高頻逆變螺柱焊機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

彭 偉 王景川 黃永志 李國波 趙洪丹

(1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院；2.上海悅合自動化技術(shù)有限公司；3.吉林省電力有限公司遼源供電公司)

高頻逆變螺柱焊機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

彭 偉1王景川1黃永志2李國波3趙洪丹3

(1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院；2.上海悅合自動化技術(shù)有限公司；3.吉林省電力有限公司遼源供電公司)

針對傳統(tǒng)PID控制的逆變螺柱焊機(jī)在負(fù)載電流突變時(shí)動態(tài)特性差、調(diào)節(jié)時(shí)間長的問題，設(shè)計(jì)了一種高頻逆變螺柱焊機(jī)，采用DSP作為主控芯片，IGBT全橋拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)高頻逆變，高頻變壓器實(shí)現(xiàn)電氣隔離和能量傳輸，并基于電容充電平衡原理，提出了改進(jìn)的時(shí)間最優(yōu)控制算法，實(shí)現(xiàn)了對焊機(jī)電壓、電流的快速控制，保證了焊機(jī)的動態(tài)特性和焊接效果。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的高頻逆變螺柱焊機(jī)工作性能穩(wěn)定，焊接效果良好。

螺柱焊接 IGBT全橋電路 電容充電平衡 時(shí)間最優(yōu)控制

逆變螺柱焊接技術(shù)由于具有快速、可靠、程序簡單及成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)，在鋼結(jié)構(gòu)、汽車、建筑及橋梁等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。逆變螺柱焊接中由于開關(guān)元件的使用，使系統(tǒng)呈現(xiàn)較強(qiáng)的非線性，同時(shí)焊接負(fù)載存在突變，這些都對焊接的控制提出了挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的PID控制在負(fù)載突變時(shí)，響應(yīng)慢、調(diào)節(jié)時(shí)間長，不適合用于動態(tài)響應(yīng)要求高的場合。而基于DSP的智能儀表具有快速響應(yīng)和易于實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制算法的特點(diǎn)[1],因此筆者所設(shè)計(jì)的高頻逆變螺柱焊機(jī)采用DSP為主控芯片，該逆變螺柱焊機(jī)可以等效為數(shù)字控制的大功率全橋DC-DC隔離電源。對于數(shù)字控制的DC-DC電源，傳統(tǒng)的控制方法包括PID控制、電壓反饋的多級PI控制[2，3]、自適應(yīng)控制[4]、前饋控制、模糊PI控制[5]和模型預(yù)測控制,以上控制方法雖然改善了DC-DC隔離電源的動態(tài)響應(yīng)速度，但是仍然存在輸出穩(wěn)態(tài)誤差或者沒有獲得最小電壓波動和最小調(diào)節(jié)時(shí)間?；陔娙莩潆娖胶庠?，有研究者提出時(shí)間最優(yōu)控制，實(shí)現(xiàn)了在負(fù)載突變時(shí)的快速動態(tài)響應(yīng)，但是沒有考慮到電感最大電流，會導(dǎo)致電感電流飽和以及電氣元器件過載工作[6]。帶電流約束的時(shí)間最優(yōu)控制方法[7]考慮了最大電感電流,但是它假設(shè)輸出電壓和負(fù)載電流在整個(gè)調(diào)節(jié)過程中保持不變，而實(shí)際輸出電壓會經(jīng)歷先下降然后再恢復(fù)到參考值的過程，負(fù)載電流也會產(chǎn)生波動。

筆者設(shè)計(jì)了一種高頻逆變螺柱焊機(jī)，它運(yùn)用IGBT全橋逆變技術(shù)和DSP控制技術(shù)，并基于電容充電平衡原理，考慮最大電感電流、輸出電壓和負(fù)載電流的實(shí)變特性，提出了改進(jìn)的時(shí)間最優(yōu)控制算法，在負(fù)載出現(xiàn)較劇烈變化時(shí)，采用該時(shí)間最優(yōu)控制算法，實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)，當(dāng)系統(tǒng)趨于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，采用PID控制。

1 焊機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

筆者所設(shè)計(jì)的焊機(jī)分為功率系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)3部分，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。功率系統(tǒng)由輸入電路、逆變電路和輸出電路組成，輸入電路包括EMI濾波模塊、三相整流模塊和輸入濾波模塊；逆變電路采用IGBT全橋逆變，將高壓直流電轉(zhuǎn)換為高頻交流電；輸出電路包括降壓變壓器、輸出整流電路和輸出濾波模塊。功率系統(tǒng)開關(guān)管開通和關(guān)斷由控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)?？刂葡到y(tǒng)以TMS320F28335為主控芯片，外圍電路包括通信接口、隔離電路、按鍵與顯示電路?？刂葡到y(tǒng)的主要功能是對輸出電流、輸出電壓、母線電壓、系統(tǒng)各模塊溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣并實(shí)現(xiàn)控制算法。

圖1 高頻逆變螺柱焊機(jī)控制系統(tǒng)框圖

焊機(jī)功率系統(tǒng)的拓?fù)淇梢缘刃槿珮駾C-DC降壓型隔離電源。DC-DC隔離電源每半個(gè)周期具有兩種工作狀態(tài)，分別對應(yīng)開關(guān)管開通和關(guān)斷：

(1)

(2)

其中，iL是電感電流；io是輸出電流；Vin是輸入電壓；Vo是輸出電壓，Vo=Varc+io·R，Varc是弧壓，R是線纜電阻；Vo′是等效輸出電壓，Vo′=Vo+io·Rloss，Rloss是系統(tǒng)損耗的等效電阻。

2 控制器設(shè)計(jì)

針對傳統(tǒng)控制方法的不足，筆者基于電容充電平衡原理，提出改進(jìn)的時(shí)間最優(yōu)控制算法，主要的改進(jìn)在于，動態(tài)響應(yīng)期間實(shí)時(shí)估計(jì)負(fù)載電流并檢測輸出電壓，用于對T1、T2、T3、T4[7]以及T3時(shí)間段的PWM占空比進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，當(dāng)系統(tǒng)輸出特性趨于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，切換控制模式，采用傳統(tǒng)PID控制算法進(jìn)行調(diào)節(jié)。改進(jìn)的時(shí)間最優(yōu)控制算法核心是計(jì)算T1、T2、T3、T4以及T3期間的PWM占空比和到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)后的PWM占空比。根據(jù)電感電流iL,k的值及其變化情況，將iL,k變化曲線過程分為A、B、C、D 4個(gè)區(qū)間(圖2a)，然后按以下方法實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的時(shí)間最優(yōu)控制策略。

預(yù)測負(fù)載電流io,k。根據(jù)末端電路中電量消耗可以得到：

(3)

(4)

其中io,k、iL,k分別是(t0+kT)時(shí)刻的負(fù)載電流和電感電流,ΔVC,k-1是電容電壓在[t0+(k-1)T]到(t0+kT)期間的變化值，T是PWM波周期。則有：

ΔVC,k-1=VC,k-VC,k-1

=Vo,k-Vo,k-1-(iC,k-iC,k-1)·ESR

(5)

iC,k=iL,k-io,k

(6)

其中，iC,k是(t0+kT)時(shí)刻電容兩端的電流，ESR是電容等效阻抗。將式(5)、(6)代入式(4)中，可以得到：

(7)

計(jì)算T1、T2、T4和占空比dk。根據(jù)式(1)、(2)可知，電感電流上升速率m1,k=(Vin/n-Vo,k′)/L,下降速率m2,k=-Vo,k′/L,Vo,k′是Vo′在(t0+kT)時(shí)刻的值，因此可得：

(8)

iL,valley=iL,max+m2,k(1-dkT)

(9)

(10)

其中，n為變壓器原邊和副邊線圈匝數(shù)比。

計(jì)算大電流保持時(shí)間T3。根據(jù)電容充電平衡原理Q1=Q2+Q3+Q4,其中，Q1、Q2、Q3、Q4分別對應(yīng)A、B、C、D區(qū)間的電容充電量。根據(jù)iL,k所屬區(qū)間，計(jì)算T3分為4種情形。

情形1，當(dāng)iL,k位于區(qū)間A時(shí)(圖2b)：

(11)

其中Q1,i=[(i-1)T+iT](iL,i-iL,i-1)/2。

情形2，當(dāng)iL,k位于區(qū)間B時(shí)：

(12)

其中Q2，i=[(i-1)T+iT](iL,i-iL,i-1)/2，Q3、Q4按式(11)計(jì)算，N1是iL,k首次等于io,k時(shí)k的值。

情形3，當(dāng)iL,k位于區(qū)間C時(shí)，Q1、Q2由之前計(jì)算得出，Q3由下式計(jì)算得出：

(13)

如圖2c所示，Q4如式(11)中所示，N2是iL,k首次

圖2 電容電壓和電感電流預(yù)測波形

等于iL,valley時(shí)k的值。

情形4，當(dāng)iL,k位于區(qū)間D時(shí)：

T3=0

(14)

3 仿真與實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證筆者提出的時(shí)間最優(yōu)控制算法，在Matlab/Simulink下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。Vin=510V，Vref=40V，iL,max=260A，C=140μF,L=10μH,ESR=2mΩ,f=100kHz,變壓器變比n∶1=6∶1。圖3是負(fù)載電流由100A突變到200A時(shí)電感電流和電容電壓變化曲線。根據(jù)仿真結(jié)果可知，從負(fù)載電流突變到系統(tǒng)恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)，調(diào)節(jié)時(shí)間是微秒級的。

圖3 負(fù)載電流突變仿真結(jié)果

為測試該逆變螺柱焊機(jī)的實(shí)際焊接性能，在輸入電壓為3×380V(AC)、PWM頻率為50kHz、先導(dǎo)電流為50A、先導(dǎo)電流持續(xù)時(shí)間為40ms、焊接電流為600A、焊接電流持續(xù)時(shí)間為50ms的條件下，將M6的螺釘植焊在汽車車身鋼板上。通過焊接效果可以看出，筆者設(shè)計(jì)的高頻逆變螺柱焊機(jī)可以有效地將M6螺柱焊接在汽車車身鋼板上，金屬飛濺少，鋼板沒有形變,在經(jīng)過扭矩測試后證明能夠滿足工業(yè)螺柱焊接的要求。

4 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)了一種短周期高頻逆變螺柱焊機(jī)，使用IGBT全橋技術(shù)實(shí)現(xiàn)高頻逆變，在保證焊接功率的條件下，有效減小了焊機(jī)的體積和重量，同時(shí)采用DSP作為主控芯片，基于電容充電平衡原理，在考慮輸出電壓與負(fù)載電流動態(tài)特性的情況下，提出了改進(jìn)的時(shí)間最優(yōu)控制算法，結(jié)合傳統(tǒng)PID控制實(shí)現(xiàn)對焊接電流和輸出電壓的快速、精確控制。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該焊機(jī)動態(tài)響應(yīng)快，調(diào)節(jié)時(shí)間短，能有效實(shí)現(xiàn)螺柱焊接，可以滿足工業(yè)螺柱焊接的需求，能夠應(yīng)用于汽車、建筑及橋梁等應(yīng)用環(huán)境。未來筆者將在所設(shè)計(jì)的高頻逆變螺柱焊機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)自動上釘機(jī)并結(jié)合工業(yè)機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)全自動螺柱焊接。

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DesignandImplementationofStudWeldingMachineSystemwithHigh-frequencyInverter

PENG Wei1, WANG Jing-chuan1, HUANG Yong-zhi2, LI Guo-bo3, ZHAO Hong-dan3

(1.School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University; 2.Shanghai Yuehe Automation Technology Co.,Ltd.; 3.Liaoyuan Power Supply Company, Jilin Province Power Company Limited)

Considering PID-controlled inverter stud welding machine’s poor dynamic property and long settling time at the time the machine’s load current jumps a stud welding machine with a high-frequency inverter was designed, which adopts DSP as the master chip and the full-bridge topology to realize high-frequency inversion and the high-frequency transformer to guarantee electric isolation and energy transmission; basing on the capacitor charge balance, an improved time-optimal control algorithm was proposed to regulate the welding machine’s voltage and current quickly so that the welding machine’s dynamic property and welding effect can be ensured. Simulation and experimental results show that, this welding machine designed has stable working performance and fine welding effect.

stud welding, IGBT full-bridge circuit, capacitor charge balance, time-optimal control

TH865

A

1000-3932(2017)05-0462-04

上海市科委創(chuàng)新行動計(jì)劃項(xiàng)目(16111104802)。

彭偉(1992-)，碩士研究生，從事高頻逆變螺柱焊機(jī)的研究,pw_sjtu@163.com。

2016-11-20，

2016-12-29)