基于DSP控制的弧焊电源的设计

刘瑜，郑明辉

（江苏科技大学电信工程学院，江苏镇江212000）

弧焊电源从模拟式到开关式的发展，逐步的缩小体积，减轻重量，提高效率，被广泛的应用于现代工业和通信技术等重要领域。就目前而言，高频化、模块化、数字化、智能化是弧焊电源发展的必然趋势。伴随着数字信号处理器（DSP）控制技术的发展，为实现弧焊电源数字控制提供了可行性的方案。本文将DSP控制技术和数字PID控制算法很好的结合起来进行研究，大大提高了弧焊电源的工作效率。

1 系统总体结构

本文设计的焊接电源组成结构框图如图1所示，主要由主电路、保护电路和以DSP芯片为核心的控制电路3部分组成，其中主电路由4部分组成，包括：整流滤波电路、IGBT功率桥逆变电路、高频变压电路、二次整流滤波电路。控制电路则由DSP芯片TMS320F2812为核心，通过DSP芯片产生的PWM脉冲控制IGBT功率桥中三极管导通时间弧焊电源开关的设计。此外，IGBT功率桥驱动电路是对DSP产生的PWM脉冲进行隔离放大，并产生可以驱动IGBT功率桥正常工作的驱动信号。检测电路则主要是对主电路输出后加载到负载上的电流和电压进行检测取样，之后送到DSP控制单元进行控制。保护电路当主电路的输出产生过流、过压的情况时，及时封锁PWM脉冲的输出，进而对系统进行保护，实现整个系统的稳定性、可靠性。

2 弧焊电源的硬件设计

2.1 主电路的拓扑结构设计

图1 系统硬件结构

焊接电源主电路采用“AC-DC-AC-DC”变换的拓扑结构，如图2所示。其工作的基本原理是：220 V交流电经过整流滤波后得到直流电压，再经过IGBT全桥逆变和高频变压后得到高频交流信号，然后经过一次高频整流滤波最终得到焊接电源所需的直流电压。图中 IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4分别为主电路拓扑结构中4个功率开关三极管，对角线上的功率开关三极管均留有一定的死区，防止开关的损坏。其中D1、D2、D3、D4是功率开关三极管内部的寄生二极管，起到保护三极管的作用。D5、D6为全波整流。若IGBT1、IGBT4导通，IGBT2、IGBT3截止，感应线圈产生上端为正，下端为负的感应电流，此时D5导通，D6截止，电流经过负载R回到线圈形成回路。相反，D5截止，D6导通，由于电感L的存在，流经负载R的电流不跳变；电容C3的存在，负载R的两端电压不跳变。

图2 弧焊电源主电路拓扑结构

2.2 IGBT全桥逆变电路设计

IGBT全桥逆变电路是弧焊电源系统工作的核心部位。IGBT功率全桥逆变电路如图3所示。图中在每一个IGBT功率三极管漏极和源极两端均并有一个222 K的电容和200Ω/20 W的水泥电阻，不仅可以吸收IGBT功率管的高频开关干扰，同时还可以避免当系统过流时对IGBT功率管的损坏，起到对IGBT功率管的保护作用。同时在每个IGBT功率三极管并有稳压管，起到稳压的作用，进一步保护IGBT功率管。当IGBT功率管导通的瞬间，产生较大的反向电动势，则 D1、D2、D3导通，C2、C3、C4将反向电动势吸收，进而保护电路中元器件，此时IGBT功率管内部寄生二极管导通对IGBT功率管进行保护。IGBT功率管导通后，C3、C4储存的电动势通过R1、R2进行释放，IGBT功率管正常工作。

图3 IGBT功率全桥逆变电路

2.3 IGBT全桥驱动电路设计

IGBT全桥驱动电路主要对DSP输出的PWM信号进行隔离放大，然后驱动逆变电路中的功率元件，将对应的IBGT功率管导通，实现对焊接参数的控制。IGBT全桥驱动电路其中一路如图4所示。本文设计的IGBT全桥驱动电路采用的是日本三菱公司生产的专用驱动芯片M57962L。该芯片内部设有保护电路，输入输出均有很好的元器件隔离，并且输入端口为TTL门电平，因此用DSP对其进行驱动控制较为容易。由于M57962L芯片工作电压为+5 V，而DSP控制单元输出电压只有+3.3 V，因此选用了74HC245芯片作为DSP到M57962输入之间的隔离保护和电平转换芯片。M57962L芯片的工作原理如下：当系统上电后，M57962L芯片首先开启自检，检测IGBT是否存在过载或者短路，若过载或者短路，IGBT集点位升高，栅极关断电路动作，切断IGBT栅极的驱动信号，保护IGBT功率管。若IGBT正常工作时，输入信号则经过光电耦合接口电路，经过功率放大后对IGBT功率管进行驱动，驱动电路如图4所示。

2.4 采集电路设计

弧焊电源控制芯片TMS320F2812主要通过A/D转换模块实现对系统的控制，系统输出电压的采样电路由4部分组成，第一部分是由LF353的运放构成的电压跟随器，R131和C109是为了抑制干扰。第二部分为电平抬升电路，将围绕零电平波动的信号提升为单极性信号，第三部分进行跟随，第四部分为进入A/D前的保护部分，防止信号异常导致DSP芯片损坏。采集电路同时可以采集电路中输出电流电压，对弧焊电源期望电流实时控制。信号采集电路如图5所示。

图4 IGBT全桥驱动电路

图5 信号采集电路

3 系统控制算法及软件实现

3.1 PID控制算法

自PID控制器产生以来，涌现出来很多新型的控制器，但PID控制器以其结构简单、易于实现、鲁棒性强等优点，被广泛应用。PID控制器是由比例单元、积分单元、微分单元组成的一种线性控制器。其原理框图如图6所示。PID控制在一般连续时间内，其控制算法表达式为：

式中：Kp为比列系数；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数。

本设计采用的是数字PID控制，只能根据采样时刻的偏差时计算控制量，因此式（1）中积分和微分需要进行离散化处理。其离散表达式为：

因为每次输出的u(k)值直接与执行装置的位置一一对应，所以式（2）称为位置型PID算法。由位置PID算法离散表达式得出第（K-1）次PID控制算法表达式为：

用式（2）减去式（3）可得增量式PID控制算法的表达式：

式中可以看出，一般控制单元采样恒定的周期T，只需要确定kp、ki、kd，即可由式（4）求出控制增量。

通过PID控制原理是通过修改DSP控制芯片输出的PWM信号占空比，改变IGBT功率管导通时间，从而控制输出电压的大小。当采集电路检测到输出电压超出期望值，则增大输出的PWM信号占空比，使得功率管导通时间变短，输出电压降低。

图6 PID控制系统原理框图

3.2 软件的实现

软件设计主要包括：主程序、中断程序、PID控制程序等，主程序中则对系统CPU频率、采样周期、中断标志等进行配置及系统各模块进行初始化。程序流程图如图7所示。

4 实验分析

通过实验结果可以看出，当键盘对电路系统每次给定一个期望电流时，系统的输出电流都能够自动、稳定的跟踪上来，能够很好的完成对系统电流的恒定控制问题。由此也可以证明本文对氩弧焊机控制器恒流控制系统设计的硬件电路以及驱动程序的正确性以及合理性。

图7 程序流程图

5 结束语

本文对氩弧焊机控制器的恒电流控制系统进行了深入的研究，在传统控制器基础上提出了部分改进，实现了系统的智能化控制。更深入的方法改进将在以后的科研中做进一步的研究，本文的PID的智能控制算法只单纯的使用了PID控制算法。其他较为先进的算法比如粒子群神经网络PID的智能控制算法在硬件电路中能否很好的使用，以及它与单纯的PID控制方式相比能否产生明显的优势有待于进一步的研究。

[1]殷树言，陈树君，刘嘉，等.逆变焊接技术的现状与发展[J].焊接技术，2002（3）：29-32.

[2]王予，张培，胡海如.开关电源原理及发展方向[J].中国科技信息，2007（11）：25.

[3]王智旺.中频逆变点焊电源智能控制的研究[D].南昌：南昌航空大学，2008.

[4]吴开源，黄石生，李阳，等.弧焊电源的数字化控制技术[J].半导体技术，2005，30（1）：72-75.

[5]张小华.基于DSP的移相全桥ZVZCS直流变换器研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2008.

[6]戚鹏.弧焊逆变电源数字控制软开关技术的研究[D].北京：北京工业大学，2010.

[7]李志春，苏震，李世诚，等.数字开关电源技术的发展分析[J].舰船电子工程，2009，1（29）：34-37.

[8]曾敏，魏良红，马成，等.基于DSP的高频逆变电阻点焊电源的研究[J].机械工程学报，2011，47（6）：80-81.

[9]王学智.开关电源的原理和发展趋势[J].科技信息，2007（11）：18-21.

[10]卜世瑞.基于DSP的软开关弧焊逆变电源控制系统及其仿真研究[D].合肥：合肥工业大学，2010.

[11]芮骐骅.滞后臂串联二极管的ZVZCS移相全桥变换器研究[D].合肥：合肥工业大学，2010.

[12]刘建东，张鸾英，谷俊杰.数字PID控制系统的鲁棒性分析与设计[J].华北电力大学学报，2003，30（6）：31-33.

[13]张东亮.DSP控制器原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2011.

[14]盖志武，彭涌涛，焦树人，等.PWM弧焊逆变电源的MATLAB仿真研究[J].电焊机，2003（1）：25-27.

[15]李桂丹.数字化移相全桥ZVZCS直流变换器的研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2009.

[16]周志军.软开关电源设计与仿真研究[D].武汉：武汉大学，2004.

[17]吴开源，黄石生，李阳，等.弧焊电源的数字化控制技术[J].半导体技术，2005，30（1）：72-75.