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基于d s p 的手弧焊逆变电源外特性控制技术 摘要 弧焊逆变电源的外特性形状不仅影响“电源一电弧”系统的稳定性，还关联 着焊接工艺参数的稳定，只有为一定形状的电弧静特性选择适当形状的电源外 特性，才能既满足系统的稳定条件又能保证焊接工艺参数稳定。 本文讨论了三种典型的弧焊逆变电源外特性控制方式模拟控制式、单 片机控制式、d s p 控制式，同过比较可知d s p 控制技术是是实现数字化逆变焊 机的关键。 设计了逆变弧焊电源外特性系统的硬件电路，包括电弧电压、电流的反馈 采样电路，d s p 最小系统。根据手弧焊外特性控制特点对逆变电源采用p i 控制 策略，建立了控制系统的数字模型，并利用m a t l a b 的仿真模块对该系统进行 仿真，以获得p i 控制的最佳控制参数砀、局。在外特性控制系统的软件设计方 面，合理选择a d 转换通道及转换启动信号，编制p i 运算程序，并利用d s p 的 e p w m 模块，得到两路脉宽相同，相位差1 8 0 0 的p w m 波形来触发i g b t 管导 通。 在试验方面，设计了基于s e e d d s k 2 8 0 1 6 开发板、p c 机、示波器及波形 发生器的试验平台，验证了逆变电源外特性控制系统软件的可行性。 关键词：d s p 手弧焊逆变弧焊电源外特性控制 e x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i cc o n t r o lo fs m a w i n v e r t e rp o w e rb a s e do nd s p a b s t r a c t t h ee x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i c s h a p eo fa r cw e l d i n gi n v e r t e r n o to n l yi n f l u c et h e s t a b i l i t yo f “p o w e r - a r c ”s y s t e m ，b u t a l s ob er e l a t e dt ot h es t e a d yo fw e l d i n g p a r a m e t e r ，a n do n l yw h e nw ec h o o s et h ep r o p e re x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i cc u r v ef o ra c e r t a i nf o r mo fa r cs t a t i cc h a r a c t e r ，t h a tc a ne n s u r eb o t ht h es t a b l ec o n d i t i o no f s y s t e ma n dt h es t e a d yo fw e l d i n gp a r a m e t e r t h i sp a p e rd i s c u s s e st h r e ec l a s s i ce x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i cc o n t r o lm o d e so fa r c w e l d i n gi n v e r t e 卜- a n a l o g o u sc o n t r o l ，m c uc o n t r o l ，d s pc o n t r o l ，a n dw ec a l ld r i v e ac o n c l u s i o nt h a tt h ed s pc o n t r o lm o d ei st h ek e ye l e m e n tt or e a l i z et h e d i g i t a l i z a t i o no f a r cw e l d i n gi n v e r t e r t h eh a r d w a r ec i r c u i to fa r cw e l d i n gi n v e r t e rc o n t r o ls y s t e m h a sb e e n d e s i g n e d ，i n c l u d i n g t h ef c e d b a c ka n ds a m p l ec i r c u i to fa r cp o w e rv o l t a g ea n d c u r r e n t ，a n dd s pm i n i m u ms y s t e m a c c o r d i n gt ot h ee x t e r n a lc h a r a c t e rc o n t r o l ，w e a c c e p tp ia l g o r i t h ma st h ec o n t r o ls t r a t e g y , a n da f t e re s t a b l i s h i n g t h es y s t e m s c o n t r o l l i n gm o d e l ，t h es i m u l a t i o no fc o n t r o ls y s t e m h a sb e e nc a r r i e do u to n m a t l a b ，a n dt h ep i si d e a lp a r a m e t e r s 局、蜀h a v eb e e nw o r k e do u t t h es y s t e m s s o f t w a r ei n c l u d e st h ea dc o n v e r s i o np r o g r a m ，p i dc a l c u l a t i o n ，g e n e r a t i n g p r o g r a mo fp w ms i g n a l a tl a s t ，w ed e s i g nae x p e r i m e n tf l a t f o r m ，w h i c hi sb a s e do np c ，o s c i l l o s c o p ej w a v e f o r mg e n e r a t o r ，s e e d d s k 2 8 016 t h ee x p e r i m e n tp r o v e st h ef e a s i b i l i t yo f c o n t r o ls o f t w a r es y s t e mo fa r cw e l d i n gi n v e r t e r k e y w o r d s ：d s p ：s m a w ；a r cw e l d i n gi n v e r t e r ；e x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i cc o n t r o l 插图清单 图1 1 逆变弧焊电源结构图。1 图1 2 模拟式控制逆变弧焊电源系统原理框图。3 图1 3 单片机控制式逆变弧焊电源系统原理框图：4 图1 - 4d s p 控制式逆变弧焊电源系统原理框图5 图2 1d s p 控制逆变弧焊电源原理图8 图2 2 全桥式i g b t 逆变电路9 图2 3 电弧电压输出采样反馈电路1 0 图2 - 4 焊接电流输出反馈电路l l 图2 5t m s 3 2 0 f 2 8 0 1 6 d s p 内部结构1 2 图2 - 6t m s 3 2 0 f 2 8 0 1 6 d s pa d 转换模块功能框图1 3 图2 7t m s 3 2 0 f 2 8 0 1 6 d s pe p w m 功能框图1 4 图2 8e p w m x 子模块框图1 4 图3 1 模拟p i d 控制系统原理框图1 7 图3 2 弧焊电源控制系统框图1 9 图3 3 弧焊电源输出电压与占空比之间的拟合曲线2 0 图3 4 电压反馈电路2 1 图3 5 电流反馈电路图2 l 图3 - 6 电压反馈控制的s i m u l i n k 模型2 2 图3 7 蜀= o 时，改变岛值得到的系统阶跃响应曲线2 3 图3 8 当局= o 0 1 时，改变局值得到的系统阶跃响应曲线2 4 图3 9 电流反馈控制的s i m u l i n k 模型2 5 图3 - 1 0 局= 0 时，改变值得到的系统阶跃响应曲线2 5 图3 - 1 1 妫- - 0 0 0 0 0 1 时，改变局值得到的系统阶跃响应曲线2 6 图4 1 手弧焊恒流加外拖外特性曲线3 2 图4 2 弧焊逆变电源闭环控制示意图3 3 图4 3 主程序流程图3 5 图4 4 连续的自动排序方式a d 转换流程3 6 图4 5p i 运算流程图3 7 图4 6 全桥电路的控制3 8 图4 7 全桥式电路控制波形设置原理图3 8 图4 - 8e p w m 波形输出流程图3 9 图5 1 弧焊电源控制系统的试验平台4 0 图5 2 弧焊控制系统试验平台原理图4 0 图5 3 实测电流、电压输出波形4 1 图5 - 4 软件绘制电流、电压输出波形4 2 图5 5a d 转换结果寄存器的查看窗口4 2 图5 - 6i g b t 驱动信号波形4 3 图5 7 占空比为2 5 时的波形图4 4 图5 - 8 占空比为5 0 时的波形图。4 5 图5 - 9 占空比为7 5 时的波形图4 6 表格清单 表1 一l 模拟式、单片机、d s p 控制性能比较5 表1 2 典型单片机、d s p 结构性能比较6 表3 - l 焊接试验所得显示电压、电流与占空比的关系1 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得金胆王些太堂 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已在论文中作了明确的说明并表 示谢意。 学位论文作者签字：辛毒衲i 签字日期：少8 年s 月驴日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金筵王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 金罂王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：棘嗣 - 导师躲翊押妻 签字日期：撕g 年箩月g 日签字日期：严毽年厂月子日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 经过前期的大量准备及近一个月时间的专心写作，攻读硕士研究生的学位 论文到今天接近尾声了，这也预示着为期两年的研究生生涯即将结束。 两年里，潜移默化中，有太多的改变，我庆幸，生命中有了这样一段历程。 提笔致谢，心存太多的感激 感谢我的导师胡小建副教授，原谅我初来时的无知，在学术上给我耐心的指 导，引领我走入了科研领域，培养了我的科研兴趣，提高了我的科研能力；在 做人上，给我积极地引导；在做事上，培养了我严谨的态度与执着的追求精神。 在您的身上，我看到了那份孜孜不倦地学术研究态度和为学科的发展建设而鞠 躬尽瘁的献身精神。感谢您在我学术及做人做事上积极的影响，我受益终身。 感谢材料学院徐道荣、秦琳等焊接教研组的老师，您们无私的知识传授与实 验帮助，使我能顺利完成论文；感谢电气学院黄云志老师在开发板调试上给予 的帮助。 感谢焊接实验室的同学王传标、罗庆、李旭光、王丽婷、钱学君，感谢 你们在实验遇到问题时伸出援手。两年里，我们情同手足，在我需要的时候， 给了我最温暖的问候与最无私的帮助，衷心地祝福你们，前程美好! 最后，感谢我的家人，多年来对我学业的全力支持! 祝福家人健康快乐平安! 作者：林丽红 2 0 0 8 年2 月 第一章绪论 1 1 逆变弧焊电源的发展状况 高新技术特别是计算机和电力电子技术的出现与发展，使焊接工艺在石油、 化工、电力、机械制造、航天航空等方面得到了广泛的应用。焊接电源作为实 现焊接工序的关键设备，其性能的优劣，直接关系到焊接工艺的好坏。 焊接最初使用蓄电池作为电源。2 0 世纪初发明了弧焊发电机，2 0 年代制成 交流弧焊变压器，到了6 0 年代，硅整流组件、晶闸管等器件的研制促使了硅弧 焊整流器的产生。在7 0 年代末8 0 年代初，随着电力电子开关元件的出现和集 成电路技术的发展，产生了逆变弧焊电源，为弧焊电源的发展提供了更广阔的 空间。 所谓逆变弧焊电源，是指从电网吸取电能，并经过逆变器变换，用以供给 焊接使用的电源。它与一般焊接电源的差异在于：一般焊接电源从电网吸取电 能后先通过变压器降压隔离，然后整流滤波输出；逆变焊接电源是从电网吸取 电能以后，先整流( a c - - * d c ) ，再通过逆变器将直流变成中频交流( d c - a c ) ， 然后经变压器降压隔离、最后整流滤波输出( a c - - + d c ) 【l 】。因此逆变焊接电源 电路最大特点是有一个逆变器。 逆变器是由电力电子开关器件和中频变压器组成的逆变功率转换电路，它 是逆变焊接电源的核心部件。 输 功率输出 控制电路传感电路 图1 - 1 逆变弧焊电源结构图 而电力电子开关器件制造技术的进步以及新型器件的发明，更是推动了逆 变器的迅速发展。从开关器件的产生到现在，大致经历了：晶闸管式( s c r ) 、 晶体管式( g t r ) 、场效应管式( m o s f e t ) 、绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 引。因 此，弧焊逆变器也依次分为s c r 弧焊逆变器、g t r 弧焊逆变器、m o f e t 弧焊 逆变器、i g b t 弧焊逆变器。 1 ) 晶闸管( s c r ) 式弧焊逆变器 早在2 0 世纪7 0 年代，就已有关于晶闸管式弧焊逆变器研究成果的报道， 8 0 年代有较大发展。从中等容量到大容量，从手弧焊到c 0 2 m a g 焊、埋弧焊 和电阻焊，从直流焊到矩形波交流焊，从电子控制到微机控制等，晶闸管式弧 焊逆变器的应用领域不断发展，逆变频率也从几千赫兹到数万赫兹。由于采用 了晶闸管作为大功率开关管，管子的技术性能为这种逆变器带来了结构与性能 方面的特点： ( 1 ) 由于晶闸管的技术成熟，它的工作可靠性较高； ( 2 ) 晶闸管的开关速度受关断时间制约，通常为几微秒到十几微秒，使逆 变器的工作频率较低； ( 3 ) 控制电路比较简单，驱动功率低： ( 4 ) 控制性能不够理想：晶闸管一经导通，只要有足够的维持电流就能一 直导通下去； ( 5 ) 价格低，使成本降低； ( 6 ) 单管容量大，不必解决多管并联得复杂技术问题。 到8 0 年代后期，由于它的频率偏低，控制性能差，有噪声干扰等，逐渐被 其他的逆变器取代。 2 ) 晶体管( g t r ) 式弧焊逆变器 为了克服晶闸管式弧焊逆变器的不足之处，科学家们着手寻找一种开关速 度较快，控制性能较好的大功率电子开关元件，这就是7 0 年代末出现的晶体管。 由于大功率晶体管本身在性能上比晶闸管更好，因而使逆变器具有以下特 点： ( 1 ) 开关速度快，逆变频率高，有利于减小体积和重量； ( 2 ) 采用电流型控制，以基极电流控制晶体管的开关，其控制性能好； ( 3 ) 焊接主回路时间常数小，动态响应快，动特性好，有利于减少飞溅和 实现微机对动特性的控制： ( 4 ) 晶体管有很大容量，不必采用多管并联工作，减小调试难度，有利于 产品的稳定性。 但是，这类弧焊逆变器也有很大缺点：存在二次击穿，控制驱动功率较大。 3 ) 场效应管( m o s f e t ) 式弧焊逆变器 7 0 年代后期，功率场效应管( m o s f e t ) 开始进入实用阶段，这标志着电 力半导体器件在高频化进程中的一次重要进展。m o s f e t 式逆变器的特点： ( 1 ) m o s f e t 的栅源直流输入电阻很高，只要控制电压大于一定值， m o s f e t 就能进入饱和导通状态，因此控制功率小； ( 2 ) 可靠的工作范围宽； ( 3 ) 开关时间极短，使其具有很高的开关速度，且开关过程的损耗很小， 有利于提高效率和减小体积； ( 4 ) 多管并联工作相对较易实现。 但场效应管存在着一定不足，由于当时生产管子的能力不高，耐高压仅有 数安培，需采用多管并联，生产调试麻烦。 4 ) 绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 式弧焊逆变器 2 为了解决场效应管产生的不足，电力半导体生产厂家和研制单位，把晶体 管的大容量和场效应管的电压控制等独特优点结合起来，研制和生产了i g b t 功率开关管。由于管子容量较大，生产调试相对比较方便，因而得到推广和应 用。 i g b t 式逆变器的特点： ( 1 ) 单管或模块容量较大，不必采用多管并联，减少调节工作量； ( 2 ) 饱和压降比较低，有利于减少管子功率损耗； ( 3 ) i g b t 在小电流区域内通态温度系数为负值，在大电流区域内为正值， 即当电流增大到一定值之后温度系数由负变正，对管子并联工作有利； ( 4 ) 高频特性：i g b t 可以工作在1 0 - 3 0 k h z 。 1 2 逆变弧焊电源外特性控制技术的发展 弧焊逆变电源是由输入整流器、滤波器、i g b t 逆变器、中频变压器、输出 整流器、外特性控制系统组成，这种电源适用于不同的焊接方法。不同的焊接 方法，具有不同的电弧静特性，要求不同的电源外特性与之匹配，存在不同的 外特性控制系统，因此弧焊逆变电源的外特性控制系统及控制方法是逆变弧焊 电源研究的核心技术l j j 。 而模拟电子技术、单片机控制技术及d s p 控制技术的发展使得逆变弧焊电 源的外特性控制技术也经历了模拟控制式、单片机控制式及d s p 控制式等模式。 这三种焊接模式的外特性控制系统各异，但其所对应的逆变弧焊电源主电 路形式相同。因此这里不管是模拟控制式、单片控制机式还是d s p 控制式弧焊 逆变电源，都采用相同的以i g b t 管为逆变器的主电路。下面重点介绍弧焊电 源的控制电路。 1 ) 模拟控制式弧焊逆变电源 模拟控制式逆变弧焊电源的控制系统框图如下所示。 图1 2 模拟式控制逆变弧焊电源系统原理框图 焊接电流、电压等控制参数通过采样，负反馈到控制回路。反馈量与给定 信号比较，经过逻辑控制运算输出到p w m 控制芯片，p w m 信号则经过驱动电 路的功率放大、隔离作用来触发功率开关元件的导通关断，完成系统的闭环控 制【1 1 。 模拟控制器是模拟式逆变弧焊电源控制电路的核心，它是一个由电阻、电 容、运算放大器组成模拟电子电路。在控制过程中，模拟控制器直接对反馈模 拟量进行逻辑控制运算，输出模拟量控制p w m 电路。一般通过调节电位器对 算法进行参数整定，以实现较好的控制效果。 2 ) 单片机控制式弧焊逆变电源 图1 - 3 单片机控制式逆变弧焊电源系统原理框图 与模拟式控制不同，单片机所处理的信号是数字信号，因此在该系统中， 输出电流、电压的反馈值与给定值进行比较后，须经过a d 转换，将模拟信号 转换成数字信号，送入单片机，由单片机对转换量进行控制算法逻辑运算后， 进入p w m 发生器( 脉宽调制器) 。该调制器输出两路互不重叠的p w m 脉冲， 经驱动电路去触发i g b t ，以完成控制和调节功能。图1 3 是单片机式控制原理 框刚4 1 。 单片机式的控制算法的逻辑运算主要由计算机完成。工作时，对算法进行 软件编程，由计算机软件的运算来替代模拟电路中的电阻、电容、运算放大器 的工作，运算后的数字量必须通过d a 转换，才能加载到p w m 发生器。 3 ) d s p 控制式弧焊逆变电源 d s p 控制式弧焊逆变电源又称为数字式弧焊逆变电源，一般由d s p 和单片 机的双机系统来实现。如图1 - 4 。在控制过程中，单片机主要完成焊接参数给定 及实时显示，由于d s p 内部集成了a d 、事件管理器( 主要生成p w m 波形) 等模块，所以仅用d s p 就可完成反馈值的a i d 转换，并将其与电流、电压的给 定量进行复杂的逻辑运算，得到i g b t 的导通时间，输出p w m 脉冲序列。该 脉冲信号经驱动电路放大驱动i g b t ，从而控制电源的输出电流、电压【5 】。 d s p 控制式逆变弧焊电源的控制过程也是由软件完成的。控制软件整体结 构采用传统的前后台模式，即主程序为一超循环结构，对实时性要求高的部分 放在中断服务子程序中执行。程序编写采用模块化的设计方法，每个功能模块 相互独立，使程序清晰易懂，便于理解、调试和维护，主程序通过调用功能模 块子程序实现对电源的整体管理，a d 采样、短路过渡控制和故障处理等采用 4 中断服务子程序来完成。 图1 4d s p 控制式逆变弧焊电源系统原理框图 1 3d s p 控制式弧焊逆变电源的特点 逆变弧焊电源的供电对象是特殊的负载一一电弧。由于焊接电弧负载的非 线性与时变性的特点，焊接“电源一一电弧系统就是一个典型的强非线性的 时变系统【6 】，也使得逆变弧焊电源对电源外特性提出特殊的要求。其弧焊电源 的外特性形状不仅影响“电源一电弧系统的稳定性，还关联着焊接工艺参数 的稳定，只有为一定形状的电弧静特性选择适当形状的电源外特性，才能既满 足系统的稳定条件又能保证焊接工艺参数稳定【_ 7 1 。因此，弧焊逆变电源的外特 性控制是非常重要的。 通过1 2 节介绍的三种逆变弧焊电源的外特性控制模式，可以看出，模拟 式控制虽然是目前弧焊电源中应用最广的控制方式，但由于电源的控制核心采 用模拟电路，这使得模拟控制逆变弧焊电源有以下不足： ( 1 ) 采用模拟器件进行电路设计的效率低： ( 2 ) 电路的调试周期长； ( 3 ) 由于模拟器件的温度稳定性和老化问题，使得模拟控制的控制精度降 低、可靠性下降。 表1 1 模拟式、单片机、d s p 控制性能比较 集成度 数据处理能力控制精度调试周期 价格 模拟式低 差 低 长 低 单片机较高较高较差较短较低 d s p高高高短 高 单片机虽然在控制系统中实现了数据处理的数字化，但是与d s p 相比，单 片机本身的性能差异影响其控制能力。 对于m c s 5 1 系列单片机来说，由于分频，其频率最高只有1 2 1 2m h z ，即周 期为1 u s ，而逆变焊机的工作频率为2 0 k h z ，即工作周期为5 0 u s ，在这该周期 内，要完成从控制运算到p w m 脉冲触发是不可能的。而t m s 3 2 0 f 2 8 0 1 6 系列 5 d s p 的工作频率为6 0 m h z ，周期为1 6 7 n s ，a d 转换时间仅为2 6 7 n s ，其强大的 运算能力完全可以很好地进行实时运算控制。所以单片机控制式逆变弧焊电源 不能实现逆变弧焊电源的实时控制，不能实现逆变焊机外特性控制的数字化【3 】。 相对而言，d s p 以其强大的指令系统及接口功能显示出速度快、编程和开发方 便等特点而广泛应用于通用数字信号处理、自动控制领域，d s p 芯片已经成为 数字电路设计的主要方法。 表1 2 典型单片机、d s p 结构性能比较 总线结构指令执行时间p w m 单位u s p l d 调节u s 单片机 共用总线多周期2l5 6 d s p 并行总线单周期多功能指令0 0 5 01 4 通过上述三种控制方式比较可以知道：逆变技术的应用实现了弧焊逆变电 源主电路的数字化，以d s p 为核心的控制系统实现了弧焊逆变电源控制电路由 模拟式到数字化的真正转变。而d s p 优异的性能将在弧焊电源数字化控制系统 中具有广泛的应用前景和优势，可以预见，d s p 控制技术是逆变弧焊电源外特 性控制技术的发展方向，是实现数字化逆变焊机的关键。 1 4d s p 芯片的选择 d s p 芯片的选择主要考虑处理速度、功耗、程序存储器和数据存储器的容 量、片内资源，如定时器的数量、i o 口数量、中断数量、d m a 通道数等因素。 目前d s p 的主要供应商有t i 、m o t o r o l a 、l u c e n t 和z i l o g 等，其中t i 占有最大 的市场份额。 t i 公司现在主推三大系列d s p - ( 1 ) c 5 0 0 0 系列：c 5 4 x 、c 5 5 x x 、c 5 5 x 。相比其它系列的主要特点是低功 耗，所以最适合个人便携上网以及无线通信应用，如手机、p d a 、g p s 等应用。 ( 2 ) c 6 0 0 0 系列：c 6 2 x x 、c 6 7 x x 、c 6 4 x 。该系列以高性能著称，最适合 宽带网络和数字影像应用。 ( 3 ) c 2 0 0 0 系列：c 2 x x 、f 2 4 x 、f 2 4 x x 、c 2 8 x 。该系列芯片具有大量外设 资源，如：d 、定时器、各种串口( 同步异步) 、w a t c h d o g 、c a n 总线、p w m 发生器、数字i o 脚等。是针对控制应用最佳化的d s p ， 广泛应用于电机、变频电源控制领域f 9 】。 而在控制开发中，2 4 x 和2 8 x 的应用较为广泛。两类相比，2 8 x 为3 2 位d s p ， c l k 时钟大于2 4 x ，程序和数据存储空间也比2 4 x 的大，支持更多中开发语言， 并且t i 提供了完整的模块例程支持，因此选择c 2 8 x 系列d s p 。从课题要求与 经济实用方面考虑，2 8 0 1 6 的存储空间大小适合，波形控制灵活，并且价格便宜。 因此采用t m s 3 2 0 f 2 8 0 1 6 d s p 为控制芯片。 6 1 5 本文的组织 本课题针对数字化焊接电源的研究现状，以提高焊接电源可靠性、稳定性、 工艺性、操作简便性、开放性为设计目标，实现基于d s p 的弧焊逆变电源的外 特性控制系统，主要研究以下问题： ( 1 ) 建立一个以d s p 为控制核心的逆变弧焊电源外特性控制的硬件系统； ( 2 ) 确定控制策略，并通过m a t l a b 建模仿真，获得控制算法的控制参 数。 ( 3 ) 研究基于d s p 的逆变弧焊电源外特性控制的软件系统； ( 4 ) 外特性控制的硬件系统与软件系统的整体调试与测试。 根据以上研究内容，以下章节的组织如下： 第二章：介绍逆变弧焊电源的电路结构与工作原理。对主电路和控制电路 的组成进行具体分析与介绍，在此基础上，根据课题要求，选择 相应的主电路和控制电路； 第三章：根据第二章的电路设计，使用m a t l a b 的s i m u l i n k 模块对电路进 行仿真，确定设计的控制参数； 第四章：进行逆变弧焊电源的软件控制程序设计，主要制定主程序设计流 程，编写a d 转换程序，p i 控制程序以及p w m 程序； 第五章：建立实验平台，进行程序调试； 第六章：结论与展望。 7 第二章外特性控制系统的硬件设计 该课题的研究对象为手弧焊逆变电源，其主电路采用全桥式i g b t 逆变结 构，工作频率约为2 0 k h z ，具有良好的动态响应能力。考虑到数字控制算法需 要乘累加运算，及手弧焊机控制特性，电源控制部分采用基于d s p 的控制系统， 充分利用d s p 强大的运算处理能力以及智能化和高集成化的特点，以更好地实 现手弧焊的功能。 2 1 电源的总体设计 电源的总体结构如图2 1 所示。主电路采用全桥逆变式结构，逆变功率开 关器件采用i g b t ( 绝缘栅双级型晶体管) ，焊接电流、电弧电压的a d 转换与 控制运算以及p w m 波形产生与输出都在d s p 芯片内部完成。 图2 - 1d s p 控制逆变弧焊电源原理图 主电路工作过程如下：三相工频交流电经过三相整流模块的全波整流，变 成5 4 0 v 的直流电，再经过滤波变为平稳的直流电输入逆变电路。高压直流电通 过i g b t 管的开关作用和中频变压器的隔离与降压作用，变为2 0 k h z 左右频率 的低电压大电流交流电，之后采用二极管模块对该交流电进行二次整流，后经 电感滤波变成低电压、大电流输出。 整个电源通过电流采样构成一个恒流特性的电源，通过电压采样来确定从 燃弧到正常焊接的转变时刻，电源的电压和电流必须得经过采样反馈电路，使 控制电路与输出回路隔离，提高控制电路的抗干扰能力，以保证控制系统的稳 定工作。 经过反馈电路采样的信号得输送到d s p 进行控制处理。因为此时的反馈值 是模拟信号，而d s p 处理的信号必须为数字信号，所以必须对反馈量进行模数 转换，d s p 内部集成了a d 模块，可以很方便的实现转换过程。转换后的数字 量直接在d s p 的c p u 内部进行控制算法运算，处理后的数据加载到p w m 模块 的相关寄存器，通过比较输出一组相位差18 0 。并且占空比可调的脉冲波形。因 为焊接电源的输出功率可以通过控制i g b t 管的开关时间比率( 即占空比6 ) 来调节，用d s p 控制逆变弧焊电源，大幅度提高了焊接电源的动态品质，并且 8 保证了焊接质量。 2 2 电源主电路设计 逆变弧焊电源主电路主要包括整流滤波、逆变和输出整流滤波三部分，整 流滤波的作用是把输入的3 8 0 v 的交流电变为平滑的5 4 0 v 的直流电，逆变环节 是把5 4 0 v 的直流电变为频率为2 0 k h z 的中频方波交流电，而输出整流滤波的 作用之一是将中频变压器二次方波电压整流成单向脉动直流，并将其平滑成设 计要求的低纹波直流电压，另外一个作用抑制开关整流二极管反向恢复时间内 电流急剧恢复产生的尖峰噪声。 逆变部分是逆变焊机的核心部分，其性能的优劣直接关系到整机的性能。 根据其电路结构不同，逆变电路主要有单端正激、推挽式、全桥式和半桥式四 种结构。i g b t 是8 0 年代末新兴起的功率开关器件，具有驱动功率小和控制电 流能力强的双重优点，是目前制造弧焊逆变电源的首选器件。综合考虑各种因 素，我们选用全桥式i g b t 逆变结构。其图如下所示t v d 6 c 当，古 卜l 一 t y l ， 三卜j v d 5 + u o 图2 - 2 全桥式i g b t 逆变电路 功率开关管i g b t l 、i g b t 2 、i g b t 3 和i g b t 4 组成的四臂，中频变压器t 连接在它们中间，相对桥臂上的一对功率开关管i g b t l 、i g b t 4 和i g b t 2 、i g b t 3 由驱动电路以脉冲方式激励而交替通断，将直流输入电压变换成中频方波交流 电压。当一组功率开关管( i g b t l 、i g b t 4 ) 导通时，截止功率开关管( i g b t 2 、 i g b t 3 ) 上施加的电压即为输入电压e ，当所有的功率开关管均截止时，一组两 个高压开关管将共同承受输入电压( 即e 2 ) 。由中频变压器漏感引起的电压尖 峰，当其超过输入电压时，反向并接在高压开关管集射之间的高速箝位二极管 便导通，集电极电压被箝位在输入电压上。同样，集电极电流也有尖峰【l 】。 由此可见，全桥式电路功率开关管稳态时其上最高施加电压即为输入电压， 暂态过程中的尖峰电压亦被箝位于e ，这就为晶体管的选择带来方便；而且， 箝位二极管将漏感储能还给输入电源，也有益于提高效率；同时，由于输入电 压直接施加在中频变压器上，功率开关管的耐压要求很低，就易于获得大功率 输出。 9 2 3d s p 控制系统硬件设计 d s p 控制系统的硬件设计电路主要包括信号采样反馈电路、t m s 3 2 0 f 2 8 0 1 6 d s p 的最小系统等。各部分的工作原理及设计将在以下章节详细介绍。 2 3 1 信号采样反馈电路 控制过程中要对焊接电压电流进行实时控制以达到控制焊接电流输出静特 性和动态特性的目的。由于t m s 3 2 0 f 2 8 0 1 6 的a d c 模块的模拟输入范围在 0 v - 3 v ，而焊机输出电压信号较大、电流信号很小，使信号难以直接采集，因此 需要设计采样电路对焊接电压和电流进行间接采样。采样后的信号，输入到d s p 的a d 口进行模数转换。 1 ) 电压采样反馈电路 因为焊接电弧的电压在4 5 矿以内，焊机的空载电压高达7 0 v , 所以，电压 采样电路的任务是将电弧电压转换成a d 转换所需的输入电压范围，即0 , - - 3v 。 因此，设计电压反馈采样电路为简单的电容滤波、电阻分压电路【1 0 】。 4 。7 x 图2 - 3 电弧电压输出采样反馈电路 奶表示焊机输出电压，砺是经过分压滤波电路的采样信号，该信号将输入 a d c 模块进行数模转换。 通过电路可以看出，滤波电容的选择非常关键，它关系到整个系统的控制 精度和响应速度。电容选择太大则滤波效果好，但是系统的反应速度就会变差， 相反，如果想得到比较好的反应速度，又必须牺牲滤波效果。所以综合考虑， 选择电容值o 0 2 2 甜f 。 2 ) 电流采样反馈电路 焊机的输出电流从微观上讲是一个脉动的电流，所以在反馈到a d c 模块前 必须对其进行滤波，以保证输入d s p 控制系统的信号能正确反映焊接电流的平 均值。同时，由于a d c 模块的输入范围在o 3 v 的电压，这就需要对焊接电流 进行放大，并且将其转换成电压信号。同时，由于输出的电流信号很小，容易 受到外界干扰，必须在电路中设置电容滤除外部干扰。 图2 - 4 为输出电流反馈电路，需要指出的是，图中虽没有明确标示，但电 流信号在输入a b 点之前，经过了霍尔传感的隔离作用。焊接电流信号经过霍 尔传感器的采样处理后，通过a b 两点输入到该反馈电路。滤波作用是用电容 c j 完成的，放大作用是由运算放大器来实现，c 2 、o 用来滤除外界干扰信号。 1 0 图2 4 焊接电流输出反馈电路 2 3 2t m s 3 2 0 f 2 8 0 1 6d s p 的最小系统 t m s 3 2 0 f 2 8 0 1 6 是t i 公司最新推出的一款性价比很高的定点d s p ，具有强 大的处理能力和丰富的片上外设，可以广泛应用于马达控制、数字电源转换以 及智能传感器控制等方面。其管脚与其余t m s 3 2 0 f 2 8 0 x 系列d s p 兼容。 d s p 最小系统是逆变电源控制系统的核心组成部分，它不仅要完成电源的 整体管理，同时也直接参与了电源的控制，其性能的好坏直接影响逆变电源的 整体性能。为了保证控制系统的可靠性和提高开发效率，我们直接选用了s e e d 公司生产的d s k 2 8 0 1 6 嵌入式d s p 控制模板，并在此基础上进行波形控制系统 的开发。该开发板主要包括晶振、电源管理及引脚外接接1 2 1 等基本部分【n 】。 s e e d d s k 2 8 0 1 6 的特点主要有： ( 1 ) 主处理器：t m $ 3 2 0 f 2 8 0 1 6 ，主频6 0 m h z ； ( 2 ) 片内s r a m ：6 k 1 6 位； ( 3 ) 片内f l a s h ：l6 k 1 6 位； ( 4 ) 片内b o o tr o m ：4 k x1 6 位；片内o t pr o m ：1 k x1 6 位； ( 5 ) a d ：片内2 8 通道、1 2 位分辨率、2 6 7 n s 转换时间、0 - - 3 v 量程； ( 6 ) d a ：片外2 通道、1 2 位分辨率、0 v 一- 4 0 9 6 v 量程； ( 7 ) t m s 3 2 0 f 2 8 0 1 6 管脚与其它t m s 3 2 0 f 2 8 0 x 兼容： ( 8 ) 外扩r t c 实时时钟和5 1 2 8 位e e p r o m ； ( 9 ) 外扩2 通道、1 2 位分辩率、1 01 1s 建立时间、0 v 一- - 4 0 9 6 v 量程的d a c 输出； ( 1 0 ) r s 2 3 2 或r s 4 8 5 异步串口： ( 1 1 ) 1 路符合c a n 2 0 协议的c a n 总线； ( 1 2 ) 可以与s e e d b l d c 相连，实现三相直流无刷电机的控制； ( 1 3 ) 提供看门狗电路、电源监视、上电复位、手动复位，系统可靠、稳 定； ( 1 4 ) 标准的j t a g 接口，方便调试； ( 1 5 ) 工作温度： ( 1 6 ) 机械尺寸： 0 7 0 ： 1 0 0 r a m 1 0 0 m m 。 图2 5t m s 3 2 0 f 2 8 0 1 6 d s p 内部结构 如图2 5 所示，为了实现数字控制，采用t m s 3 2 0 f 2 8 0 1 6d s p 内部集成的 1 2 位a d 转换器，把焊机输出的电流、电压波形信号的模拟量转化为数字量， 从而实现模拟量到数字量的转换；转换后的数字信号则被送到d s p 内部的c p u 进行控制算法处理；运算结果加载到e p w m 模块内部相关寄存器，从而控制 p w m 波形。下面对这几个模块进行介绍： 1 ) t m s 3 2 0 f 2 8 0 1 6 模拟数字转换模块( a d c ) 介绍 t m s 3 2 0 f 2 8 0 1 6 片上有1 个1 2 位流水线a d 转换器，其前端为2 个8 选l 模拟多路复用器( m u x ) 和2 路采样保持器，模拟转换电路、稳压器以及其它 模拟支持电路。数字电路包含可编程转换序列发生器、结果寄存器、模拟电路 接口、器件外围总线接口及其它片上模块的接e l0 2 】。a d c 模块如图2 - 6 所示。 a d c 模块的功能主要有： ( 1 ) 带2 个8 选1 多路切换器和双采样保持器的1 2 位的a d c ，共有1 6 个模拟输入通道； ( 2 ) 可以选择2 个独立的8 通道排序或者是1 个1 6 通道排序； ( 3 ) 快速转换时间2 6 7 n s ； ( 4 ) 模拟输入：0 3 v ； ( 5 ) 1 6 通道，多路选择输入； ( 6 ) 自动排序功能可以提供一次触发顺序转换1 6 通道模拟输入，每次转 换能够编程选择1 6 通道的任何1 个； ( 7 ) 转换结果存储在1 6 个结果寄存器中，转换结果为： 1 2 数字值= 4 0 9 5 塑竺生墅坠皇罢霉二垒堕望旦 3 ( 8 ) 多种a d 触发方式：软件启动、e p w m l 6 和g p i o x i n t 2 ； ( 9 ) 灵活的中断控制，可以在每次转换结束或每隔一次转换结束触发中断： ( 1 0 ) e p w m 触发器在双序列发生器模式下，可以独立运行。 ( 1 1 ) 采样一一保持的采集时间窗口可以分别预先设定控制。 a d c 序列发生器由2 个独立的8 状态序列发生器( s e q l 和s e q 2 ) 组成， 也可以级联成一个1 6 状态序列发生器( s e q ) 。 图2 - 6t m s 3 2 0 f 2 8 0 1 6 d s pa d 转换模块功能框图 在这两种情况下，a d c 都能对一系列转换进行自动定序。这意味着每当 a d c 接收到转换开始请求时，它可以自动执行多次转换。对于每次转换，可通 过模拟m u x 选择1 6 个可用输入通道中的任何一个。转换之后，所选通道的数 值将存储在相应的结果寄存器( a d c r e s u l t n ) 中( 第一个结果存储在 a d c r e s u l t 0 中，第二个结果存储在a d c r e s u l t l 中，依此类推) 。 2 ) e p w m 功能模块 t m s 3 2 0 f 2 8 0 1 6 具有3 个e p w m x ( x = l ，2 ，3 ) 模块【1 3 l 。如图2 7 ，每个 e p w m 模块具有以下特点： ( 1 ) 1 6 位的周期和频率控制； ( 2 ) 2 路e p w m 输出，即e p w m x a 和e p w m x b ，它具有： 两路独立的s i n g l e - e d g e 方式 两路独立的d u a l e d g e 对称方式 两路独立的d u a l - e d g e 非对称方式 图2 7t m s 3 2 0 f 2 8 0 1 6 d s pe p w m 功能框图 ( 3 ) 独立的上升沿和下降沿死区控制； ( 4 ) 外部触发引脚可以使p w m 强制高、低或者高阻； ( 5 ) 可以触发c p u 中断和a d c 中断； ( 6 ) 3 路高解析度p w m ( h r p w m ) ，输出管脚为e p w m l a 、e p w m 2