逆变焊接电源的全数字化控制技术的研究

李天喆

【摘要】 重点介绍了全数字化控制的逆变焊接电源的概念，组成部分及工作原理，对数字信号处理器DSP控制的IGBT逆变焊接电源的主电路、控制电路及接口的数字化控制方式进行了系统的阐述。

【关键词】 数字化控制 逆变电源 软开关技术 数字信号处理器

随着电力电子技术、计算机技术、数字技术及控制论的发展，弧焊电源的制造技术也一日千里。于是，全数字化的逆变弧焊电源成为焊接设备的最新发展趋势。全数字化控制的弧焊逆变电源就是将逆变技术和数字化控制技术相结合，控制电路由数字技术取代传统的模拟技术，控制信号亦由模拟信号过渡到0/1编码的数字信号。这种新型的焊接电源不仅体积小，电气性能稳定、焊接效果好、控制精度高，而且容易大规模集成、便于升级，推动了焊接产业的迅速发展。

一、全数字化控制的逆变焊接电源的构成及工作原理

焊接电源向数字化方向发展，主要包括三方面的内容，一是主电路的数字化；二是电路的多特性控制技术，亦即控制电路的数字化；三是控制接口的数字化。其中一和二是实现弧焊电源数字化的内核。

1.1主电路的数字化

焊接电源的主电路是一种功率转换电路，其功能是从电网吸取电能，经整流、滤波、逆变、降压隔离等处理后，转换成可供焊机使用的焊接电源。逆变技术的应用使主电路的数字化控制成为可能，而软开关控制技术的应运而生更使得它成为逆变主电路控制技术的主要发展方向。

软开关技术是功率变换器得以高频化的重要技术之一，它应用谐振的原理，使开关器件中的电压电流按正弦或准正弦规律变化，在功率器件换流的瞬间实现功率器件的零电流或零电压开关，从而减少开关的损耗，提高了焊接电源的可靠性。本文所研究的是以功率开关管IGBT构成的全桥相移谐振软开关逆变主电路。其原理图如图一所示：

由图可看出，电路由四个IGBT管构成，其中 IGBT1和IGBT3构成电路的超前臂；IGBT2和IGBT4构成滞后臂，通过控制超前臂与滞后臂的相位差来调节输出功率。由于超前臂和滞后臂的上下一对开关管导通与关断相位上互差180度且死区不变，每个桥臂上都有并联的电容，可错开功率器件的电流与电压同时处于较高值的硬开关状态，实现超前臂与滞后臂的零电压关断，在电流连续时完成各桥臂的零电流开通的软开关过程。并有效克服了感性关断电压尖峰和容性开通时管温过高的缺点，减少了开关损耗与干扰，提高了电路效率。

1.2 控制电路的数字化

控制电路是整个焊接电源至关重要的部分，它直接关系到整机性能的优劣和可靠性，决定着焊接电源的外特性、动特性与调节特性。在全数字化控制的逆变弧焊电源中，通常采用数字信号处理器（DSP）来实现系统的闭环控制。借助DSP的强大功能完成控制算法和PWM信号发生电路的数字化。本文研究的控制系统以TMS320F240 DSP芯片作为控制核心。该芯片内部采用的是哈佛结构，该结构具有独立的数据存储空间和程序存储空间，可同时对数据和程序寻址，形成指令与数据并存；广泛使用流水线技术，具有专门的硬件乘法器，在一个周期内可并行完成多条指令，从而使其处理能力得到优化，提高了运行速度。其结构框图如图二所示：

1.3控制接口的数字化

我们采用的TMS320L240芯片中内嵌了现场总线的应用热点CAN；带有串行异步数字通信接口模块（SCI）；同步串行外设接口模块（SPI），支持分布式控制和实时控制。因此由它控制的逆变焊接电源与焊接机器人、现场总线、以太网及其它外部设备间可方便地进行大量的信息交换，既可实现焊接电源系统与互联网的通信，又能积极人机互动和远程控制，便于焊接功能的改进和升级。

二、结论

全数字化的逆变焊机以其控制精度高、稳定性好、产品一致性好、接口兼容及系统升级方便等优点成为了今后焊接设备发展的趋势。不仅推动了焊接技术从技艺走向科学，而且是弧焊电源网络化、信息化的基础，对整个焊接产业产生了重大影响。

参考文献

[1] 黄石生. 弧焊电源及其数字化控制[M]. 北京： 机械工业出版社，2006

[2] 陈善本. 焊接过程现代控制技术[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2001