弧焊逆變電源的數字化控制技術分析

崔愛玲

（晉中職業技術學院，山西 晉中030600）

0 引 言

電力電子技術、計算機技術、控制理論及相關科學技術的發展，為逆變焊接電源控制系統的全數字化提供了必要的軟硬件基礎，焊接電源的控制技術逐步向智能化、數字化、信息化控制方向轉變。將數字信號處理器引入弧焊逆變電源控制系統，建立弧焊逆變電源的信息化、數字化平臺，實現了弧焊逆變電源更高的性能要求。

數字化控制弧焊逆變電源具有體積小、重量輕、穩定性好、控制精度高、功能升級方便等優點，在生產實踐中得到廣泛應用。本文基于TI公司的TMS320F2407為控制平臺，對數字化控制的弧焊逆變電源系統進行了研究分析。

1 數字化弧焊電源系統概述

數字化弧焊電源將數字化技術應用到弧焊電源的控制環節，實現了控制環節與外圍電路之間的信息交換，其具體要求如下。

（1）控制系統的數字化：弧焊電源數字化控制系統由微控器（MCU）、數字信號處理（DSP）芯片，或微處理器加數字信號處理芯片等組成，利用微處理器和DSP等強大功能對焊接過程進行實時數字信號處理，實現其數字化控制。

（2）信號通信數字化：數字信號相比模擬信號不易失真，且傳輸穩定，能通過系統總線、I／O接口或特定通信協議口進行數字化傳輸。

（3）硬件模塊設計數字化：根據弧焊電源的功能分類進行數字化的硬件設計，可實現硬件的模塊化、標準化和數字化。

（4）網絡化：利用弧焊電源的數字化接口，實現與因特網的通訊。

數字化弧焊電源系統框圖如圖1，其特征如下。

（1）柔性化控制：電源外特性控制由軟件編程實現，以適應不同焊接方法，實現焊機的一機多用。

圖1 數字化弧焊電源系統框圖

（2）智能化控制：利用微控器（MCU）和數字信號處理器（DSP）為弧焊電源引入自適應控制器、模糊控制、神經網絡控制等，提高弧焊電源的控制水平。

（3）數字信號處理系統控制：通過DSP提取弧焊電源外特性信息作為智能控制的目標函數，實現數字信息控制，提高其穩定性。

（4）操作界面友好：通過操作面板進行數字化輸入，設置焊接工藝參數和功能，以實現精確控制和友好的人機界面。

（5）在線升級功能：通過模塊化軟硬件設計，以不同的模塊化組合構成不同功能的焊機。數字化弧焊電源和PC進行通信，以實現遠程網絡控制。

2 弧焊逆變電源工作原理

弧焊逆變器的拓撲結構采用全橋逆變主電路，其軟開關控制方式為移相控制方法。弧焊逆變電源的主電路采用IGBT，提高了開關頻率，降低了功率損耗，獲得了較好的動態響應，焊接電源效率達到90%以上。

弧焊逆變電源主電路由整流、濾波、逆變、二次整流等部分組成；其控制電路由PWM電路、電壓補償電路、外特性和動特性控制電路、驅動與保護電路、電流電壓采樣等構成。控制系統是其核心部分，決定了電源裝置的可靠性和輸出特性。弧焊逆變電源結構如圖2所示。

圖2 弧焊逆變電源結構圖

弧焊逆變電源的工作原理是交流電壓經整流濾波為直流高壓，再經過逆變電路變成中高頻交流電壓，后經過高頻變壓器降壓，高頻整流濾波，將低壓高頻交流變為低壓大電流的直流電輸出。

弧焊逆變電源主電路如圖3，利用變壓器的漏感或原邊串聯電感和功率管的并聯電容實現開關管的零電壓開關。圖中，VD1～VD4分別是VT1～VT4的內部寄生二極管，C1～C4為并聯電容，Lr是諧振電感，它包含變壓器的漏感。每個橋臂的兩個功率管成180度互補導通，通過改變橋臂移相角的大小可調節輸出電壓。VT1、VT4為超前橋臂，超前VT2、VT3一個相位；VT2、VT3為滯后橋臂。移相控制ZVS-PWM電路通過開關管的零電壓開關減小了傳統硬開關方式的損耗，提高了效率。

圖3 弧焊逆變電源主電路圖

3 弧焊電源的數字化控制技術分析

數字化焊機采用數字技術完成弧焊工藝過程的閉環控制，如主電路數字化和控制電路數字化。基于DSP的弧焊逆變電源控制的主要特點是集成多功能、管理功能網絡化和程序在線升級，可以方便靈活地進行控制策略的調整，以實現MIG／MAG、TIG、手工焊等多種焊接工藝方法。

3.1 弧焊電源數字化控制的硬件設計

TI公司的TMS320F2407芯片是16位CPU，單周期指令執行時間為50 ns，既有豐富的微控制器外設功能，又有高性能的內核。數字化焊機利用TMS320F2407芯片豐富的外設實現主回路的數字觸發，為保證焊機工作可靠，所有的開關量信號和模擬量信號需經阻容濾波后送入DSP，輸出電流和電壓經采樣、濾波電路，由DSP進行模數轉換。電壓電流的給定值由控制面板輸入DSP，與反饋值比較，經PI運算，輸出PWM脈沖控制IGBT。其具體電路包括采樣電路、PWM輸出隔離驅動電路、給定與顯示電路。

（1）采樣電路設計

負載電壓電流經采樣電路送入DSP的AD模塊，功率給定信號通過DSP的AD模塊讀入與實際功率進行閉環控制；直流母線電壓和負載電流經直流電壓電流采樣電路送入DSP的AD模塊對IGBT模塊進行保護。

（2）PWM輸出隔離驅動電路

TMS320LF2407價格低廉、功能強大、功耗低、抗干擾性強，但其輸出的PWM脈沖幅值較低，工作電平3.3 V難以驅動IGBT，因此，需采用隔離驅動放大電路來可靠觸發IGBT。

EXB841集隔離、驅動和保護功能于一體，充分體現了“最優驅動和分散保護”原則，其中包括信號隔離電路、過流檢測電路、低速過流切斷電路等。

（3）給定和顯示電路設計

給定和顯示電路實現了焊接參數設置、顯示與保存。鍵盤和液晶顯示屏提供了人機交互。DSP通過SCI端口與上位機進行信息交換，實現對逆變焊接電源的監測控制和工作狀態數據的記錄。

硬件設計中為保證可靠性，中斷輸入腳需接上拉電阻，不用的引腳接地；對DSP和數據存儲器，應加0.1 pF去耦電容，盡量靠近電源引腳，以濾除電源噪聲；同時為了方便運行中出現故障時人工復位，需設計上電復位和手動復位電路。故障檢測電路可向DSP系統發出故障中斷請求，封鎖觸發脈沖。

3.2 弧焊電源的軟件設計

弧焊電源控制系統的軟件程序由主程序、各功能子程序、觸發中斷服務程序等組成，用匯編或其它語言編寫，實時控制程序決定了系統的控制質量和效率，如實時性、可靠性、易修改性、可移植性等。弧焊電源控制系統的軟件設計主程序如圖4。這里采用模塊化的程序設計方法，分別設計了主程序和功能子程序，包括A／D轉換、232通訊、鍵盤采樣、顯示、故障中斷處理等。

圖4 弧焊電源控制系統的軟件設計主程序

系統上電復位后進入主程序：（1）系統初始化。設置DSP工作模式，進行參數設定。（2）檢測啟動條件。如果啟動條件具備，則進入對應的子程序，例如，當檢測到焊槍合上信號后進行提前送氣和高壓慢送絲引弧，引弧成功后根據不同的功能選擇開關，進入不同的功能子程序。（3）子程序運行不正常，顯示相應故障信息，并重新設置參數。

4 結束語

弧焊逆變電源具有高效節能、輕巧方便、控制性能好、能消除電網諧波、網側功率因數高等優點，已成為焊接電源的主流。數字化控制技術提高了弧焊機的控制精度、穩定性和可靠性，減少了體積，降低了重量，其操作更靈活方便。

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