基于TM320LF2812的數字化變極性鎢極氬弧焊電源

白宏偉，楊其鋒，張新成

（河南機電高等專科學校，河南 新鄉 453002）

0 前言

數字化是現代焊接電源的發展趨勢，數字化焊接電源的信號處理與控制算法是通過軟件的運算來實現的，因此，控制靈活性高，且電源具有良好的焊接重現性和穩定性，適用于大批量的生產。本設計基于TMS320LF2812的數字化變極性鎢極氬弧焊電源包括功率變換主電路和控制電路兩方面的數字化，通過調節輸出電流的正負半波時間比、幅值比，使負半波的電流幅值較高而導通時間較短，可以在保證陰極清理效果的同時，有效降低鎢極燒損，提高生產率，延長鎢極壽命。數字化焊接電源能滿足鋁及鋁合金焊接的工藝要求，是目前較為理想的焊接方法。

1 系統總體結構

變極性TIG焊電源由功率變換主電路和控制電路組成。變極性焊接電源的功率變換主電路由兩級逆變電路構成[1]，一次逆變主要對電源系統的外特性進行控制，采用移相式零電壓零電流全橋結構[2]，可以成功降低開關管IGBT的開關損耗和變換器的附加環流問題，減小占空比損失，拓寬軟開關切換的負載范圍；二次逆變電路采用耦合電感型半橋逆變拓撲，它由續流耦合電感、IGBT半橋電路及其RC緩沖電路組成，該電路既能確保在極性切換過程中獲得快速的焊接電流換向速度，又能通過硬件電路本身提供足夠高的再燃弧電壓，用以焊接電流過零瞬間重新引燃電弧，從而維持電弧穩定。

雙逆變變極性TIG焊電源控制系統是一個基于DSP的閉環控制系統，由DSP最小系統、采樣電路和各種保護電路組成。其功能包括：一次逆變的恒流控制、二次逆變的極性轉換控制、焊接工作程序控制以及電流電壓采樣、電路保護、參數的設置與顯示、與計算機的通信等。電氣原理如圖1所示。

圖1 電氣原理圖

2 硬件系統設計

2.1 DSP最小控制系統

DSP最小系統是變極性TIG焊控制系統的核心，完成電源的整體管理和電源控制，DSP最小系統包括：電源電路，時鐘、倍頻電路，復位電路，電平轉換電路，外部程序存儲器，數據存儲器，鍵盤等。本設計中DSP芯片采用TI公司的TMS320LF2812，它采用高性能靜態CMOS技術，具有運算速度快、處理能力強、接口豐富等特點[3]。

2.2 一次逆變電路

一次逆變電路采用移相式雙零軟開關PWM全橋逆變拓撲[4]，移相式雙零軟開關PWM全橋變換器是在ZVS-PWM的基礎上發展起來的一種新型軟開關變換器，成功地解決了IGBT關斷損耗和變換器附加環流問題，如圖2所示。

圖2 FB-ZCZVS-PWM變換器原理

由全橋逆變器、中頻變壓器T、隔直電容器C、飽和電抗器L組成的軟開關DC-AC變換環節，將整流濾波后的直流電變成頻率約20 kHz、脈沖寬度可調的交流電。飽和電感L是一個磁性開關，處于飽和狀態時電感值為零，飽和電感未飽和時電感值較大，阻止電流變化。隔直電容C足夠大，在續電流過程中可被等效為一個恒電壓源。逆變器中，IGBT2、IGBT4的驅動脈沖比IGBT1、IGBT3的驅動脈沖有一定移相角的滯后，IGBT1、IGBT3組成超前臂，IGBT2、IGBT4組成滯后臂。超前臂的IGBT實現零電壓開通和關斷。飽和電感L和隔直電容C使一次電流在箝位續流期間迅速衰減到零并保持，從而使滯后橋臂上的IGBT2、IGBT4實現零電流開通和關斷。移相全橋變換器的工作過程波形如圖3所示。

圖3中，ip為變壓器一次電流，Ug1～Ug4為IGBT相應的觸發脈沖。當IGBT1和IGBT4導通時，飽和電感L處于飽和狀態，能量向負載方向傳遞，隔直電容C從最大負值線性增加。t1時刻IGBT1關斷，一次電流ip由IGBT1轉移到C1、C3支路，C1充電，C3放電，由于C1電壓不能突變，因此IGBT1是零電壓關斷；當A點電位減小到小于零時VD3導通，IGBT3可以實現零電壓開通。VD3導通后，A、B兩點之間的電壓保持為零，飽和電感L仍處于飽和狀態，隔直電容C上的電壓Uc完全加在變壓器漏感上，使ip迅速減小，ip減小到一定值時，飽和電感L退出飽和呈現很大的電感值，維持ip為零不變，此時關斷IGBT4即可實現滯后臂的零電流關斷，接著開通IGBT2也是零電流開通。

圖3 移相全橋ZVZCS主要工作波形

2.3 二次逆變電路

二次逆變電路的結構、參數和控制策略對變極性焊接電源的輸出性能具有決定性影響，本設計采用耦合電感型半橋逆變拓撲，如圖4所示，VD1～VD4構成二次整流電路，L1、L2為續流耦合電感，IGBT1、IGBT2構成半橋逆變，電路采用共同導通的控制策略，即在輸出電流換向之前使IGBT1、IGBT2共同導通一小段時間。電源工作時，在穩定狀態下，耦合電感的任意一個電感都可以作為普通電感使用；在換向過程中，電感通過與之耦合的另一個電感和IGBT的緩沖電容放電，使流過電感的電流迅速減小，且由于耦合作用在電感反向端建立與換向后電流同向的較大電壓，提高了電流的換向速度。

圖4 二次逆變電路原理

在變極性焊接過程中，電流換向速度快、電弧熄滅瞬間提供足夠高的再燃弧電壓重新引燃電弧是維持電弧穩定的關鍵，再燃弧電壓大小是由換向前的焊接電流值和IGBT緩沖電阻值的乘積決定的，為了保證電源在任何焊接電流時電弧都穩定且開關管IGBT安全，在輸出電流換向前的短時間內控制輸出電流為某一特定換向電流值，當焊接電流超過換向電流值時，在極性切換前的短時間之內將輸出電流值減小為換向電流值，極性切換之后再將輸出電流值設置為正常的焊接電流值；當焊接電流低于換向電流值時，在極性切換前的短時間內將輸出電流值增大為換向電流值，極性切換之后又將輸出電流值設置為正常的焊接電流值。換向電流為60 A的變極性焊接不同焊接電流波形示意如圖5所示。

圖5 換向電流60 A的變極性焊接不同焊接電流波形示意

3 變極性輸出的實現與控制

TMS320F2812 DSP是數字化電源的控制核心，具有較高的信號處理和控制能力、事件管理能力。焊接參數由控制面板輸入，采用霍爾傳感器對電源的焊接電流、電壓進行檢測送入DSP，DSP對焊接電壓、電流的實時反饋信號進行A/D采樣，并根據系統設定的焊接參數PID運算后修改PWM值寄存器的值，由DSP的PWM輸出通道輸出脈沖開關信號，經過功率放大后為一次逆變功率開關管提供驅動脈沖信號；二次逆變利用DSP的高速通用輸出口，通過軟件編程調制出兩路換向脈沖，經功率放大后控制功率開關管的通斷，使正、負半波的電流頻率、幅值和導通比均可以獨立調節和控制[5]。DSP的控制流程如圖6所示。

圖6 DSP控制流程

4 試驗結果

將該設計應用于WSE-350的逆變電源樣機中，一次逆變電路采用全橋ZVZCS-PWM軟開關技術，超前臂和滯后臂有可調的死區時間，保證超前臂的開關管實現零電壓開通和關斷，滯后橋臂上的開關管實現零電流開通和關斷，實現一次逆變。圖7為焊接電流I+=I-=60 A、工作頻率f=50 Hz、占空比D=50%時的焊接電流波形。由圖7可知，變極性焊接電弧穩定，不存在電弧熄火的現象。

5 結論

圖7 焊接電流波形

（1）采用DSP控制系統，焊接電流的大小通過數字量給定，電源電弧穩定，換向效果理想，具有良好的變極性輸出性能。

（2）一次逆變電路采用ZCZVS-PWM軟開關工作方法，增加了阻斷電容，負載范圍變大，利用飽和電感，有效減小了占空比損失，提高了變換器的效率和變壓器的能量傳輸性能。

（3）二次逆變電路采用帶耦合電感的半橋結構，電源系統具有良好的變極性輸出性能，且電路簡單、成本低、系統效率高。在輸出電流換向之前的短時間內控制輸出電流為某一特定換向電流值，使電源系統具有較寬的輸出電流調節范圍。

[1]石紅信，丁高劍，代樂宜，等.變極性鎢極氬弧焊電源主電路設計[J].電焊機，2010，40（9）：37-39.

[2]付煒亮，田松亞，吳冬春，等.零電壓零電流PWM弧焊逆變電源工作過程分析及仿真[J].電焊機，2007，37（10）：54-58.

[3]TMS320F2810，TMS320F2811，TMS320F2812，TMS320 C210，TMS320C2811，TMS320C2812.Digital Signal Pro cesso data manual SPRS170[Z].USA：Texas Instruments Inc，2007：3-5.

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

[5]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.