WeldjngTechnology
v01．42
No．3MaL2013
焊接设备与材料
4l
文章编号：1002_025X(2013)03-004l—04
基于单片机+DSP数字控制的变极性电源
白宏伟1。张永停2
(1．河南机电高等专科学校，河南新乡453002；2．河南起重机器有限公司，河南新乡453000)
摘要：设计了基于单片机+DSP双CPU的变极性双逆变电源，单片机作为主控芯片，实现系统的人机信息交互，DSP作为从控芯片，控制电源输出．双CPU之间以双口RAM为通信桥梁实现数据交换。变极性电源功率变换主电路由两级逆变电路组成，一次逆变采用移相ZC—ZVS—PWM双零软开关全桥逆变结构，二次逆变采用“共同导通”换向控制策略的耦合电感型半桥逆变电路拓扑．控制系统对两级逆变协制并通过软件方法实现。电流换向速度快，焊接电弧稳定。关键词：单片机+DSP；移相；软开关；协制
中图分类号：TG434
文献标志码：B
逆变采用带自耦合电感的半桥结构，通过续流耦合
O前言
变极性电源是一种适用于铝及铝合金焊接技术的焊接电源，其功率变换电路由两级逆变电路构成，一次逆变主要对电源系统的外特性进行控制，并对二次逆变供电，使焊接电源具有快速响应特性；二次逆变通过与一次逆变的协制．输出电流频率、DCEN半波幅值及时间、DCEP半波幅值及时间均可单独调节交变方波电流，为焊接电弧提供能量。
单片机具有强大的控制和管理事务能力。DSP具有高速运算能力，随着单片机、DSP在焊机领域的运用．焊接电源的数字化设计使现代焊机日趋多功能和智能化。本设计提出了以单片机+DSP双CPU为控制核心的变极性焊接电源设计方案，实现变极性电源的全数字化实时控制。
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电感的作用及开关管的切换控制，最终得到输出电流频率、正负半波幅值、占空比分别可调的变极性焊接电流【”。
电源控制系统以单片机(80C196KC)+DSP(TMS320LF2407)双CPU为控制核心，单片机与DSP之间的通信通过双口RAM实现。80C196KC作为主控芯片，具有强大的控制和管理事务能力，主
1系统总体设计方案
基于单片机+DSP双CPU控制的变极性双逆变电源的总体结构如图1所示。设计中，两次逆变均采用功率IBGT模块作为主控开关器件。一次逆变为移相式软开关全桥式逆变电路，采用PWM控制实现输出电压、电流的幅值控制，为二次逆变供电；二次
要实现系统的人机信息交互、高频引弧、送气、远程通信等事务管理，TMS320LF2407作为从控芯片，具有高速运算能力，主要对输出电压、电流信号进行采集，并根据用户设定的输出频率、正负半波幅值、占空比等参数，控制输出波形，实现电源的变极性输出控制。本设计通过软件编程的级逆变的协制。
法实现两
收稿日期：2012一10—31
焊接过程中，控制系统的具体控制案为：上
42焊接设备与材料电后，先在控制面板上预设焊接工艺参数，合上焊开关开始送气、引弧，对焊接电流、电弧电压进行采样反馈并进行PID运算，得到PWM信号。一次逆变采用PWM调节方式，由给定信号控制一次逆变输出电流，实现恒流输出特性：二次逆变的控制信号与一次控制信号在相位上严格同步，且二次逆变控制信号正负半波时间都是PWM周期的整倍数，根据电流的预设值．对二次逆变进行变极性控制。当再次按下焊开关时，滞后送气几秒，焊接结束。
2硬件系统设计
2．1
单片机+DsP双CPU控制系统本系统是以单片机
(80C196KC)+DSP
(TMS320LF2407)双CPU为控制核心的闭环控制系统，对电源进行整体管理和控制。用户设定的焊接参数由控制面板输入，经单片机传送给DSP，TMS320LF2407对输出电压、电流信号进行采集，并根据用户设定的焊接参数对功率变换电路进行脉冲
宽度控制和PID运算。TMS320LF2407的4个通用定时器分别用做一次逆变PWM的生成、二次逆变PWM的生成、A／D转换的定时、焊接过程控制的所有定时。软件设计时，通过正确配置DSP的通用定时器，使一次PWM和二次逆变控制信号同步，且使二次逆变控制信号的周期为一次PMW周期的整倍数，实现变极性电源双逆变协制。单片机和DSP通过双口随机存储器CY7C026为通信桥梁实现数据交换。
2．2一次逆变电路
一次逆变电路采用移相ZC—ZVS—PWM全桥逆变结构，运用软开关技术，原理如图2所示。全桥式逆变电路主要由功率开关管IGBTl～IGBT4和中频变压器组成，IGBTl和IGBT3为超前臂，IGB，I’2和IG．BT4为滞后臂，桥式变换器的2个桥臂开关转换能工作在零电压、零电流下，输出具有较高动态响应特性的可控恒电流f2l。电路中，VDl～VD4为IGBT内部反并联二极管，承受负载产生的反向电流，保护IGBT。由R，C，VD构成的缓冲环节可以降低开关
焊接技术第42卷第3期2013年3月
管关断时电压上升速度，并减小开关管的损耗。DSP将给定信号和输出电流、电压的反馈信号进行信号处理，输出一路40kHz的PWM，经过CD4081和CD4027二分频为两路相位差1800、频率为20
kHz
的PWM．这两路PWM轮流驱动桥臂对边上的2对管(IGBTl和IGBT4，IGB7I'2和IGBT3)，使它们关断或导通．将直流高压转换成频率17Hz的中频交流电压．经中频变压器T降压后传递给二次逆变电路。图3所示为ZC—ZVS—PWM波形变换示意图，其中％为中频变压器一次电压，厶为中频变压器一次
电流。
图2一次逆变主电路结构
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图3ZCZVSPWM波形变换示意图
移相全桥ZC—ZVS—PWM控制利用中频变压器的漏感和二次侧折算到一次侧的等效电感．可以实现零电压开通和近似零电流关断，实现PWM软开关控制。由图3可以看到，当桥臂对边上的IGBTl和IGBT4都导通时，o为近似恒流源；％时刻IGBTl关断，IGBT3电压保持为零；￡。时刻后IGBT3可以实现零电压ZVS开通；￡：时刻IGBT4关断，IGBrll2电压保持为零，此时IGBT2可实现零电压开通．此时％极性反向。在轻负载时，超前桥臂软开关比滞后桥臂的软开关容易实现。厶在输入电压的作用下逐渐减小，在￡。时刻减小到零并反向增加。滞后桥臂的
．WeIdingTechnology
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V01．42No．3Mar．2叭3
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焊接设备与材料．
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43
开关管必须在z，～缸之间开通，否则不但不能实现滞后桥臂的零电压开通，而且由于滞后桥臂的电压不为零，将会产生较大的开通电流，加大滞后开关管的开通损耗。
由以上分析可知，保持IGB，I’2和IGBT4的驱动信号不变，只需要同步改变IGBTl和IGBT3的驱动信号的占空比，就能获得不同的功率输出，满足变极性电源焊接电流的要求。2．3二次逆变电路
二次逆变器设计采用基于“共同导通”换向控制策略的耦合电感型半桥逆变拓扑，如图4所示。共同导通就是在输出电流换向之前．使2个开关管共同导通一小段时间(1～2s)。图4中VDl。VD4构成二次整流电路，Ll，L2为续流自耦合电感．对输出电流滤波并维持焊接电流连续，IGBTl，IGBrI’2构成半桥逆变，采用“共同导通”的控制策略。由一次逆变电路获得的方波交流电压经中频变压器降压后，再经二次整流电路转换为脉冲直流电压，IGBTl，IGBrll2通过续流耦合电感的作用及开关管的切换控制，最终得到输出电流频率、正负半波幅值、占空比分别可调的变极性焊接电流。此电路的优点是整机效率高，耦合电感拉动换向速度并使得谐振尖峰减小，电弧稳定【3】。
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图4二次逆亚主电路结构
电源工作时，在稳定状态下，耦合电感的任意一个电感都可以作为普通电感使用；在换向过程中，耦合电感和IGBT的缓冲电容为电感提供放电回路，使流过电感的电流迅速减小，且由于耦合作用在反向端建立较大的与换向后电流同向的电压，提高了电流的换向速度。由正极性焊接向反极性焊接切换电路工作过程分析如下：
(1)IGBTl导通，IGB眩关断，系统处于正极性
焊接阶段，焊接电流由工件流向焊，电感L1中存储能量，并起到滤波续流的作用。
(2)IGBTl导通，IGBT2导通，IGBTl．IGBT2共同导通一段时间(1～2s)，为接下来的极性换向做准备。由于共同导通的时间短，不会改变二次逆变电路的状态。
(3)IGB他开通，IGBTl关断，系统进入DCEN
正极性焊接向DCEP反极性焊接切换阶段。
由反极性焊接向正极性焊接切换时电路的工作过程与上述过程相似。在换向过程中．耦合电感和IGBT的RC缓冲电路加快了换向速度，使电流快速过零。二次逆变电路自身还能够提供足够高的再燃弧电压，确保电弧在熄灭后可以可靠地重新引燃。
3双逆变的协制及软件实现
双逆变控制的关键问题是对一次逆变和二次逆变协制，包括两次逆变的波形协调问题和两次逆变的控制信号同步触发问题，变极性电源控制系统的各路波形如图5所示，根据用户给定的焊接电流参数，控制系统在规定的时间切换电流给定值，就可以获得变极性焊接电流。
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图5变极性电源各路波形
由图5可知，由给定信号玑控制一次逆变输出电流，通过二次转换，在z，时间内，U。控制DCEN输出电流的大小，在瓦时间内，U。控制DCEP输出电流的大小，当一次逆变输出电流的幅值从，D跳变到，u的同时，二次逆变的控制信号控制二次侧开关管的通断，实现变极性转换，得到变极性输出电流。
44焊接设备与材料焊接技术第42卷第3期2013年3月
DCEP的电流幅值较大(为DCEN的1．3～1．5倍)且时间短(为DCEN的20％)，以保证阴极雾化作用。在变极性电流焊接时。DCEN时工件接正，阴极压降很小，动态等效电阻小；DCEP时工件接负，阴极压降大，等效动态电阻大，因此，在DCEN时一次PWM占空比远小于DCEP。为避免变压器产生直流磁化问题．必须使二次逆变驱动信号正负半波的时间都是PWM周期的整数倍．以保证在1个周期内流过变压器正反向的电流大小一样…。
软件设计时．正确配置TM320LF2407的2个通用定时器，通用定时器2将通用定时器1的周期寄存器作为自己的周期寄存器使用，2个通用定时器实现同步，使两次逆变控制信号的相位完全相同。电流波形控制程序流程图如图6所示。
协制程序人口
／7电流处于
用超前控制．可以大幅度降低极性切换时的冲击电时过零换向和超前换向的电流。图7所示为100A流、电压波形。
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(a)过零换向
图7
(b)超前换向
1∞A时过零换向和超前换向的电流、电压波形
5结论
(1)采用单片机+DSP控制的变极性焊接电源系统设计方案为焊机实现数字化、智能化提供了硬件
二[二[
匿各项技术参
＼＼DCEN／
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支持，易于实现数字化焊接电源具有的功能完备、性能稳定、人机交互友好等特点。
(2)该电源电路可以设计成直流方波电源或交流方波电源的双电源电路，一次逆变电路采用软开关技术，电路可靠稳定；二次逆变电路采用自耦合电感的半桥结构，电源系统在具有良好的变极性输出性能的同时，又具有硬件电路结构简单、成本低、
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整数倍计算
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图6电流波形控制程序流程图
系统效率高等优点。
(3)采用超前换向，可以大幅度减小极性切换
4试验结果
将设计理念应用在WSE一350逆变电源样机的试制中，主要电路参数：额定输入电压为三相380
V．
时的冲击电流，稳定电弧。
参考文献：
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制[J]．电焊机，2008，38(5)：53—56．
kHz
额定电流350A，电流调节范围5—350A，电流上升时间0～5s，电流减小时间0～5s，脉冲峰值电流5—
350
A，脉冲基值电流5～350A，一次逆变频率17
kHz，二次逆变频率5～100Hz，中频变压器变比24：3。一次逆变采用软开关技术，超前臂和滞后臂有可调的死区时间，能够保证桥臂均工作在ZVS或ZCS状态，实现了一次逆变。在二次PWM驱动信号控制下，二次逆变电路输出低频
波。试验中可以观察
到，当电流由DCEP向DCEN转换时．存在电流冲击过大的问题，为解决换向时的电流冲击问题．采
作者简介：白宏伟(1973一)，女，河南浚县人，工程师，实验师。硕士，研究
向为电气自动化和焊接设备．
