（电力电子与电力传动专业论文）新型软开关弧焊逆变电源的研究.pdf

西华大学硕士学位论文 主功率器件i g b t 的p w m 驱动放大以及人机交互等。此外，采用 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad e m o 板为p s f b z v z c s 电路提供p w m 驱动脉冲，并建立 了输出电流变化值与占空比之间的计算公式，利用软件编程对p w m 驱动脉冲 的输出频率、移相角和死区时间进行灵活的设定和修改。 最后，在对本文做简要总结的基础上，对于本焊机的进一步完善工作提出 了建议，为全数字化焊机控制系统今后更加深入的研究奠定了良好的基础。 关键词：弧焊逆变电源，软开关，d s p ，模糊神经网络，智能控制 西华大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nt h en e ws o f t s w i t c h a r c w e l d i n gi n v e r t e rp o w e r - s u p p l y 一 一 p o w e re l e c t r o n i c sa n de l e c t r i c a ld r i v e p o s t g r a d u a t e ：w a n gl i r o n g t u t o r ：w e ij i n c h e n g a r c w e l d i n gi n v e r t e rp o w e r - s u p p l yi s t h e c o m p l e xp o w e re l e c t r o n i cd e v i c e s ， w h i c hi st h ec o m b i n a t i o no ft h ee l e c t r i ca n de l e c t r o n i c ，i so n eo ft h em a i ne l e c t r o n i c w e l d i n g r e s e a r c ha r e a t h i sa r t i c l eb a s e do nt h et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s pc h i p h a r d w a r ep l a t f o r m ，w i t ht h es o f t - s w i s ht e c h n o l o g ya n df u z z yn e u r a ln e t w o r k c o n t r o l ( f n n c ) t e c h n o l o g y , d e s i g n e dan e wt y p eo ft h ei n t e l l i g e n t c o n t r o l l i n g s o f t - s w i s ha r c w e l d i n gp o w e rs u p p l y f i r s t l y , t h i sp a p e ra n a l y s i s e da n ds t u d i e dt h es o f t - s w i t c h i n gi n v e r t e rc i r c u i t ， e s t a b l i s h e da p h a s e - s h i f t i n gc o n t r o l l i n gf u l l - - b r i d g ez e r o - v o l t a g ez e r o - - c u r r e n ti n v e r t e r c i r c u i ts i m u l a t i o nm o d e l ，c a r r yo nt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o nw i t ho r c a dp s p i c e s o f t w a r e ，e d u c e dt h ez v z cs w i s hw a v e - f o r m ，c e r t i f i e dt h es e l e c t e di n v e r t e rc i r c u i t t h i sc i r c u i ti m p r o v e dt h ep o w e r - s u p p l yo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c s ，e f f i c i e n c y , s t a b i l i t y a n d r e l i a b i l i t y w e l d i n gt e c h n o l o g yi sam u l t i - i n p u t ，m u l t i - o u t p u t ，n o n - l i n e a rs y s t e m ，w i t ht h e u n c e r t a i n e dc h a r a c t e ro ft h ew e l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s ，s oi ti sd i f f i c u l tt oe s t a b l i s h a c c u r a t em a t h e m a t i c a lm o d e l i nt h i sp a p e rt h ea u t h o rp r o p o s e dt h a ti ta p p l i e dt h e f u z z yn e u r a ln e t w o r kc o n t r o l ( f n n c ) t e c h n o l o g yt ot h ea r c w e l d i n gp o w e r s u p p l y c o n t r o ls y s t e m s ，a n a l y s i s e da n dd e d u c e dt h ep r o c e s sc o n t r o lm o d e lo ft h ea r c w e l d i n g ，c o n s t r u c t e dt h e f n nc o n s t a n t c u r r e n tc o n t r o l s y s t e m ，e x e c u t eo f f - l i n e s t u d yw h i c hi sb a s e do nt h ef n nm o d e l ，m e a n w i l e ，o n l yd op o s i t i v ev a g u et e r m so n t h et r a i n i n g a f t e rn e t w o r k ，u s e i n gm o m e n t u mt e r mb pa l g o r i t h m ，m o d i f i c a t i o n so f t h ed u t yc y c l ew a su t i l i z e dt oa c h i e v ec o n s t a n tc u r r e n to u t p u to ft h ei n v e r t e r ，w h e n 西华大学硕士学位论文 t h i st r a i n e dn e t w o r kw a su s e di no n l i n ec o n t r 0 1 t h e r e b yi t i sb e r e rt ou s ef n n r a t h e rt h a nc o n v e n t i o n a lp i do nt h en o n - l i n e a rs y s t e n s ，i m p r o v e dg e n e r a l i z a t i o na n d s e l f - a d a p t i o n ，r e a l t i m ea b i l i t yo fn e t w o r kc o n t r o ls y s t e m f i n a l y ，c o m p l e t e d a l g o r i t h ms i m u l a t i o no ni n t e l l i g e n tc o n t r o lu s e i n gm a t l a b d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) ，ag o o dr e s e a r c h i n gp l a t f o r mw a sb u i l t f o r u s e i n gi n t e l l i g e n tc o n t r o la l g o r i t h mi nd i g i t a lc o n t r 0 1 a tl a s t ，t h ep a p e rd e s i g n e dt h e a r c - w e l d i n gi n v e r t e rp o w e r - - s u p p l yh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e m si nt h ec o r eo f t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a i t sh a r d w a r es y s t e mc o m p l e t e dp o w e rt r a n s f o r m a t i o n ，w e l d i n g c u r r e n t ，v o l t a g es a m p l i n g ，t h ep w m d r i v ea n dm a g n i f yt ot h em a i np o w e ri g b t d e v i c e ，h u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o n ，a n ds oo n i na d d i t i o n ，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d e m ob o a r dp r o v i d e dp w md r i v e p u l s e f o r t h ep s - f b z v z c sc i r c u i t ，a n d e s t a b l i s h e dt h ef o r m u l a t i o nb e t w e e nt h ed u t yc y c l ea n dt h eo u t p u tc u r r e n td i v e r s i f y ， m a k et h eo u t p u tp w m p u l s e 丘e q u e n c y ，p h a s es h i f ta n dd e a dt i m em o r ef l e x i b l ea n d e a s y e r - m o d i f yb ys o f t w a r ep r o g r a m m i n g f i n a l l y ，i tm a d ea b r i e fs u m m a r yf o rt h i sp a p e r ，p r o p o s a l e dt h ef u r t h e ri m p r o v e w o r kt ot h i sa r c w e l d i n gi n v e r t e rp o w e r - s u p p l yd e s i g n ，w h i c hi st h eb a s e m e n to f m o r ed e e p e rs t u d yo nt h ea r c w e l d i n gp o w e r - s u p p l yd i g i t a lc o n t r o ls y s t e mf o rt h e f u t u r e k e yw o r d s ：a r c - w e l d i n gi n v e r t e rp o w e r - s u p p l y ，s o f t s w i t c h i n g ，d s p ，f u z z yn e u r a l n e t w o r k s ，i n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 i v 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学术论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。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己经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文 成果为西华大学所有，特此声明。 作者签名瓣 导师签名： 啼年矾只。；e t 妒孑年占月夕日 西华大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景和意义 自7 0 年代以来，随着电力电子技术和大功率快速开关器件的不断发展，逆 变技术除了应用在电工、电热、电化学等方面之外，已逐步引进焊接领域。由 于逆变焊接电源体积小、重量轻、节能省材，而且控制性能好，易于实现焊接 过程的实时控制，特别是逆变式焊接电源有着动态反应速度快的优势，其动态 反应速度比传统工频整流焊接电源提高了2 3 个数量级，有利于实现焊接过程 的自动化和智能控制，在性能上具有很大的潜在优势。逆变式弧焊电源( 或称为 弧焊逆变器) 于1 9 8 1 年首次出现在国际焊接与切割博览会上，现在各种类型的 弧焊逆变器己相继研制成功，并逐步应用于各种弧焊方法。因此逆变电源也被 称为“明天的电源。 弧焊电源的功率器件以模拟式或开关式进行工作和控制，在开关式弧焊电 源中有硬软开关型之分。硬开关型弧焊电源，大多采用p w m 控制技术，其功 率器件工作在被强迫关断( 电流不为零) 或强迫导通( 电压不为零) ，由于电路存在 寄生电容和寄生电感，导通和关断时又是工作电流、电压值不为零，甚至较大 值的状态，所以开关耗损大，此耗损随着频率增加正比增加，这一损耗不仅大 大降低了电路的效率，甚至使电路不能正常工作。为此，国内外学者专家针对 存在着的这个问题，研究和开发了软开关型弧焊电源2 1 。 软开关型采用的是谐振变流技术，其特点是功率器件在零电压或零电流条 件下自然开通或关断。从本质上克服硬开关型弧焊电源的缺点，在较大程度上 解决功率开关耗损过大的问题，并降低功率器件d u d t 和d i d t ，减少电磁干扰 ( e m i ) 和射频干扰( r f i ) ，降低了逆变器的重量，提高频率，减少电路中变压器、 电感、电容的体积，降低输出纹被，提高功率密度和系统动态性能。因而，软 开关技术尤其是在弧焊逆变器中的应用愈来愈多，从而使弧焊电源的水平又上 了一个新台阶。因此软开关型弧焊逆变器是一种有较大发展和应用前景的软开 关型弧焊电源。 西华大学硕士学位论文 2 1 世纪制造业趋于全球化、网络化、集成化、虚拟化、异地化、数字化， 计算机、信息技术的快速发展将促进制造领域逐渐与其融合，焊接作为制造领 域中重要的材料加工和结构生产力，也正在与信息技术紧密结合，由于焊接过 程的多变性和复杂性，利用数字化技术，使焊接设备从简单的机电产品变成一 种精密加工仪器，将是焊接设备的发展方向。随着人工智能技术、计算机视觉 技术、数字化信息处理技术、机器人技术的溶入，促使弧焊技术向着焊接工艺 高效化，焊接电源控制数字化、焊接质量智能化以及生产过程机器人化方向发 展 6 1 。 数字化焊接电源智能控制系统的研制开发将为系列化高档焊机的生产奠定 基础。同时，由于采用了数字化控制技术，焊接电源己不再是单纯的焊接能量 提供源，还应具有数字操作系统平台、多特性适应调整、送丝驱动外设及接口、 焊接参数动态自适应调整、过程稳定质量原评定、保护及自诊断提示以及远程 网络监控、生产质量管理等功能，焊接电源的概念实际上已拓宽为焊接电源系 统。因此，在学术水平和使用价值方面都具有重要意义。数字化焊机在国内的 研究仅处于实验室阶段，但数字化焊机凭借无与伦比的强大优势，必将成为焊 接设备的主流，是未来之星1 6 1 。 1 2 电弧焊逆变电源的研究和发展现状 焊接设备从最开始的弧焊变压器逐步发展，六、七十年代期间，弧焊电源 的发展比较活跃，出现了多种形式的弧焊整流器，如抽头式、磁放大器式、动 铁式、动圈式、晶闸管式、滑动变压器式、附加变压器式、高压引弧式和交直 流两用式等。同时出现的还有脉冲弧焊电源，这种电源的主要特点是焊接电流 以低频调制脉冲方式馈送1 4 1 。 从8 0 年代至今，焊接设备有了进一步的发展，其中弧焊逆变电源的问世、 逐步发展完善对焊接设备的发展起到了重要的促进作用。目前逆变式弧焊设备 已经成为国内外焊接设备的主流产品。 我国逆变焊机的研究开发起步于2 0 世纪7 0 年代末期，于2 0 世纪8 0 年代 开始发展。1 9 8 2 年，成都电焊机研究所开始了对晶闸管逆变式弧焊整流器的研 西华大学硕士学位论文 究，于1 9 8 3 年研制出我国第1 台商品化的z x 7 2 5 0 逆变式弧焊电源，并通过 了该项目的部级鉴定。随后，清华大学、哈尔滨工业大学、华南理工大学和时 代公司等单位相继推出了采用各种开关元件的逆变式焊机。现在，我国逆变焊 机电源己形成4 代产品：第一代是以可控硅s c r 为主功率器件的逆变器；第二 代是晶体管逆变器；第三代是场效应管逆变器；第四代是i g b t 逆变器，其逆 变频率高，饱和压降低，功耗小，效率高，无噪声，与前3 代逆变器相比，优 势更明显。 与此同时，计算机技术的应用给焊接设备的发展带来了革命性的变化。随 着大规模集成电路技术的发展，尤其是现代计算机技术和数字信号处理技术的 发展，微控制器( 单片机) 、p l c 、d s p 等数字化芯片被大量的使用，以完成焊 接设备管理、波形给定、闭环控制、通讯等功能。但是由于计算机技术在焊接 设备中应用的复杂性( 焊接工艺过程的实时性、非线性以及焊接环境的高干扰) ， 目前我国还没有掌握当前世界上最先进的焊接设备全数化控制技术，同时这种 技术在全球也仅仅为少数几家全球知名的焊接设备制造商所掌握，实际产品也 只用f r o n n i u s 一个系列和日本松下的t i gs t a r - 3 0 0b m i 和t i gs t a r - 3 0 0 b z l 。因 此，进行弧焊逆变电源数字化智能控制的研究将有非常重要的意义。 逆变焊机发展的广阔前景吸引了众多大专院校和研究所。但是由于逆变焊 接电源强电和弱电相结合，在研制时采用传统的试验方法不但要消耗大量的人 力、物力和时间，且有些问题是试验方法难以发现和解决的。因此需要提出新 的设计方法和手段。 近几年来，电路分析和设计的方法由于采用计算机仿真技术而得到飞速发 展。电路设计采用计算机仿真技术对不同的设计方案迅速地进行模拟分析，并 在电路形式确定以后，对电路的元件参数进行灵敏度分析和容差分析，从而优 化元件参数，保证设计质量。所以，电路设计中采用计算机仿真技术，能极大 的减少人工劳动，缩短设计周期，降低设计成本。目前，在电力电子装置的研 究中，越来越多的装置采用计算机仿真技术。对于大功率的焊逆变电源来说， 其工作环境和负载情况都非常恶劣，而采用的功率器件却很昂贵，所以在焊接 逆变电源的设计中采用计算机仿真技术就更具有优越性。 西华大学硕士学位论文 1 3 计算机仿真软件在电源设计中的应用 弧焊逆变器的计算机仿真与c a d 是试图借助功能强大的计算机全面系统 和深入的定性和定量分析，描述和研究新一代弧焊逆变器核心和各主要部分的 工作过程和动态响应，发展逆变理论，解决国产弧焊逆变器的质量和可靠性问 题，进而实现弧焊逆变器的计算机辅助优化的设计，提高弧焊电源设计的科学 化和自动化水平。通俗的说就是利用先进的计算机技术代替人工和经验设计与 调试，把烦琐的设计调试仿真工作首先放在计算机中进行，达到降低成本优化 结构提高性能和可靠性之后才进行实际的安装调试弧焊逆变器，使调试时间和 烧管数量达到最少，性能最佳的目的。 常用的电路仿真软件有p s p i c e ，s a b e r ，s i m p l i s 和m a t l a b 等。通常把电 源电子仿真软件分为两种：侧重于电路的仿真器和侧重于方程求解的仿真器， 其中p s p i c e 、s a b e r 和m a t l a b 分别是两类仿真器的代表眨7 1 。 1 3 10 r c a dp s p i c ea d 介绍 目前在个人电脑上使用的电路仿真软件中，p s p i c ea d 最受欢迎。p s p i c e 的全名为 s i m u l a t i o n p r o g r a mw i t hi n t e r g r a t e dc i r c u i te m p h a s i s ，是 e d a ( e 1e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) 界著名的m i c r o s i m 公司基于p s p i c e 2 标 准发展而来的。p s p i c ea d 不仅能够灵活地仿真纯模拟或纯数字电路，而且 能高效地仿真模拟数字混合电路。可以进行各种各样的电路仿真、激励建立、 温度与噪声分析、模拟控制、波形输出、数据输出，并在同一个窗口内同时显 示模拟与数字电路。无论对哪种器件哪些电路进行仿真，包括i g b t 、脉宽调 制电路、模数转换、数模转换等，都可以得到精确的仿真结果。对于库中 没有的元器件模块，还可以自已编辑。 虽然最近o r c a d 公司购并了p s p i c ea d 并推出了o r c a dp s p i c ea d ， 但是，p s p i c ea d 的软件功能、仿真环境和使用方法等仅有细微变化。本次设 计中采用o r c a dp s p i c e 9 2 进行逆变器主电路的动、静态特性分析。 4 西华大学硕士学位论文 1 3 2m a t l a b 介绍 m a t l a b ( m a t r i xl a b o r a t o r y ，即矩阵实验室) 语言是美国c l e v em o l e r 博士 在1 9 8 0 年前后创建的。它是一个集命令翻译、科学计算于一身的交互式软件系 统。在m a t l a b 下，矩阵的运算变得非常容易。目前，m a t l a b 语言已经成为国 际上最为流行的软件之一，它除了传统的矩阵运算、交互式编程之外，还提供 了图形绘制、数据处理、图像处理、方便的w i n d o w s 编程等以m a t l a b 为基础的 实用工具箱( t o o l b o x e s ) ，广泛地应用于自动控制、图像处理、生物医学工程、 语音处理、雷达工程、信号分析、振动理论、时序分析与建模、经济管理学、 统计学、优化设计等许多领域。 m a t l a b 在变换器仿真中的应用一直是人们十分关注的研究领域真中的应用 方法可分为三个方面： 。 ( 1 ) 运用m a t l a b 强大的计算功能求解电源变换器方程式； ( 2 ) 运用m a t l a b 领域分析的工具研究变换器系统的控制性能； ( 3 ) 运用m a t l a b 的s i m u l i n k 、t o o l b o x 工具仿真变换器系统。 本次设计采用m a t l a b 7 0 进行模糊神经网络控制系统分析。 1 4 智能化控制技术及d s p 技术在弧焊电源中的应用 焊接工艺是一个多输入、多输出、非线性的系统，焊接过程参数之间存在 着不确定件，难以建立精确的数学模型，常规的p i d 控制方法无法实现很好的 控制效果。神经网络和模糊控制系统均属于无模型的估计器和非线性动力学系 统，它们是处理不稳定性、非线性和其他不确定问题的有力工具。但是由于模 糊控制规则数量的确定和控制规则的提取相对困难，加之受模糊论域划分的限 制，使常规模糊控制的精度和适应能力仍受较大限制。神经网络具备自学习自 组织能力，而且容错性、泛化能力强，可以逼进任何非线性函数。但是其权值 修改计算量大，网络控制实时性差，这也在一定程度上制约了神经网络的应用。 模糊神经网络由于吸收了模糊逻辑和神经网络的优点，不仅为模糊控制解决了 自学习和多输入多输出( m i m o ) 等控制问题，而且促进了模糊神经网络的研究 西华大学硕士学位论文 和发展，为神经网络的应用提供了广阔的空间。模糊控制、神经网络相互结合， 互为补充，都得到了充分的发展，并成为人工智能控制理论和技术的核心，已 成为当今智能控制的研究热点之一。近年来，模糊逻辑和神经网络在焊接领域 的应用得到焊接界专家学者的愈来愈大的重视，国内外的研究人员积极开展有 关应用技术的研究，并获得了可喜的研究成果，如模糊逻辑在电弧焊波形控制、 t i g 、m i g m a g 焊的质量抑制中都获得了满意的效果t 3 l 。 目前，弧焊电源的智能化控制既可采用专用芯片也可以采用通用单片机加 上智能算法软件实现。虽然专用芯片的速度高，但价格贵，修改控制算法和规 则都不太方便。而采用通用的单片机，则成本低，且可通过软件编程方便地修 改模糊控制规则和算法、灵活性好，是目前较为合适的选择。应此本设计采用 d s p 芯片为系统控制核心，通过软件编程实现智能控制。 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r s ) 芯片，也称数字信号处理器，是一种具有 特殊结构的微处理器。d s p 芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有 专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的d s p 指令，可以用来快 速地实现各种数字信号处理算法。d s p 除了具备普通微处理器所强调的高速运 算和控制功能外，针对实时数字处理，在处理器结构、指令系统、指令流程上 都已经有了很大改进，是一种性能比较完善的微处理器。其主要应用不仅是实 时快速的实现各种数字信号处理算法，并且拓宽到了系统控制领域。 t i 公司推出的d s p 芯片中c 2 x x 系列中的c 2 4 x 系列主要用于数字电机控 制、工业自动化、电力转动系统，变频空调等工业控制场合，正符合本设计的 需要。c 2 4 x 系列中的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片是3 2 位，指令执行速度高达2 5n s ， 即单周期指令执行时间为3 0 m i p s 。两个事件管理模块e v a 和e v b ，每个包括 两个1 6 位通用定时器，8 个1 6 位的脉宽调制( p w m ) 通道，3 个1 6 位全比较 单元，具有1 0 位1 6 通道a d 转换，转换时间为3 7 5 n s ，基于锁相环( p l l ) 的 时钟模块，带实时中断的看门狗定时模块，串行通信接口s c i ，串行外设接口 s p i 。3 2 k 字的片内程序f l a s h 存储器，1 5k 字的数据、程序r a m ，5 4 4 k 字双 1 2r a m ( d a r a m ) 和2 k 字的单e lr a m ( s r a m ) 。可扩展的外部存储器总共 1 9 2 k - 6 4 k 字程序存储器；6 4 k 字数据存储器；6 4 k 字i 0 寻址空间。此芯片 既有丰富的微控制器外设功能又有高性能的d s p 内核，因此非常适合于数字信 6 西华大学硕士学位论文 号处理场所的工业控制系统。可见在d s p 芯片中集成了a d 转换、大容量存储 器、定时器、比较单元、捕获单元、p w m 波形发生器、数字i o 口、s p i 、s c i 、 c a n ，其中4 个通用定时器和1 2 个比较单元的结合能产生多达1 6 路的p w m 输出，足以满足i g b t 主电路的驱动。因此采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片作为弧焊 电源的控制芯片。 1 5 主要研究内容 在高效、节能、省材和环保的大环境下，由于软开关弧焊逆变电源具有诸 多优点，使得其成为当前各国都争相研制和推广的一种新型焊接电源。d s p 及 软开关技术有望全面、经济、有效地解决逆变焊机的可靠性问题，进一步实现 弧焊逆变器的大容量化、高频化和高效化，大大提高了我国焊机产品的市场竞 争力1 7 1 。 本课题从一种新的设计方案和控制角度出发，设计出性能可靠的2 0 0 a 新 型软开关弧焊逆变焊机及相应配套辅助设备。 软开关弧焊逆变器主要技术指标： 输入电压：( 三相) 3 8 0 v 士15 ，即3 2 3 v - - 4 3 7 v 电网频率：5 0 h z 士1 0 ，即4 5 h z - - 5 5 h z 额定焊接电流：2 0 0 a 额定工作电压：2 8 v 1 8 v 额定容量：6 k v a 电流调节范围：1 0 2 0 0 a 空载电压：6 0 v 额定负载持续率6 0 效率：9 0 适用范围：焊条电弧焊和t i g 焊 本课题采用数字信号处理芯片( d s p ) 作为控制核心，对弧焊逆变电源进行软 开关智能控制系统的研究。具体内容包括： ( 1 ) 正确分析移相控制z v z c sp w m 全桥逆变电路的微观过程，实现移相控 制技术、软开关和p w m 控制技术的有效结合。 7 西华大学硕士学位论文 ( 2 ) 以d s p 为控制核心，设计弧焊逆变电源控制系统的硬件和软件系统，使 其成为一个集控制参数检测和人机交互功能为一体的研究平台。 ( 3 ) 通过对t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片产生p w m 输出脉冲原理的分析，研究并 实现了d s p 产生移相p w m 方波的控制方法。 ( 4 ) 根据控制对象构建逆变弧焊模糊神经网络恒流控制系统结构，研究以弧 焊逆变电源焊接电流参数为控制对象的模糊神经网络闭环恒流控制策略。 ( 5 ) 利用m a t l a b 语言编程和o r e a dp s p i c e 软件完成对整个控制系统的仿 真验证。结合仿真结果对模糊神经网络训练算法进行改进并对控制系统进行优 化，从而提高模糊神经网络控制的实时性。 西华大学硕士学位论文 第2 章软开关逆变电路及工作原理 弧焊电源按功率器件的工作和控制方式可分为模拟式和开关式，在开关式 弧焊电源中又可分为硬开关型和软开关型。硬开关型弧焊电源，大多采用p w m 控制技术，其功率器件工作在被强迫关断( 电流不为零) 或强迫导通( 电压不为 零) ，由于电路存在寄生电容和寄生电感，导通和关断时工作电流、电压值不为 零，甚至是较大值，所以开关耗损大，此耗损随着频率的增加正比增加，这一 损耗不仅大大降低电路的效率，甚至使电路不能正常工作。 软开关型采用的是谐振变流技术，其特点是功率器件在零电压或零电流条 件下自然开通或关断。从本质上克服了硬开关型弧焊电源的缺点，在较大程度 上解决功率开关耗损过大的问题，并降低功率器件d u d t 和倒d t ，减少电磁干 扰( e m i ) 和射频干扰( r f i ) ，降低了逆变器的重量，提高频率，减少电路中变压 器、电感、电容的体积，降低输出纹波，提高功率密度和系统动态性能。因而， 软开关技术在弧焊逆变器中的应用愈来愈多，从而使弧焊电源的水平又上了一 个新台阶h 1 。为此，本章对软开关型弧焊电源的逆变器主电路的拓扑及工作原 理展开了分析和讨论。 2 1 软开关型逆变主电路拓扑及工作原理 软开关通常是指零电压开关和零电流开关或近似零电压零电流开关。对于 软开关过程的一般理解是：通过电感l 和电容c 的谐振，使开关器件中电流，( 或 两端电压) 按正弦或准正弦规律变化，当电流自然过零时，使器件关断，当电压 下降到零时，使器件导通 8 1 0 2 1 1 软开关型基本变换器 在逆变弧焊电源中，以软开关工作方式的谐振变流技术，按控制方式可分 有变频控制和恒频控制两种，变频控制电路分析、设计麻烦且控制复杂，易受 干扰，输出范围较小，磁性元件利用率不高。恒频控制则是在常用p w m 电路 基础上，在逆变主电路中串入谐振电感k 和谐振电容c ，利用控制系统中移相 9 西华大学硕士学位论文 方波驱动开关器件，依靠反并联二极管的续流，实现功率器件的软开关控制。 目前常见的软开关型变换器基本形式有： 零电流开关( 乙c s ) 谐振变换器； 零电压开关( z v s ) 谐振变换器； 多谐振( m r c ) 变换器； 串联谐振变换器； 并联谐振变换器； 直流母线谐振变换器； 移相控制谐振变换器； ( 1 ) 零电流开关( z c s ) 谐振变换器 如图2 1 所示，零电流开关是指通过辅助的l c 谐振元件( l 先和开关串联) 整形功率器件上的电流波形，使得功率器件在零电流条件下自然关断，实现器 件的自然换流。零电流开关技术的优点在于降低了器件的关断损耗，对具有少 子导电的功率器件如i g b t ，b j t 等等，效果很好。 ( 2 ) 零电压开关( z v s ) 谐振变换器 如图2 2 所示，零电压开关是指通过辅助的谐振元件电感和电容( 电容和 开关并联) ，整形功率器件上的电压波形，使得功率器件的输出电容电压在器 件开通前降为零，为元件的开通创造零电压条件，并消除器件寄生输出电容相 关的开通损耗，使得开关频率大大提高。 f i g 2 1z c sr e s o n a n tc o n v e r t e r s 图2 1z c s 谐振变换器 ( 3 ) 多谐振变换器( m r c ) f i g 2 - 2z v s r e s o n a n tc o n v e n e r s 图2 2z v s 谐振变换器 如图2 3 所示，多谐振逆变主电路是指在个开关结构中综合零电压与零 1 0 西华大学硕士学位论文 电流开关的特性，谐振电容既与开关器件并联，又与二极管相并联，使开关器 件和二极管都形成零电压开关，其优点是把所有的主要寄生参数( 功率器件的输 出电容，二极管的结电容和变压器的漏感等等) 都并入谐振电路内，使得电路 中的器件均在零电压时导通，从而降低了开关损耗，提高了工作效率。 f i g 2 。3m u l 乜p l er e s o n a n tc o n v e r t e r s 图2 - 3 多谐振逆变主电路( m r c ) 以上三种电路缺点均是调频工作，所以器件所受的电压电流应力较大。 ( 4 ) 串联谐振变换器 图2 - 4 分别为半桥串联谐振逆变电路和全桥串联谐振逆变电路。 串联谐振变换器中电感l 、电容c 、功率器件和负载串联在一起形成一个 欠阻尼电路，由于电路是欠阻尼的，引起振荡，这样流过功率开关的电流出现 自然过零的现象。所以，串联谐振变换器实现了功率开关器件的自然换流，比 较合适于恒定负载的电路。 f i g 2 - 4 ( a ) h a l f - b r i d g es e r i e s r e s o n a n tc o n v e r t e r s 图2 4 ( a ) 半桥串联谐振变换器 f i g 2 - 4 ( b ) f u l l b r i d g es e r i e s r e s o n a n tc o l l v e l t c r s 图2 4 ( b ) 全桥串联谐振变换器 西华大学硕士学位论文 ( 5 ) 并联谐振变换器 图2 5 分别是半桥并联变换器和全桥并联的谐振变换器。在并联谐振电路 中，负载是与电容c 并联在一起的。电路也是欠阻尼的，使得流过开关器件的 电流自然过零实现零电流开关。在晶闸管中频电路中常常采用这种方法实现晶 闸管的自然换流。 一 中 理丁叶 。一 p !弋j f i g 2 - 5 ( a ) h a l f - b r i d g ep a r a l l e l )f i g 2 - 5 ( b ) f u l l b r i d g ep a r a l l e l r e s o n a n tc o n v e r t e r s r e s o n a n tc o n v c r t e t s 图2 - 5 ( a ) 半桥并联谐振变换器图2 - 5 ( b ) 全桥并联谐振变换器 由此可以看出，无论是串联谐振变换器还是并联谐振变换器，其输出功率 的调节是依靠调节频率来进行的。由于电路中的电流或电压是正弦的，电路中 功率器件受到很大的应力，与电路的q 值成正比。 ( 6 ) 直流母线谐振变换器 直滑黼掘l 姓蟠 f i g 2 - 6 d i r e c tc u r r e n tb u sr e s o n a n tc o n v e r t e r sa n dw a v e f o r m 图2 - 6 直流母线谐振变换器和波形图 如图2 - 6 所示，它利用谐振元件l r 和c ，及谐振控制开关i g b t 在逆变器的 输入直流电路产生谐振，把输入直流电压转换为一系列高频脉冲电压供给逆变 器，其优点是整流、谐振、逆变三种电路集成与一电路，功率器件出现零电压 西华大学硕士学位论文 开关条件与负载无关，易于控制。此电路的主要缺点是：直流环节振荡电压 幅值较大，一般为两倍以上的电源电压。为了使l 、c 振荡电路每次过零点， 需设置附加电路补充振荡电路的能量损耗，以提供足够的能量使振荡幅值过零 点。由于只能在u = 0 时，才能切换开关状态。谐振直流环逆变器只能采用 离散脉冲调制的方法来控制。 由于此电路在弧焊逆变器应用中还存在一定的困难，目前很少用到。 ( 7 ) 移相控制的全桥变换器 回囤围 囤回固 f i g 2 - j | p h a s e - s h i f tc o n t r o l l e df u l l - b r i d g ei n v e r t e rm a m c i r c u i ta n dd r i v es i g n a lt i m i n gc h a r t 图2 7 移相控制的全桥逆变电路主电路和驱动信号时序图 如图2 7 相移控制的全桥变换器和驱动信号时序图所示，相移控制全桥软 开关变换器是在p w m 全桥逆变主电路基础上发展起来的。它是利用主电路功 率器件本身的二极管导通时开通功率器件，实现零电压开通的，主电路根据控 制信号的不同，分为超前桥臂和滞后桥臂，对角线上的功率开关器件也不是同 时开通和关断，而是错开一个时间间隔，以实现零电流关断或零电压开通，并 通过调节占空比来实现输出电压或电流的控制。 与前面的七种变换器相比，此电路具有很多优点：开关频率恒定，在大范 围内实现p w m 控制，电路结构也相对简单，参数设计比较方便，而在功率开 关器件换流瞬间实现软开关换流，减少了开关损耗，降低硬开关造成的干扰， 提高了系统的可靠性，因而更适合于弧焊逆变器的应用。 西华大学硕士学位论文 2 1 2 移相控制的软开关逆变器拓扑 如前所述，软开关型逆变电路在逆变电路的基础上，把软开关技术和p w m 控制技术有机地结合在二起，在大范围内实现p w m 控制，不仅实现了开关频 率恒定，能更好的优化设计与频率有关的器件，如变压器、电感、电容，避免 以调频方式调节输出功率时，主电路功率器件所受的过大的开关应力，而且在 功率器件换流阶段，实现功率器件的软开关换流( 零电压或零电流开通和关断) ， 避免硬开关电路的缺点，降低了开通损耗，减少由于密勒效应所引起的干扰现 象，同时系统的体积和重量也减少了，功率器件所承受的开关应力也较小，具 有很大的优越性，为软开关技术在实际中的应用打下了基础眇1 。 在软开关弧焊逆变器中，目前研究的比较多的控制方式为移相控制方式， 在小功率下逆变器的主回路采用半桥，而在中大功率场合下一般采用全桥变换 器，全桥变换器可以实现零电压开关，零电流开关和零电流零电流开关三种软 开关方式，本文就此三种方式做详细介绍。 ( 1 ) 移相控制z v sp w m 全桥逆变器 l f = = 广1 d 1 ，j 6 ： 8 、j f i g 2 - 8 p h a s e - s h i f tc o n t r o l l e dz v sp w mf u l l b r i d g ec o n v e r t e r 图2 - 8 移相控制z v sp w m 全桥逆变器 它是利用变压器的漏感或原边串联电感和功率管的寄生电容来实现开关管 的零电压开关，其电路结构如图2 8 所示。其中d l d 4 分别是开关管v t l v t 4 的内部寄生二极管，c l c 4 分别是l v t 4 的寄生电容或外接电容，h 是变 压器的漏感。每个桥臂的两个功率管成1 8 0 。互补导通，前后两个桥臂的导通 1 4 西华大学硕士学位论文 角相差一个相位，即移相角，图中l 和3 分别超前v t 4 和v t 2 一个相位， 称v t l 和v t 3 组成的桥臂为超前桥臂，2 和v t 4 组成的桥臂则为滞后桥臂。 此电路通过调节移相角的大小来调节输出电流。 移相控制z v sp w m 全桥变换器有如下特点： 1 由于工作于零电压开关条件下，因而大大减小了开关损耗，有利于提高 开关频率，减小变换器的体积和质量； 2 无论副边是全桥整流方式还是全波整流方式，变压器原副边的电压电流 符合变压器的基本规律； 3 超前桥臂比滞后桥臂容易实现零电压开关； 4 i w 振电感串联于主回路中，副边存在占空比丢失。 ( 2 ) 移相控制z c sp w m 全桥逆变器 在有些场合下要求开关管均实现零电流开关，该变换器可满足要求，如图 2 - 9 所示。其中v t l v t 4 是主开关管，d 1 - - d 4 分别是v t 】v t 4 的串联二极管， 使v t l - 一v t 4 只能单方向导通，同时承受反向电压，l i k 是变压器的漏感，c b 是 谐振电容。v t l 和v t 3 是驱动信号分别超前于v