熊谷DPS-500P全数字多功能管道焊机诞生记

1、十年铸剑，十年成长熊谷DPS-500P全数字多功能管道焊机诞生记文：成都熊谷加世电器有限公司何亚宁十年，不过是时间长河里的惊鸿一瞥，却也是人生的一段重要旅程。十年，可以平平淡淡波澜不惊的度过，也可以风起云涌波澜壮阔的度过。古人云，十年一觉扬州梦，十年离别故人稀，十年生死两茫茫回顾自己的这个十年，算是十年艰辛铸一剑吧。不管如何，十年的流逝总免不了让人感伤，十年霜鬓不禁秋，人生又能有几个十年？2008年，不满四十，带着在晨星半导体公司学习的芯片设计技能回到家乡。股票海外上市，已是设计经理的自己，握有4倍于普通工程师的原始股，在当时可以说财务基本无忧。游山玩水，就这样无忧无虑的过了大半年。但渐渐的，

2、我开始倦怠这种平淡如水的日子，内心有一种声音越来越强烈，这么年轻，应该运用所学做点更有价值的事情！由于在熊谷初创时，我曾在公司从事过一段时间的技术工作，多年来与熊总一直保持着联系，恰好在这个茫然期，熊总问我有没有兴趣在弧焊电源领域施展一番。由于之前设计的都是小功率的电源芯片或应用系统，我决定还是先学习了解一下弧焊电源领域的基础知识，调研一下技术、市场再说。调研的结果令人沮丧，不仅过去专业上的知音没有勇气参与这项新事业，连远在浙江的忘年交朋友，电源学会的秘书长杨工也告诫我搞弧焊电源吃力不讨好，因为电弧是时变强非线性负载，小心把自己搞砸了。但在仔细阅读了熊总大学时学习的焊接教科书，并查阅了大量国内

3、外的相关文献后，我感觉还是有超过50%的成功可能。在探索未知的强烈求知欲和兴趣的推动下，2009年5月，我正式接下了熊谷数字化脉冲焊机DPS-500研制的任务，并制定了阶段项目设计和开发计划书。得益于三年芯片正向设计的严格训练，在设计DPS-500的初期就采用了自上而下的设计流程。由焊接工艺对焊接电源的要求提出焊机的系统指标，进而得出具体的电路指标。运用模块化的设计方法，把项目分为逆变电源设计和焊接工艺控制算法设计两大部分。逆变电源设计又分为电路部分设计和磁性器件设计两大模块。充分运用计算机EDA技术，使之在产品前期的功能实现，性能优化，安全可靠性设计中发挥了巨大的作用，并提高了研发速度。足規

4、选魁P-GMAW焊接控制京蝕仙貞逆龙电跨功能段性施仿n电時拓扑姿敌讣舁1-捽制歼确设计电跻交流小信号模舉H1踣蹄态丈信号楼型器件选塑器件模型】：.变仏器縮出屯感谐振电感逆交电卅建横P-GMAW悍轅抹制党法紐按逆变电幽说讣P-GMAW焊炊控制ffstmi-DPS-500样ULtUliiJDPS500整机覘搭电路部分磁性血件研制开关频率更高的逆变焊机，提高焊接系统动特性和控制精度，一直是逆变焊机的发展方向。但在十年前，受功率半导体器件及磁性元件的性能限制，选择50KHZ的高开关频率却需要很大的勇气，面临极大的技术挑战，也具有相当的战略风险。在前期调研中，我们了解到，当时世界上性能最好的MIG/MA

5、G焊机FroniusTPS4000为70kHz，采用了MOSFET功率器件，而市场上采用IGBT的50kHz/500A成熟逆变焊机则完全是空白。在大家犹豫不决时，熊总一锤定音，大胆支持了创新与挑战。通过优选适合工艺的高速IGBT模块、快恢复二极管模块、变压器磁芯、输出电抗器磁芯、谐振电感磁芯，优化设计PWM控制环路参数，最终实现了50kHz/500A的逆变器，大幅提高了当时国内逆变焊机的动特性和可控性水平，为满足X80以上高强管线钢的焊接打造了优良的基础平台。2018年在中国电源学会的年会上，我与一位来自西安的电力电子老专家聊起此事，他说即使在今天，用IGBT实现50kHz/500A的逆变电源

6、也不容易听到此话，我感到一切的努力都值了。DPS-500的研发大量采用了当时前沿的计算机建模仿真技术,建立了50kHz/500A逆变器的电路仿真模型和焊接工艺控制算法的仿真模型。而在十年前，将计算机仿真技术应用到焊接电源设计，还多停留在高校学术界的理论研究和论文上，工业界焊机制造企业真正付诸实践的几乎没有，即使是今天也极罕见。我分别建立了DPS-500逆变电源的交流小信号模型和动态大信号模型。小信号模型用来研究控制环路的稳定性、快速性，指导斜率补偿和频率补偿器的优化设计。后期实践证明，依据小信号模型可以实现逆变弧焊电源的最优化设计，使系统从最小输出电流到最大输出电流都实现了较好的稳定性、稳态性

7、能以及动态响应性能，相关成果峰值电流模式逆变焊接电源的完整小信号模型及控制环路设计发表在国家一级学术期刊焊接学报201601期上，被美国EI收录。这是熊谷公司的论文首次登上国家一级学术期刊。动态大信号模型用来研究弧焊电源的时域特性，相当于建立了一台计算机虚拟的逆变弧焊电源。为此，基于平台，我先后建立了移相全桥PWM控制芯片的行为模型，IGBT驱动器模型，主变压器的线性化模型，IGBT模块及功率二极管的模型等。为使仿真能够有效指导系统开发,IGBT模块的精确建模成为最核心的问题，也是最大的难点。IGBT模块通常采用芯片并联以达到较高的电流容量,精确的仿真模型由芯片的物理模型与采用3D电磁场仿真软

8、件提取的封装寄生参数模型组合而成。由于模型涉及芯片或模块厂商的核心技术，我们很难获得芯片的工艺及详细的电特性参数，也不具备芯片级测试的条件。为解决这些问题，我提出一种功率半导体模块建模的高效方法：首先，把并联的芯片组整体视为一个功率器件，利用厂家提供的模块数据手册或自行测试的数据建立器件模型。我们先后与宏微、斯达、西门康合作测试了IGBT模块和二极管模块的静态与动态特性，我自己搭建了双脉冲动态测试平台及功率器件非线性电容测试电路，利用这些测试数据，提取功率半导体器件的模型参数，分别建立了IGBT器件的行为模型，基于物理的功率二极管解析模型。接着，建立模块封装互联寄生参数模型，运用部分单元等效电

9、路PEEC原理，将模块里封装互连的各导体拆分为部分单元，筛选出几何同构的一个单元，运用有限元电磁场数值分析软件提取该单元的寄生电感电阻参数；个别简单规则的导体则采用解析法快速计算。然后，把各个部分单元的寄生电感电阻参数合并与约减。模型还整合了基于矩量法MoM提取的结构寄生电容，满足共模EMI的系统仿真。由于开关频率高，磁性器件的设计也面临了诸多挑战。我通过优选磁性材料和精细计算，并参考了大量中外文献，采用解析法评估磁性器件的温升，最终设计出了合理的主变压器、交流谐振电抗器及直流输出电抗器。弧焊工艺的发展对弧焊电源的动特性提出了越来越高的要求，弧焊电源动特性的优劣也直接影响着电弧传感器的性能。采

10、用较高的开关频率，从而提高环路增益的过零交越频率，显著提高了逆变弧焊电源的动态响应。然而，DPS-5OO更高的开关频率会导致更高的电压变化率du/dt和电流变化率di/dt，使杂散电感的影响变得更加显著，不仅带来严重的电磁干扰，甚至导致功率半导体器件过压损坏。为解决这些问题，基于高频逆变弧焊电源主电路模块化的思想，我们创新性的设计了一体化的叠层母线，将母线直流电压支撑电容，均压电阻，专利的软起动电路，IGBT模块，三相整流器模块连接为一体，不仅获得了更好的电特性和热特性，也更便于生产和维护。同样，我运用有限元电磁场数值分析软件，对叠层母线进行了电磁场的三维数字仿真，提取包含电感L、电阻R、电容

11、C、电导G寄生参数的多端口电路模型。为验证模型的正确性，使用阻抗谐振测量法和双脉冲动态测试法，分别通过协仿真和实测获取叠层母线寄生参数的作用效应，提取叠层母线的杂散电感，从频域和时域的不同角度相互印证叠层母线多端口电路模型的正确性。汇聚这些理论成果的最新论文高频逆变弧焊电源的叠层母线的设计建模与验证也已被国家一级学术期刊焊接学报录用，将在今年的期刊上公开发表。我还设计了创新的峰值电流采样及其信号处理电路，消除由于普通电流互感器的检测误差对峰值电流模式控制环路稳定性的影响，减少普通电流互感器由于可能的偏磁和饱和，不能正确检测电流信号的问题；在信号处理方面，解决目前绝大多数电压模式绝对值电路不能适

12、用于高频中、大功率全桥开关变换器开关管瞬态电流采样信号处理的问题，同时使电流采样电路与信号处理电路可以共地，且电路简单，成本低。该成果“用于全桥开关变换器的峰值电流采样及其信号处理电路”获得发明专利授权（授权公告号：CN104242659B授权公告日：2017.02.15），同样获得发明专利授权还有“一种开机浪涌电流抑制电路”（授权公告号：CN103762835B授权公告日：2016.01.20）。这两项发明专利结束了熊谷公司没有电路发明专利的历史，在此后的项目申报及招投标中发挥了积极的作用。在焊接工艺控制算法的设计上，同样采用了当时最先进的建模仿真方法。2010年3月，随着另一名能力出众的软

13、件工程师的加入，我们展开了大量的焊接工艺控制算法研究工作。首先，建立描述熔化极气保焊GMAW过程的数学模型，主要包括电路模型（包含焊接电源、电缆、电极、电弧）、熔滴力学模型、电极的熔化率模型等，进而建立焊接控制的数学模型，包括内环电流电压控制模型、弧长控制模型、金属过渡控制模型、波形发生模型。最后，通过仿真和实测相结合来验证、修正和优化控制算法。仿真的介入减少了后期试焊次数，提高了试验的针对性。我们利用先进的高速摄像系统，结合自主研制的高速数据采集装置建立了焊接试验平台，进行了大量试验，对各种不同控制和过渡方式下的熔滴、熔池和电弧的特性进行了深入的研究，积累了大量数据，为建立并不断丰富焊接专家

14、系统打下了基础。从2013年开始，为配合金属粉芯焊丝进行X80管道根焊，我们自主开发了PSTtM青确电弧控制技术，这是一种短路过渡控制方法，利用紧凑的dsp控制平台的高精度采样、低延时特性，独有的控制算法，和经过大量试验得到的专家库，由纯软件监测和控制从短路到燃弧的整个过程，精确控制电流和电压波形，将飞溅降至很低水平，得到大且可控的熔深和易于控制的熔池，并且由于软件控制的灵活性可适应不断出现的新材料，在性能、适应能力和成本方面都优于国内外已有的类似功能的产品，在各个位置都非常易于操作并实现优良的背面成型。为配合DPS-500在管道双枪自动焊的应用，我们又开展了低电压脉冲技术及DPS-500内置

15、电弧跟踪传感器的相关研究，并取得了一定的成果。传统脉冲焊机在进行全位置焊接时往往存在热输入量过大，焊接速度慢，成型差等问题，如果要保证较快的焊接速度和合适的热输入量，需要快速的熔滴过渡频率，较小的溶滴尺寸，和较短的电弧。DPS-500焊机针对全位置焊接，采用了独特的脉冲控制方式，利用高速DSP采集和监测短路和燃弧过程中的电信号，并通过自主研发的控制算法实时调整脉冲参数，可以得到电压低，熔深大，电弧稳定，飞溅小的脉冲焊接，搭配内置的一元化专家数据库及自动焊杆伸高度跟踪，可以轻松控制热输入量，熔深及焊缝成型，实现良好的全位置焊接效果。目前能在长输管道上应用的全自动焊接厂家所搭配的焊接电源品牌有Fr

16、onius，miller，熊谷。只有熊谷公司实现了全自动焊接系统+全数字化焊接电源的自主国产化，且焊接成型和电弧性能不亚于进口品牌电源，在泰国5线严格的检测环境下，合格率始终保持在98.6%以上，创造了全位置自动焊合格率新高。截止目前，DPS-500P全数字化焊接电源已成功服役中俄东线，陕京四线，鄂安沧线，新气线，泰国五线等重大长输管线，性能和可靠性得到了业界的高度认可。随着DPS-500在管道双枪自动焊的大量应用，开始出现一些野外施工的工程适应性方面的特殊问题，特别是电网电压超过设计规范（+20%，-15%），发电机的最大输入视在功率远低于DPS-500的需求等问题引发的故障。此时，熊谷年轻的工程师开始挑起责任，在指导下大胆的进行试验，解决了如空载损耗大，高网压适应性等工程技术问题，使DPS-500进一步走向完善。十年铸剑十年成长，十年心