（控制科学与工程专业论文）数字化软开关模糊自适应弧焊电源研究.pdf

s t u d yo nd i g i t a ls o f t s w i t c hf u z z ya d a p t i v ea r cw e l d i n gp o w e rs o u r c e b y c h e nw e n k e b e ( h u n a nu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g c o n t r o ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o rs h ez h i t i n g a p r i l ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：阵盖寸 日期：加i 年岁月侈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密曰。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：驯年f 月阻日 日期：2 宅, 1 1 年j 其s b 数字化软开关模糊自适应弧焊电源研究 摘要 逆变弧焊电源具有体积小、重量轻、动态响应快、易于实现焊接过程的实时 控制以及在性能上具有较好的灵活性等优点，成为业界的一个研究热点。但传统 逆变弧焊电源有两个突出缺陷：1 ) 弧焊电源p w m 控制多采用模拟方法，存在温 漂和零漂，不利于控制精度的提高；2 ) 变换器主开关器件处于硬开关状态，开关 损耗大。为了解决这些问题，本文在变换器中引入软开关技术减小功率器件开关 损耗，采用d s p 与可编程逻辑数字芯片研究一种基于全桥移相d c d c 软开关变 换器的数字化模糊自适应逆变弧焊电源。 本文阐述了软开关技术、d s p 数字控制技术、智能控制理论的发展以及其 在逆变弧焊电源中的应用，分析了传统全桥移相d c d c 软开关变换器的工作原 理，采用了一种新型全桥移相d c d c 软开关变换器搭建了主电路，在此基础上 对主电路进行了m a t l a b 仿真研究，研究结果证明逆变软开关变换器实现软开关运 行时开关损耗明显减少。控制系统以d s p i c 3 0 f 6 0 10 a + e p m 7 1 2 8 为控制核心，设 计电压外环电流内环的双闭环控制系统对逆变弧焊电源输出电压进行恒压控制。 在m a t l a b 中对控制系统的各项控制性能进行了仿真研究，与传统逆变弧焊电源双 环控制系统进行了阶跃响应特性对比分析进一步证明方案的正确性和先进性。 本文重点研究了基于模糊p i 自校正控制器的l c l 软开关全桥式逆变弧焊电 源，提出了一种新的基于电压模糊p i 自校正控制系统并成功应用于逆变弧焊电源 的电压控制，在控制系统中电流内环采用带电流峰值限制的p 控制器，限制变换 器主元件的电流。这种控制方法的电压控制动静态性能良好并有效地提高了焊接 质量。 论文中对采样电路、d s p i c 3 0 f 6 0 10 a 控制单元、驱动和保护等电路进行了设 计，并且对人机界面进行了硬件设计。在完成系统硬件设计的基础上采用c 语言 与汇编语言混和编程完成软件设计，软件设计包括控制系统软件和人机界面软件。 最后在实验装置上进行实验研究，结果进一步验证了数字化全桥移相d c d c 软 开关变换器逆变弧焊电源克服了传统逆变弧焊电源模拟控制系统控制精度低和硬 开关变换器开关损耗大等不足，因而，数字化全桥移相d c d c 软开关变换器逆 变弧焊电源在提高焊接质量和降低能量损耗方面有明显优势，具有较好的应用前 景。 关键字：数字化逆变弧焊电源；全桥移相逆变器；软开关变换器拓扑；模糊p i 自校正 u a b s t r a c t l n v e r t e ra r cw e l d i n gp o w e rs o u r c eb e c o m e sah o t s p o ti n w e l d i n gi n d u s t r yw i t h a d v a n t a g e so fs m a l l ，l i g h tw e i g h t ，f a s td y n a m i cr e s p o n s e ，e a s yt oi m p l e m e n tr e a l - t i m e c o n t r o lo fw e l d i n gp r o c e s sa n dg o o df l e x i b i l i t y h o w e v e r ，t h et r a d i t i o n a li n v e r t e ra r c w e l d i n gp o w e rs o u r c eh a st w op r o m i n e n ts h o r t c o m i n g s ：1 ) a r cw e l d i n gp o w e rs o u r c e u s i n ga n a l o gp w mc o n t r o lm e t h o dh a st e m p e r a t u r ed r i f ta n dz e r od r i f t ，w h i c hl i m i t s c o n t r o la c c u r a c y ；2 ) m a i ns w i t c hd e v i c eo fc o n v e r t e ri sh a r d s w i t c h i n g ，w h i c hr e s u i t s i nl a r g es w i t c hl o s s e s t os o l v et h e s ep r o b l e m s ，s o f t s w i t c ht e c h n o l o g yi s i n t r o d u c e d i n t oc o n v e r t e rt or e d u c et h es w i t c hj o s s ，a n df u z z ya d a p t i v e i n v e r t e ra r cw e l d i n g p o w e rs o u r c ec o m b i n i n gp h a s e - s h i f tf u l lb r i d g ed c d cs o f t s w i t c hc o n v e r t e rw i t h d i g i t a lc o n t r o li sd e v e l o p e dt h r o u g hu s i n gd s pa n de p l d f i r s t l y ，w er e v i e wt h es o f t s w i t c ht e c h n o l o g y ，d s pd i g i t a lc o n t r o l t e c h n o l o g v ， i n t e l l i g e n tc o n t r o lt h e o r y ，a n dt h e i ra p p l i c a t i o n si ni n v e r t e ra r cw e l d i n g p o w e rs o u r c e s e c o n d l y ，t h ep r i n c i p l eo ft r a d i t i o n a lp h a s e - s h i f tf u l l b r i d g ed c d cs o f t s w i t c h c o n v e r t e ri s a n a l y z e d t h i r d l y ，an o v e lp h a s e - s h i f tf u l lb r i d g ed c d cs o f t s w i t c h c o n v e r t e r1 s d e v e l o p e dt od e s i g nm a i nc i r c u i t t h em a t l a bs i m u l a t i o n so fm a i n c i r c u i td e m o n s t r a t et h a tt h es w i t c hl o s s e so ft h es o f t - s w i t c hc o n v e r t e r a r es i g n i f i c a n t l v r e d u c e d t h r o u g hu s i n gd s p i c 3 0 f 6 010 a + e p m 712 8a st h ec o r eo fc o n t r o l s y s t e m d o u b l e 。l o o pc o n t r o lt a k i n gt h ev o l t a g ef e e d b a c kl o o pa st h eo u t e rl o o p ，a n dt h e c u r r e n tf e e d b a c kl o o pa st h ei n n e rl o o pi su s e dt ok e e po u t p u tv o l t a g eo f i n v e r t e ra r c w e l d i n gp o w e rs o u r c ec o n s t a n t c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a li n v e r t e ra r cw e l d i n gp o w e r s o u r c e d o u b l e 。l o o pc o n t r o ls y s t e m ，t h em a t l a bs i m u l a t i o n s d e m o n s t r a t et h e s u p e r i o r i t yo fo u rs y s t e mi nt e r m so fv a r i o u sp e r f o r m a n c em e t r i c so f s t e pr e s p o n s e 1h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c h e so nl c l s o f t - s w i t c hf u l lb r i d g ei n v e r t e ra r cw e l d i n g p o w e rs o u r c eb a s e do nf u z z yp is e l f - c o r r e c t i o nc o n t r o l l e r an e ws e l f - c o r r e c t i o n s y s t e mu s i n gv o l t a g ef u z z yp ic o n t r o li s d e v e l o p e da n ds u c c e s s f u l l ya p p l i e dt o v o l t a g ec o n t r o lo fi n v e r t e ra r cw e l d i n gp o w e rs o u r c e t od e c r e a s et h ec u r r e n to fm a i n c o m p o n e n to fc o n v e r t e r , t h epr e g u l a t o rw i t hc u r r e n tp e a kl i m i t a t i o ni s u s e di nt h e c u r r e n ti n n e rl o o po fc o n t r o l s y s t e m t h i ss y s t e mh a sg o o dd y n a m i ca n ds t a t e p e r f o r m a n c eo fv o l t a g ec o n t r o la n di m p r o v e st h ew e l d i n gq u a l i t y i nt h i sp a p e r ，w ed e s i g ns a m p l ec i r c u i t ，d s p i c 3 0 f 6 0 10 ac o n t r 0 1u n i t d r i v ea n d p r o t e c tc i r c u i t ，h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e a f t e rd e s i g n i n gh a r d w a r ec i r c u i t ，s o f t w a r e 1 1 1 数字化软开关模糊自适应弧焊电源研究 皇昌皇皇暑鼍詈昌暑詈詈喜昌詈暑鼍詈皇詈墨皇昌暑詈詈詈詈詈詈詈詈暑詈喜詈詈暑詈詈詈暑詈詈暑篁篁皇詈詈詈詈苎皇皇暑皇暑暑詈詈詈詈詈詈詈詈詈詈詈詈詈詈詈詈詈詈暑詈暑詈詈詈暑詈詈詈詈詈詈詈鼍詈詈詈詈詈詈詈詈詈暑暑詈詈詈詈詈詈詈詈詈詈暑 i n c l u d i n gc o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ea n dh u m a nm a c h i n ei n t e r f a c es o f t w a r ei sd e s i g n e d t h r o u g hm i x i n gcl a n g u a g ea n da s s e m b l yl a n g u a g e t h ee x p e r i m e n t so v e rt h e p r o t o t y p eo fd i g i t a li n v e r t e ra r cw e l d i n gp o w e rs o u r c ev e r i f yt h a td i g i t a li n v e r t e ra r c w e l d i n gp o w e rs o u r c eb a s e do nf u l lb r i d g ep h a s es h i f td c d cs o f t s w i t c hc o n v e r t e r o v e r c o m e sl o wc o n t r o la c c u r a c yo fa n a l o gc o n t r o ls y s t e ma n dl a r g es w i t c hl o s s e so f h a r d s w i t c hc o n v e r t e ri nt r a d i t i o n a li n v e r t e ra r cw e l d i n gp o w e rs o u r c e t h e r e f o r e ， d i g i t a li n v e r t e ra r cw e l d i n gp o w e rs o u r c eb a s e do nf u l lb r i d g ep h a s es h i f td c d c s o f t - s w i t c hc o n v e r t e rc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v ew e l dq u a l i t ya n dr e d u c ee n e r g yl o s s e s ， a n dh a sg o o d a p p l i c a t i o np r o s p e c t s k e yw o r d s ：d i g i t a li n v e r t e ra r cw e l d i n gp o w e rs o u r c e ；f u l lb r i d g ep h a s es h i f ti n v e r t e r ； s o f t s w i t c hc o n v e r t e rt o p o l o g y ；f u z z yp is e l f - c o r r e c t i o n i v 硕上学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 插图索引v i i 附表索引一i x 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 全桥移相d c d c 软开关变换器的发展3 1 3 智能控制理论在弧焊电源中的应用7 1 4 数字化逆变弧焊电源的发展9 1 5 本文主要研究内容11 第2 章d c d c 软开关变换器基本原理1 3 2 1 引言一13 2 2 传统全桥移相d c d c 软开关变换器1 3 2 3 改进的全桥移相d c d c 软开关变换器1 8 2 4 全桥移相d c d c 软开关变换器控制方法1 9 2 5 本章小结2 0 第3 章弧焊电源电压模糊p i 自校正控制方法2 l 3 1 引言2 1 3 2 基于电压模糊p i 自校正的逆变弧焊电源控制结构2 1 3 3 电压模糊p i 自校正控制器基本原理一2 2 3 4 电压模糊p i 自校正控制器设计2 4 3 4 1 电压采样值的模糊化2 5 3 4 2 电压控制模糊规则2 5 3 4 3 反模糊化2 8 3 4 4 电压模糊p i 自校正控制表一2 9 3 5 本章小结3 0 第4 章软开关逆变弧焊电源主电路设计3l 4 1 引言：31 4 2 主电路的基本结构一3 1 4 3 主电路设计3 2 v j 数字化软开关模糊自适应弧焊电源研究 4 3 1 整流滤波电路设计3 2 4 3 2 全桥移相逆变电路设计3 3 4 4 谐振电容电感设计3 4 4 5 并联电感l p 与变压器初级电容c p 的设计3 5 4 6 高频变压器设计3 7 4 7 输出整流电路设计38 4 8 本章小结3 9 第5 章软开关逆变弧焊电源控制系统软硬件设计4 0 5 1 引言4 0 5 2 控制系统硬件设计一4 0 5 2 1d s p 最小系统4 0 5 2 2 电流、电压采样电路4 1 5 2 3 保护电路4 3 5 2 4 直流稳压电路4 4 5 2 5i g b t 驱动电路一4 4 5 2 6 通信接口电路4 5 5 3 控制系统软件设计4 6 5 3 1 软件基本结构4 6 5 3 2 控制系统主流程图4 7 5 3 3 控制系统各功能子程序设计4 8 5 4 人机界面设计5 l 5 4 1 硬件设计51 5 4 2 软件设计5 3 5 5 本章小结5 5 第6 章系统仿真及实验5 6 6 1 引言5 6 6 2 仿真研究5 6 6 3 实验研究5 9 6 4 本章小结6 2 结论与展望6 3 参考文献6 4 致j 射6 9 附录a 攻读硕士学位期间发表的论文7 0 v i 硕士学位论文 插图索引 图1 1 全桥p w m 变换电路的控制方式3 图1 2 基本全桥z v sp w m 变换器一4 图1 3 电压源型移相全桥z c s 变换器5 图1 4 基本的全桥z v z c sp w m 变换器6 图2 1 谐振型全桥移相d c d c 软开关变换器1 3 图2 2 谐振型z v s 软开关逆变弧焊电源时序波形图1 4 图2 3 主电路等效图16 图2 4 新l c l 全桥移相d c d c 软开关变换器18 图2 5l c l 等效电路一1 9 图2 6 平均电流模式双闭环控制系统2 0 图3 1 新型双闭环控制系统框图一2 2 图3 2p i 控制结构图2 3 图3 3 模糊p i 自校正控制器原理图2 3 图3 4 模糊控制系统的结构一2 4 图3 5 电压给定及响应示意图一2 6 图4 1 逆变弧焊电源主电路拓扑3 1 图4 2 并联电感中电流波波形3 5 图5 1d s p i c 3 0 f 6 0 1 0 a 最小系统4 1 图5 2 电流采样电路( 1 ) j 4 2 图5 3 电流采样电路( 2 ) 一4 2 图5 4 输出电压采样电路一4 2 图5 5i g b t 温度检测电路4 3 图5 6 直流稳压电路原理图一4 4 图5 7m 5 7 9 6 2 a l 驱动电路4 5 图5 8c a n 总线接口电路一4 6 图5 9r s 4 8 5 总线接口电路一4 6 图5 1 0 软件系统的基本结构图一4 7 图5 1 l 控制系统主流程图4 8 图5 1 2 电压电流双闭环程序流程图4 9 图5 1 3c a n 发送子程序流程图4 9 图5 1 4c a n 接收子程序流程图4 9 v i i 数字化软开关模糊自适应弧焊电源研究 图5 1 5r s 4 8 5 的发送程序流程图5 0 图5 1 6r s 4 8 5 的接收程序流程图一5 0 图5 1 7 故障处理程序基本流程图5 0 图5 1 8 基于e p l d 软开关p w m 波形生成逻辑一5 1 图5 1 9 人机界面电路图5 1 图5 2 0 按键电路图一5 2 图5 21 人机界面主流程图5 3 图5 2 2 人机界面c a n 子中断程序5 4 图5 2 3 人机界面l c d 子程序一5 4 图5 2 4 按键扫描程序流程图5 4 图6 1 新型谐振z v s 软开关全桥逆变弧焊电源主电路仿真模型5 7 图6 2 变压器原边电压v 。b 波形一5 7 图6 3 模糊p i 自校正逆变弧焊电源控系统仿真模型5 7 图6 4 电压模糊p i 自校正控制器5 8 图6 5 传统逆变弧焊电源控制系统仿真模型一5 9 图6 6 模糊p i 自校正控制系统的电压阶跃响应5 9 图6 7 传统p i d 控制系统的电压阶跃响应5 9 图6 8 全桥移相软开关逆变弧焊电源实验装置6 0 图6 9 实验中采用的送丝机6 0 图6 1 0 弧焊电源控制板6 0 图6 1 1 弧焊电源人机界面6 0 图6 1 2 同一桥臂上的一对p w m 波形一6 1 图6 1 3e p l d 输出的对角线上的两个p w m 波形6 1 图6 1 4 输出3 0 0 a 电流时的原边电压波形6 1 图6 1 5 输出4 0 0 a 电流波形时的原边电压波形一6 1 v i i i 表3 1a k p 的模糊规则表 表3 2a k i 的模糊规则表 表5 1 模块接口引脚说明 表6 1 两种p w m 方案性能对比 i x 硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 焊接作为金属加工和制造业的重要加工工艺，被广泛应用于冶金、国防、机 械加工、造船等现代工业生产中。随着科学技术的不断向前发展，涌现了许多新 的焊接方法，但在诸多焊接方法中电弧焊的应用最为广泛。1 8 0 1 年人类发现了电 弧，18 9 2 年将电弧真正运用于工业生产，从电弧的发现到现在已有2 0 0 多年的历 史。随着电力电子技术、微电子技术飞速发展以及新型器件、先进控制技术和新 工艺的不断推出，电弧焊技术得到了突飞猛进的发展。弧焊电源的发展经历了弧 焊变压器、直流弧焊发电机与硅弧焊整流器、晶闸管弧焊整流器以及逆变弧焊电 源几个发展阶段，其中逆变弧焊电源由于具有体积小、重量轻、节能省材，而且 控制性能好、动态响应快、易于实现焊接过程的实时控制等优点，成为应用最广 泛的弧焊电源l lj 。随着我国工业生产水平的不断提升，钢加工、钢产量、钢用量 不断上升，对焊接电源的需求增多，并且对其质量和效率也要求更高。传统逆变 弧焊电源已经不能满足当前工业生产对弧焊电源的要求，研制低损耗、高稳定性、 高精度的数字软开关逆变弧焊电源成为一个研究热点。 传统逆变弧焊电源多采用硬开关技术，其特征是开关过程中d u d t 、d i d t 很大， 产生较大的开关损耗，电路中存在的寄生电感和寄生电容耦合，引起严重的电磁 干扰问题。软开关技术的出现很好的解决了这个问题，软开关技术的基本思想为 尽可能减少电压和电流重叠区域并降低d u d t 、d i d t ，从而降低开关损耗，减少电 磁干扰1 2 j 。软开关技术主要通过改进主电路拓扑结构和改良电路控制方法来实现， 根据其作用对象不同可以分为零电压、零电流、零电压零电流软开关三大类。软 开关技术在逆变弧焊电源中的应用在微观上减少了弧焊电源工作过程中的开关损 耗，从宏观的角度上来说符合当前国家对节能减排的要求，是应对能源减少的一 种节能措施。本文研究的数字化软开关逆变弧焊电源，采用了一种由l c l 软开关 拓扑构成的全桥移相d c d c 软开关变换器，在该变换器中所用开关器件能实现 软开关，并且不存在z v s 软开关所固有的占空比利用率低的问题，一定程度上提 高了系统的效率。 制约传统逆变弧焊电源稳定性和精度提升的一个重要原因是传统模拟控制逆 变弧焊电源具有模拟器件不可避免的缺陷，模拟器件往往具有零点漂移和温度漂 移，这使得逆变弧焊电源的精度受到限制，同时模拟器件制造工艺的不一致导致 系统的不一致性，并且模拟式逆变弧焊电源中电子元器件繁多，不利于系统的故 数字化软开关模糊自适戍弧焊电源研究 障排查。随着微电子技术和数字化控制技术的发展，逆变弧焊电源开始走向数字 化道路。数字化逆变弧焊电源跟传统模拟弧焊电源相比，具有很大的优越性。一 方面，数字化逆变弧焊电源控制性能好，对于控制参数的修改灵活，对控制方法 的调整方便，并且控制精度高，从而具有很好的工艺效果。另一方面，数字化逆 变弧焊电源具有方便的通讯接口，利于系统的网络化控制，并且方便对控制系统 升级，可以在原有硬件的基础上提升系统的性能。学术界广泛认同的数字化逆变 弧焊电源主要包含两层含义：一个是主电路的数字化，另一个是控制系统的数字 化。对于主电路的数字化采用开关电源，开关电源主要由工频变压器、整流桥和 电力电子功率器件组成。m o s f e t 、i g b t 等电力电子功率器件的涌现，给主电路 的数字化提供了一定的条件1 3 】。在控制电路方面，随着高性能a r m 、a v r 、d s p 以及e p l d 等控制芯片制造技术的飞速发展，为实现数字化打下了坚实的基础【4 1 。 国外对数字化逆变弧焊电源的研究较早，并且已经形成了数字化逆变弧焊电 源产品。一九九三年德国埃森焊接展览会上，世界上第一款数字控制的焊接系统 发布，该焊接系统由芬兰的k e m p p i ( 肯比) 公司研发。此后数字化逆变弧焊电源 的研究掀起热潮，直至1 9 9 8 年奥地利f r o n i u s 公司推出其生产的t p s 2 7 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 全数字化焊机，标志着数字化焊机开始产品化。德国e w m 公司推出了 i n t e g r a l 系列数字化焊接电源，该产品采用数字化控制系统，运用模块化设计思想， 具有良好的通信功能和数据存储分析功能。日本p a n a s o n i c 和o t c 等公司陆续推 出了相应的数字化产品，相继进入中国市场。目前国外高端数字化逆变弧焊电源 在我国占有相当大的市场份额，长期对国外数字化逆变弧焊电源的依赖不利于我 国经济的发展。国内方面，数字化弧焊逆变电源仍处于探索性研究阶段，市场上 尚未出现真正意义上国产的数字化弧焊逆变电源产品，全数字化逆变弧焊电源技 术被中国机械工程学会焊接学会与中国焊接协会确立为中国未来十年焊接领域的 三大关键核心技术之一。国内一些高校如华南理工大学、兰州理工大学、北京工 业大学等开展了这方面的研究，但多处于实验阶段。为此本文进一步探索数字化 逆变弧焊电源技术，主电路方面采用i g b t 作为功率开关器件，控制电路方面采 用d s p + e p l d 作为控制系统的核心，并且对系统的交互界面进行了设计。 传统逆变弧焊电源的控制精度不高还有一个重要原因是其控制系统往往采用 常规的p i 控制，不能适应逆变弧焊电源在不同负载以及不同时刻的模型变化。传 统p i 控制的方法是建立系统近似小信号线性模型，用线性系统的理论和方法进行 控制。然而逆变弧焊电源本身是一个时变、非线性系统，很难建立全工作范围的 模型，不少学者开展逆变弧焊电源的智能控制理论的研究，通过采用模糊控制、 神经网络等控制方法来提高逆变弧焊电源的控制性能【5 。6 】。然而这些方法往往对控 制芯片的要求比较高，系统的实时性不够好。本文在数字化控制系统硬件的基础 上设计了一种基于模糊p i 白校正的恒压控制策略。在对逆变弧焊电源电压的控制 2 硕1 ：学位论文 过程中，通过表格查询的方法根据系统的不同工作状态来调整电压控制器p i 参 数，从而实现对输出电压的有效控制。 综上所述，本文研究的基于全桥移相d c d c 软开关变换器的数字化模糊自适 应弧焊电源具有较大的理论意义和现实意义。针对本文研究的几个重点方面，下 文将对其发展现状进行分析。 1 2 全桥移相d c d c 软开关变换器的发展 目前，逆变电源主电路所采用的d c d c 变换器主要包括全桥式、半桥式、 双管正激式和推挽式四种结构，其中全桥式、半桥式逆变主电路应用较多。传统 的全桥和半桥逆变电路中开关器件处于硬开关状态，开关损耗较大，为了降低开 关损耗，往往在这两种拓扑结构中加入元器件辅助实现功率器件的软开关，文献 【7 9 】对半桥式软开关逆变拓扑进行了研究。文献 7 】对半桥零电压变换器进行了分 析和设计，文献【8 研究了一种带辅助软开关网络的半桥逆变拓扑，在一定程度上 实现了软开关，文献 9 】对零电流开关半桥逆变电路进行了研究，提出了一种基于 新型箝位电路的低电压应力的半桥p w m 变换器。但这些由半桥构成的软开关逆 变电路和全桥软开关逆变电路相比，其输出最大功率只有全桥式的一半，具有一 定的局限性，因此在逆变软开关电源拓扑中应用最广泛的是全桥软开关逆变电路。心 全桥d c d c 软开关变换器的控制方式主要有两种，一种是常规的双极性 p w m 控制方式，一种是移相p w m 控制方式，其时序波形如图1 1 ( f 1 ) 与1 1 ( b ) 所示。其中，移相p w m 控制方式是谐振变换技术与常规p w m 技术的结合，不 仅具有常规全桥p w m 电路拓扑简单、控制方便、开关频率恒定的优点，而且还 具有软开关过程中开关器件电压、电流应力低的优点，近年来该控制方法被广泛 应用于全桥软开关逆变电路的控制中 1 0 - 1 2 】。其基本工作原理如下：每个桥臂的上 下两个功率开关管互补导通，两个桥臂的功率开关管存在导通相位差，即存在移 相角。调节移相角即可调节输出电压脉冲宽度，进而调节变压器副边的交流方波 电压，最终达到调节输出直流焊接电压的目的。 q 1 q 2 q 3 q 4 厂 广 厂 厂厂 厂 q l q 2 q 3 q 4 厂 厂 厂一 厂厂 厂 厂 a )双极性控制方式 b ) 移相控制方式 图1 1 全桥p w m 变换电路的控制方式 数字化软开关模糊白适戍弧焊电源研究 在图1 1 ( b ) 中，q l 、q 2 为同一桥臂开关管，q 3 、q 4 为同一桥臂开关管。 从图中可以看出q l 和q 2 的驱动信号分别领先于q 3 和q 4 ，因此由q l 和q 2 组成 的桥臂称为超前桥臂，而q 3 和q 4 组成的桥臂称为滞后桥臂。图1 1 ( b ) 在一个 完整的开关周期中四个功率开关管在零电压的条件下导通，变压器的漏感和开关 管的输出电容在该过程中产生谐振。该变换器不仅能够实现零电压导通而且还可 以实现零电压关断，每个功率开关管都有一个电容c i 与其并联，电容的存在使得 功率开关管上的电压不能突变，通过对其移相角度进行调节即可完成对输出电压 的控制。移相p w m 控制方式中谐振元件为开关管的结电容和高频变压器的漏电 感，由于高频变压器存在漏感，该漏感的储能量使开关管依次在零电压下导通， 在其对应缓冲电容的作用下零电压关断，有效地降低了全桥电路的开关损耗和开 关噪声，减少了功率器件在开关过程中所产生的电磁干扰，为提高变换器装置的 开关频率、效率以及降低其尺寸及大小创造了优良的条件。移相全桥软开关拓扑 就目前的发展而言主要包括移相全桥z v s 拓扑、移相全桥z c s 拓扑、移相全桥 z v z c s 拓扑这三种，其余的一些拓扑都是对这三种基本拓扑进行了一定的改进， 下面对这三种拓扑进行分析。 图1 2 给出了基本移相全桥z v s 变换器的拓扑，该变换器电路简单，z v s 软 开关的实现不需要增加辅助的谐振元件。 c o 图1 2 基本全桥z v sp w m 变换器 在移相全桥z v s 变换器中超前臂功率开关和滞后臂功率开关实现z v s 的条 件不同，超前臂功率开关实现z v s 条件相对容易实现。根据谐振原理，z v s 的实 现条件是电感储能必须大于所有参与谐振的电容上的能量。对于超前桥臂而言， 当q l 、q 2 相互转换时，高频变压器处于能量传送阶段，电感储能包括乞( l 刀) 2 2 和励磁能量，这部分能量相当大，即使在轻载情况下也容易满足z v s 实现条件。 对于滞后桥臂，当q 3 、q 4 相互转换时，变压器副边处于续流阶段，其功率开关 z v s 的实现是通过变压器漏电感释放其储能，使谐振电容的电压下降到零，而在 轻载时变压器漏感储能不够大很难实现z v s 。针对这一问题，文献 1 3 1 4 开展了 相应研究。文献 13 】研究了一种z v s 全桥逆变拓扑，通过增加由无源器件组成的 不对称网络来实现z v s ，其优势在于对于不同负载条件，该拓扑仍能实现z v s 4 硕士学位论文 软开关。文献 1 4 对传统全桥软开关拓扑进行了改进，其谐振电感储能在满负载 的条件下是最小的，随着负载电流的增加其储能增加，因而实现了全负载范围的 z v s 软开关。不少学者开展了移相全桥软开关逆变拓扑的应用研究，并取得了一 定的进展 1 5 - 1 6 】。文献【1 5 】设计了基于移相全桥z v s p w m 的变极性焊接电源，实 验结果显示该焊接电源功率开关管能实现z v s 软开关，有效减少了开关损耗。文 献【1 6 】在移相全桥z v sp w m 的基础上研究了一种等损耗的控制策略，并且研制 了数字化大功率电镀电源，实验证明基于全桥z v sp w m 的等损耗控制策略切实 可行。此外针对移相z v sp w m 变换器存在占空比丢失的现象，文献 17 19 1 采用 了一种新型l c l 谐振软开关拓扑，对软开关辅助网络进行了具体设计，并通过增 加一个辅助电容，使得占