（材料加工工程专业论文）基于DSP的软开关逆变COlt2gt焊机的研究.pdf

警s 4 z g o s 分类号t g 4 3 4 ! 学号q 墨墨! 旦q 迦星 密级 玉 河；每夫专 硕士学位论文 基于d s p 的软开关逆变0 0 2 焊机的研究 李婧 指导教师姓名里拴垩副煎援趣连太堂扭电王莛堂睦 直塞直耍鏖蹬! 呈 一 申请学位级别王堂毯专业名称挝魁加王兰程 论文提交日期呈q 鳗生星旦论文答辩日期至q q 曼至墨屋星! 旦 学位授予单位和日期迎瀣太堂星q q 鱼生垒旦 答辩委员会主席王加友熬援论文评阅人王加友：塑i 逦遗 2 0 0 6 年3 月中国南京 摘要 随着电机控制专用d s p 的出现和控制理论的普遍发展，逆变焊机的控制技术 朝着全数字化、智能化以及网络化的方向发展。同时为了克服硬开关的开关损耗 大，感性关断电压尖峰大，容性开通电流尖峰大等问题，软开关技术的研究成为 了发展趋势。本课题正是在这一背景下，提出并完成了对基于d s p 的软开关逆变 c 0 2 焊机的研究。 在该系统的设计中，采用t i ( 美国德州仪器) 公司的d s p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ) 芯 片作为c p u ，由于其速度快、精度高等特点，为弧焊逆变器控制系统真正实现数 字化提供了条件。 本文首先从总体设计的角度，构建r 软开关逆变电源的主电路以及控制系 统，然后详细记述了外围电路设计，包括信号反馈与隔离，a d 转换接口设计， 驱动电路设计以及保护电路设计等。 软件设计是本设计中的重点。本系统采用结构化程序设计，根据功能将整个 人程序划分为几个模块。文中介绍了主程序控制流程，然后分模块介绍了结构化 程序设计思路，主要有中断子程序，a d 转换子程序，p i d 控制算法，p w m 控制 以及软件抗干扰技术等。 对焊机进行了主电路调试，控制电路调试和焊接实验，根据所测得的i g b l 的集电极和发射极的电压波形说明软件系统运行完全符合软开关的要求。基于 d s p 的软开关逆变电源利用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 的高度集成外设实现了闭环控制， 区分出焊接过程中的燃弧和短路两个阶段，分别给予不同的控制方法，从而更好 地实现恒压外特性，提高了抗干扰能力。 关键词：d s p ；软开关；逆变；脉宽调制；结构化程序设计 a b s t r a c t w i t ht h ee m e r g e n c eo fs p e c i a lp u r p o s ed s pf o rt h ec o n t r o l l e ra n dt h e d e v e l o p m e n to fc o n t r o lt h e o r y ，t h ec o n t r o lt e c h n i q u ef o rt h ei n v e r t e r p o w e ri sd e v e l o p i n gt o w a r d sd i g i t i z a t i o n ，i n t e l l i g e n t a t i o na n dn e t w o r k a tt h es a m et i m e s o f ts w i t c h i n gt e c h n o l o g yi sb e c o m i n gt h et r e n do f d e v e l o p m e n t b e c a u s e ，f o rh a r ds w i t c h i n g ，i t ss w i t c hl o s s ，t h ep e a kv a l u e o fi n d u c t i v eb r e a k a w a yv o l t a g ea n dt h ep e a kv a l u eo fc a p a c i t i v es w i t c h o i l c u r r e n tisl a r g e o nt h i sb a c k g r o u n d ，t h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fs o f t s w it c h i n gi n v e r t e rw e l d i n gm a c h i n eb a s e do nd s pi sr e a l i z e d i nt h i ss y s t e m ，t h ed s pt y p e dt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ( p r o d u c e db yt ic o m p a n y ) i sa p p l i e d i t sh i g hs p e e da n dp r e c i s i o np r o v i d e st h ee o n d i t i o n sf o rt h e d i g i t i z a t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e m t h eo v e r a l ld e s i g no fs o f ts w i t c h i n gi n v e r t e fw e l d in gm a c h i n eb a s e d o nd s pi sc o n s t r u c t e dw i t hm a i nc i r c u i ta n dc o n t r o ls y s t e m ，a n dt h e n ， t h ed e s i g no fp e r i p h e r yc i r c u i t ，i n c l u d i n gt h ed e s i g no fs i g n a lf e e d b a c k a n di s o l a t i o n ，t h ei n t e r f a c ed e s i g na b o u ta n a l o g - - t o d i g i t a lc o n v e r s i o n t h ed e s i g no fd r i v ec i r c u i ta n dp r o t e c t i n gc i r c u it ，e t c ，w h i c hi s ill u m i n a t e dl a t e r t h em a i ne m p h a s i si st h es o f t w a r ed e s i g n s t r u c t u r e dp r o g r a m m i n g t e c h n o l o g yi sa d o p t e di nc o n t r o ls y s t e ms o f t w a r e ，a n dt h ea l lp r o g r a mc a n b ed i v i d e di n t os e v e r a lm o d u l e s t h em a st e rp r o g r a m sc o n t r o lp r o c e s s ， i n t e r r u p ts u 妒_ p r o g r a m ，a oc o n v e r t e rs u b - p r o g r a m ，a r i t h m e t i co fp i d ，p w m c o n t r o la n dav a r i e t yo fa n t i i n t e r f e r e n c ed e s i g n sa b o u ts o f t w a r ea r e i n t r o d u c e dr e s p e c t i v e l y t h ew e l d i n gp o w e ro f t h i sd e s i g ni sf e a s i b l e ，r e li a b l e ，w h i c hi s p r o v e dt h r o u g hd e b u g g i n gt h em a i nc i r c u i t ，t h ec o n t r o ls y s t e ma n dt h e w h o l e - u n i t t h el o o pc i r c u i tc o n t r o l l i n go fv o lt a g ec a nb er e a l i z e di n w e l d i n g p r o c e s s ， s ot h e w e l d i n g m a c h i n eh a sb e e n i m p r o v e d a n t i in t e r f e r e n c e k e ，n w o r d ：d s p ，s o f ts w i t c h i n g ，i n v e r t e r ，p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ， s t r u c t u r e dp r o g r a m m i n g 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) 一奎凌 姗彳年弓月21 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 鸯碡 _ 2 卯年弓月i 日 溯海大学工学碡! 士学位论文 基于d s p 的软开关道变c 0 2 焊机的研究 第一章绪论 焊接是制造业中重要的加工工艺方法之一，由于诸多飞速发展着的因素地推 动，如：复杂的焊接冶金物理化学过程、合理工艺的制定与实现、焊接质量的稳 定性、应用的灵活性、操作的安全性及经济性等，焊接制造工艺正经历着从手工 焊到自动焊的过渡【l l 。高速、高效、数字化、智能化是现代焊接技术的主要发展方 向，是实现现代化焊接的必由之路。数字化电源是现代焊接技术的核心，是焊接 电源从模拟到数字化的技术跨越，为自动化、智能化焊接奠定了基础。 近年来，软开关变换技术成为新型逆变电源的研究热点。软开关技术和逆变 技术相结合，能够实现功率器件在零电流或零电压条件下开通和关断，极大地降 低了开关损耗，改善器件的运行环境，代表着焊接逆变电源发展的趋势。软开关 技术的兴起，有力地推动了焊接逆变电源向大容量化、高频化、高效化，数字化、 智能化方向发展。软开关技术，逆变电源技术和数字控制技术都可集中体现在有广 泛应用的c o ：焊接中。 l 1 c o z 逆变电源的发展状况 i 1 1c 0 2 逆变电源简介 c o z 气体保护焊是在5 0 年代的欧溯首先出现的。它与其他电弧焊相比，具有 如下的优点1 2 l ： a 生产率高。c 0 2 电弧的穿透力强，熔深大而且焊丝的熔化率高，所以熔敷 速度快，生产率可比手r 焊高l 3 倍。 b 焊接成本低。c 0 2 气体是酿造厂和化工厂的副产品，来源广，价格低。因 而，c 0 2 保护焊的成本只有埋弧焊和手工焊的4 0 5 0 左右。 c 能耗低。 d 适用范围广。 不论何种位置都可进行焊接。 e 抗锈能力较强，焊缝含氢量低，抗裂性好。 f 焊后不需清渣，又因是明弧，便十监视和控制，有利于实现焊接过程的机 械化和自动化。 鉴于c 0 2 焊的应月j 优势，此焊接方法在工业发达国家已得到广泛应用。以金 属熔敷量占该国焊接总量的比例计算，2 0 世纪8 0 年代c 0 2 焊的焊接量在英国占 5 6 ，在日本占7 1 。目前c 0 2 焊已成为钢结构生产中主要的焊接方法之一。我 国虽然自5 0 年代末就开始研制与应用c 0 2 焊，但由于生产水平不高，该焊接方法 的发展直比较迟缓。直到8 0 年代后，外国的焊接设备和材料大量进口。同时也 从国外引进了c 0 2 焊接设备的生产技术和焊接生产线，这些都极大地推动了我国 c 0 2 焊接技术的发展1 3 j 。当前，我国西部大开发的许多基础项目如公路、桥梁、铁 c o ：焊接技术的发展p j 。当前我国西部大开发的许多基础项目如公路、桥梁、铁 第一章绪论 路、机场建设及西气东输、西油东送等都应用了c o ：焊接技术1 4 】。 但由于c 0 2 焊存在着飞溅大，焊缝成形差等问题。为了解决这些问题，国内 外研究者在焊接设备方向做了大量的研究工作，提出了很多思想和解决方案。比 较有代表性的如：表面张力过渡控制、电磁力与表面张力自均衡控制、能量控制 溶滴过渡等等1 5 】。这些控制方法都需要采用逆变电源，才能达到较好的控制效果， 因而研制性能优良的c 0 2 气保焊机，对c 0 2 焊接技术的发展起着举足轻重的作用。 从历届国际“焊接与切割”博览会展出的情况来看，在短短的1 2 年内，弧焊逆变 电源从开始出现到成为许多工业发达国家的主导弧焊电源产品，发展速度惊人， 它己成为更新换代的“革命性电源”产品。 1 1 2 逆变器的发展及研究现状 弧焊逆变器是弧焊逆变电源的核心部分，而逆变器的发展与开关器件的更新 换代紧密相关。7 0 年代开始使用的开关器件是晶闸管( s c r ) ，第一台晶闸管式弧 焊逆变器于1 9 7 8 年问世；8 0 年代初用双极晶体管( b j t ) 和场效应管( m o s f e t ) ， 1 9 8 1 年出现了晶体管式弧焊逆变器，1 9 8 2 年我国学者在实验室首先初步研制成功 了场效应管式弧焊逆变器；8 0 年代末，由于绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 优越的性 能和容量的大幅度提高，不少研究机构和生产企业已成功地将它用于弧焊逆变电 源中，在1 9 8 9 年的埃森世界焊接与切割博览会上展出了i g b t 式弧焊逆变器。8 0 年代开始，多数焊接设备公司都相继研制和生产了不同类型的弧焊逆变器，从而 使这种高效轻巧、性能好的新型电子弧焊电源迅速得到推广应用，逐步成为更新 换代的重要产品1 6 j 。 近年来，随着大规模专用集成电路a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e d c i r c u i t ) 、数字信号处理器d s p ( d i g i t a is i g n a lp r o c e s s o r ) 及复杂可编程逻辑器件 c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 、现场可编程门阵列f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 的发展，弧焊逆变电源控制电路由过去的分立元件、简 单集成电路发展到以单片机、工控机、d s p 、c p l d f p g a 为核心的数字化控制电 路| 7 i 。 1 9 9 3 年e w m 公司生产出全球第1 台数字化焊机( i n t e g r a l 系列) ，投入市场9 年多来，成功应用于汽车工业、机械制造业和船舶制造业等行业。1 9 9 8 年奥地利 f r o n i u s 公司生产的t r a n s p l u ss y n e r g i c 系列t p s 2 7 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 全数字化 焊机进入市场。其控制系统采用d s p 芯片集中处理所有焊接数据，检测并实时监 控焊接过程，实现程序化引弧、收弧、电弧精确控制、专家系统、一机多用、焊 接数据接口和评价系统等功能p 1 。这一划时代的产品正引领着焊机向全数字化的方 向发展。 如今在国内，上海交通大学、西北工业大学等高校及北京时代焊机等生产厂 商的科研单位都在进行数字式的逆变c 0 2 焊机的研究。数字化焊机是材料加工和 河海大学工学硕士学位论文基于d s p 的软开关逆变c 0 2 焊机的研究 机电的结合产物，是焊接设备今后个新兴的、主要的发展方向，其中涉及到了 材料加工、机电控制、电力电子技术、计算机软硬件等多方面知识。 1 1 3 硬开关逆变器存在的问题 小型化、轻量化是现代电力电子装置的发展趋势，同时对装置的效率和电磁 兼容也提出了更高的要求。通常，逆变器中的滤波电感、储能电容和变压器在系 统的体积和重量中占的比例很大，只有减小它们的体积和重量，才能实现逆变器 的小型化和轻量化。从电力电子学的有关知识可以知道，提高逆变器的工作频率 可以减少变压器绕组的匝数，减少铁心的尺寸，所以该方法是实现逆变器小型化 和轻量化的最直接途径。 但是在硬开关方式下，不断提高变换器的工作频率会引起以下的问题嘲： a 开关损耗大。开通时，开关器件的电流上升和电压下降同时进行；关断时， 电压上升和电流下降同时进行。电压、电流波形的交叠产生了开关损耗，该损耗 随开关频率的提高两急剧增加。 b 感性关断电压尖峰大。当器件关断时，电路中的感性元件感应出尖峰电压。 开关频率愈高，关断愈快，该感应电压愈商。此电压加在开关器件两端，易造成 器件击穿。 c 容性开通电流尖峰大。当开关器件在很高的电压下开通时，储存在开关器 件结电容中的能量将以电流形式全部耗散在该器件内。频率愈高，开通电流尖峰 愈大，从而会引起器件过热损坏。另外，二极管由导通变为截止时存在着反向恢 复期，开关管在此期间内的开通动作，易产生很大的冲击电流。频率愈高，该冲 击电流愈大，对器件的安全运行造成危害。 d 电磁干扰严重。随着频率提高，电路中的酬硪和施衍增大，从而导致电 磁干扰( e m i ) 增大，影响整流器和周围电子设备的工作。 上述问题严重妨碍了开关器件工作频率的提高。近年来开展的软开关技术研 究为克服上述缺陷提供了条有效途径。 1 1 4 软开关技术概述 软开关技术研究的报道始于二十世纪八十年代。1 9 8 4 年，美国v p e c 的e c l e e 教授等人提出了谐振软性开关电路( q r c ) 。该电路中由谐振电容和电感与原来的 p w m 变换器组成所谓“谐振开关”【9 l 。1 9 8 6 年，美国威期康星大学的d m d i v a n 教授提出谐振直流环节逆变器和极谐振逆变器技术，对软开关技术应用于逆变器 起了巨大的推动作用。1 9 8 8 年，美国v p e c 的w a t b i z 等人提出了多谐振电力开 关变换器1 1 0 1 。近十年来，软开关逆变电路的研究成为电力电子学领域的研究热点。 和硬开关工作方式不同，理想的软关断过程是电流先降到零，电压再缓慢上 升到断态值，所以关断损耗近似为零。由于器件关断过程是电流已下降到零，解 决了感性关断问题。理想的软开通过程是电压先降到零后，电流再缓慢上升到通 态值，所以开通损耗近似为零，器件结电容上的电压亦为零，解决了容性开通问 第一章绪论 题。同时，开通时二极管反向恢复过程已经结束，因此二极管反向恢复问题亦不 存在。d i d t 和d u d t 的降低使得e m i 问题得以解决。 软开关技术实际是利用电容与电感谐振，使开关器件中电流( 或电压) 按正 弦或准正弦规律变化。当电流过零时，使器件关断；当电压过零时，使器件开通， 实现开关损耗为零。按照其控制方式，软开关技术可分为脉冲频率调制( p u l s e f r e q u e n c ym o d u l a t i o n , 缩写为p f m ) 方式、脉冲宽度调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n , 缩写为p w m ) 方式和脉冲移相控制( p h a s es h i f t e d ，缩写为p s ) 方式。p f m 软开 关变换器电路结构简单，但工作频率不恒定，给变压器、电感等磁性元件的优化 设计带来一定的困难。此类变换器适合于在负载、输入电压相对稳定的应用场合。 p w m 软开关变换器实现了恒频控制，大大方便了磁性元件的优化设计，p w m 控 制方式是软开关变换器中应用最广泛的控制方式。此类变换器适合于中、小功率 应用场合。 目前，软开关技术的电路拓扑结构有多种形式。按切换形式分有：零电压开 关( z v s ) 、零电流开关( z c s ) 、零电压零电流开关( z v z c s ) 谐振变换电路；按 电路结构特点分有：负载型( 包括串联、并联、混合型) 、1 个谐振开关型包 括零电流准谐振变换器( z c s q r c ) 、零电压准谐振变换器( z v s - - q r c ) 、零电 流多谐振变换器( z c s - - m r c ) 、零电压多谐振变换器( z v s - - m r c ) 、直流母线 谐振变换器；按控制输出分有：变频控制和恒频控制等口“。 准谐振电路是最早出现的软开关电路，但该控制方式的谐振周期随输入电压、 负载变化而改变，因此电路只能采用p f m 方式来控制。该控制方式弧焊电源空载 时的无功电流太大，主回路中电流峰值很高，存在电流连续与非连续两种状态， 控制复杂。 全桥零电压脉宽调制( f b z v s p w m ) 变换器把p w m 控制技术和软开关 变换技术的优点结合在起，克服了p w m 硬开关控制方式工作原理的限制，在大 功率高频变换方面，成为最有吸引力的电路形式1 1 2 , 1 3 1 。但是f b z v s p w m 的负载 变化范围很大，频繁工作在短路、负载、空载状态。在小负载电流下要实现零电 压切换必须采用较大的谐振电感，而这样又会引起大电流时附加环路能量和有效 占空比的损失增大。甚至实现零电压切换得到的开关损耗过少将不够抵消附加环 路电流引起的导通损耗，失去了软开关的意义【2 8 1 。 全桥零电压零电流脉宽调制( f b - z v z c s _ p w m ) 变换器与f b z v s p w m 变 换器一样，也可以实现零电压的开通。只是f b z v z c s - p w m 通过在变换器中增 加个隔直电容，使得延迟臂功率器件的开通和关断将在零电流条件下完成，抑 制了环流电流引起的导通损耗，实现了真正的软开关。 12 数字化焊机的研究意义及进展 河海大学工学硕士学位论文 基于d s p 的软开关逆变c 0 2 焊机的研究 1 2 1 焊接设备数字化发展趋势 数字信号处理相对于模拟信号处理具有很大的优越性，表现在精度高、灵活 性大、可靠性好以及易于大规模集成等方面。因此，数字信号处理技术在通信、 浯音处理、图像处理、自动控制、消费电子等诸多领域内得到了广泛的应用 1 4 , 1 5 】。 数字化是指按照一定的规则把连续的物理变化量用0 i 编码的数字形式来表 示。而数字化焊机电源是指焊机主要的控制电路由数字控制技术替代传统的模拟 控制技术，且在控制电路中的控制信号也由模拟信号过渡到o i 编码的数字信号。 数字系统与模拟系统相比有着明显的优势，数字系统具有系统灵活性好，控制精 度高、稳定性与产品一致性好、接口兼容性好以及系统功能升级方便等特点。 随着电机控制专用d s p 的出现和控制理论的普遍发展，逆变焊机的控制技术 朝着全数字化，智能化以及网络化的方向发展。 以i g b t 为开关元件的c 0 2 焊接逆变电源的发展呈现出以下几个趋势； a 发展大功率、小型化的逆变电源，利用i g b t 作开关器件的优点制造大容 量、高性能的逆变c 0 2 焊机，提高逆变电源的可靠性。 b 综合了p w m 技术和谐振技术优点的脉宽调制软开关技术应用于遵变电源， 从而降低电源的开关损耗、开关应力和电磁干扰，提高逆变电源的工作频率和可 靠性。 c 利用功能强、可靠性高的控制芯片控制电源的动态特性和静态特性。开发 数字化控制焊机，利用专家系统和状态信息，在参数选择范围内实现焊接规范和 焊接参数的自适应控制，达到最佳参数搭配。 研究和发展弧焊电源的数字化控制技术意义重大【 】。从焊机的工艺效果来看， 由于数字化焊机具有控制策略调整灵活、控制精度高以及控制参数稳定性好的特 点，它具有更好的工艺稳定性和更好的工艺效果。同时，数字化焊机方便的通讯 接口功能为现代化的网络化生产提供了良好的硬件基础。从弧焊工艺研究的角度， 数字化焊机为实施创新性的工艺控制策略和实现多功能提供了全新的途径。而数 字化焊机的在线控制程序升级功能，为新控制策略的实施提供方便、快捷的途径。 从技术发展的角度来看，数字化焊机研究的时机是成熟的。首先是数字信号 处理理论和计算机技术经过近半个世纪的发展、完善，为弧焊领域的数字化控制 技术的应用提供了坚实的理论基础，积累了宝贵的经验。其次是数字化控制所涉 及的元器件丰富，种类齐全，并且容易获得。国外数字化焊机的成功经验和国内 外市场的良好反应表明，数字化焊机已经得到了广泛的青睐。因此，数字化焊机 的研究前景是光明的，其未来的市场也必将更加广阔。 1 2 2d s p 的优势 各种逆变电源的出现，简化了控制电路的设计，特别是专用集成芯片的出现， 使控制模式从模拟控制发展到数字化控制成为可能。根据d s p 的英文定义( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ) ，简单地说，数字信号处理器就是在硬件、软件和指令集等方面 第一章绪论 经过优化以适应数值处理应用的一类处理器或微型计算机15 , 1 6 。因此，d s p 以其 强大的指令系统及接口功能显示出功能强，速度快、编程和开发方便等特点而广 泛应用于通用数字信号处理，但如今，d s p 却也因速度快、接口功能强的特点在 焊接自动控制领域逐步获得愈来愈广泛的应用。 本设计采用t j 专为功率控制而设计的d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为焊机控 制的核心电路。该芯片主要性能如下： 3 2 位中央算术逻辑单元，3 2 位累加器 1 6 1 6 位并行乘法器，产生3 2 位乘积 4 级流水线操作、8 级硬件堆栈 3 0 m i p s 运算速度，大多数指令为单周期 3 2 k 字( 1 6 位) 片内程序存储器 5 4 4 字双口r a m 2 k 字s 蝴 两个事件管理器，每个事件管理器都包括：两个1 6 位定时器计数器、8 路1 6 位p w m ( 死区可编程控制、有短路保护引脚) 以及捕捉器、比较器等功能 单元。 1 6 路1 0 位a d ，转换速度5 0 0 n s s c i 、s p i 、c a n 通信接口 看门狗、p l l 时钟、j t a g 接口及4 0 条可程控的多功能输入输出口线 源码兼容t m s 3 2 0 家族的c 2 x ，c 2 x x 和c 5 x x 定点系列 可以看出，该芯片包含了焊机控制所需的主要功能，辅以少量外围电路就可 以完成焊机的全部控制功能。表1 1 列出了d s p 与单片机的功能比较。 表1 - 1d s p 与单片机的功能比较 比较项目单片机 d s p 总线结构冯诺伊曼结构哈佛结构 数据处理能力差 很强，实时完成 指令执行时间多周期 单周期多功能指令 乘加运算( 1 1s ) 2 0 0 2 5 p w m 单位( us ) 20 0 2 5 正余弦查表( us ) 1 721 o 速度测量( us ) 4 9657 位置估算( us )1 6421 p i d 调节( hs ) 1 5 6 1 4 电流控制( ! - ts ) 4 04 3 性能，价格 12 词海大学工学硕士学位论文 基于d s p 的软开关逆变c 0 2 悍机的研究 从表中可以看出与单片机相比，d s p 具有更先进的硬件结构，运算速度快， 精确度高，数据处理能力强的特点，并且t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的d s p 芯片所具有的外 围模块，更适合于做焊机或电动机的控制芯片。 本课题正是在此基础上，提出了基于d s p 的软开关逆变c 0 2 焊机的研究。集 成d s p 强大的数据处理能力和快速运算能力为焊接信号的实时处理分析提供了合 适的平台，特别是现代的具有外围控制接口、完备实时监控系统的控制类d s p 芯 片( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列) 的出现，为形成焊接过程的实时控制提供了可能n 7 , 1 9 。 加之c 0 2 弧焊是一个非常复杂的物理、化学过程，各种信号源各有优缺点，因此 综合应用各种信号源检测技术，采用d s p 技术对焊接过程进行自动实时评价和反 馈控制，保证焊接过程的稳定性，是本课题的研究意义所在。 l3 本课题的研究内容 本课题在借鉴前人研究成果的基础上，研究基于d s p 的i g b t 软开关逆变c 0 2 焊机。c 0 2 焊机的主要参数为焊接额定电流3 5 0 a ，最大空载电压为6 0 v ，频率为 2 0 k h z ，最大占空比为4 0 。d s p 采用t i ( 美国德州仪器) 公司的型号为 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的芯片。 在整个设计中，焊机的主电路部分采用全桥软开关逆变电源。焊机的控制实 现d s p 的全数字化控制技术。本文的主要内容是主电路拓扑结构的研究和控制电 路及外围电路的设计，并完成软件的编制与整机调试。 第二章软开关逆变电源总体设计 第二章d s p 控制软开关逆变c o 。焊机 总体设计 基于d s p 的软开关逆变电源设计采用全桥式工作模式，实现a c d c - a c d c 变 换过程。图2 1 所示为这个i g b t 逆变c o 。焊机的系统结构框图。 图2 1 系统结构框图 基于d s p 的软开关逆变电源主电路有供电系统，电子开关系统，变压器和焊 接电弧组成。供电系统把工频交流变成直流向电子开关系统供电，电子开关( i g b t ) 逆变器实现d c - a c 的逆变过程，然后通过高频变压器降压，输出整流得到焊接电 压。 逆变电源的控制系统是以d s p 为核心，通过电流电压反馈信号，实时反映焊 接电弧参数，经d s p 运算处理，产生p w m 脉冲，控制i g b t 的开关占空比，从而控 制焊接电弧参数，实现闭环控制。本系统中采用的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的d s p 芯片内部 集成了许多控制模块，为实现单芯片控制提供了保证。 21 主电路的设计与分析 211 软开关逆变电源控制模式 逆变电源是弧焊电源的最新发展技术。它的控制思想是：利用电子控制系统， 以电流电压负反馈闭环控制为核心，来获得电源所需的外特性、调节特性和动特 性。本设计采用全桥式逆变电路。 它的输入与输出关系为： f u o = q 。兰 ( 2 - 1 ) 下 其中： q = 二堕一1 0 0 ( 2 - 2 ) + 一r 一 河海大学工学硕士学位论文基于d s p 的软开关逆变c 0 2 焊机的研究 式中，u 0 为电源输出电压；e 为逆变器输入直流电压；r l 为高频变压器变比；q 为占空比；t 。为逆变器功率开关管导通时间；t o 厦为逆变器功率开关管关断时间。 由于e 、n 为固定值，改变占空比q 的大小就可以调节电源输出的电压值。根 据占空比的公式( 式2 2 ) ，可以看出逆变电源的控制模式主要有两种： i 定脉宽调频率。脉冲宽度t 。保持不变，通过改变逆变器的开关频率，即 改变t o 仃来调节电源输出。频率越高，占空比越大，电源输出越大。早期的晶闸管 式逆变电源采用这种调节机制。 这种方式有以下缺点：输出电压为矩形波，其中含有较多的谐波，对负载有 不利影响；用相控方式来改变中间直流环节的电压，使得输入功率因数降低；整 流电路和逆变电路两级均采用可控的功率环节，较为复杂，也提高了成本。因此 现在的逆变电路中已很少使用。 2 定频率调脉宽。脉冲频率不变，通过改变逆变器开关脉冲的脉宽t 。，来 调节电源输出，脉宽越大，占空比越大，电源输出越大。目前逆变焊机主要采用 定频率调脉宽( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，简称p l t 珊i ) 的方法来改变输出。 这种方式有以下特点：可以得到相当接近正弦波的输出电压；整流电路采用 二极管，可获得接近l 的功率因数；只用一级可控的功率环节，电路结构较简单： 通过对输出脉冲宽度的控制就可以改变输出电压，大大加快了变频器的动态响应。 212 主电路结构选择及拓扑结构 移相全桥零电压脉宽调制( f b z v s p w m ) 变换器是目前应用最广泛的软开 关电路之一，它的特点是电路简单。同硬开关全桥电路相比，仅增加了一个谐振 电感，就使四个开关均为零电压开通如图2 2 所示。 广宁 r 。 f 1q fl l b l 图2 2 移相全桥零电压脉宽调制主电路 在以往的研究中，f b z v s p w m 变换器多采用功率m o s f e t 作为开关元 件，若直接将i g b t 用到f b z v s p w m 变换器中，由于i g b t 的拖尾电流会造 成大量的开关损耗，另一方面筘位续流的环流也会造成附加的导通损耗，使f b z v s - - p w m 变换器难以用到大功率变换的应用中1 9 】。全桥零电压零电流脉宽调制 第二章软开关逆变电源总体设计 ( f b z v z c s p w m ) 变换器就克服了f b z v s p w m 变换器的这两个缺点， 成功的解决了关断损耗和附加环流的问题。 全桥零电压零电流脉宽调制变换器( f b z v z c s p w m ) 在全桥零电压脉宽调 制变换器中增加了一个隔直电容如图2 3 所示，使原边电流在箝位续流时间迅速 衰减到零并保持，固定臂的开关管是零电流关断，移相臂的开关管是零电压开通。 这样，一方面使具有关断拖尾电流特性的i g b t 可以很容易的用到全桥软开关变换 器中，另一方面大大的减少了变换器附加环路能量，同时具有小的占空比损失， 低的副边寄生振荡和宽的软开关切换的负载范围等优点。 一 t 埘二骨 广 lr _ f f cl i l k l 图2 3 全桥零电压零电流脉宽调制主电路 由于以一l 原因，基于d s p 的软开关逆变c 0 2 电源的控制电路选用全桥零电压 零电流脉宽调制模式。控制思想为：以d s p 控制芯片来改变占空比的大小，即以 脉宽调制电路为核心，通过电压负反馈闭环控制，实现软开关逆变电源。 本设计采用的全桥逆变主电路结构图如图2 4 所示。 罗隧埘两 瀣 蚵 ，l ni l f 爹1 一 厂c ， m 瑚 b j ljl 俨 m珥 瑾 乒1 l jcjl jl 。广 l u 图2 4 逆变c 0 2 焊机主电路结构图 在电路图中： 第一部分：输入整流滤波电路。三相5 0 2 4 i z 、3 8 0 v 交流电经二极管d i d 6 组成的整流电路整流，并经过c - 高频滤波电容，吸收电网与逆变电路之间的谐波 干扰；电阻r 2 、r 3 和电容器组c 2 、c 3 组成滤波电路滤波，变成平滑的5 4 0 v 直流 1 0 河海太学工学硕士学位论文 基于d s p 的软开关逆变c 0 2 焊机的研究 电压。r ，为限流电阻，限制启动时的合闸浪涌电流；继电器k 控制限流电阻切换， 启动后闭合，把r l 从主电路去除；电阻r l o 、r 1 1 ，稳压管d 9 与电容c l l 组成延时 电路，控制r l 切换时间。 第二部分：逆变器。将主电路中的逆变器部分放大后，如图25 所示。v t l 一4 为功率开关管，与中频变压器t f l 组成逆变器；电阻r 4 r 7 、电容c 。一c t 与二极管 d l o d 1 3 共同组成v t l v t 4 的r c d 吸收回路，减小开关管的开关过程电流、电压冲 击。二极管d 1 4 一d 1 7 起到续流的作用，电容c 1 2 、c 1 3 为固定臂电容，c 1 4 、c 1 5 为 滞后臂电容，c 1 6 为隔直电容，l r 为饱和电抗器。逆变器的工作过程如图2 5 所示， 半周期内可分成三个时间段。 r 1 。1 广一 id 7 u 几 l l d m r i o 掣 图2 5 逆变器工作原理图 t 0t 1 期间，v t l 3 导通，变压器原边电压等于整流后电压( 5 4 0 v ) ，隔直 电容c 1 6 电压线性上升。 v t 4 v ，r l 图2 5 软开关逆变电路工作过程图 【t l - t 2 】期间，v t l 关断，v t 3 仍导通，v t l 两端的电容充电至5 4 0 v ，v t 2 两 第二章软开关逆变电源总体设计 端的并联电容c 1 3 放电至零时，v t 2 的反并联二极管d 1 5 导通，为v t 2 零电压导 通做好了准备。充放电结束后，电流值很快地下降，直到为零时刻，w 3 关断， 实现了零电流关断。 【t 2 - t 3 1 期间，v t l ，v t 3 都关断，这段短暂的时间称为“死区”时间。 t 3 之后 v t a ，v t 4 开通( v t 2 实现零电压开通) ，工作过程与t 0 - t 3 时刻类似。 第三部分；输出整流滤波电路。快速整流二极管模块m 、d 8 和直流电抗器l t 组成单相全波整流滤波输出电路，输出适合于焊接的直流电源。r 9 、c ，与r ，o 、c l o 组成d 7 、d g 的吸收回路。 全桥式电路的优点是输出功率较大，对功率开关管耐压要求较低，同时使用 了软开关控制方式，使得i g b t 的功率损耗变得更小。 2 i 3 开关频率的选择 般认为，逆变频率越高，逆变器的经济指标越高。实际上，逆变频率的选 择要受多种因素制约，例如功率开关器件、快速整流二极管本身的开关速度等。 另外，频率越高，对控制线路的设计要求越高，电路的电磁干扰越严重，功率器 件开关功耗越大，整机效率反而得不到相应地提高1 2 0 1 。因此，频率的选择应该综 合考虑。 综上，参考国内外的研究和使用现状，本课题研究的电源逆变工作频率选为 2 0 k h z 。 22 电力电子器件的选用 为了充分利用功率开关器件，进步提高和稳定弧焊逆变电源的整机容量和 性能，需要根据实验要求，选择合适的开关器件。针对逆变电源中比较常用的4 种开关元件，其性能比较如表2 6 所示。 表2 6 功率器件的比较川 功率嚣件舶出较 连缓电巍密度g a e m “ l o l 一l 佰一j s 口 轴m ，轴群 蜂慎电簿密废a e r a s ) l 酾l 抽d 一 l 口m 、3 “ 辆定电境下的d g l t i ( v ) 5 7 3 _ 一蕃伯一五5 l 2 啪 r 4 - i 盘时阔( t a s ) & l一钒1 5o t $ 一誊0 0 一l i ” 关耕时间( p $ ， 阻1镒钒3 50 - 4 - 2 o 0 t l ”1 击穿电压 v ) 卅 5 0 05 0 01 2 0 0 凹州” = 配嚷墩电碍c 柞c 2 ) 溅墩德 3 ) 臻计德 河海大学工学硕士学位论文 基于d s p 的软开关逆变c 0 2 焊机的研究 弧焊逆变电源中，要求功率器件具有耐电压幅值高，开关速度快损耗低，动 态特性d i d t 及d r d r 耐量要高，热稳定性好等特点，从上表可以看出，g t o 开关 速度较低，驱动功率大；m o s f e t 有较好的商速控制性，然而容量小，难以实现大 电流；m c t 耐压值过低，容易被损坏；而i g b t 既有功率m o s f e t 高输入阻抗、快速 开启、驱动电路简单和所需驱动功率小等优点，又具有功率晶体管漂移区电导调 制、导通损耗低的特点，且较功率m o s f e t 有着更大的电流密度、更高密度功率容 量和较功率晶体管更高的开关频率、更宽的安全工作区。因此，综合考虑选用i g b t 作为逆变电路的功率开关器件非常合适。下面简单介绍一下i g b t 的工作原理。 2 2 1i g b t 的驱动原理 i g b t 的驱动原理与功率m o s f e t 基本相同，为场控器件，通断由栅射极电压 u g e 决定【8 1 。 导通：u 6 e 大于开启电压u g e “h 1 时，m o s f e t 内形成沟道，为晶体管提供基极 电流，i g b t 导通。 导通压降：电导调制效应使电阻r o n 减少，使通态压降减小。 关断：栅、射极间施加反压或不加信号时， m o s f e t 内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断， i g b t 关断。 2 2 2 i g b t 的静态特性 转移特性i c 与u g e 间的关系，与m o s f e t 的转移特性类似，如图27 所示。开启电压 u o e ( t h ) i g b t 能实现电导调制而导通的最低栅射口 电压。u g u , h ) 随温度升高而略有下降，在+ 2 5 时， 陋 强 u g 日l h ) 的值一般为2 6 v 。图2 7i g b t 的转移特性 输出特性以u o e 为参考变量时，i c 与u c e 间的关系如图2 8 所示。其分为 三个区域，即正向阻断区、有源区和饱和区，分别与g t r 的截止区、放大区和饱 图2 8i g b t 的输出特性 和区相对应。u c e o 时，i g b t 为反向阻断工作状态。 加 第二章软开关逆变电源总体设计 2 2 3i g b t 的动态特性 i g b t 的开关过程如图29 所示。 0 图2 9i g b t 的开关过程 开通过程与m o s f e t 相似，因为开通过程中i g b t 在大部分时间内作为 m o s f e t 运行。开通延迟时间t d ( 。厂一从u o e 上升至其幅值1 0 的时刻到i c 上升 至0 1 l c m 时的时间。 电流上升时间t 。_