基于TMS320F2812的變極性弧焊電源

張 敏，趙敬云，姚秋鳳

(河南機電高等專科學校，河南 新鄉 453002)

基于TMS320F2812的變極性弧焊電源

張 敏，趙敬云，姚秋鳳

(河南機電高等專科學校，河南 新鄉 453002)

數字化是現代電源的發展趨勢，軟開關技術是當代電源技術的研究熱點，將兩者融合，設計了以DSP芯片TMS320F2812為核心的雙逆變控制系統。一次逆變采用移相全橋逆變電路軟開關技術實現輸出電流大小控制；二次逆變采用耦合電感的半橋逆變電路拓撲。該系統在具有良好的變極性輸出性能的同時，又具有硬件電路結構簡單、成本低、系統效率高等優點。使用DSP控制使焊機的可靠性得到提高，保證了焊縫成形美觀，實現了焊機數字化控制。

變極性電源；TMS320F2812；脈沖寬度調制；軟開關技術

0 前言

變極性電源是在交流方波電源基礎上發展起來的一種新型電源，通過調節正負半波時間比、幅值比，在保證陰極清理作用前提下，最大限度地減少負極性時間，使電弧具有直流正極性特點，從而獲得較大的熔深，提高生產率，延長鎢極壽命。通常變極性焊接電源是由一次逆變和二次逆變組成，一次逆變控制使弧焊電源具有快速響應特性，二次逆變控制使弧焊電源具有良好的變極性能力。

數字化是現代電源的發展趨勢，以DSP為控制核心的數字化弧焊電源已成為現代焊接設備的主要發展方向。軟開關技術是當代電源技術的研究熱點，將兩者融合，勢必極大地提高電源的效率，改善電源的控制精度。本研究的變極性弧焊電源控制系統以TI公司的TMS320F2812(F2812)數字信號處理器為核心，采用IGBT二次逆變技術，一次逆變采用移相式零電壓、零電流全橋逆變電路軟開關技術實現輸出電流大小控制；二次逆變采用半橋式電路實現極性轉換控制電流方向。

1 系統總體結構

基于DSP的雙逆變變極性電源控制系統是一個閉環控制系統。其功能包括：對變極性焊接電流輸出波形的控制、焊接工作程序控制以及電路保護、參數的設置與顯示、與計算機的通信等。

主電路分為一次逆變電路和二次逆變電路兩部分。一次逆變電路采用移相式零電壓、零電流全橋逆變電路，可以在很大程度上降低功率管的開關損耗，提高一次逆變的頻率，在很寬的負載范圍內實現軟開關的能力[1]。二次逆變電路采用變壓器帶中心抽頭的推挽式變換電路(PFM)，符合其大電流和低開關頻率的工作特性。兩次逆變主電路均采用功率IGBT模塊作為主控開關器件；中頻變壓器采用納米晶(超微晶)材料；IGBT模塊驅動電路采用EXB841電路，系統框圖如圖1所示。

圖1 總體結構框圖

2 硬件系統設計

2.1 DSP控制系統

該系統是以TMS320F2812芯片為核心的閉環控制系統，采用高性能靜態CMOS技術[2]，具有運算速度快、處理能力強、接口豐富等特點。通過內部通用定時器生成一次逆變PWM和二次逆變控制信號，可以實現系統的人機信息交互等開關量的給定與控制以及計算機串口通信等事務管理。

2.2 一次逆變電路

一次逆變電路采用移相式零電壓、零電流全橋逆變電路。主電路四個開關管(IGBT)的控制信號與移相全橋ZVS是完全一致，通過移相方式控制主電路的有效占空比。由VD整流成540 V直流電，再由IGBT模塊和Tr、隔直電容、飽和電抗器等組成軟開關DC／AC變換環節，將直流電變成頻率17 kHz、脈沖寬度可調的交流電；最后由中頻變壓器Tr1將能量傳遞到二次逆變電路。該設計運用軟開關技術，使得橋式變換器的兩個橋臂開關轉換能工作在零電壓、零電流下，具有較高動態響應特性的可控恒電流為二次逆變橋供電，電路原理如圖2所示。

圖2 一次逆變電路

由于控制系統要實時控制輸出電壓和輸出電流，這就要求TMS320F2812對給定信號和反饋型號進行及時處理，然后進行輸出控制。輸出信號(電流和電壓)由霍爾傳感器檢測，經A／D轉換器傳遞到DSP系統，由TMS320F2812進行信號處理，然后向PWM移相控制器UC3875發送控制信號，通過EXB841驅動電路控制IGBT模塊的導通或截止，從而實現一次逆變電路的恒電流閉環控制。ZVZCS的主要波形如圖3所示，Ug1～Ug4為四個功率管的驅動波形，Uo為整流濾波電壓，Ip為一次電流。

由圖3可知，滯后臂處于ZCS開通和ZCS關斷；超前臂ZVS開通，關斷靠并聯在管子上的電容實現近似ZVS關斷。

經ZVZCS PWM軟開關變換，輸出經過中頻變壓器實現阻抗和電壓匹配，經過整流濾波后成為具有較高動態響應特性的可控恒流或脈沖電源，為二次逆變供電。

圖3 ZVZCS的主要波形

2.3 二次逆變電路

二次逆變采用電路結構簡單、成本低、系統效率相對較高的半橋電路，電路原理如圖4所示。三相380 V電網電壓經過輸入整流、濾波，轉換為較為穩定的脈動直流電壓。經過一次全橋逆變電路的開關控制，得到方波交流電壓(頻率17 kHz，幅值537 V)，輸送到變壓器T1的一次線圈。經過變壓器的降壓作用，T1的二次線圈輸出方波交流電壓。DSP控制輸出波形，一次逆變和二次逆變同步工作，這樣就做到低頻方波交流電DCEP和DCEN電流幅值分別可調[3]。

圖4 二次逆變電路

VD1、VD2、VD3和VD4構成二次整流電路，T1的二次線圈輸出的方波交流電壓經過二次整流后轉換為30 kHz的脈沖直流電壓(幅值65 V)。L1、L2構成二次逆變電路中的續流耦合電感，起對輸出電流濾波、維持焊接電流連續的作用。開關管IGBT5、IGBT6構成二次逆變電路中的半橋逆變環節，通過續流耦合電感的作用和開關管的切換控制，最終得到變極性焊接電流波形。Rarc是焊接電弧的等效電阻，L0表示焊接電纜的回路電感以及串聯在輸出回路中的高頻引弧器二次電感的總和。

3 控制和脈沖寬度調整流程

在控制方面，采用了專為工業控制系統開發的DSP TMS320F2812(F2812)數字處理芯片，它能方便地對一、二次驅動信號進行協調控制，提高電源的安全性、穩定性和焊接質量。

DSP工業控制芯片TMS320F2812(F2812)是目前控制領域最先進的微處理器之一。它集成了兩個事件管理器EVA和EVB，每個包括：兩個16位通用定時器；8個16位的脈寬調制通道，16通道的A／D轉換器等。4個通用定時器分別用做一次逆變PWM的生成、二次逆變控制信號的生成、A／D轉換的定時、工作過程控制的所有定時。其中由定時器1控制的比較單元1生成相位互補的兩路二次逆變控制信號，經過電平轉換后直接傳送到二次驅動來控制二次逆變的功率開關管。定時器2生成頻率為20 kHz的PWM，經過IGBT模塊驅動電路EXB841送給一次逆變，控制一次逆變。

電源輸出電壓、輸出電流采用霍爾傳感器進行檢測，經過整流濾波后送入DSP。TMS320F2812對電壓、電流信號進行A／D采樣、PID運算后修改PWM值寄存器的值，從而實現對一次逆變輸出脈寬的控制，并根據焊接方法切換輸出電流極性，修改電流給定值，所有這些任務均在一個PWM控制周期內完成。

DSP產生PWM輸出過程中，每個系列DSP可產生多達16路的PWM輸出，故采用通用定時器的比較操作。因為每個通用定時器都有一個相關的比較寄存器和一個PWM輸出引腳。通用定時器的值總是與相關的比較寄存器的值進行比較，當定時計數器的值與比較寄存器的值相等時，就產生比較匹配。發生匹配后的一個CPU時鐘周期后，相關的PWM輸出將發生跳變。由于采用一系列等幅不等寬的矩形波代替正弦波，所以使通用定時器處于連續增／減計數模式下來產生對稱波形，通過比較產生所需脈寬脈沖的波形。軟件設計時，需要解決的關鍵問題是PWM與二次逆變控制信號的同步問題。同步問題的解決主要是通過DSP中通用定時器的同步來解決，通過正確的配置兩個通用定時器可實現同步[4]。

為了進一步說明電源的脈寬調制和變極性控制過程，可以參看二次逆變的信號控制過程，如圖5所示。圖中，tPP＝tBP，tPN＝tBN。在tPP時段，二次逆變產生正極性控制信號，而輸出電流的給定值為峰值電流，則電源輸出正極性峰值電流。PID控制算法對電流給定值和反饋采樣值進行運算得到一次逆變值寄存器的值，寫入值寄存器，從而實現輸出恒電流控制。tPP時段結束，控制程序根據tPP時段二次逆變控制信號的極性確定其在tPN時段為負極性，同時修改電流給定值。類似地，tPN時段結束，程序根據tPN時段二次逆變控制信號的極性確定其在tBP時段為正極性。如此循環，通過軟件可以控制輸出電流的大小和極性，從而得到變極性輸出的電流。

圖5 變極性控制示意

4 結論

將該設計用于WSE-300逆變電源樣機的試制中，在一次逆變變換中采用軟開關技術，超前臂和滯后臂有可調的死區時間，能夠保證橋臂均工作在ZVS或ZCS狀態，實現了一次逆變。在二次PWM驅動信號控制下，并聯橋臂變換得到低頻方波，二次逆變控制系統可以穩定工作。平均電流為25 A和100 A時的電流、電壓波形如圖6所示。

使用DSP控制的變極性焊接電源系統焊接電弧穩定，換向效果理想。在具有良好的變極性輸出性能的同時，又具有硬件電路結構簡單、成本低、系統效率高等優點。同時兼顧了“小電流焊接”情況下的電弧穩定性以及“大電流焊接”情況下二次逆變電路的安全性，使電源系統具有較寬的輸出電流調節范圍。

圖6 焊接電流、電壓波形

[1]初中原，沈錦飛.基于DSP的軟開關移相控制100 kHz逆變電源[J].電力電子技術，2008(1)：40-42.

[2]蘇奎峰.TMS320F2812原理與開發[M].北京：電子工業出版社，2005.

[3]李中友，劉秀忠.變極性方波電源的換向和控制[J].焊接學報，2002，23(2)：68-71.

[4]TMS320F2810，TMS320F2811，TMS320F2812，TMS320C210，TMS320C2811，TMS320C2812.Digital Signal Processodata manual SPRS170[Z].USA：Texas Instruments Inc，2007：3-5.

Study on variable polarity welding power source based on TMS320F2812

ZHANG Min，ZHAO Jing-yun，YAO qiu-feng
(He'nan Mechanical and Electrical Engineering College，Xinxiang 453002，China)

Digitalization is the trends of modern welding power source，soft-switching technology is the research focus of the modern welding power source technology research focus.This combination of the two，designed a TMS320F2812 DSP chip as the core of the dual inverter control system.An inverter with phase-shifted full-bridge inverter circuit output current soft-switching technology to achieve size control.Second inverter half-bridge inverter with coupled inductor topology.The system has good performance of variable polarity output，they also have a hardware circuit structure is simple，low cost，the system efficiency.With DSP control to improve the reliability of welding to ensure that the weld appearance，the basic realization of digital control of welding machine.

variable polarity power supply；TMS320F2812；pulse width modulation；soft switch technology

TG434

A

1001-2303(2011)07-0030-04

2011-01-26；

2011-03-02

張 敏(1973—)，女，河南新鄉人，工程師，碩士，主要從事電氣自動化教學和焊接工藝研究的工作。