（材料加工工程专业论文）基于dsp的软开关逆变点焊电源的智能控制系统.pdf

摘要 摘要 逆变电源技术在电阻点焊领域的成功应用，为点焊设备的精密化、智能化 提供了 广阔的开发和应用前景。 目 前， 以工 g b t 为开关器件的逆变主电 路技术己 经开发成熟，以新一代数字信号处理器 t d s p ) 为主控单元所构建的硬件和软件 控制系统，正在取代现有的单片机控制技术。本课题正是在这一背景下， 提出 并完成了软开关逆变点焊电源智能控制系统的设计与开发。 本文首先从硬件设计的角度，构建了 基于 d s p的基本系统，设计并搭建了 外围电路， 包括指令输入电路、 采样输入电路、 脉宽调制 ( p w m ) 输出电路、 显 示输出电路、 以及保护电路。 软件设计首先完成了p w m 信号的输出与时序控制， 并设计了 键盘输入功能模块、 l e 。 显示功能模块、电 流电压信号采样功能 模块， 以及模糊神经算法自学习软件功能模块。推导了点焊逆变过程正、逆模型， 将 模糊集合理论与人工神经网络结合， 建立了 恒流输出 控制系统的网络结构。利 用b p 算法， 采用先正弦函数输入后恒定 输入的分段方法对模糊神经网络进行训 练，实现了 在线调整隶属函数参数， 使控制系统具有感知和 抑制外来干扰和过 程变化的能力。 利用m a t l a b 软件， 对整个系统进行了 仿真控制。结果表明. 模糊神经网络 较好地实现了点焊恒流控制。在占空比为 0 . 5 ，网压波动士 2 0 % 时，纠偏过程不 超过5 个逆变周期， 系统响应时间较快; 电流控制误差不超过2 % ， 稳态精度高。 系统可以按需要设定时变参考输入值， 从而能够很好地实现电流的缓升、 缓降 控制。 比例因子k e , k e c , k d u 选取， 需要从响应速率和稳态性能等多方面协调 考虑。在抑制超调和振荡的前提下，尽可能提高系统的响应速率。 关键词:逆变点焊;软开关;d s p ; 模糊神经网络;仿真 两北工业大学工学硕士论文 a b s t r a c t t h e s u c c e s s f u l a p p l i c a t i o n o f p o w e r i n v e rt e r t e c h n o lo g y i n r e s i s t a n c e s p o t w e l d i n g l e a d s t o a m o r e p r o m i s i n g f u t u r e f o r d e v e l o p i n g o f s p o t w e l d e r s in p r e c i s i o n a n d i n t e l l i g e n t . a t p r e s e n t , t h e m a i n c i r c u i t b y u s i n g i g b t s w i t c h t e c h n i q u e h a s d e v e l o p e d p e r f e c t l y . b e i n g a n e w g e n e r a t i o n o f m i c r o p r o c e s s o r i n c o n t r o l s y s t e m , d s p ( d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r ) i s b e in g s e l e c t e d t o r e p la c e e x i s t i n g s c m ( s i n g l e c h i p mi c y o c o ) t e c h n i q u e . t h e s u b j e c t w a s p r o p o s e d f r o m t h i s b a c k g r o u n d , i n w h i c h t h e d e s i g n a n d d e v e l o p m e n t o f in t e l l i g e n t c o n t r o l s y s t e m s f o r s o f t s w i t c h i n v e rt e r o f s p o t w e l d i n g w e r e i m p l e m e n t e d . t h e h a r d w a r e s y s t e m w a s c o n s t r u c t e d b a s e d o n d s p s y s t e m w i t h p e r i p h e r a l c i r c u i t i n c l u d i n g c o m m a n d i n p u t c i r c u i t , s a m p l i n g c ir c u i t , p wm ( p u l s e - w i d t h m o d u l a t i o n ) o u t p u t c i r c u i t ， d i s p l a y c i r c u i t , a n d p r o t e c t i o n c i r c u i t . t h e s o f t w a r e d e s i g n i m p l e m e n t e d p w m o u t p u t a n d s e q u e n c e c o n t r o l m o d u l e , k e y b o a r d i n p u t m o d u l e , l e d d i s p l a y m o d u l e , c u r r e n t a n d v o l t a g e s a m p l i n g m o d u l e a n d f u z z y n e u r a l a l g o r i t h m s e l f s t u d y m o d u le . b a s e d o n o b v e r s e - a n d r e v e r s e - m o d e l s o f s p o t w e l d i n g i n v e rt i n g p r o c e s s , w h i c h w e r e d e r i v e d t h e o r e t i c a l l y , a n d c o m b i n a t i o n o f f u z z y s e t a n d a rt i f i c i a l n e u r a l n e t w o r k , t h e c o n t r o l s y s t e m o f c o n s t a n t c u r r e n t o u t p u t w e r e c o n s t r u c t e d . b y i n t e g r a t i n g s i n e - f u n c t i o n i n p u t a n d t h e n c o n s t a n t i n p u t i n s e g m e n t a t i o n i n t o b p a l g o r i t h m , t h e f u z z y n e u r a l n e t w o r k w a s t r a i n e d t o r e a l i z e p a r a m e t e r r e g u la t i o n o n l i n e o f t h e s u b j e c t i o n f u n c t i o n , w h i c h m a k e s t h e c o n t r o l s y s t e m p e r c e i v a b l e a n d c a p a b l e o f s u p p r e s s i n g t h e e x t e r n a l in t e r f e r e n c e . t h e e n t i r e s y s t e m c o n t r o l w a s s i m u l a t e d b y u s i n g m a t l a b c o d i n g e n v i r o n m e n t . t h e r e s u l t s h o w s t h a t t h e f u z z y n e u r a l n e t w o r k r e a l i z e s t h e c o n s t a n t c u r r e n t c o n t r o l w it h a c c u r a c y a n d q u i c k re s p o n d i n g . wh i l e t h e i n p u t v o lt a g e fl u c t u a t e s 1 2 0 % a n d t h e o c c u p a t i o n r a t i o e q u a l s 0 . 5 , t h e d e v i a t i o n c o r r e c t i n g t i m e i s l e s s t h an 5 i n v e rt i n g c y c le s s h o w in g q u i c k r e s p o n d i n g o f t h e s y s t e m , a n d t h e c o n t r o l e r r o r l e s s t h a n 2 % s h o w i n g a c c u r a c y i n s t e a d y s t a t e .t h e s y s t e m c a n a l s o i m p l e m e n t s t e a d y r i s i n g a n d d e s c e n d i n g c o n t r o l o f t h e c u r r e n t a c c o r d i n g t o t h e s e t t i n g s o f t i m e - d e p e n d v a r i a b l e s . i t i s n e c e s s a ry t o c o o r d i n a t e t h e a s p e c t s o # r e s p o n d i n g s p e e d an d s t a b i l it y i n s t e a d y s t a t e w h i l e s e l e c t i n g m u l t i p l i e r s k e , k e c a n d k d u , i n w h i c h o v e r - r e g u l a t i n g a n d s u r g i n g o f t h e s y s t e m s h o u l d b e a v o i d e d w h i l e h i g h r e s p o n d i n g s p e e d is i n p u r s u i t . k e y w o r d : s p o t w e ld in g in v e rt e r s o f t s w it c h ;d s p ;f u z z y n e u r a l n e tw o r k ;s i m u la t io n 1 1 第一章绪论 第一章绪论 1 . 1 研究背景与意义 电阻点焊技术作为焊接学科的一个分支，是各工业部门广泛应用的装配制 造方法。由于点焊在焊接过程中能量集中、变形小 接薄壁零件， 广泛的应用， 因此在航空、航天制造工程和汽车、 、生产率高，特别适宜于焊 电子等工业领域得到越来越 成为国民经济中不可缺少的一种制造工艺。 1 . 1 . 1点焊电源的发展 点焊的发展史，实际上就是点焊电 源的发展史。其发展经历了一个从简单 到复杂，从粗糙、低效率到高效和精密控制的完善发展过程。 目前在国内外应用面最广泛的点焊焊接电源仍然是单相工频点焊机，但从 能源的角度来看，单相工频点焊机是一种很不理想的电源。 首先，单相工频点焊机的功率因数很低，如d n 2 系列点焊机的额定功率因 数仅为0 .6 5 ，而如果焊机机臂伸出长度大于i o o o m m时， 其功率因数就下降至 0 . 3 0以下。 其次，由于其为单相供电。当功率较大的焊机焊接时，将对供电电网造成 很大的冲击，例如一台 1 o o k v a 、以 额定功率工作的单相工频电阻点焊机， 在 3 8 0 v电压供电的情况下， 其焊接瞬时的初级电流可达数百安培。 通常点 焊机的 焊接时间都很短，大约几个或几十个周波就可以形成一个焊点，故在焊接时将 会给电网造成很大的冲击， 造成瞬间三相不平衡， 对供电电网造成严重的污染。 再者，单相工频点焊机在焊接时存在着焊接电流每秒 1 0 0次过零的问 题， 将造成焊接加热过程的不连续。 因此， 一般不采用此类焊机进行铝、 钦等导 热、 导电率都很高金属材料的焊接。 针对单相工频点焊机存在的问题，人们一直在寻求一种高效而实用的点焊 焊接电源。从2 0 世纪4 0 年代起，人们在开发研制采用三相电源供电的焊接电 源方面进行了大量的工作， 先后研制出三相低频和次级整流等点焊机，这类新 型点焊机，对提高能源利用率，并降低焊机功率，以及改善三相不平衡度都是 第一章绪论 第一章绪论 1 . 1 研究背景与意义 电阻点焊技术作为焊接学科的一个分支，是各工业部门广泛应用的装配制 造方法。由于点焊在焊接过程中能量集中、变形小 接薄壁零件， 广泛的应用， 因此在航空、航天制造工程和汽车、 、生产率高，特别适宜于焊 电子等工业领域得到越来越 成为国民经济中不可缺少的一种制造工艺。 1 . 1 . 1点焊电源的发展 点焊的发展史，实际上就是点焊电 源的发展史。其发展经历了一个从简单 到复杂，从粗糙、低效率到高效和精密控制的完善发展过程。 目前在国内外应用面最广泛的点焊焊接电源仍然是单相工频点焊机，但从 能源的角度来看，单相工频点焊机是一种很不理想的电源。 首先，单相工频点焊机的功率因数很低，如d n 2 系列点焊机的额定功率因 数仅为0 .6 5 ，而如果焊机机臂伸出长度大于i o o o m m时， 其功率因数就下降至 0 . 3 0以下。 其次，由于其为单相供电。当功率较大的焊机焊接时，将对供电电网造成 很大的冲击，例如一台 1 o o k v a 、以 额定功率工作的单相工频电阻点焊机， 在 3 8 0 v电压供电的情况下， 其焊接瞬时的初级电流可达数百安培。 通常点 焊机的 焊接时间都很短，大约几个或几十个周波就可以形成一个焊点，故在焊接时将 会给电网造成很大的冲击， 造成瞬间三相不平衡， 对供电电网造成严重的污染。 再者，单相工频点焊机在焊接时存在着焊接电流每秒 1 0 0次过零的问 题， 将造成焊接加热过程的不连续。 因此， 一般不采用此类焊机进行铝、 钦等导 热、 导电率都很高金属材料的焊接。 针对单相工频点焊机存在的问题，人们一直在寻求一种高效而实用的点焊 焊接电源。从2 0 世纪4 0 年代起，人们在开发研制采用三相电源供电的焊接电 源方面进行了大量的工作， 先后研制出三相低频和次级整流等点焊机，这类新 型点焊机，对提高能源利用率，并降低焊机功率，以及改善三相不平衡度都是 西北工业大学工学硕 十 论文 有益的。次级整流焊机又可以分为单相次级整流和三相次级整流两种。单相次 级整流点焊机较之单相工频点焊机在节能和提高功率因数等方面有了长足的进 步，但是该类焊机还是不能解决单相供电而产生的对供电电网的冲击和污染。 采用三相次级整流电阻焊焊机虽然可以做到三相电源供电，并且可以大大减小 供电电源各相的线电流。但是由于采用了大功率次级整流二极管，又将带来新 的能量损耗。 一般来说， 用于次级整流的二极管有 1 .5 v左右的管压降。 在次级 输出电 压为5 v左右的小功率点焊机中， 将约有1 .5 v被用来克服由 于整流二极 管产生的压降，该损耗约占 整个输出能量的3 2 % 。因此，在小功率精密点焊 领域，采用次级整流的方法是不经济的。逆变点焊技术正好填补了这一空白。 l . 1 2逆变点焊技术研究的必要性 新材料、新技术的发展，推动了点焊技术向精密、高效和智能化发展。仪 器、 设备的精密化要求点焊的过程更加稳定、可靠，焊接输入能量必须能精密 控制，以获得质量可靠、 表面美观、 尺寸符合要求的焊点 1 。 与普通工频交流点焊机相比， 逆变式电阻点焊机由于高频带来一系列特点， 具有焊接变压器体积小、质量轻、动态响应速度快、控制精度高、焊接电流脉 动小、电网三相平衡、功率因数高等优点， 符合新材料、新技术发展对点焊提 出的新要求，所以逆变点焊技术的应用前景非常广阔。采用计算机智能控制的 逆变点焊技术，同时也符合我国先进制造技术精密化、智能化的发展方向。 1 . 2 1 . 2 . 1 逆变点焊电源技术及发展 逆变技术及其在点焊电源中的应用 将交流电变为直流电的过程称作“ 整流” ， 逆变则是整流的逆过程，即把直 流电变成交流电。在逆变的过程中， 通过对逆变器件的精确开通控制，可以 方 便地实现逆变频率、输出特性的调节，并进一步实现智能化自 适应控制。 逆变系统的核心就是逆变开关电路，或者叫逆变电路，通过电力电子开关 的导通与关断，完成逆变功能。 逆变点焊电源主电路形式主要有单端双管正激式、半桥式和四管全桥式， 西北工业大学工学硕 十 论文 有益的。次级整流焊机又可以分为单相次级整流和三相次级整流两种。单相次 级整流点焊机较之单相工频点焊机在节能和提高功率因数等方面有了长足的进 步，但是该类焊机还是不能解决单相供电而产生的对供电电网的冲击和污染。 采用三相次级整流电阻焊焊机虽然可以做到三相电源供电，并且可以大大减小 供电电源各相的线电流。但是由于采用了大功率次级整流二极管，又将带来新 的能量损耗。 一般来说， 用于次级整流的二极管有 1 .5 v左右的管压降。 在次级 输出电 压为5 v左右的小功率点焊机中， 将约有1 .5 v被用来克服由 于整流二极 管产生的压降，该损耗约占 整个输出能量的3 2 % 。因此，在小功率精密点焊 领域，采用次级整流的方法是不经济的。逆变点焊技术正好填补了这一空白。 l . 1 2逆变点焊技术研究的必要性 新材料、新技术的发展，推动了点焊技术向精密、高效和智能化发展。仪 器、 设备的精密化要求点焊的过程更加稳定、可靠，焊接输入能量必须能精密 控制，以获得质量可靠、 表面美观、 尺寸符合要求的焊点 1 。 与普通工频交流点焊机相比， 逆变式电阻点焊机由于高频带来一系列特点， 具有焊接变压器体积小、质量轻、动态响应速度快、控制精度高、焊接电流脉 动小、电网三相平衡、功率因数高等优点， 符合新材料、新技术发展对点焊提 出的新要求，所以逆变点焊技术的应用前景非常广阔。采用计算机智能控制的 逆变点焊技术，同时也符合我国先进制造技术精密化、智能化的发展方向。 1 . 2 1 . 2 . 1 逆变点焊电源技术及发展 逆变技术及其在点焊电源中的应用 将交流电变为直流电的过程称作“ 整流” ， 逆变则是整流的逆过程，即把直 流电变成交流电。在逆变的过程中， 通过对逆变器件的精确开通控制，可以 方 便地实现逆变频率、输出特性的调节，并进一步实现智能化自 适应控制。 逆变系统的核心就是逆变开关电路，或者叫逆变电路，通过电力电子开关 的导通与关断，完成逆变功能。 逆变点焊电源主电路形式主要有单端双管正激式、半桥式和四管全桥式， 西北工业大学工学硕 十 论文 有益的。次级整流焊机又可以分为单相次级整流和三相次级整流两种。单相次 级整流点焊机较之单相工频点焊机在节能和提高功率因数等方面有了长足的进 步，但是该类焊机还是不能解决单相供电而产生的对供电电网的冲击和污染。 采用三相次级整流电阻焊焊机虽然可以做到三相电源供电，并且可以大大减小 供电电源各相的线电流。但是由于采用了大功率次级整流二极管，又将带来新 的能量损耗。 一般来说， 用于次级整流的二极管有 1 .5 v左右的管压降。 在次级 输出电 压为5 v左右的小功率点焊机中， 将约有1 .5 v被用来克服由 于整流二极 管产生的压降，该损耗约占 整个输出能量的3 2 % 。因此，在小功率精密点焊 领域，采用次级整流的方法是不经济的。逆变点焊技术正好填补了这一空白。 l . 1 2逆变点焊技术研究的必要性 新材料、新技术的发展，推动了点焊技术向精密、高效和智能化发展。仪 器、 设备的精密化要求点焊的过程更加稳定、可靠，焊接输入能量必须能精密 控制，以获得质量可靠、 表面美观、 尺寸符合要求的焊点 1 。 与普通工频交流点焊机相比， 逆变式电阻点焊机由于高频带来一系列特点， 具有焊接变压器体积小、质量轻、动态响应速度快、控制精度高、焊接电流脉 动小、电网三相平衡、功率因数高等优点， 符合新材料、新技术发展对点焊提 出的新要求，所以逆变点焊技术的应用前景非常广阔。采用计算机智能控制的 逆变点焊技术，同时也符合我国先进制造技术精密化、智能化的发展方向。 1 . 2 1 . 2 . 1 逆变点焊电源技术及发展 逆变技术及其在点焊电源中的应用 将交流电变为直流电的过程称作“ 整流” ， 逆变则是整流的逆过程，即把直 流电变成交流电。在逆变的过程中， 通过对逆变器件的精确开通控制，可以 方 便地实现逆变频率、输出特性的调节，并进一步实现智能化自 适应控制。 逆变系统的核心就是逆变开关电路，或者叫逆变电路，通过电力电子开关 的导通与关断，完成逆变功能。 逆变点焊电源主电路形式主要有单端双管正激式、半桥式和四管全桥式， 第一章绪论 如 图1 一 1 所 示 a 1 单端双管正激式主电路适用于小功率电源。因为其控制电路简单， 不存在 直臂导通，没有因电路不对称而导致的高频变压器单向偏磁问题，也没有合闸 瞬间变压器饱和问题，工作过程中主控管所承受的管压降较小。但是由于其变 压器铁心利用率只有半桥和全桥的一半，所以一般用于小功率电源。 中等以上功率的逆变电源中， 大多采用四管全桥式。 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 后得到比较乎缓的直流电， 送至逆变主电路， 通过控制两组1 g b t的基极电平 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。 本 1 十 厂 呀下燕 !一 。 d i ( a )单端双管正激式( b ) 半桥式( c ) 全桥式 图 l 一1 逆变点焊电源主电路 f i g . ma i n c i r c u i t o f i n v e r t e r p o w e r 1 .2 .2逆变点焊电源的特点 逆变点焊电源主要有以下特点: t ) 大幅度提高频率， 使焊接变压器小型轻量化。 焊接变压器是点焊机的主 要结构部件，约占 整机重量的5 0 %- - 8 0 % 。由于变压器铁心截面与输入交流电 压的频率成反比关系，故提高频率可减小铁心截面积，并可大幅度减小变压器 的体积和重量。研究表明，逆变点焊机的变压器加上二次侧的整流器，其重量 为原来工频交流点焊机的1 1 3 一1 / 5 ， 而整个焊钳的重量则减轻了一倍左右。因 此，可将焊钳和变压器连同二次整流器一体化，用于点焊机器人。这种点焊机 器人所需的驱动功率和装配重量都比较小，从而使焊接循环周期缩短，装置寿 命延长。 应用这种逆变点焊机器人焊接复杂的饭金装配工件时， 因无二次电缆， 故一 个机器人可以 分别 使用2 - 3 把焊钳。 提高了 生产效 率， 工位面 积也 减小 13 1 2 ) 可进行高速精密控制。 传统的交流点焊机， 输入电源频率为5 0 -6 0 h z , 限制了响应速度，控制分解能力也低。而逆变点焊机，则由于逆变频率是工频 第一章绪论 如 图1 一 1 所 示 a 1 单端双管正激式主电路适用于小功率电源。因为其控制电路简单， 不存在 直臂导通，没有因电路不对称而导致的高频变压器单向偏磁问题，也没有合闸 瞬间变压器饱和问题，工作过程中主控管所承受的管压降较小。但是由于其变 压器铁心利用率只有半桥和全桥的一半，所以一般用于小功率电源。 中等以上功率的逆变电源中， 大多采用四管全桥式。 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 后得到比较乎缓的直流电， 送至逆变主电路， 通过控制两组1 g b t的基极电平 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。 本 1 十 厂 呀下燕 !一 。 d i ( a )单端双管正激式( b ) 半桥式( c ) 全桥式 图 l 一1 逆变点焊电源主电路 f i g . ma i n c i r c u i t o f i n v e r t e r p o w e r 1 .2 .2逆变点焊电源的特点 逆变点焊电源主要有以下特点: t ) 大幅度提高频率， 使焊接变压器小型轻量化。 焊接变压器是点焊机的主 要结构部件，约占 整机重量的5 0 %- - 8 0 % 。由于变压器铁心截面与输入交流电 压的频率成反比关系，故提高频率可减小铁心截面积，并可大幅度减小变压器 的体积和重量。研究表明，逆变点焊机的变压器加上二次侧的整流器，其重量 为原来工频交流点焊机的1 1 3 一1 / 5 ， 而整个焊钳的重量则减轻了一倍左右。因 此，可将焊钳和变压器连同二次整流器一体化，用于点焊机器人。这种点焊机 器人所需的驱动功率和装配重量都比较小，从而使焊接循环周期缩短，装置寿 命延长。 应用这种逆变点焊机器人焊接复杂的饭金装配工件时， 因无二次电缆， 故一 个机器人可以 分别 使用2 - 3 把焊钳。 提高了 生产效 率， 工位面 积也 减小 13 1 2 ) 可进行高速精密控制。 传统的交流点焊机， 输入电源频率为5 0 -6 0 h z , 限制了响应速度，控制分解能力也低。而逆变点焊机，则由于逆变频率是工频 两北工业大学工学硕1 : 论文 止竺竺巴巴巴二巴巴二巴竺竺竺巴巴 的数倍到数十倍，故整个反馈控制系统的响应速度和控制分解能力较工频点焊 机优越得多，从而有利于焊接质量的控制。此外，逆变整流方式可使焊接时间 不受工频波数的限制，使焊接时间控制更加精确。并可方便地实现更精密的焊 接电流幅度的控制14 9 1 3 ) 逆变点焊电源三相负载平衡、 功率因数高、 节能。 单相工频交流点焊机 过于三相电网，负载不平衡己是设备固有问题。而逆变直流点焊机本身为三相 平衡负载 ( 因整流电 路可使直流负载转换成三相电网 平衡负载) 。 此外， 逆变点 焊焊接电流为直流，故二次感抗很小，因此功率因数很高 14 “ ， 7 1 在焊接工艺方面，逆变点焊电源更具有以下优势: 1 ) 形成稳定熔核的电流范围 扩大。 因输出 直流焊接电 流， 热效率高。 又因 为直流没有电流尖峰，故不易产生飞溅，使得允许的电流上限很大。在焊接电 流有效值相同的条件下， 直流焊接时工件的动态电阻值比交流焊接时要大些， 故焊点发热量大， 熔核生长较快，使得允许的电流下限较小。即直流输出时形 成的稳定熔核的电流范围宽广阵“ 1 。 2 ) 电极寿命长。 直流焊接时因无电 流尖峰冲击烧损， 有利于电极寿命的延 长。 3 ) 电磁影响小。 在交流点焊机的工作机臂内放进导磁性焊件和夹具时， 对 焊接电流的影响大，但逆变直流点焊时则无此影响。 4 ) 直流焊接无交流“ 集肤” 作用， 特别是直流还具有“ 集束” 作用。因此，电 流密度相对集中、分流小、热效率高，这有利于铝工件的焊接和多层叠焊。 逆变点焊电源正是因为具有以 上的特点， 所以 被认为是目 前最具有发展潜 力的点焊电源。 1 . 2 .3逆变点焊电源的发展现状 随着电力电子技术的发展， 从8 0 年代中期出现逆变式点焊电源至今， 逆变 点焊电源得到了迅速发展，无论国外还是国内，逆变点焊电源己成为点焊电 源 当今发展的主流方向之一。 日 本、美国等国家先后推出逆变式点焊机产品，并应用于汽车、家电、电 子行业， 建立起以 逆变点焊机器人为主的汽车车身焊装线， 使逆变式电阻点焊机 两北工业大学工学硕1 : 论文 止竺竺巴巴巴二巴巴二巴竺竺竺巴巴 的数倍到数十倍，故整个反馈控制系统的响应速度和控制分解能力较工频点焊 机优越得多，从而有利于焊接质量的控制。此外，逆变整流方式可使焊接时间 不受工频波数的限制，使焊接时间控制更加精确。并可方便地实现更精密的焊 接电流幅度的控制14 9 1 3 ) 逆变点焊电源三相负载平衡、 功率因数高、 节能。 单相工频交流点焊机 过于三相电网，负载不平衡己是设备固有问题。而逆变直流点焊机本身为三相 平衡负载 ( 因整流电 路可使直流负载转换成三相电网 平衡负载) 。 此外， 逆变点 焊焊接电流为直流，故二次感抗很小，因此功率因数很高 14 “ ， 7 1 在焊接工艺方面，逆变点焊电源更具有以下优势: 1 ) 形成稳定熔核的电流范围 扩大。 因输出 直流焊接电 流， 热效率高。 又因 为直流没有电流尖峰，故不易产生飞溅，使得允许的电流上限很大。在焊接电 流有效值相同的条件下， 直流焊接时工件的动态电阻值比交流焊接时要大些， 故焊点发热量大， 熔核生长较快，使得允许的电流下限较小。即直流输出时形 成的稳定熔核的电流范围宽广阵“ 1 。 2 ) 电极寿命长。 直流焊接时因无电 流尖峰冲击烧损， 有利于电极寿命的延 长。 3 ) 电磁影响小。 在交流点焊机的工作机臂内放进导磁性焊件和夹具时， 对 焊接电流的影响大，但逆变直流点焊时则无此影响。 4 ) 直流焊接无交流“ 集肤” 作用， 特别是直流还具有“ 集束” 作用。因此，电 流密度相对集中、分流小、热效率高，这有利于铝工件的焊接和多层叠焊。 逆变点焊电源正是因为具有以 上的特点， 所以 被认为是目 前最具有发展潜 力的点焊电源。 1 . 2 .3逆变点焊电源的发展现状 随着电力电子技术的发展， 从8 0 年代中期出现逆变式点焊电源至今， 逆变 点焊电源得到了迅速发展，无论国外还是国内，逆变点焊电源己成为点焊电 源 当今发展的主流方向之一。 日 本、美国等国家先后推出逆变式点焊机产品，并应用于汽车、家电、电 子行业， 建立起以 逆变点焊机器人为主的汽车车身焊装线， 使逆变式电阻点焊机 第一章绪论 二 二 巴 二 二 二 二 二 二 二二二二竺二二 进入实际应用阶段。 目 前， 逆变点 焊机主要用于中小功 率焊机及点焊钳上3 1 。小功率的逆变点 焊 机在电 子工业中的应用较多。 日 本宫 地美国 分公司生 产的 精密逆变点焊机电 源和 配套的焊接变压器， 采用恒功率控制， 保证焊接质量， 通过i 个名为we l d c a r d 的r a m系 统与p c 机相 联， 分 析 处理 焊 接 程 序 和数 据， 采 用m a - 6 0 0 a的 焊 接 变 压器选 择装置， 使i 个 逆变电 源可选择驱 动4 个焊接变压器;日 本木村制 作所开 发了t d 1 - 1 2 0 0 t型逆变控制器等产品， 并 将其 用于悬挂式点焊机和固 定式点 焊 机:韩国的 t a e s u n g电子公司生产的精密逆变点焊机系列产品 t s t 1 0 5 , t s t 3 0 。 和t s t 5 0 0 0 ， 采用i g b t 全 桥 逆变 式主电 路， 采 用恒流 控制， 4 行l c d 显示， 键盘 输入， 可调节电 流的 上升、 下降 斜率。 其中t s t- 1 0 5 逆变频率为4 k h z , 最大输出电 流1 5 0 0 a ; t s t 3 0 。 逆变频率为2 k h z , 最大输出电 流3 0 0 0 a ; t s t - 5 0 0 0 逆变频率 1k-hz,最大输出电流5 0 0 0 a . 国 外 逆 变点 焊 机的 研究 较 成熟， 商 品 化 程 度 也较高。 国内 的 逆变 技术 在弧 焊 领 域的 应用比 较 成熟， 已 形 成弧 焊 逆 变电 源系 列， 如z x 7 系 列i g b t 直 流 逆 变弧 焊机， w s 系列手工直流 氢弧焊机等。 但在电 阻焊 领域， 这项技术的 优点 还未得 到 充 分 发 挥， 仍 有 待 于 进 一 步 的 研 究 与 开 发 。 在 这 方 面 国 内 研 究 工 作开 展 较 早 的 单 位 有华 南 理工 大 学、 上海交 通大 学、 吉 林工 业大学 、 成都电 焊机 研究 所和 哈 尔 滨 工 业 大 学 等 等。 现己 见 报 道 的 有 华 南 理 工 大 学 开 发 研 制 的 作 为 国 家 “ 七 五 ” 攻 关 项目 的 “ d n 6 - 2 6 ” 型 机器 人用c m o s 点 焊 逆变电 源， 以 及2 5 k v a的i g b t 逆 变式 点 焊机; 上 海交 通大学 研制的g t r阻 焊 逆变电 源; 吉 林工 业大 学 研制的i g b t 逆 变 式 点 焊 机 17 1 ; 成 都 电 焊 机 研 究 所 研 制 的 悬 挂 式 逆 变 次 级 整 流 点 焊 钳 8 1 ; 哈 尔 滨 工 业 大 学 研 制 的 新型 电 流 型 控 制 的 、 用i g b t 作为 开 关 器 件 逆 变 点 焊 机， 等 等 。 目 前 使 用 的 绝 大多 数 逆 变 式 点 焊 机 的 逆 变电 路中 ， 通 常 采 用 保 持 功 率 开 关 管 的 开 关 频率 固 定。 而 靠改变功 率 开 关 管接 通时 间 长 短 即 脉冲 宽 度) 的 方 法， 来 调节 焊 机 输入的 能 量， 这种 控制 方 法 被 称为 脉宽 调 制 法( p w m) 。 在这种 情 况 下， 由 于 功 率开 关 管按照 外 加的 控 制脉 冲 的宽 度 来实 现 通断， 而 控 制 脉冲的 发出 又 与 功 率 开 关 管 上 流 过的电 流、 两 端 所加 的 电 压 无 关， 此 类 功 率 开 关 管 被 称 为 “ 硬 开 关， ， 。 采用硬开关控制的逆变电 路，当 工作频率较高时，由于在功率开关管卜 同 西北工业人学工学硕 卜 论文 时存在电流与电压的交叠，因而产生了很高的开关损耗和电流、电 压应力。有 关资料表明，其功率开关管的开关损耗占总损耗的6 0 - 7 0 %,甚至更大。同时， 电 路的寄生电 感和功率器件的寄生电 容在高频工作时将会产生严重的电 压尖峰 3 . a 鉴于硬开关逆变电源存在的问题， 在2 0 世纪 8 0 年代以后，人们开始了软 开 关 逆 弈电 源的 研制 工作。 所谓 软开 关， 是 指用 控制 方 法 使功率 开关 在 其 两 端 电 压为零时或使流过功率开关的电流为零时开通或关断，这一类开关称为软开 关。 软开关的开通、 关断 损耗理想值为 零s . 。 针对软开关逆变电 源的分 析和试 验表明:软开关逆变电源导通和开关损耗最小，能实现零开关特性而不增大开 关的电 流和电压应力， 适用于较高电 压和大功率变换器6 目前，对于逆变点焊电l l$ 的控制，大部分采用集成移相控制芯片与微型计 算机相结合的方式，实现对电 源能量的恒流控制 7 一 ， ， ，在智能控制方面， 华南 理工的吴祥森等人采用了 模糊控制方法u m 1 . 3 d s p技术及其应用 1 . 3 . 1 d s p技术 d s p ( d i g it a l s i g n a l p 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 己 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，井且拓宽到了系统控制领域。 d s p 芯片的结构包括以下几个部分: 1 ) 哈 佛结构。 哈佛结构的主 要特点 是将程序和数据存储在不同的 存 储空间 中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编 址， 独立访问。与两个存储器相对应的是系统中设置了 程序总线和数据总线， 从而使数据的吞吐率提高了很多倍。 由于程序和数据存储在两个分开的空间中， 西北工业人学工学硕 卜 论文 时存在电流与电压的交叠，因而产生了很高的开关损耗和电流、电 压应力。有 关资料表明，其功率开关管的开关损耗占总损耗的6 0 - 7 0 %,甚至更大。同时， 电 路的寄生电 感和功率器件的寄生电 容在高频工作时将会产生严重的电 压尖峰 3 . a 鉴于硬开关逆变电源存在的问题， 在2 0 世纪 8 0 年代以后，人们开始了软 开 关 逆 弈电 源的 研制 工作。 所谓 软开 关， 是 指用 控制 方 法 使功率 开关 在 其 两 端 电 压为零时或使流过功率开关的电流为零时开通或关断，这一类开关称为软开 关。 软开关的开通、 关断 损耗理想值为 零s . 。 针对软开关逆变电 源的分 析和试 验表明:软开关逆变电源导通和开关损耗最小，能实现零开关特性而不增大开 关的电 流和电压应力， 适用于较高电 压和大功率变换器6 目前，对于逆变点焊电l l$ 的控制，大部分采用集成移相控制芯片与微型计 算机相结合的方式，实现对电 源能量的恒流控制 7 一 ， ， ，在智能控制方面， 华南 理工的吴祥森等人采用了 模糊控制方法u m 1 . 3 d s p技术及其应用 1 . 3 . 1 d s p技术 d s p ( d i g it a l s i g n a l p 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 己 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，井且拓宽到了系统控制领域。 d s p 芯片的结构包括以下几个部分: 1 ) 哈 佛结构。 哈佛结构的主 要特点 是将程序和数据存储在不同的 存 储空间 中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编 址， 独立访问。与两个存储器相对应的是系统中设置了 程序总线和数据总线， 从而使数据的吞吐率提高了很多倍。 由于程序和数据存储在两个分开的空间中， 西北工业人学工学硕 卜 论文 时存在电流与电压的交叠，因而产生了很高的开关损耗和电流、电 压应力。有 关资料表明，其功率开关管的开关损耗占总损耗的6 0 - 7 0 %,甚至更大。同时， 电 路的寄生电 感和功率器件的寄生电 容在高频工作时将会产生严重的电 压尖峰 3 . a 鉴于硬开关逆变电源存在的问题， 在2 0 世纪 8 0 年代以后，人们开始了软 开 关 逆 弈电 源的 研制 工作。 所谓 软开 关， 是 指用 控制 方 法 使功率 开关 在 其 两 端 电 压为零时或使流过功率开关的电流为零时开通或关断，这一类开关称为软开 关。 软开关的开通、 关断 损耗理想值为 零s . 。 针对软开关逆变电 源的分 析和试 验表明:软开关逆变电源导通和开关损耗最小，能实现零开关特性而不增大开 关的电 流和电压应力， 适用于较高电 压和大功率变换器6 目前，对于逆变点焊电l l$ 的控制，大部分采用集成移相控制芯片与微型计 算机相结合的方式，实现对电 源能量的恒流控制 7 一 ， ， ，在智能控制方面， 华南 理工的吴祥森等人采用了 模糊控制方法u m 1 . 3 d s p技术及其应用 1 . 3 . 1 d s p技术 d s p ( d i g it a l s i g n a l p 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 己 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，井且拓宽到了系统控制领域。 d s p 芯片的结构包括以下几个部分: 1 ) 哈 佛结构。 哈佛结构的主 要特点 是将程序和数据存储在不同的 存 储空间 中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编 址， 独立访问。与两个存储器相对应的是系统中设置了 程序总线和数据总线， 从而使数据的吞吐率提高了很多倍。 由于程序和数据存储在两个分开的空间中， 第一章 绪论 一=二二二二=二二二二二二 因此取指和执行能完全重叠。如图 1 -2 所示。 2 ) 流水线操作。 流水线与哈佛结构相关。 d s p 芯