（材料加工工程专业论文）基于dsp的脉冲mig焊逆变电源数字化控制系统的研究.pdf

分类号： 学号： 作者姓名 申请学位 研究方向 论文提交 学位授予 答辩委员 主席： 委员： 本 取得的 何其他 献的个 法律后 作 本 研究生 有权保 论文被 部或部 论文。 本 览。 作 指 摘要 脉冲m i g 焊具有电流调节范围广、热输入量可控性好以及有利于全位置焊接等一 系列优点，愈来愈受到重视。而其控制系统的实现方式以模拟电路或单片机为主，控制 算法主要以传统算法为主，它们存在的固有缺点限制了脉冲m i g 焊逆变电源的进一步 发展。数字化控制因具有更好的稳定性和更高的控制精度以及控制灵活、易于实现柔性 化控制等优点，近年来得到学术界的高度关注。为此，本文以数字信号处理器 ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p ) 为控制核心，在理论分析的基础上设计了脉冲m i g 焊逆变电 源数字控制系统，并对其特性和应用进行了深入的研究。 论文首先在确定脉冲m i g 焊控制系统总体方案的基础上，结合整个逆变电源的功 能及作用，对数字控制系统的总体结构进行了设计。设计了以d s p 为核心的硬件控制 系统和软件系统，实现了脉冲m i g 焊的数字化控制。通过对焊接试验场所干扰源的分 析，进行了硬件和软件的抗干扰设计。 采用恒流控制实现脉冲m i g 焊逆变电源及其控制系统的峰值阶段恒流+ 基值阶段 恒流( ，一，) 的外特性方式，并利用建立的计算机自动测试平台对该逆变电源及其控制系 统进行了全面的性能测试。 建立了脉冲m i g 焊工艺试验的试验平台，对所研制的基于d s p 的脉冲m i g 焊逆变 电源进行了大量的焊接工艺试验。在研究一般脉冲焊参数匹配规律的基础上，为了提高 熔滴过渡过程的可控性，设计了中中值波形控制的新工艺方法，并找出中值电流和中值 时间对焊接过程的影响规律；通过对焊接接头截面形态和焊接接头组织特征的对比分 析，进一步比较两种工艺方法的优缺点。 关键词：脉冲m i g 焊逆变电源；d s p 数字化控制；熔滴过渡；中中值波形控制 a bs t r a c t p u l s e dm i gw e l d i n gh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c h 弱w i d er a n g eo fc u r r e n t ，c o n t r o l l a b l e h e a ti n p u ta n df u l lp o s i t i o na v a i l a b i l i t y , s oi ti sp a i dm u c hm o r ea t t e n t i o nn o w a d a y s h o w e v e r , t h e r ea r es e v e r a ld i s a d v a n t a g e si nc u r r e n tc o n t r o ls y s t e mo fp u l s e dm i gw e l d i n gs u c ha s b a s e do na n a l o g yc i r c u i to rm c u ，p o o ra d a p t a t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e mt op u l s e dm i g w e l d i n gi n v e r t e r , w h i c hh i n dt h eu s eo fp u l s e dm i gw e l d i n g d i g i t a lc o n t r o li sf l e x i b l ea n d h a sb e t t e rs t a b i l i t ya n dh i g h e rp r e c i s i o n , 硒b e c o m e st h ef o c u so fa c a d e m i c t h e r e f o r e ，t h i s p a p e rp r e s e n t sat h o r o u g hr e s e a r c ho nan o v e lc o n t r o ls y s t e mf o rp u l s e dm i gw e l d i n g i n v e r t e ra n dt h e i rc h a r a c t e ra n da p p l i c a t i o n ，t h a ti sd s pb a s e do nd i g i t a lc o n t r o ls y s t e ma n d t h e o r e t i c a la n a l y s i sf o rp u l s e dm i gw e l d i n gi n v e r t e r f i r s t l y , b a s e do nf i n a ls y s t e mg e n e r a lp l a n n i n g ，f u n c t i o na n da c t i o no fp u l s e dm i g w e l d i n gi n v e r t e r , g r o s ss t r u c t u r eo fd i g i t a lc o n t r o ls y s t e mf o rp u l s e dm i gw e l d i n gi n v e r t e ri s d e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h en e e do f c o n t r o ls y s t e mo fp u l s e dm i g w e l d i n gi ns p e e do fd r o p l e t t r a n s f e ra n dp r e c i s eo fw e l d i n gc u r r e n ta n da r cv o l t a g e ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fd i g i t a l c o n t r o ls y s t e mb a s e do nd s pi sd e s i g n e d ，i th a sb e e np r o v e dt h a tt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e a r ef e a s i b l ea n dp r a c t i c a l d i s t u r b a n c er e s i s t a n c eo ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei sa l s o d e s i g n e dv i ai n v e s t i g a t i n gd i s t u r b a n c es o u r c eo fw e l d i n gl o c a t i o n s e c o n d l y , t h ec o n s t a n tc u r r e n te x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i co fp e a kp h a s ea n db a s ep h a s ef o r p u l s e dm i gw e l d i n gi n v e r t e ri sr e a l i z e db yc u r r e n tf e e d b a c kc o n t r o l ，a n dac o m p u t e r a u t o t e s t i n gp l a t f o r mw a s s e tu pt os t u d yt h en o v e ld s pb a s e dp u l s e dm i g w e l d i n gi n v e r t e r t h i r d l y , i th a sb e e n d o n em a n ye n g i n e e rt e s t i n gf o rd i g i t a lc o n t r o ls y s t e mo f p u l s e dm i g w e l d i n gi n v e r t e rw h i c h i sb a s e do ne s t a b l i s h i n ge n g i n e e rt e s t i n gp l a t f o r m i no r d e rt oe n h a n c e t h ec o n t r o l l a b i l i t yo fd r o p l e tt r a n s f e r , w a v e f o r mo fm e d i a np h a s ec o n t r o lm e t h o di sp u t f o r w a r d ，i th a sb e e nf o u n dt h ee f f e c to fm e d i a nc u r r e n ta n dv o l t a g eo nw e l d i n gp r o c e s s k e yw o r d s ：p u l s e dm i gw e l d i n gi n v e r t e r ；d s pd i g i t a lc o n t r o l ；d r o p l e tt r a n s f e r ；w a v e f o r mo f m i d - m e d i a np h a s ec o n t r o l i i 目录 摘罢暮i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 本论文的研究背景及意义1 1 2 脉冲m i g 焊概述l 1 2 1 脉冲m i g 焊的工艺特点2 1 2 2 脉冲m i g 焊的工艺参数3 1 2 3 脉冲m i g 焊的熔滴过渡形式4 1 3 脉冲m i g 焊数字化控制现状及存在的问题5 1 3 1 控制方法5 1 3 2 控制算法。6 1 3 3 目前脉冲m i g 焊控制存在的主要问题一1 3 1 4 本论文的主要研究内容1 3 第二章脉冲m i g 焊数字化控制系统的硬件设计15 2 1 控制系统总体方案设计15 2 1 1 逆变电源主电路设计 2 1 2 电源外特性的选择 2 1 3 送丝系统的设计一 2 2 控制系统总体结构设计 2 3 控制系统硬件设计 2 3 1d s p 控制板的设计 2 3 2d s p 控制系统外围电路设计 2 3 3 硬件抗干扰设计 2 4 本章小节 第三章脉冲m i g 焊数字化控制系统的软件设计 3 1d s p 软件集成开发步骤 i i i 3 2 控制系统对软件设计的要求4 0 3 3 控制系统的软件设计4 l 3 3 1 主程序设计4 l 3 3 2 系统初始化程序设计4 3 3 3 3 中断服务程序设计4 3 3 3 4p i 控制算法设计4 4 3 4 软件抗干扰设计4 7 3 5 本章小节4 8 第四章脉冲m i g 焊逆变电源的调试及功率负载试验4 9 4 1 测试平台的组成4 9 4 2p w m 波形及驱动信号测试5 l 4 3 逆变电源性能测试5 2 4 3 1 外特性测试5 2 4 3 2 动特性测试5 3 4 4 静态负载模拟试验5 5 4 5 本章小节5 6 第五章工艺试验研究5 7 5 1 试验平台的组成5 7 5 2 无中值工艺方法试验5 8 5 2 1 峰值电流对焊接过程的影响规律6 0 5 2 2 峰值时间对焊接过程的影响规律6 l 5 3 中中值工艺方法试验6 3 5 3 1 中值电流对焊接过程的影响规律6 4 5 3 2 中值时间对焊接过程的影响规律6 6 5 4 无中值工艺方法与中中值工艺方法对比试验6 8 5 4 1 试验条件7 0 5 4 2 试验结果及分析7 0 5 5 本章小节7 5 i v 结论7 7 参考文献 攻读硕士学位期间发表论文 致谢 v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本论文的研究背景及意义 基于d s p 的脉冲m i g 焊逆变电源数字化控制系统的研究，突出强调数字化控制系 统，为发展逆变技术提供了新线索、新视角，拓展和深化了电力电子学的研究内容。将 数字化控制技术引入脉冲m i g 焊逆变电源领域，克服它内在的局限性；通过应用和研 究先进的智能控制技术，为逆变技术的研究注入新鲜的血液。本项目的研究，可以为数 字化控制的逆变电源的研制提供系统的理论基础并将在推动电力电子技术、自动控制技 术、机电一体化技术、脉冲m i g 焊工艺、d s p 应用技术等学科交叉，促进学科发展等 方面产生深远的影响；同时为其它领域逆变技术的应用提供理论参考。因此，本论文的 工作具有显著的理论意义。 脉冲m i g 焊是一种焊接质量比较高的熔化焊方法，由于其突出的优点使其在焊接 质量和焊接精度要求比较高的场合得到广泛的应用，而且随着电源和工艺方法的不断改 进，其应用程度还会得到持续的提高。发展和应用基于d s p 的脉冲m i g 焊逆变电源数 字控制系统，有望全面、经济、有效地解决脉冲m i g 焊逆变电源的难题，进一步实现 脉冲m i g 焊逆变电源的精确化、高频化和高效化。如果研究和开发成功技术先进、性 能可靠、工程实用的数字化控制的脉冲m i g 焊逆变电源，必将促进逆变技术发展、推 广和应用，产生明显的经济效益和社会效益。而且，本课题的研究，对于应用在电子信 息、军事装备、交通运输、机电工程等领域的新型逆变电源的数字化控制系统的研究和 开发有着重要的参考、借鉴作用。所以本论文具有重大的实际价值。 1 2 脉冲m i g 焊概述 脉冲m i g 焊也称为g m a w - p 焊( p u l s e dg a sm e t a la r cw e l d i n g ) ，与熔化极直流氩弧 焊的主要区别在于，焊接过程中采用脉动直流取代连续导电的恒定直流。在脉冲m i g 焊时，脉冲电流的导通及熔滴过渡是间歇进行，而且是可控的。当脉冲电流导通时，其 峰值电流应大于产生喷射过渡的临界电流值。此时电弧形态相似于熔滴喷射过渡的电弧 形态，对焊丝和焊件进行强烈的加热，促使熔滴过渡与熔池形成。在脉冲电流间歇期间， 电弧电流是基值电流，其主要作用是维持电弧稳定燃烧，并对焊丝进行预热。 华南理i ：人学硕 ：学位论文 1 2 1 脉冲m i g 焊的工艺特点 通常情况下的m i g 焊多以喷射过渡为主要的熔滴过渡形式，焊接电流必须大于喷 射过渡临界电流值，才能实现稳定焊接。如果焊接电流小于喷射过渡临界电流，只能出 现大滴过渡或短路过渡。大滴过渡的过程稳定性差，不能进行仰焊、立焊等空间位置焊 缝的焊接，而短路过渡也有规范区间窄问题，应用较少。为了对薄板、空间位置焊缝及 热敏感性材料进行有效的焊接，发展了脉冲m i g 焊，利用周期性变化的脉冲电流进行 焊接，其主要目的是控制熔滴过渡和焊接热输入。其主要的工艺特点如下【i j ： 1 脉冲m i g 焊扩大了电流的使用范围 对于一定直径的焊丝，普通m i g 焊接，无论是采用喷射过渡，还是采用短路过渡， 所使用的电流都是有限制的。而脉冲m i g 焊通过脉冲参数配合，可以在较大范围内选 择脉冲电流，同时可以在较小的电流( 平 均电流小于连续电流焊接时的临界电流) 下实现稳定的喷射过渡，只要保证脉冲电 流高于临界脉冲电流即可。这样既可以焊 接厚板，也可以焊接薄板，而焊接薄板时 母材熔透情况比短路过渡焊接好，且生产 率高和焊接变形情况都比t i g 焊好。 更有意义的是可以使用较粗的焊丝 来焊接薄板，这给焊接工艺带来很大方 便。首先粗丝送丝相对更为容易，对软质 焊丝( 铝、铜等) 最为有利。其次，粗丝的 挺直性好，焊丝指向不易偏摆，容易保持 在焊缝中心线上。此外，粗丝的售价比细 丝低，可降低焊接成本，并且比表面积小， 斌 脚 耧 驶 2 0 0 1 0 0 焊丝直径m m 图卜lm a g 焊焊丝直径与使h ；i 电流范围 f i g 1 一lw e l d i n gw i r ed i a m e t e ra n dc u r r e n tr a n g e f o rp u l s e dm i g w e l d i n g 可使产生气孔的倾向性降低。如图1 1 示给出脉冲m i g 与普通m i g 焊可使用的电流范 围的差异。 2 可控制熔滴的过渡和熔池尺寸，有利于全位置焊接 采用脉冲电流，就可用较小的平均电流焊接，因而母材的热输入量低，熔池体积小， 而且由于熔滴过渡和熔池金属的加热是问歇的，所以熔池金属不易流淌。此外，因为熔 滴的过渡力与电流的平方成j 下比，在脉冲电流作用下，熔滴的过渡力强，轴向性比较好， 2 第一章绪论 不论是仰焊或立焊都能迫使金属熔滴沿电弧轴线向熔池过渡，焊缝成形好，飞溅损失小。 因此，进行全位黄焊接时，在控制焊缝成形方面脉冲氩弧焊比普通氩弧焊有利。 3 可有效地控制热输入量，改善接头性能 对于热敏感性比较大的材料，通过平均电流调节对母材热输入量或焊接线能量，使 焊缝金属和热影响区的过热现象降低，从而使焊接接头具有良好的品质，裂纹倾向性降 华南理t 大学硕+ 学位沦文 情况下，采用脉冲m i g 焊的主要目的是控制熔滴过渡，通过脉冲叠加，可以使弧力增 加而增大熔深。如图1 3 所示，平均电流一定，改变峰值电流时母材熔深的变化情况； ( 3 ) 平均电流厶：脉冲m i g 焊的一个主要特征就是在平均电流低于临界电流下可以 实现熔滴喷射过渡。而平均电流是决定对母材热输入量的重要指标，应根据焊件厚度、 焊缝空间位置、焊接材质等进行选取； ( 4 ) 脉冲频率厂和占空比万：在等速送丝情况下，一般希望熔滴过渡以3 0 一1 0 0 滴 秒比较合适，过渡频率过高需要很高的脉冲电流配合，工艺上没有必要：过渡频率过低， 由于规范区间窄，熔滴过渡的规律性受影响。一般典型的选择：5 0 h z 用于焊钢，1 0 0 h z 用于焊铝。 1 2 3 脉冲m i g 焊的熔滴过渡形式 图1 4 示出脉冲m i g 焊熔滴过渡形态。由于基值电流厶小于临界电流，在基值期 间只产生焊丝前端的加热熔化，而不产生熔滴 的脱落，但峰值电流厶大于临界电流，电磁约 束力增大，可使熔滴产生强制过渡。 脉冲m i g 焊不同的熔滴过渡形式，熔滴 的过渡行为有较大的差别，对焊接过程稳定性 和焊缝成形都有较大的影响。熔滴过渡时熔滴 对熔池的冲量是造成不同焊缝形状的主要原 图卜4 脉冲m i g 焊熔滴过渡示意图 因。 f i g 1 - 4s k e c h 。fd r o p l e tt r a n s i t i 。nf o r 根据脉冲电流参数数值的不同，熔滴过渡p u l s e d m i gw e l d i n g 将产生如下三种过渡形式【3 4 ，5 1 ： ( 1 ) 多脉一滴 该现象是经过多个脉冲的作用才过渡一个熔滴。条件是脉冲峰值电流厶或者脉冲持 续时间昂很小，其中易值有可能低于喷射过渡临界电流值。 ( 2 ) 一脉一滴 该现象是在一个脉冲周期只过渡一个熔滴。条件是脉冲峰值电流厶或者脉冲持续时 间乃大于上一种情况。 在脉冲电流期间产生第一个熔滴过渡以后，脉冲电流马上结束，随后等待下一个脉 冲的到来。有的情况下，在脉冲作用期间熔滴尚未脱落，当脉冲结束时，受自身重力和 4 第一章绪 论 惯性力作用，熔滴脱落过渡到熔池。熔滴可以在脉冲后期过渡，也可以在脉冲下降沿过 渡，但每个脉冲只对应过渡一个熔滴。 ( 3 ) 一脉多滴 该现象是在一个脉冲期间，过渡一个以上的熔滴。条件是脉冲峰值电流厶较大或者 脉冲持续时间乃较长。 其中一脉一滴是所有过渡形式中最理想的一种，在实际应用中，多个脉冲过渡一滴， 焊接电弧不稳定、飞溅大，而一个脉冲多滴过渡，由于过渡频率高，熔滴控制起来比较 困难。 目前，一脉一滴公式大多数都是通过试验来建立的。a m i n 文献6 】建立了峰值电流 易和峰值时间昂之间的幂的关系矿易= c ，用来表明一脉一滴的区域仰和c 都是测定的 试验常数) ；j a c o n b s e n 文献7 】建立了最小熔滴过渡时间加和峰值电流易之间的关系； a l l u m 文献8 】对直径为1 2 m m 的铝焊丝建立了峰值电流易和峰值时间昂之间的幂关系。 1 3 脉冲m i g 焊数字化控制现状及存在的问题 1 3 1 控制方法 国内外大批学者都曾对脉冲m i g 焊进行大量的研究，提出了许多行之有效的控制 方法。 1 协同控制法【9 】 协同控制法即s y n e r g i c 控制法是英国焊接研究所发明的一种脉冲m i g 焊电弧控制 方法，是目前已发展的脉冲m i g 焊控制系统中应用最为广泛的一种方法。它解决了众 多参数调节的不便，实现了脉冲m i g 焊的单旋钮一元化控制。其原理为：给定送丝速 度，而脉冲参数将自动协调，使焊丝熔化速度自动与送丝速度相协调而保持弧长的稳定。 其优点是随着送丝速度的变化，脉冲频率( 或脉冲宽度) 发生相应的变化，但该控制方法 对由于送丝速度以外的因素引起的弧长扰动没有调节作用，因此它对弧长的扰动而言是 开环控制。 2 弧长闭环控制法 其基本原理是利用弧长信号闭环反馈控制脉冲参数【l o 】。文献 1 l 】中提出一种弧长闭 环脉冲m i g 焊控制方法，该方法通过采样每一周期中脉冲的某个特定对应点的电弧电 压作为弧长信号闭环反馈，调整脉冲参数( 基值时间瓦) 实现对脉冲m i g 焊的控制。 5 华南理。i ：人学硕十学位论文 3 综合控制法 该方法综合了s y n e r g i c 控制法和自适应闭环控制法的优点。电压和送丝速度的反馈 信号均用于控制脉冲频率，而峰值电流和峰值时间的单元能量恒定，以期得到一脉一滴 的熔滴过渡。该方法弧长控制性好，焊接质量高，只要保证峰值电流和峰值时间满足一 定的匹配关系就能实现脉一滴。文献【1 2 】中提取送丝速度信号和脉冲峰值电压研制自 适应s y n e r g i c 控制系统，该控制系统不但保持s y n e r g i c 控制系统的优点，而且对于非送 丝速度引起的弧长干扰有较强的自适应能力。 4 门限控制法【1 3 , 1 4 】 脉冲m i g 焊门限控制法是通过设立电弧电压的门限值来实现其控制。清华大学的 q h a r c 法就属此类。原理如下：当焊丝的熔化和焊丝的送进使电弧工作点移动时，电 弧电压也随之变化，当电弧电压达到设置的上、下门限时，控制系统迫使电流发生突变， 使电弧电压不超过所设立的上、下门限，在门限内则按闭环控制处理，从而使弧长得到 控制。 1 3 2 控制算法 智能控制技术经过2 0 多年的发展，已经走向成熟。正是有了高性能的d s p ，才使 得模糊控制、重复控制、无差拍控制、及其它一些先进的控制思想应用到逆变电源的控 制系统之中成为了可能。但传统的经典控制也有其概念清晰、控制简单等优点。 1 模糊控制【1 5 , 1 6 ( f u z z yc o n t r 0 1 ) 复杂的电力电子装置是一个多变量、非线性、时变的系统，系统的复杂性和模型的 精确性总是存在着矛盾，而模糊控制能够在准确和简明之间取得平衡，有效的对复杂事 物做出判断和处理。图1 5 为最基本的模糊控制系统结构。 模糊控制器 图1 - 5 模糊控制系统结构框图 f i g 1 - 5f l o wc h a r to ff u z z yc o n t r o ls y s t e m 6 第章绪论 模糊控制器的输入量是系统偏差p ，它是确定数值的清晰量。通过模糊化处理，用 模糊语言变量e 来描述偏差。模糊推理输出u 是模糊变量。在系统中要实施控制时模 糊量u 还要转化为清晰量，因此要进行清晰化处理，得到可操作的确定值“，这就是模 糊控制器的输出值。通过”的调整控制作用，使偏差g 尽量减少。 针对于高性能的逆变电源设计，模糊控制器有着以下优点： ( 1 ) 模糊控制器的设计过程中不需要被控系统精确数学模型，模糊控制器有着较 强的鲁棒性和自适应性； ( 2 ) 查找模糊控制表只需要占用处理器的很少时间，因而可以采用较高的采样率 来补偿模糊规则和实际经验的偏差。 模糊控制从模仿人的思维外特性入手，模仿人的模糊信息处理能力。理论上己经证 明：模糊控制可以任意精度逼近任何非线性函数，但受到当前技术水平的限制，模糊变 量的分档和模糊规则数都受到一定的限制，隶属函数的确定还没有统一的理论指导，带 有一定的人为因素，因此模糊控制的精度有待于进一步提高。 2 人工神经网络控制1 7 , 1 s ( a r t i f i c i a ln e u r on e t w o r kc o n t r o l l 人工神经网络控制是基于模仿生物大脑的结构和功能而构成的一种信息处理系统， ：。 它是由简单的计算处理单元通过采用某种网络拓扑结构而构成的功能强大的活性网络。 图1 - 6 为一种神经网络控制器框图。 图1 - 6 人工神经网络控制器 f i g 1 - - 6a r t i f i c i a ln c u r on e t w o r kc o n t r o l l e r 系统采用了三层神经网络结构，神经网络的输入是当前滤波电容电流及前次采样 值、输出电压、输出负载电流及当前跟踪误差，神经网络的输出与参考给定结合，构成 7 华南理r 丁大学硕十学何论文 逆变器的控制输入。 人工神经网络控制具有很强的适应复杂环境和多目标控制要求的自学习能力，并具 有以任意精度逼近任意非线性连续函数的特征。可采用并行分布式信息处理，具有很强 的容错性；可实现在线和离线计算，使之满足某种控制要求，且灵活性大。 由于当前的智能化水平还不够高，许多应用方面的要求还不能得到很好的满足，网 络分析与综合的一些理论性问题，诸如网络的稳定性问题、网络的收敛性问题、网络的 结构综合问题等，还没得到很好的解决。目前，在神经网络结构的选取、学习方法等方 面也己经有了一些成果，但由于神经网络的实现技术没有突破，还没有成功地应用于逆 变电源的控制之中。 3 重复控制【1 9 ，2 0 ( r e p e t i t i v ec o n t r 0 1 ) 重复控制最早是用于重复性机械运动机构的控制，近年来许多学者也开始把它用在 逆变电源中。重复控制的基本思想源于控制理论的内模原理，内模原理是把作用于系统 的外部信号的动力学模型植入控制器以构成高精度反馈控制系统的一种设计原理。若要 求一个反馈控制系统具有良好的跟踪指令以及抵消扰动影响的能力，并且这种对误差的 调节过程是结构稳定的，则在反馈控制环路内部必须包含一个描述外部输入信号动力学 特性的数学模型。根据此原理可以将系统需要跟踪的任意周期性参考信号植入控制器内 部，从而构成高精度反馈控制，达到稳态误差为零，实现对参考信号的高品质稳态跟踪。 逆变电源的重复控制主要是为了克服整流型负载引起的输出波形周期性的畸变。它的基 本原理是通过对本输出周期各采样点上输出电压误差的检测，计算出一个补偿量，在下 一个波形周期中叠加在给定信号上，形成一个新的控制量，从而有效减小输出电压的波 形畸变。系统结构框图见图1 7 。 d k 一鼢人入 - 苍7 k矿y c ( z )g ( z ) 叫万一卜 图1 - 7 重复控制系统结构框图 f i g 1 - 7f l o wc h a r to fr e p e t i t i v ec o n t r o ls y s t e m 8 第一章绪论 如上图，虚线框内为重复控制器，为周期延时环节，g 御为控制对象模型，d 为 负载扰动。重复控制虽然可以保证输出波形质量，但却有一个致命的弱点。由于延迟因 子的存在，重复控制得到的控制指令并不是立即输出，而是滞后一个参考周期后才 输出。这样，如果系统内部出现干扰，消除干扰对输出的影响至少要一个参考周期。干 扰出现后的个参考周期内，系统对干扰并不产生任何调节作用，这一个周期系统近乎 处于开环控制状态，因此重复控制系统的动态响应特性很差。重复控制一般其它p w m 控制方式相结合，用来改善输出电压波形。 4 无差拍控制【21 , 2 2 ( d e a d b e a tc o n t r 0 1 ) 状态变量的无差拍控制在8 0 年代中期开始应用于逆变电源的研究。它是在控制对 象离散数学模型的基础上，通过精确计算控制量而在下一个周期内修j 下输出误差。无差 拍控制的基本思想是将输出正弦参考波等间隔地划分为若干个采样周期。根据电路在每 个采样周期的起始值，用电路理论预测在关于采样周期中心对称的脉冲作用下，在采样 周期末，负载应输出的值。这个输出值的大小，与方波脉冲的极性与宽度有关，适当控 制就能使负载上的输出在采样周期的末尾与参考波形相重合。 图1 8 为单相全桥式电压型逆变器的电路拓朴结构。 图卜8 单相全桥电压型逆变器 f i g 1 8t h es i n g l e - p h a s ea n df u l l - b r i d g ev o l t a g ei n v e r t e r 假设取输出滤波电容电压和电容电流f c 为状态变量，则得状态方程为： i c l a 2 i a n j 刚m 吃 - 【c l c 蚓 9 一扣 华南理 ：人学硕t ：学位论文 u a b 是逆变器的输出的方波脉冲序列。每一方波位于取样周期中心，可以是单极 性也可以是双极性。在这儿取单极性，如图1 - 9 所示。 图卜9 无差拍控制调制脉冲波形 f i g 1 9m o d u l a t ep u l s e dw a v e f o r r nb yd e a d b e a tc o n t r o l 采用状态空间法将上式离散化，根据求得的状态方程，求得： 匕 【 搿 + 兰k ( 七) ( 1 - 2 ) 乇( 后) j 式1 2 取第一行，可得： ( 尼+ 1 ) = z l ( 七) + z 2 f c ( 露) + g i a r ( k ) ( 1 - 3 ) 式中： 嘣蛉第k 个采样周期起始时刻输出滤波电容上的电压 v c ( k + 1 卜一第k + 1 个采样周期起始时刻输出滤波电容上的电压 z lt ( 玲一方波脉冲宽度 无差拍控制是根据逆变电源系统的状态方程和输出反馈信号来计算逆变器的下一 个采样周期的脉冲宽度。即如己知u d ，v c ( k ) ，i c ( k ) ，那么适当选择彳及助，就可使v c ( k + 1 ) 等于输出参考波形在该时刻的值。对每一采样周期用该式对逆变桥输出方波电压脉冲的 宽度进行调节，即可在负载上获得失真小的正弦电压。 f 1 3 ( 1 3 ) 可得： a t ( k ) = _ ! 【- 眵名( j | + 1 ) 一z 。( 七) 一z ：f c ( 七) 】 ( 1 4 ) 1 0 = = d ， d + “ + 舭似 舭 “ 圪 第一章绪论 理论上讲任何扰动或非线性负载引起的输出相对于基准的偏差，都可以在一个采样 周期内得以校正。但它要求的模型必须十分精确。且能适应直流电源的变动，降低逆变 器对直流电源供电质量的要求；无差拍控制输出波形的畸变率小，即使开关频率不是很 高，也能够得到较好的输出波形品质：它通过调节逆变桥的输出相位来补偿l c 滤波器的 相位延时，能够使得输出电压的相位与负载关系不大。无差拍控制的自身缺点也十分明 显：系统的鲁棒性不强，当负载变化，非线性负载或者温度、运行条件等原因出现参数 波动，都容易造成系统的不稳定或者输出性能恶化；系统的误差与调制比输出的l c 等 有关：瞬态超调量较大。在它的控制算法中，把负载也作为一个输入参数，因此对参数变 化非常敏感，且实现复杂。 5 滞坏控制团2 4 2 5 ( h y s t e r e s i sc o n t r 0 1 ) 滞环控制的基本工作原理是，检测滤波电感电流屯，产生电流反馈信号咖审与给定 电流客相比较，根据两个电流瞬时值之差来决定单相逆变桥的瞬时输出状态。如1 分驴 i 铂( j i l 为电流滞环宽度) 瞬时输出为o ；( p 谚蝴，瞬时输出咽e 为逆变器的输入直流电 压) ；( t 谚铂，瞬时输出坷。两个d 触发器使s ，峨的开关状态变化只能发生在周期性脉 冲信号c l k 频率劲的上升沿，也就是说开关点在时间轴上是离散的，且最高开关频率 为 与s p w m 控制技术相比，基于滞环控制技术的逆变器的控制电路比较简单，但是， 滞环控制技术却存在以下缺点：开关频率不固定，输出电压的谐波频谱较宽，低次谐波 含量比较大，因此，滤波器的谐振频率比较低，滤波器的体积比较大，同时逆变器工作 时会产生比较大的噪音干扰。 s p w m 控制技术则与之恰恰相反，它的开关频率固定，输出电压只含有固定频率的 高次谐波，滤波器设计简单，并且谐振频率高，体积小，工作不会产生噪音干扰。 6 状态反馈控制【2 6 ，2 7 ，2 8 2 9 ( s t a t ef e e d b a c kc o n t r 0 1 ) 采用状态反馈可以任意配置闭环系统的极点，从而改善系统的动态特性和稳定性。 状态反馈控制逆变器对输出波形的要求包括两个方面：输出电压准确跟踪参考正弦信 号，波形畸变率低。系统负载突变时动态响应速度快，输出电压波动小。 状态反馈系数的确定大致有两种方法：根据系统要求给出期望闭环极点，推算状 态反馈增益矩阵。应用最优控制原理，使系统的阶跃响应接近理想输出，据此确定状 态反馈增益。图1 1 0 是根据方法1 确定的。 华南理j r 大学硕十学位论文 图i - 1 0 状态反馈极点配置法控制结构框图 f i g 1 - 1 0 t h e f l o w c h a r t o f f e e d b a c k c o n t r o l b y p o l ec o l l o c a t i o n 设逆变器原有的离散方程为： ix ( k + 1 ) = a x ( k ) + b y ( k ) ly ( 后+ 1 ) = c x ( k ) ( 1 - 5 ) 则经状态反馈后，得： v ( k ) = 一x x ( k ) ( 1 6 ) 其中，铲正弦参考电压；k _ 反馈增益矩阵k = k l k 2 】 由此得闭环控制系统的状态方程： x ( k + 1 ) = ( a b k ) x ( k ) + b 杉订 ( 1 7 ) 7 p i d 控$ 1 j ( p r o p o r t i o n a li n t e g r a ld e r i v a t i v ec o n t r 0 1 ) p i d l 3 0 3 1 1 控制以其简单、参数易于整定、发展成熟之特点，广泛应用于工程实践中， 早期的逆变电源的控制，多为模拟p i d 控制，并且有较可靠的输出效果。经实践证明采 用输出电压瞬时值反馈以及加上电压有效值反馈，并利用模拟p i d 调节器进行调节，可 以有较好的稳态输出。但有非线性负载时或负载突变时，还有改善其动态输出效果的余 地。正因如此，许多技术研究人员对此进行大量的研究，把输出电感电流或输出滤波电 容电流的瞬时值引入了控制系统，使得系统的综合性能得到了提高。然而，这样会增加 模拟控制电路的规模，也使相应的可靠性下降。然而数字化的控制策略恰恰可以取长补 短，既可以做到提高整个控制系统的性能，又不增加任何硬件花销，增加的只是微处理 器的软件部分。 在通常中小型逆变电源系统中，开关频率一般在2 0 k h z 左右，因此就需要在通常 要求反馈速度较高的内环有足够高的处理速度，相应的所采用的控制方式不应过于复 杂。p i d 控制恰恰可以满足这样的要求，它能够在较短的处理时间内完成控制算法，并 1 2 第一章绪论 可以根据具体情况选择合适的控制参数，以采取合适的过渡时间、消除静差、抑制偏差 变化率等。数字p i d 仍将是逆变电源控制系统中最具生命力的控制方式。 1 3 3 目前脉冲m i g 焊控制存在的主要问题 1 智能控制理论与技术还不成熟与完善，多工艺参数的调节与匹配比较麻烦、费 时，有待进一步的发展； 2 双丝或多丝脉冲m i g 焊虽然是一种高效率的焊接方法，但国内关于其理论的研 究尚处于空白； 3 焊接质量智能控制方面，对熔滴过渡的物理过程检测控制所需的设备比较复杂， 在实际中应用起来比较困难； 4 基于d s p 的脉冲m i g 焊，d s p 所接收的反馈信号是模拟量，而且要通过模拟量 变换器获得，而一般模拟量变换器的精度和稳定性都是相对较低的。 1 4 本论文的主要研究内容 通过以上对脉冲m i g 焊控制机理及其工艺的研究现状分析，以下三个方面问题需 要深入研究： 1 脉冲m i g 焊逆变电源的数字化控制； 2 脉冲m i g 焊熔滴过渡过程的可控性； 3 在保证一脉一滴的熔滴过渡方式下，找出更理想的工艺方法。 国内外在弧焊逆变电源的数字化控制的研究工作处于起步阶段，相关的一些研究工 作有待进一步深化和拓展。 针对这种现状，在黄石生教授主持的国家自然科学基金项目( 5 0 5 7 5 0 7 4 ) 资助下，提 出了本研究课题。 本论文主要研究的内容如下： 1 在分析t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 芯片功能的基础上，根据脉冲m i g 焊逆变电源控 制系统的要求，设计基于d s p 的脉冲m i g 焊逆变电源数字化控制系统的硬件和软件： 2 以d s p 开发板为基础，设计一套适用于脉冲m i g 焊专用的电路板； 3 建立了满足脉冲m i g 焊逆变电源的测试平台和分析系统，对研制的基于d s p 的 脉冲m i g 焊控制系统进行性能测试和分析； 4 针对一般脉冲焊设计了中中值波形控制的新工艺方法，在研究一般脉冲焊峰值时 间和峰值电流对焊接过程的影响规律基础上，进一步研究了新工艺方法中中值电流和中 1 3 华南理j ：人学硕t ：学位论文 值时间对焊接过程的影响规律，此外通过对焊接接头进行宏观分析和微观组织分析进一 步比较两种焊接方法的优缺点。 1 4 第二章脉冲m i g 焊数字化控制系统的硬件设计 第二章脉冲m i g 焊数字化控制系统的硬件设计 控制系统的设计一般可以分为以下几个步骤【3 2 】：系统控制方案设计、微型计算机选 择、硬件设计、软件设计、控制算法设计、抗干扰设计。本章结合控制系统设计的步骤， 根据脉冲m i g 焊逆变电源控制系统的要求讨论了控制系统的总体方案和控制系统的总 体结构，然后以此为基础，从d s p 控制板设计、d s p 控制系统外围电路设计及硬件电 路抗干扰设计三方面具体介绍了数字控制系统的硬件设计。 2 1 控制系统总体方案设计 2 1 1 逆变电源主电路设计 2 1 1 1 逆变电源的控制模式 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。 它的输入与输出的关系为： u 。：g 一e 舯 g 2 彘川 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 式中，为电源输出电压：e 为逆变器输入直流电压；f 为高频变压器变比；g 为 占空比；t o n 为逆变器功率开关管导通时间；砀为逆变器功率开关管关断时间。 由于e ，l 为固定值，改变占空比g 的大小就可以调节电源输出的电压值。根据占空 比的公式(