弧焊逆变电源的数字化控制技术分析

崔爱玲

（晋中职业技术学院，山西 晋中030600）

0 引 言

电力电子技术、计算机技术、控制理论及相关科学技术的发展，为逆变焊接电源控制系统的全数字化提供了必要的软硬件基础，焊接电源的控制技术逐步向智能化、数字化、信息化控制方向转变。将数字信号处理器引入弧焊逆变电源控制系统，建立弧焊逆变电源的信息化、数字化平台，实现了弧焊逆变电源更高的性能要求。

数字化控制弧焊逆变电源具有体积小、重量轻、稳定性好、控制精度高、功能升级方便等优点，在生产实践中得到广泛应用。本文基于TI公司的TMS320F2407为控制平台，对数字化控制的弧焊逆变电源系统进行了研究分析。

1 数字化弧焊电源系统概述

数字化弧焊电源将数字化技术应用到弧焊电源的控制环节，实现了控制环节与外围电路之间的信息交换，其具体要求如下。

（1）控制系统的数字化：弧焊电源数字化控制系统由微控器（MCU）、数字信号处理（DSP）芯片，或微处理器加数字信号处理芯片等组成，利用微处理器和DSP等强大功能对焊接过程进行实时数字信号处理，实现其数字化控制。

（2）信号通信数字化：数字信号相比模拟信号不易失真，且传输稳定，能通过系统总线、I／O接口或特定通信协议口进行数字化传输。

（3）硬件模块设计数字化：根据弧焊电源的功能分类进行数字化的硬件设计，可实现硬件的模块化、标准化和数字化。

（4）网络化：利用弧焊电源的数字化接口，实现与因特网的通讯。

数字化弧焊电源系统框图如图1，其特征如下。

（1）柔性化控制：电源外特性控制由软件编程实现，以适应不同焊接方法，实现焊机的一机多用。

图1 数字化弧焊电源系统框图

（2）智能化控制：利用微控器（MCU）和数字信号处理器（DSP）为弧焊电源引入自适应控制器、模糊控制、神经网络控制等，提高弧焊电源的控制水平。

（3）数字信号处理系统控制：通过DSP提取弧焊电源外特性信息作为智能控制的目标函数，实现数字信息控制，提高其稳定性。

（4）操作界面友好：通过操作面板进行数字化输入，设置焊接工艺参数和功能，以实现精确控制和友好的人机界面。

（5）在线升级功能：通过模块化软硬件设计，以不同的模块化组合构成不同功能的焊机。数字化弧焊电源和PC进行通信，以实现远程网络控制。

2 弧焊逆变电源工作原理

弧焊逆变器的拓扑结构采用全桥逆变主电路，其软开关控制方式为移相控制方法。弧焊逆变电源的主电路采用IGBT，提高了开关频率，降低了功率损耗，获得了较好的动态响应，焊接电源效率达到90%以上。

弧焊逆变电源主电路由整流、滤波、逆变、二次整流等部分组成；其控制电路由PWM电路、电压补偿电路、外特性和动特性控制电路、驱动与保护电路、电流电压采样等构成。控制系统是其核心部分，决定了电源装置的可靠性和输出特性。弧焊逆变电源结构如图2所示。

图2 弧焊逆变电源结构图

弧焊逆变电源的工作原理是交流电压经整流滤波为直流高压，再经过逆变电路变成中高频交流电压，后经过高频变压器降压，高频整流滤波，将低压高频交流变为低压大电流的直流电输出。

弧焊逆变电源主电路如图3，利用变压器的漏感或原边串联电感和功率管的并联电容实现开关管的零电压开关。图中，VD1～VD4分别是VT1～VT4的内部寄生二极管，C1～C4为并联电容，Lr是谐振电感，它包含变压器的漏感。每个桥臂的两个功率管成180度互补导通，通过改变桥臂移相角的大小可调节输出电压。VT1、VT4为超前桥臂，超前VT2、VT3一个相位；VT2、VT3为滞后桥臂。移相控制ZVS-PWM电路通过开关管的零电压开关减小了传统硬开关方式的损耗，提高了效率。

图3 弧焊逆变电源主电路图

3 弧焊电源的数字化控制技术分析

数字化焊机采用数字技术完成弧焊工艺过程的闭环控制，如主电路数字化和控制电路数字化。基于DSP的弧焊逆变电源控制的主要特点是集成多功能、管理功能网络化和程序在线升级，可以方便灵活地进行控制策略的调整，以实现MIG／MAG、TIG、手工焊等多种焊接工艺方法。

3.1 弧焊电源数字化控制的硬件设计

TI公司的TMS320F2407芯片是16位CPU，单周期指令执行时间为50 ns，既有丰富的微控制器外设功能，又有高性能的内核。数字化焊机利用TMS320F2407芯片丰富的外设实现主回路的数字触发，为保证焊机工作可靠，所有的开关量信号和模拟量信号需经阻容滤波后送入DSP，输出电流和电压经采样、滤波电路，由DSP进行模数转换。电压电流的给定值由控制面板输入DSP，与反馈值比较，经PI运算，输出PWM脉冲控制IGBT。其具体电路包括采样电路、PWM输出隔离驱动电路、给定与显示电路。

（1）采样电路设计

负载电压电流经采样电路送入DSP的AD模块，功率给定信号通过DSP的AD模块读入与实际功率进行闭环控制；直流母线电压和负载电流经直流电压电流采样电路送入DSP的AD模块对IGBT模块进行保护。

（2）PWM输出隔离驱动电路

TMS320LF2407价格低廉、功能强大、功耗低、抗干扰性强，但其输出的PWM脉冲幅值较低，工作电平3.3 V难以驱动IGBT，因此，需采用隔离驱动放大电路来可靠触发IGBT。

EXB841集隔离、驱动和保护功能于一体，充分体现了“最优驱动和分散保护”原则，其中包括信号隔离电路、过流检测电路、低速过流切断电路等。

（3）给定和显示电路设计

给定和显示电路实现了焊接参数设置、显示与保存。键盘和液晶显示屏提供了人机交互。DSP通过SCI端口与上位机进行信息交换，实现对逆变焊接电源的监测控制和工作状态数据的记录。

硬件设计中为保证可靠性，中断输入脚需接上拉电阻，不用的引脚接地；对DSP和数据存储器，应加0.1 pF去耦电容，尽量靠近电源引脚，以滤除电源噪声；同时为了方便运行中出现故障时人工复位，需设计上电复位和手动复位电路。故障检测电路可向DSP系统发出故障中断请求，封锁触发脉冲。

3.2 弧焊电源的软件设计

弧焊电源控制系统的软件程序由主程序、各功能子程序、触发中断服务程序等组成，用汇编或其它语言编写，实时控制程序决定了系统的控制质量和效率，如实时性、可靠性、易修改性、可移植性等。弧焊电源控制系统的软件设计主程序如图4。这里采用模块化的程序设计方法，分别设计了主程序和功能子程序，包括A／D转换、232通讯、键盘采样、显示、故障中断处理等。

图4 弧焊电源控制系统的软件设计主程序

系统上电复位后进入主程序：（1）系统初始化。设置DSP工作模式，进行参数设定。（2）检测启动条件。如果启动条件具备，则进入对应的子程序，例如，当检测到焊枪合上信号后进行提前送气和高压慢送丝引弧，引弧成功后根据不同的功能选择开关，进入不同的功能子程序。（3）子程序运行不正常，显示相应故障信息，并重新设置参数。

4 结束语

弧焊逆变电源具有高效节能、轻巧方便、控制性能好、能消除电网谐波、网侧功率因数高等优点，已成为焊接电源的主流。数字化控制技术提高了弧焊机的控制精度、稳定性和可靠性，减少了体积，降低了重量，其操作更灵活方便。

［1］ 董雅倩.基于DSP逆变直流焊机控制系统的研究［D］.青岛：青岛大学硕士论文，2006.

［2］ 华学明，吴毅雄，焦馥杰，张 勇.基于DSP控制的晶闸管CO＿2焊接电源研制［J］.电力电子技术，2002，（06）：16-18.

［3］ 华学明，张 勇，吴毅雄，焦馥杰，于乾波.基于数字信号处理器控制的气体保护电弧焊电源研制［J］.机械工程学报，2004，（3）：178-181.

［4］ 张凤英.高频直流电源充电系统的软开关实现［D］.成都：西南交通大学硕士论文，2007.