展非常迅速，控制理论及

3、新型控制算法和方案的提出，强大的数据处理能力和快速运算能力都为焊接信号的实时处理提供了技术基础，促进了焊接电源实现数字化。从国内外各高校及研究所的研究成果来看dsp在焊接领域已有不少的应用。在此分析讨论了零电压开关脉宽调制(zvspwm)逆变点焊电源的工作原理及pwm方波产生的机理并在此基础上对逆变点焊电源的数字控制进行了研究。1 逆变点焊电源主电路工作原理l_1 主电路工作原理零电压开关(zvs)逆变点焊电源主电路包括输入整流滤波电路、软开关逆变器、中频变压器和输出整流滤波电路等，其核心是由4只功率开关管及其并联的二极管和电容组成的软开关逆变器如图1a所示。图1a中，定义先导通的开关管q 和

4、q，组成的桥臂为超前桥臂，滞后导通管q 和q 组成滞后桥臂。q ，q，和q ，q 分别轮流导通180。，其中q 和q3的导通时刻不收稿日期：20070316：修回日期：20070714变，控制q 和q ，使q ，q 和q3，q 的导通相差在0。-180。之间变化，开关管重叠导通时间的长短决定了逆变器输出的大小。如图1b所示，当q 先开通，经移相 后开通q ，关断q 后，一次侧电流从q 中转移到c 和c3支路中，给c 充电，同时给c3放电，由于c 两端电压不能突变，q 是零电压关断。当c3的电压下降到零，d，自然导通，d，的导通使q，两端电压近似为零，为q，提供了零电压开通的条件嘲。滞后臂管子的

5、开关原理与此类似(a)软开关点焊逆变电源主电路(b)igbt驱动波形图1 逆变器主电路和igbt驱动波形weldinz technology vol_36 no5 oct2007 ·焊接设备与材料· 41主电路中分别给4只开关管并联了电容c。g，实现开关管的软开关。控制策略上如果采用传统的pwm控制方式即斜对角的2只开关管同时开通和关断， 由于会出现4只开关管全部处于关断的状态，其并联电容就会与漏感产生谐振。那么，当斜对角开关管开通时并联电容上的电压可能不为零，其电荷就直接通过开关管释放。电容的能量将全部消耗在开关管中，且在开关管中还将产生开通电流尖峰。开关管不能实现软开关

6、。因此，采用了图1b所示的斜对角2只开关管错开切换的移相pwm控制。12 死区时间为实现开关管的零电压开通。必须有足够的电路谐振能量来抽走将要开通的开关管的谐振缓冲电容上的电荷，并给同一桥臂将要关断开关管的并联谐振电容充电。当谐振电容充放电结束要开通开关管的反并联二极管，将开关管两端电压箝至接近零位时，驱动开关管，即可实现零电压开通。所以要实现开关管的零电压开通除了要有足够的能量来抽走并联电容上的电荷既要满足一定的能量条件，又必须满足一定的时间条件。可见，在软开关逆变点焊电源中，死区时间一方面可以防止同一桥臂的2只开关管发生直通现象。同时也是为了满足开关管零电压换流的时间条件。超 &

7、#160;       前臂和滞后臂的谐振换流能量来源是不一样的。对于超前臂而言，变压器二次回路的等效电感厶和一次漏感 共同参与谐振。能量较大，容易实现零电压开关。而滞后臂的谐振能量只由一次漏感 提供。二次回路的等效电感不参与谐振，显然滞后臂实现零电压开关要困难一些。因此在设计计算两桥臂的死区时间时，只要满足了滞后臂的时间条件。也就确保了超前臂的时间条件。2 驱动方波的产生与控制21 pwm方波系统采用tms320lf2407a dsp为控制核心，该控制器的工作电压为33 v，指令执行速度最高可达到40 mips，高性能10位模数转换

8、器(adc)的转换时间为500 n8，提供多达l6路的模拟输入。在逆变电源系统中dsp的作用是产生输出pwm波形、对反馈电压进行ad采样并实时监测电压波动情况，调整输出pwm波形占空比。稳定输出电压。利用dsp的事件管理器模块，通过软件算法可以使其输出移相pwm波形。2个事件管理器模块的比较单元能同时输出6对独立的pwm波形，通过对死区单元寄存器进行赋值可得n0128的死区时间。在比较单元中的比较操作，为通用定时器的计数器持续与比较寄存器的值进行比较，当一个匹配产生时。比较单元的输出按照动作控制寄存器(actra)中的位进行跳变，即或者从高有效跳变为低有效或者从低有效跳变为高有效。在跳变为高有

9、效或低有效后。此状态一直保持到另一个匹配的产生3。此时比较单元的输出又发生跳变，依此dsp可连续输出有一定脉宽且高低有效的方波。pwm波产生原理如图2所示。由图可见产生比较匹配时则发生输出跳变。此模式下，在一个定时器周期内发生2次比较中断。即产生对称pwm波形。l一定时器周期_j比较匹配点 圈2 带有死区的p1 m波形产生原理圈22 软件控制设计主电路中4只功率开关管之间的驱动脉冲有严格的时序要求。编写程序时应注意dsp各寄存器的初始化。程序流程如图3所示。dsp中adc模块对中频变压器一次侧电流及输出电压进行采样。实现电源的双闭环控制； 当要产生的波形其占空比不同时，只需在线计算出相对于占空

10、比的宽度的值。并加载到比较寄存器中即可，即根据实际采样值。通过计算、修改软件而不断改变输出pwm方波的占空比，从而控制输出电压。开始调入头文件2407h系统寄存器初始化adc模块初始化eva和evb模块初始化分配i，o口采集电流、电压信号调用ad转换子程序dsp运算处理调整pwm波形图3 pwm信号流程图驱动igbt焊接完成?结柬3 pwm波形测试采用seedxds型仿真器对软件进行仿真调试。设定系统逆变频率为1 khz， 用tds2014型数字示波器测试dsp输出的pwm波形。图4和图5为实测dsp输出pwm波形及死区时间由图可见，波形1和2互补导通，波形3和4互补导通。波形1，3和波形2，

11、4之间有时延。因此，波形1，2，3，4分别对应图1b中的q ，q：，q 和q，波形，满足了软开关逆变点焊电源功率开关管的驱动时序要求。图6为通过修改程序得到的不同移相角及死区时间的波形。图7为专用移相控制芯片uc3875输出的移相pwm波形及死区时间波形。42 ·焊接设备与材料· 焊接技术 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 死区时间lits1，2，3，4- uge：5vdiv t：250 izsdiv(a)移相角180。波形1

12、，2，3，4一uge：5 vdiv t：5 izsdiv(b)无移相角且死区时间2 s图6 修改程序输出的pwm波形2341，2，3，4-uge：20 vdiv t：250 psdiv(a)输出的pwm波形1，2-uge： 10vdivt：1 sdiv(b)死区时间22 izs圉7 试验测得uc3875输出波形与专用移相控制芯片uc3875输出的波形对比分析及系统试验验证，dsp输出的pwm波形完全满足要求，通过修改软件即可得到不同的移相角及死区时间。4 结论选取能够实现逆变点焊电源功率开关管零电压开关的移相pwm控制模式。波形检测表明，dsp输出的pwm方波，可以满足零电压软开关逆变点焊电源逆变桥功率管的驱动时序