（电力电子与电力传动专业论文）基于avr单片机的移相零电压逆变电阻焊接电源的研究.pdf

浙江大学硕士学位论义 a b s t r a c t t h ei n v e r t e rr e s i s t a n c ew e l d i n gp o w e rs o u r c ei sw i d e l yu s e di ni n d u s t r yb e c a u s e o fi t sa d v a n c e dp e r f o r m a n c e s 。h o w e v e r , t h ei m p r o v e m e n to ft h ew e l d i n gq u a l i t yi s l i m i t e dd u et ot h ed i s a d v a n t a g e so ft h et r a d i t i o n a la n a l o gh a r d s w i t c h i n gi n v e r t e r r e s i s t a n c ew e l d i n gt e c h n o l o g y o nt h eb a s eo f a n a l y z i n g t h e d i s a d v a n t a g e s o ft h et r a d i t i o n a l a n a l o g h a r d - s w i t c h i n gi n v e r t e rr e s i s t a n c ew e l d i n gp o w e rs o u r c ea n dt h ea d v a n t a g e so ft h e d i g i t a lc o n t r o l l i n g ，t w o k i n d so ft o p o l o g i e so ff u l l b r i d g e p h a s e - s h i f t e dp w m s o f t - s w i t c h i n gc i r c u i t sw e r ea n a l y z e di nd e t a i l sa sw e l la st h e i rw o r k i n gp r i n c i p l e sa n d c o n t r o l l i n gm e t h o d s a f t e rt h a t ，an e wt y p e o fz e r o v o l t a g es w i c h i n gi n v e r t e r r e s i s t a n c ew e l d i n gp o w e rs o u r c ew i t hi n t e l l i g e n tc o n t r o lb a s e d0 1 1t h ea 乏m c uw a s p r o p o s e d m o r e o v e r ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h es y s t e mw a si n t r o d u c ei n d e t a i l s 。珏er e s u l t so fe x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ed e s i g ni sr e a s o n a b l ea n dt h es c h e m e o fc o n t r o li sp r a c t i c a l k e yw o r d s ：i n v e r t e rr e s i s t a n c ew e l d i n g ，a v rm c u ，p h a s e s h i f t e dp w m c o n t r o l ， s o f t s w i t c h i n g , i n t e l l i g e n tc o n t r o l i l 浙江大学硕士学位论义 第一章绪论 1 1 逆变电阻焊接电源的研究背景 电阻焊又称接触焊，属压力焊范畴，是以电阻热为能源的一类焊接方法。电 阻焊是使工件处在一定电极压力作用下，利用电流通过工件时所产生的电阻热将 两工件之间的接触表面熔化，从而实现连接的焊接方法。 1 1 1 电阻焊的原理 焊接过程的实质是电流、压力、时间三要素合理搭配使金属熔化、冷却形成 焊核的过程。不同的加热熔化速度和冷却速度会产生不同的金属结构组织，从丽 使焊接强度产生较大的差异。根据焊核形成的特点可将焊接过程分为以下几个阶 段【1 嘲： 1 、预备加压阶段：先将两工件压紧以使其具有较好的导电性，然后接通焊 接电漉。 2 、加热熔化阶段：随着电流通过和通电时间的延长，焊点区温度急剧上升， 使金属熔化形成熔核。 3 、冷却结晶阶段：熔核形成后，断电并保持焊接压力，使熔核凝固结晶， 形成焊核。 电阻焊一般包括点焊、缝焊、凸焊和对焊等。电阻焊原理如图1 1 所示： 被 f 1 疆蠢 7 鹩熔赢 圈1 - i 电阻焊原理示意图 浙江大学硕士学位论文 电阻焊是一种重要的焊接工艺，具有生产效率高、成本低、节省材料和易于 自动化等特点，被广泛应用于航空、航天、能源、电子、汽车、轻工等工业。 1 1 2 逆变电阻焊的发展和优点 回顾电阻焊焊接电源的发展历史，以焊机类型的发明顺序来看，电阻焊机大 体经历了单相工频、三相低频、次级整流、电容储能以及逆变式毫匿焊机等发震 历程。 基前，电阻焊枕采用最多的是单相工频交流毫源供电，它是通过一对反囱并 联晶闸管开关来控制焊接电流的相位，从而输出不连续的正弦波。单相工频电阻 焊机示意图如图王2 新示。单相工频电阻焊枫由于其具有结构及控制简单、方便 灵活、易于操作、尤其适合于焊接低碳钢等黑色金属等优点，所以仍是国内外市 场使用最多的电阻焊枧嘲。 一母 ” | l 图王乏单相工颧毫阻焊枫示意图 单相工频电阻焊机的缺点是由于其焊接电源采用单相供电，在使用时将会给 电网造成较大冲击，尤其是在焊机功率较大的情况下，其使用时对电网的影响将 更加鳃显。其次，单相工频电阻焊机的功率因数只有左右，丽且随着次级回 路的增大，功率因数还会进一步降低。再者，单相工频电阻焊机在焊接时存在着 焊接电流过零点的问题，将造成焊接加热的不连续，因此此类焊机不宜用来焊接 诸如铝及其合金等导热性好的有色金属材料。因此，从能源角度看，单相工频电 阻焊枫是一种很不理想麓设备。 随着大功率开关器件生产技术水平的提高以及大功率模块、智能功率模块的 出现，逆变技术在电力、通讯等领域得到越来越多的应用，尤其是在焊接电源上 的应用方兴未艾。逆变技术在焊接电源中的应用为焊接电源的发展带来了革命性 的变化。随着电力电子技术的快速进步，逆变电阻焊接电源作为一种薪型的控制 2 浙江大学硕士学位论义 电源，以其显著的嵩质低耗的特点成为电阻焊电源的发展方向。 逆变电阻焊机的结构如图1 3 所示： 图1 - 3 逆变电阻焊机结构图 在该形式的主电路中，三相工频交流电经三相桥式全波整流后得到脉动较小 的直流电，再经电容滤波后得到比较平缓的直流电，送至由开关管构成的对称桥 式逆变电路，通过控制两组开关管的门极驱动信号，就可以获得不同频率、不同 大小的交流电送至焊接变压器的初级。 逆变式焊接电源与传统的工频焊接电源相比，有许多显著的优点： 黄先，逆变式焊接电源与王频焊接电源毖节能筠一3 0 ，效率可达 8 0 一9 0 ； 其次，逆变式焊接电源体积小、重量轻，整机重仅为传统工频整流焊接电源 的1 5 1 1 0 ，减少材料消耗8 0 一9 0 。特别是逆变式焊接电源有着动态反应速度 快的优势，它魄传统王频整流焊接电源提高了2 0 个数量级，这样就为焊接的过 程控制提供了有利条件，有利于实现焊接过程的自动化和智能控制。 1 1 3 国内外技术发展现状和研究趋势 在软开关技术出现之前，通过控帝u l - j 极来控制开关管的开通和关断，在此过 程中，开通电压或关断电流相当大，这种被称之为硬开关的开关方式造成很大的 开关损耗。由于现代电力电子装置愈来愈趋向子小型化和轻量化发展，必然要求 j ：3 开关频率越来越高。当开关频率很高时，往往造成开关过程中竺和，竺很大，给 斑出 电路造成严重的噪声污染和开关损耗，且产生严重的电磁干扰。 软开关技术的出现解决了这一系列阏题。软开关技术就是指通过辅助的谐振 3 浙江大学硕士学位论文 电路使开关管开通前电压先降为零或者关断前电流先降为零。这样，就实现了在 零电压情况下开通或者在零电流条件下芙断，从而大大降低了开关功率损耗，减 少了噪声污染和电磁干扰。软开关分为零电压开关( z v s ) 和零电流开关( z c s ) 。 目前，逆变电阻焊电源正向高频化、轻量化、大容量方向发展。但是对于传 统硬开关方式控制的逆变电源，功率开关器件在开关瞬间会承受较大的电流、电 压应力，开通和关断过程损耗较大，增加了缓冲吸收电路的能量消耗。使功率器 件寿命下降，整机工作可靠性受到一定影响。这些硬开关电源本身的问题影响了 逆变电源的稳定性、可靠性，追使逆变电阻焊接电源向软开关方向发展。采用软 开关技术可以有效降低功率器件的开关损耗、减少电磁干扰、提高效率，改善器 件的运行环境。因此，软开关式焊接电源是一种具有广阔前景的新型焊接电源， 代表着逆变焊接电源发展的重要方向。 近年来，随着单片机、数字信号处理器以及复杂可编程逻辑器件等元器件的 发展，数字控制技术已得到广泛的应用。相对于传统的模拟控制，数字控制技术 有着控制方法灵活多变、控制精度高、可靠性高等优点。 目前，国内外逆变电阻焊电源的最新技术趋势就是逆变软开关技术和数字控 制技术相结合。数字控制焊机实现了柔性化控制和多功能集成，具有控制镶略调 整灵活，控制精度高、系统稳定性好、以及功能升级方便等优点。 逆变电源的特点非常有利于智能控制的实现，而智能控制对于确保焊接质量 有着十分重要的意义。这将是来来几年的研究热点。 逆变式电阻焊电源有以下几个研究趋判3 l ： 1 、逆变电源的特点非常有利于智能控制的实现，而智能控制对于确保焊接 质量有着十分重要的意义，这将是未来几年的研究热点。 2 、计算机仿真技术和计算机辅助设计( c a d ) 在逆变阻焊机研究的应用有 利子压缩设计周期、提高设计成功率。这方面的研究有其特殊的意义。 3 、焊机工艺性能研究是逆变阻焊机走向实际应用的基础，加强这方面的研 究有利于逆变阻焊的推广应用。 4 、目前圈内研究的逆变阻焊机功率大都在6 0 k v a 以下，提高焊机功率有利 于扩大其使用范围。 5 、各种以软开关为特征的逆变式电阻焊机将得到长足的发展。 4 浙江大学铆i 士学位论文 1 2 单片机嵌入式系统的应用领域 以单片机为核心构成的单片机嵌入式系统已成为现代电子系统中最重要的 组成部分。在现代的数字化世界中，单片机嵌入式系统已经大量地渗透到我们生 活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。 由于单片机芯片的微小体积、极低的成本和面向控制的设计，使得它作为 智能控制的核心器件被广泛地应用到工业控制、制能仪器仪表、家用电器、电子 通信产品等各个领域中的电子设计和电子产品中。其主要应用领域有以下几个方 面i 7 】： 1 、智能家用电器( 俗称“电脑”的家用电器) 。例如，电冰箱、空调、微波炉、 电饭锅、电视机、洗衣机等，都是智能家用电器。传统的家用电器中嵌入了单片 机系统后，使其性能特点都得到了很大的改善，可实现运行智能化、温度的自动 控制和调节、节约电能等。 2 、智能机电一体化产品。单片机嵌入式系统与传统的机械产品相结合，使 传统的机械产品结构简化，控制智能化，构成了新一代机电一体化产品。这些产 品在纺织、机械、化工、食品等工业生产中发挥如巨大的作用。 3 、智能用仪表仪器。用单片机嵌入式系统改造原有的测量、控制仪表和仪 器，艴促使仪表仪器向数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化发展。由单 片机系统构成的智能仪器仪表可以集测量、处理、控制功能于一体，赋予传统的 仪器仪表以崭新的面貌。 4 、测控系统。用单片机嵌入式系统可以构成各种工业控制系统、自适应控 制系统、数据采集系统。例如，温室人工气候控制、汽车数据采集与自动控制系 统。 嵌入式系统的核心部件是各种类型豹嵌入式处理器，霉前据不完全统计， 全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1 0 0 0 多种，流行体系结构有3 0 几个系 列，其中8 0 5 1 体系的占有多半。生产8 0 5 1 单片机的半导体厂家有筠多个，共 3 5 0 多种衍生产品，仅p h i l i p s 就有近1 0 0 种。现在几乎每个半导体制造商都生产 嵌入式处理器，越来越多的公司有自己的处理器设计部门。 5 浙江大学硕士学位论文 1 3 单片机数字控制 大。 随着微枕技术的不断发展，荸片机在逆变焊接电源控制中的作用也越来越 1 3 1 单片机数字控制的优缺点 单片机控制的焊接电源有许多优点： 1 、它可以简化硬件控制电路，改善系统的可靠性。 2 、软件设计灵活，容易实现一机多用，并可方便地加以修改和更新以适应 焊接工艺的要求。 3 、可以存储大量的相关信息，可迅速调用，以适应复杂的焊接过程，易实 现实时焊接过程控制，监控和诊断工作。 在国外，相当一部分的电阻焊接电源的控制部分是由单片机系统来实现的。 在国内，哈尔滨工业大学、华南理工大学、北京工业大学、上海交通大学等高等 院校在这方面的研究也取得了较大的成果。 但是在单片机控制的逆变电阻焊接电源中，由于单片机运算速度和存储能力 的限制，数字化的优势并没有在单片机控制的焊接逆变电源中完全得到体现。近 年来，随着数字化技术的成熟和焊接电源本身控制要求的提高，越来越多的研究 者对数字信号处理器( d s p ) 在焊接中的应用产生了极大的兴趣。 1 3 2a v r 单片机简介 a t m e l 公司的a v r 是8 位单片枕第一个真正采用精简指令集r i s c ( r e d u c e d i n s t r u c t i o ns e tc p t j ) 结构的单片机，它采用了大型快速存取寄存器组、快速单周 期指令系统以及单级流水线等先进技术，使得a v r 单片枧具有高达1 m i p m h z 的 高速处理能力。 a v r 单片梳采用流水线技术，在前一条指令执行时，就取出现行指令，然后 以一个周期执行指令，大大提高了c p u 的运行速度；传统的基于累加器结构的单 片机( 如8 0 5 1 ) ，需要大量的程序代码来实现累加器与存储器之闻的数据传达， 而在a v r 单片机中，由于采用3 2 个通用工作寄存器构成快速存取寄存器组，用3 2 6 浙江大学硕士学位论义 个通用工作寄存器代替了累加器，所以避免了在传统结构中累加器与存储器之间 数据传送造成的瓶颈现象，进一步提高了指令的运行效率和速度阴。 a v r 单片机采用低功耗、非易失的c m o s 工艺制造，内部分别集成f l a s h 、 e e p r o m 和s r a m 3 种不同性能和用途的存储器。除了可以通过使用一般的编程 器( 并行高压方式) 对a v r 单片杌的f l a s h 程序存储器和e e p r o m 数据存储器 进行编程外，大多数a v r 单片机还具有i s p 在线编程和i a p 在应用编程的特点。 这些优点为使用a v r 单片机开发设计和生产产品提供了极大的方便。 a t m e g a 系列单片机属于a v r 中的高档产品，它承袭了船9 0 所具有的特点， 并在a t 9 0 ( 如a t 9 0 5 8 5 1 5 、刽r 9 0 5 8 5 3 5 ) 的基础上，增加了更多的接口功能， 而且在省电性能。稳定性、抗干扰性以及灵活性方面考虑得更加周全和完善。在 本次设计中，采用的即是a v r 单片机a t m e g a 系列中的a r m e g a 4 8 单片机。 它的主要性能指标为【8 】： 1 、先进的r i s c 结构 1 3 1 条指令，大多数指令的执行时间为单个时钟周期 3 2 x 8 通用工作寄存器 一工作予2 0 m h z 时性能离达2 0 m i p s 一只需两个时钟周期的硬件乘法器 2 、菲易失性的程序和数据存储器 - 4 字节的系统内可编程f l a s h ，擦写寿命：1 0 ，0 0 0 次 一具有独立锁定位的可选b o o t 代码区；通过片上b o o t 程穿实现系统内编程； 真正的同时读写操作 - 2 5 5 字节的e e p r o m ，擦写寿命：1 0 0 ，0 0 0 次；5 1 2 字节的片内s r a m 3 、外设特点 一两个具有独立预分频器翻眈较器功能的8 位定时器，计数器；一个具有预 分频器、比较功能和捕捉功能的1 6 位定时器计数器 一六通道p w m - 8 路1 0 位a d c ( t q f p 与m l f 封装) ；6 路1 0 位a d c ( p d i p 封装) 一可工作于主机从机模式豹s p i 串行接霉 一面向字节的两线串行接圈 7 浙江大学硕士学位论文 一具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 一片内模拟比较器 一引脚电平变化可引发中断及唤醒m c u 4 、特殊的微控制器特点 一上电复位以及可编程的掉电检测 一经过标定的片内振荡器 一片内外中断源 一五种休眠模式：空闲模式、a d c 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式和 s t a n d b y 模式 5 、i o 口与封装 - 2 3 个可编程的i o 口线 一2 8 引脚p d i p ，3 2 引脚t o f p 与3 2 引脚m l f 封装 6 、工作电压： - a t m e g a 4 8 w 8 8 w 1 6 8 v ：1 8 - 5 5 v - a t m e g a 4 8 8 8 1 6 8 ：2 7 - 5 5 v 7 、工作温度范围： 一4 0 。c 至8 5 。c 8 、工作速度等级： - a t m e g a 4 8 w 8 8 v 1 6 8 v ：0 4 m h z 1 8 - 5 5 v ，0 1 0 m h z 2 7 5 5 v - a t m e g a 4 8 8 8 1 6 8 ：0 1 0 m i - i z 2 7 - 5 5 v ，0 - 2 0 m h z 4 5 - 5 5 v 其引脚图如图1 4 ，1 - 5 所示： p 炉c 劳n 4 穰茹e t p c 5 # p c 辨订若开；【x o lp o e l p c l n 盯广硒jp o t f p c 肝t 5 蹦雕0 ) p n ： 伊a 町：蚤，0 c 美湖n t ip 0 3 c p c 嘲蜀僦i m p d 4 v c c g m d 芦e 冁0 订：阉1 ，r 0 0 c ：，5 5 i t 3 c l h q 1 0 q a l 2 , q o s c 2 ：础” r p a h r r ： 四c 0 8 玎j lp 0 5 沪c 舸2 2 _ o e o r j h 髓) p 0 e 车c 假! 枷k ，lp 0 7 t p c 辨盯a h 盘1 0 盘h c 9 o 口0 5 龋o c s 微j p c 翰f t ， o ：二 o c l f p c 静汀 2 净0 3 燃翦a ：。1 11 ) 盘f d c 封奢k n 渤 c 1 沸o c t 扫c ；懒 a 嘏0 鬟婚屹甜订劭 g 晒 f 鬯萨 a v c c 码sf 。o 讲x 鬻门霹 ，寻4f 堋s a p e 烈t 4 孢3f 樾s p c c 2 巾c 踟亿： o 雷：器溉1 8 p j r 2 ， o 鄹l o c l 廊0 诤f r t 图l _ 42 8 引脚p d i p 封装 8 浙江大学硕士学位论文 p c 纠争o c 趣咐r ，：p p o k 陀：凇c 册：p o t 弓粕0 v c c l b h o v c e 捧c i 旷酊x 钒 开e 8 1 钯5 伊删门掘翟啪0 5 锎p b 7 鲤 ii 魄 邻 ，c ： 0 c # 吲 f 强i o c ：f 取强庐a m d 0 7 0 啦 f 旺f 瞄 a 忭c 乒酷i 戳x 芦a 嘴 图1 - 53 2 引脚t q f p 封装 1 4 项目概述和本文主要工作 雌 秘0 c 伊c i 滟 j c ：【3 c 滞q - r 渤 d c 7 盎皤 胜f d c 5 v c 0 啦i 涮币0 * 溺， 由于电力电子技术的快速进步，逆变电阻焊接电源作为一种新型的控制电 源，以其显著的高质低耗的特点成为电阻焊电源的发展方向。商基于单片机( 或 d s p ) 实现智能数字控制的逆变式电阻焊接电源的应用也越来越多。本文即是针 对一种基于a v r 单片机实现智能控制的逆变式电阻焊接电源所进行的研究。 本设计的主要内容是基于a v r 单片机的智能控制逆变电阻焊接电源，其中 实现了对输出电流的恒流控制、零电压软开关、键盘输入和l e d 数码显示的智 能接口设计。主要由以下的几个主要部分组成：逆变主电路，驱动电路，单片机 控制电路，电流采样及反馈回路，以及控制面板等组成。它们各自的作用可以用 下面的图来表示： 整流滤波吲逆变电路吲变压器吲焊接电路 p w m 控制 i 反馈电路 单片机控制系统酬l e d 显示 图1 - 6 系统基本原理框图 9 ，_童警霉g薯“蜚 纠 ：；哥芝nuon2垤嚣i上霉2王g霉器喜，p*争并l上再u重一望鬟嚣摹聃譬 = !；0龟i|缘=l嚣萋 f 孽j不譬e釜 越 一警卜_：拦荔)e一霉p乏29g ， #r#2“p程0 稍 lii譬ci爱：-拿一80v量；譬；，。v：巾喜2d3u擘n壮“ 可 !-蕃=_rp毒3i眵一孝o p 童_fav8b 甜 若卜l盎誓譬l，口 t 喜事8薏8“ 浙江大学硕士学位论文 本文的主要工作是：在对移相式零电压逆变电阻焊接电源的主要原理和主要 拓扑分析的基础上，提出了本设计所使用的拓扑结构以及硬件系统结构，并对硬 件系统各部分的具体设计和功能进行了详细分析和介绍，主要包括：逆变主电路 设计、驱动电路设计、软启动电路设计、电流采样及反馈电路设计、单片机控制 电路设计、智能控制面板设计( 包括键盘输入和l e d 显示) 等，这些将在本文 的第三章中详细介绍。本设计主要是利用单片机实现了智能控制，所以单片机及 其软件程序设计是本次设计的核心部分，故本文详细分析了本系统的软件设计： 包括移相p w m 波的产生、电流闭环的移相控制、键盘扫描输入和发送数据到 l e d 显示等，这些将在本文的第四章中详细介绍。 1 0 浙江大学硕士学位论文 第二章系统主电路拓扑的选择 2 。l 传统硬开关方式的逆变电阻焊机的限制 逆变式电阻焊机自问世以来，就因其具有的体积小，重量轻、控制精度好以 及功率因数高等优点而受到广泛重视。但是在早期的逆变电阻焊机中，其主电路 功率开关元件都是采用硬开关的方式工作，即功率开关元件在高电压状态下导 通、大电流状态下关断。这种电路在运行时将受到如下限制【弘1 0 】： 1 、热学限制。功率开关元件在工作中将产生很大的瞬时功耗，通常占总平 均功耗的3 0 - - 4 0 ，而且随着开关频率的提高，这种损耗也将成正比地增加。 过大的开关损耗将使节温上升，t 从而限制了开关频率的进一步提高。 2 、电磁干扰限制。当功率开关元件在频率较高的状态下工作时，其自身存 在的极间电容一方面由于消耗能量而使节温上升，另一方面在功率开关元件极性 转换时会将d u d t 耦合到输入端，产生电磁干扰，从而影响系统稳定工作。 为了解决硬开关逆变电路所存在的问题，近年来各种以软开关为特点的逆变 电源已经成为人们研究的热点。移相零电压逆变电路就是其中之。 2 2 逆变电阻焊接电源与移相软开关技术 在移相式零电压逆变电路中，各开关管所承受的栅一射极触发电压u g s 与其 导通流过电流的时间并不一致。逆变器的输出能量取决于位于对角线上的一组开 关管承受的u g s 同为高电平的时间以及开关管向零电压过渡的转换时间，通过改 变移相鹫t - 2 只开关管施加的u g s 时间( 移相角) ，就可以调节逆变嚣输出麓量的大 小。 随着电力电子器件从晶阐管( s c r ) 至i j 大功率最体管( g t r ) ，蔫到功率金属场 效应管( m o s f e t ) 、绝缘栅晶体管( i g b t ) 等的快速发展，高频功率变换技术也逐 步从硬开关p w m 向薪出现的软开关技术( s o f t - s w i t c h i n g ) 过渡，软开关技术综合了 p w m 开关与谐振变换技术两者的优点，利用变压器漏感与功率管输出结电容之 浙江大学硕士学位论文 间的谐振，产生满足零电压导通或者零电流截止的条件，使开关管导通时电压为 零，截止时流经开关的电流为零。目前在中大功率的高频开关电源研制中，软开 关技术由于在减少功率器件的开关损耗方面效果非常理想，理论上可使开关损耗 减少为零，因此得到了广泛的应用。全桥变换电路拓扑是固前国内外d c d c 变换 电路中最常用的电路拓扑形式之一。p w md c d c 全桥变换器的软开关方式分为 2 类，一类是零电压开关z e r o v o l t a g e s w i t c h i n g ，z v s ) 方式，在这种方式中，超前 桥臀和滞后桥臂均实现z v s ；另一类是零电压零电流开关 ( z e r o 。v o l t a g e z e r o e t u r e n t s w i t c h i n g ，z v z c s ) 方式，在此方式中，超前桥臂实现z v s ， 滞后桥臂实现z c s 。最常用的输出p w m 控制方式有3 种：a 常规的脉宽调制控 制方式。b 移相控制方式；c 有限双极性控制方式f 鄹。 软开关技术也是解决逆变电源可靠性的核心技术。目前应用比较多的是全桥 移相谐振的脉宽调制控制方式。1 9 8 8 年，移相控制全桥零电压软开关变换器首次 被报道。由于它具有高频零电压软开关运行，移相控制实现方便，电流和电压应 力小，巧妙利用寄生元件等一系列优点，受到了广泛的关注【1 3 垌。 目前国内在逆变焊接电源的研究基本上都是围绕逆变器的安全运行和低耗 闻题展开的，软开关脉冲调制变换技术就是研究中的一个热点。全挢零电压开关 变换器将移相p w m 控制与软开关技术相结合，极大地降低了电力电子器件的开 关损耗，并改善了元器件的运行环境，是霹前逆交焊接电源发展的主要方向之一。 2 3 全桥式移相p w m 软开关电路的两种基本拓扑及其优缺 点分析 在基本移相全桥式软开关电路中，领先桥臂是利用输出滤波电感中的能量限 制实现零电压转换的，软开关范围很宽。丽滞后桥臂换相时，变压器二次侧正处 于短路续流状态，滞后桥臂只能利用变压器漏感中的能量，它的软开关范圈窄。 近年来，针对基本全桥软开关电路中滞恁桥臂软开关范围较窄、占空毖损失较大、 整流二极管电压振荡、一次侧有换相损耗等方面存在的问题，众多专家进行了深 入研究，取得了许多重要的进展。其拓扑结构主要有以下有两种：常规全桥移相 零电压逆变电路以及带饱和电感的全桥移相零电压零电流逆变电路【1 7 1 9 1 。 1 2 浙江大学硕士学位论文 2 3 1 移相零电压p w m 电路 基本的全桥移相零电压p w m 电路如图2 1 所示，假定负载是电感性负载，由 l 和r ( r o ) 串联而成，其中开关管i g b t l 、i g b t 3 ，组成一对超前桥臂( 固定臂) ， i g b t 2 、王g b 鞠组成对滞后桥臂( 移相臂) ；v d i - v d 4 分别是i g b t l i g b t 4 的 内部寄生二极管；c 1 , - - - c 4 是i g b t i , - - - - i g b t 4 的寄生电容或外接电容。 控制策略是：i g b t l 、i g b t 3 与i g b t 2 、i g b t 4 分别轮流导通，每只开关管 导邋1 8 0 0 ( 实际上有死区限制避兔直通) ；i g b t l 、i g b t 3 管导通时刻不变，控制 i g b t 2 、i g b t 4 导通时刻，使i g b t l 管与i g b t 2 导通时刻相差0 。, - , 1 8 0 0 ，i g b t 3 与i g b t 4 类似。当i g b t l 、i g b t 2 移相焦为0 0 时，逆变器输蹴最大，i g b t l 、i g b t 2 移相角为1 8 0 0 时，逆变器无输出。 移相控制工作原理为：假设i g b t l 先导通，i g b t 2 经一定的移相角后导通， 电流方向由正电源经a 、b 流向负电源，此时电源向负载输出功率。i g b t l 关断 后，电流方向由a 小i g b 他一v d 3 一a 。此时，属于环流阶段，i g b t 3 管可在 零电压下开通d 3 开通后，i g b t 3 两端电压近似为零) ，且= ov ， l d i d t u 槽，即电流衰减很慢。然后i g b t 2 关断，此时，电流方向是v 矜3 一 a 弘j 四4 ，由于v d 4 的导通，故i g b t 4 可在零电压下开通，但由于此时等 于电源电压负值，由于l d i d t u 仙，所以电流衰减很快，故v d 4 开通时间短， 滞蜃管i g b t 4 零电压并避有一定的限制范围，在轻载或电感量小时，往往难以实 现零电压开通【2 8 1 。 故这种拓扑的优点是电路结构和实现原理都很简单，缺点是潇后管的零电 压开通有一定的限制范围，轻载或电感量小时，往往难以实现零电压开通。 1 3 浙江大学硕士学位论文 图2 1 移相零电压p w m 主电路图 2 3 2 带饱和电感的零电压零电流移相p w m 电路 带饱和电感的零电压零电流移相p w m 电路如图2 2 所示，与零电压移相p w m 电路不同之处在于多加隔直电容c 和饱和电感l s 。饱和电感在饱和时，电抗值为 零；不饱和时，电抗值很大。超前管i g b t l 、i g b t 3 零电压开通条件与常规相 移p w m 一样，但利用电容c 在环流期间加快环流衰减，使得滞后管实现零电流关 断，并利用饱和电抗器l s 阻止l 、c 振荡反向( 反向电流伏秒积不足以使饱和电抗 器l s 饱和，其电抗值很大) ，在滞后管开通时，由于饱和电抗器l s 处于不饱和状 态，电抗值很大，电流上升率慢，电压下降快，达到零电流开通。 图2 2 带饱和电感的零电压零电流移相p w n i 主电路图 c 4 整个电路工作过程为：首先i g b t l 开通，经过一定移相角后，i g b t 2 导通， 然后关断i g b t l ，此时电容c 电压为左正右负，饱和电抗器l s 由于大的伏秒积作 用，处于饱和状态，阻抗为零，此时电流由a b i g b t 2 一v d 3 一a ，超前管 1 4 浙江大学铆 士学位论文 l g b t 3 可实现零电噩开j m ( n v d 3 f , 开通) 。但与相移p w m 不同之处在子：移相 p w m 时，三d i l d t = = 0 ，电流衰减得很慢，丽此时等于电容两端电压负 值，只要巩足够大，电感能量快速转移到电容中，电流就能快速衰减到零，电 流衰减至l 零屠，滞后管i g b t 2 处于零电流鸯然关断，壶于电流衰减到零后，饱和 电抗器l s 无励磁电流，退出饱和，感抗变得很大，阻止电感泖电容c 振荡产生 反向电流( 电容两端电压伏秒积不足以使饱和电抗器璐饱和) 。在i g b t 4 管髫通瞬 间，由于l s 不饱和，所以滞后管i g b t 4 处于零电流开通状态，且i g b t 4 导通后， 电源电压加在饱和电抗器l s 两端，并有足够时间即较大的伏秒积，促使其饱和， 然后电流流经i g b t 4 - - b - - - a i g b t 3 t 2 0 2 8 1 。 所以，滞后管处于零电流关断和零电流开通，超前管处予零电歪开通状态， 超前管关断靠并联在管子上的吸收电容，实现其近似零电压关断。 这种拓扑的优点是克服了2 3 1 中所述零电压移相p w m 电路在轻载或电感量 小时滞后管往往难以实现零电压开通的问题，其缺点是电路结构复杂，且饱和电 感l s 豹能量损耗问题也不可忽略，尤英是当电路工作在大功率情况下，其损耗 问题尤为严重。 在逆变电阻焊接电源的应潮场合下，电路一般工作在较大功率的状态下，如 果采用此种拓扑，饱和电感l s 的能量损耗问题将比较严重，故本设计中不宣采 用此种电路拓扑。而且在本设计的电路中，变压器的原副边绕组匝数比较大 ( 5 0 ：1 ) ，变压器的漏感很大，故在本设计的应用场合下，不存在由于电感中储能 较小时滞后管难以实现零电压开通的闯题。故本次设计中逆变主电路采用2 3 1 中所述的移相零电压p w m 拓扑结构。 2 4 本设计主电路拓扑及零电压软开关影响因素分析 2 4 1 本设计主电路拓扑 本设计所采用的全桥式零电压开关移相p w m 逆变电阻焊接电源主电路拓 季卜如圈2 3 所示： 1 5 浙江大学琊i 士学位论文 圈2 3 主电路拓扑豳 在形式上，它与常规的全桥逆变电路完全相同，但是功率开关管i g b t 的驱 动和工作方式却完全不同。在遂常的p w m 逆变电路中，位于对楚线上的两个 i g b t 是同时导通与关断的，通过改变其导通占空比来控制向变压器初级侧提供 能量的大小；丽在移耀式逆变毫路中，+ 由t l m 组成显定臂( 超嚣臂 ，t 3 t 4 组成移相臂( 滞后臂) ，各i g b t 所承受的栅- 射极触发电压与其导通流过电 流翁酎闻并不一致。逆交电路工作时，霹个i g b t 均分烈被麓燕导通占空眈略 小于5 0 的，而i g b t 的导通时间则取决于位于对角线上的一组i g b 印1 一t 3 或t 2 - t 4 ) j ：u 黼同为商电平的时间以及薹g b t 向零电压过渡的转换时间；通过改变 商移相臂上两只i g b t 施加的撩一射极触发电压时闯来调节商变压器初级侧提供 能量的大小。 其电压波形示意图懿醒2 。4 骈示。圈中8 茭避免鼹侧桥臂直通嚣设置静死区时 间，6 即为移相角，从图上可以看出，移相角6 越大，输出电能就越小。四个管 酶导邋是t 1 - t 3 ，t 2 - t 4 。如前面所述，只要选择适当的毫路参数，鼯霹实现零毫 压软开关【2 9 弓7 1 。 浙江大学硕士学位论文 i il ii l 图2 _ 4 移相逆变电路工作波形示意图 2 4 2 影响零电压转换因素分析 1 、死区时间0 的设置 从前面电路运行模式分析过程中可以看出，死区时间0 的设置在零e 过程中起着十分重要的作用，该作用主要体现为两点， ( 1 ) 防止位于同一桥臂上的两个功率开关管同时导通而导致的直通现象的发 生。 ( 2 ) 变压器电感与并联在功率开关管两端的电容主要是在该时间段内产生谐 振，从而为功率开关管的零电压开通创造条件。 由于0 在零电压转换电路中所起的特殊作用，在设置其长短时必须给予足够 重视。如果0 设置时间过短，将导致功率开关管在其两端电压投有达到零电压时 导通；如果设置时间过长，一方面会造成电路导通占空比的损失增大，另一方面 还会在初级电流较小的情况下造成功率开关管两端的电压重新增大。 2 、变压器漏感对零电压转换的影响 焊接变压器漏电感的大小，是决定逆变电路能否实现零电压转换的关键因素 之一。从前面电路运行模式分析过程中可知，在转换过程中，电感是否储存有足 够的能量，决定了逆变电路能否实现零电压转换。根据电工学原理，当电流f 流 经电感器时，电感所吸取的总能量为 w = f = l i d t( 3 1 ) j 0 1 7 浙江大学硕士学位论文 或者w ；2 - l 1 2 ( 3 2 ) 2 式中：为电感器所吸收的能量( j ) ；f 为电流流经电感的时间( s ) ，； l 为电感器的电感值( h ) ；f 为流经电感器的电流瞬时值( a ) ；i 为流经电 感器的电流有效值( a ) 。式( 3 2 ) 表明，电感器所吸收的能量与其电感值成正比， 与流经其的电流有效值的平方成正比。对于逆变焊接电源而言，假设其实现零电 压转换所需的电感器储能为定值，显然电感越大，所需流经焊接变压器初级的 电流就越小。也就是说，增大焊接变压器电感值有利于零电压转换的实现。而焊 接变压器的漏感值越大，电路的功率因数就越低，效率就越低。故在电路设计中 应综合考虑着两个因素，选择适当的漏感值。 3 、并联电容对零电压转换的影响 并联电容在逆变电路中的作用为：( 1 ) 与焊接变压器电感一起构成谐振回路， 为实现零电压转换创造条件；( 2 ) 吸收由于电路寄生元件震荡而产生的高电压， 对功率开关管起过压保护作用。 在谐振期间并联电容极性变化所需的能量主要依靠变压器电感所释放的能 量，为了减小电感储能，总是希望尽量减小并联电容极性变化所需的能量。根据 电工学理论，在电容两端施加一定电压时，电容所存储的能量为： 1 w = 妄啦 ( 3 3 ) z 式中：为电容器从供电电路中吸取的能量( ，) ；c 为电容器的电容值( f ) ； 为电容两端的电压值，u 为电容两端电压值( v ) 。 式( 3 3 ) 表明电容器从供电电路中吸取的能量与其电容值成正比，与其两端的 电压的平方成正比。对于某一特定的逆变电路，电容器两端的电压可以认为为一 定值，其从供电电路中吸取能量的多少主要取决于电容的大小。也就是说在逆变 电路中，减小功率开关管两端并联电容值，有利于零电压转换的实现。但是如果 将并联电容设得过小，又不利于对功率开关管过压保护。因此在零电压逆变电路 中应综合考虑并联电容值的大小【2 9 - 3 3 】。 4 、移相臂与固定臂对零电压转换的影响 从前面电路运行模式分析过程中可以看出，位于固定臂( a p 2 e 桥臂) 上的两个 功率开关管t 1 、t 2 总是先于移相臂( 即右桥臂) 上的两个功率开关管t 3 、t 4 发生零 1 8 浙江大学硕士学位论文 电压转换。这就意味着在移相逆变电路，位于固定臂上的功率开关管与位于移相 臂上的功率开关管相比，前者更容易实现零电压转换，而当焊接电流较小时，可 能会由于变压器储能不足而导致移相臂上的功率开关管不能实现零电压转换。 但在本设计的电路中，由于变压器原副边绕组的匝数比较大( 5 0 ：1 ) ，故导致变压 器的漏感比较大，电路在运行过程中，漏感中将存在有足够的储能，使移相臂实 现零电压开通。 1 9 浙江大学硕士学位论义 第三章系统硬件电路设计 3 1 智能控制逆变电阻焊接电源总体设计 如第一章中所述，焊接过程的实质是电流、压力、时间三要素合理搭配使 金属熔化、冷却形成焊核的过程。焊接电流将直接影响电阻焊焊接的质量。为了 保证焊接质量，需要对焊接电流进行合理控制。 本次设计的系统整体功能框图如图3 - 1 所示，本设计整个系统主要由下面几 个部分组成：不控整流部分、逆变器主电路部分、驱动电路部分、变压器、焊接 工件部分、智能控制瑟板( 包括l e d 显示电路和键盘输入部分) 、单片机及辨围 电路部分等。 圈哟圈 l 电流采样| f 及反馈 图3 1 系统燕体功能框图 其实现的主要功能是：用户通过键盘电路输入指定一个给定电流值i g ，单片 枫对实际输出电流值王( 变压器的原边电流) 进行采样，单片机根据这两个电流 值进行一定的计算和处理，产生4 路带有定移相角的p w m 信号，输入到系统 的驱动电路控制逆变器i g b t 的通断，从丽控制调节输出电能的大小，最后使得 实际输出电流值等于用户指定的给定电流值，即，使达到i g = i 。同时，实际电流 值l 和用户指定电流僮l g 将通过单片枧发送到l e d 显示模块进行实时显示，以 方便用户对整个逆变电阻焊接系统进行实时观测1 3 8 】。 2 0 浙江大学硕士学位论文 3 2 主电路设计 3 2 1 输入整流电路 实验中逆变器输入端采用了不控整流电路，整流后加滤波电路滤波得到童流 电压，此直流电压输入逆变桥逆变后得到交流电压，此交流电压直接接入后极的 交压嚣经变压器降压后给焊接工件供电。 整流桥直流侧滤波电容的设计：其容量和输出功率的大小有密切的关系。由 于输入级电容选褥大，输入电流的畸变率高，容量低，又会导致输入纹波变动范 围大。如果输入极电容选的小，则会导致纹波变化范围大。 根据经验公式： c 一( 3 5 ) x f 一2 ，一5 3 4 l o o o ( o 6 3 7 3 1 1 ) 2 x 1 0 0 3 8 3 u f ( 3 1 ) 一输入电压的平均值 ，一滤波后纹波频率 实际使用中，采用两个3 3 0 u f ，耐压为4 5 0 v 的两个电容并联。为了增加电解 电容的寿命，增加放电速度，在两个电容上各并联3 3 k o ，功率为8 w 的功率电阻。 如图3 2 所示： _ 一 zxz孓 一2 2 1 3 哺电 匕 j 曼3 嚣 7 - _ 一 _ z王2 3 。2 。2 开关器件的选择 图3 - 2 逆变器直流输入侧电路 电路主开关器件的选择对于电路正常工作及其工作性能的影响最为重要，对 于逆变电路来说，开关器件应具有合适的导通电流大小、关断承受反压大小；尽 量小的导通压降和关断时的拖尾电流；尽量短的开通和关断时间；尽量小的开关 2 1 浙江大学硕士学位论文 损耗和可靠的导通和关断性能。 针对当今的器件发展水平、本系统中逆变器的要求以及成本的考虑，选用了 独立绝缘栅晶体管( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r , i g b t ) 作为逆变电路的主开关 器件。 i g b t 器件的额定电流可按富士公司推荐的式( 3 - 2 ) 进行计算： i i g 酐= 等警等= 7 a (