（材料加工工程专业论文）新型COlt2gt焊机的数值仿真及微机控制研究.pdf

摘要 本文以波控逆变c 0 2 焊机为研究对象，主要对逆变主电路中的r c 缓冲电路、 c 0 2 焊短路过渡中的信号检测电路、微机控制系统等进行了设计与调试。 建立了基于m a t l a b 的全桥式弧焊逆变主电路的仿真模型，结合r c 缓冲电 路详细分析了主电路的工作过程。在此基础上提出了r c 缓冲电路的设计计算方 法，依据此方法得到的r c 缓冲电路提高了主电路的可靠性。 采用光耦6 n 1 3 6 对电弧电压进行隔离，得到了所需的弧压信号，通过试验 得到了一个较为合适的短路检测的阀值电压；基于电压一阶微分法( d u c 1 0 设计了 缩颈检测电路，并加入削波电路，消除了燃弧电压对缩颈检测电路的影响，提高 了电路的抗干扰性。 建立了波控逆变c 0 2 焊机的系统仿真模型，对波控方案进行了验证；对控 制系统p i 参数、输出回路电感和占空比调节范围进行了仿真分析，为整机的统 调奠定了基础。 设计了具有参数设置、数据采集、系统保护等多项功能的微机控制系统，并 运用软件的方法对焊接过程中可能出现的瞬态短路进行了及时地处理，保证了信 号处理的正确性，提高了控制系统的抗干扰能力。 关键词：c 0 2 焊、逆变主电路、r c 缓冲电路、信号检测、波控系统仿真、微 机控制系统 a b s t r a c t t h er cs n u b b e rc i r c u i ti ni n v e r t e rm a i nc i r c u i t t h es i g n a ld e t e c t i n gc i r e u i t d u r i n gt h es h o r tc i r c u i to fc 0 2 ( c a r b o nd i o x i d e ) w e l d i n g , a n dt h em c u w a v e f o r m c o n t r o ls y s t e ma r ca l ld e s i g n e da n dd e b u g g e di n 血ed i s s d t a t i o n m a t l a b - - b a s e da r cw e l d i n gs i m u l a t i o nm o d e lo fb r i d g ei n v e r t e rm a i nc i r c u i ti s e s t 曲l i s h e d t h ew o r k i n gc o l l l 苫ei sa n a l y s e dd e t a i l e d l yb yt h er o o d e l a n dt h e nt h e d e s i g nm e t h o do fr cs n u b b e rc i r c u i ti sp u tf o r w a r d t h er cs n u b b e rc i r c u i tg o tb v t h a tw a yc a ni m p r o v et h er e t i a b i l i t yo f t h em a i nc i r c u i t t h es i g n a lo fa r c ；v o l t a g ew i t h o u td i s t o r t i o ni sg o tb yu s eo fd h o t o c o u p l e d i s o l a t o r6 n 1 3 6t oi n s u l a t e s i g n a lv o l t a g ef r o m a r cv o l t a g e a n dt l l er e l a t i v e a p p r o p r i a t ev o l t a g ed e t e c t i n gt h es i g n a lo f s h o r tc i r c u i ti sp r o v i d e d t h el i q u i db r i d g e s l l r i | 血d e t e c t i n gc i r c u i tb a s e do i ld u d ti sd e s i g n e d 1 1 1 ed i p p i n gc i r c u i ti sa p p l i e dt o e l i m i n a t et h ee f f e c to nt h el i q u i db r i d g es h r i n kd e t e c t i n gc i r c u i tf r o ma r cv o l t a g e s u c c e s s f u l l y , w h i c h i m p r o v e s t h ec a p a b i l i t y o f a n t i - j a m m i n g o f m t h es i m u l a t i o nm o d e lo fw a v e f o r mc o n t r o ls y s t e mi se s t a b l i s h e d ，t h ew a v e f o r m c o n t r o ls c h e m ea n dt h es y s t e mp a r a m e t e ri sa n a l y s e db yt h es i m u l a t i o nm o d e l t h e s e e s t a b l i s ht h ef o u n d a t i o n sf o rt h ed e b u g g i n go f t l a ew h o l es y s t e m t h ec o n t r o l s y s t 髓nb a s e do nm c uj sd e v i s e d , w h i c hc a np r e - s e t u p t h e p a r a m e t e r s c o l l e c tt h ed a t aa n dp r o t e c ti t s e l t h es i g n a lo ff a l s es h o r t - c i r c u i ti s e l i m i n a t e db ym e a n so fs o t t w a r et oe n s u r et h ev a l i d i t yo fs i g n a lp r o c e s s i n ga n d i m p r o v em ec a p a b i i t yo f a n t i - j a m m i n go f t h ec o n t r o ls y s t e m k e y w o r d s ：c 0 2w e l d i n g ，i n v e r t e rm a i nc i r c u i t , r cs n u b b e rc i r c u i t ，s i g n a ld e t e c t i n g ， t h es i m u l a t i o no f w a v e f o r mc o n t r o ls y s t e m ，m c uc o n t r o ls y s t e m 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，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已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同事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了 谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 查垄旦2 0 0 6 年3 月2 4 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：垄丕趔2 0 0 6 年3 月2 4 日 第一章绪论 第一章绪论 在世界范围内，逆变c 0 2 气体保护焊得到了广泛的应用，逆变焊机具有控制 性能好、动态反应速度快、体积小、重量轻、效率高等优点，c 0 2 气体保护焊是一 种具有效率高，成本低，抗氢气孔机及抗锈能力强，易实现焊接过程自动控制和进 行全位置焊接等优点的焊接方法【1 1 。因为逆变式c c h 焊具有逆变焊机和c 0 2 气体 保护焊的双重优点，所以很多焊接工作者都在致力于逆变式c 0 2 焊接技术的研究 和应用推广工作，使得逆变c 0 2 气体保护焊的应用越来越普遍。 但是常规的逆变c 0 2 焊机也存在譬如飞溅大、焊缝成形不美观，熔深不大， 有很高的堆高等缺点。飞溅是逆变c 0 2 焊机最主要的缺点，它除了带来金属的浪 费以外，还对焊接过程的稳定性产生影响【2 1 。为了降低逆变c c h 焊机的飞溅，国内 外的焊接工作者在理论和实践上做了大量的工作，特别是随着电子技术的发展，微 机和人工智能在焊接控制中的应用，使这方面的研究更为活跃【2 】。 1 1 飞溅的成因与减小飞溅的措施 1 1 1 短路过渡及飞溅产生的机理 短路过渡是在弧长较短，电压较低的时候发生的，它具有周期性变化的过程。 焊丝端部在电弧热的作用下熔化形成熔滴，随着焊丝不断地送进，与熔池发生接触 而短路，形成液桥；在表面张力和电磁收缩力的作用下，发生缩颈直至液桥爆断； 接着电弧又重新引燃，新的熔滴开始形成。如此周期性地不断重复，这就是熔滴短 路过渡过程。 短路过渡中有两种主要的飞溅形式：一是短路初期的瞬时短路飞溅；二是短路 末期短路液桥缩颈电爆炸飞溅。前者是当熔滴与熔池刚接触的瞬间，电流较大，又 由于接触面积小，电阻也较大，此时如果短路电流上升速度过快，熔滴受电磁力过 大，熔滴来不及铺展就被迅速排斥出熔池，形成飞溅。后者是短路过程中形成的液 桥被急剧加热，过量的能量积累导致液桥气化爆炸引起的飞溅 3 1 。 1 1 2 减小飞溅的措施 为了减小c 0 2 焊的飞溅，可以通过保护气体及焊接材料来改进电弧状态和熔 滴过渡形式。虽然这种途径可以取得显著效果，但却失去了c o ：焊固有的经济简 便的特点【4 】o 另外一种途径是由焊接设备和电源方面入手，对电弧及熔滴过渡行为加以控 制，从而达到减小飞溅，改善焊缝成形的目的。随着焊接电弧物理理论的不断丰富 和完善，对c 0 2 焊短路过渡过程认识的不断深入，将现代电力电子技术和计算机 技术结合起来，这一途径表现出越来越明显得优势。其中比较典型的有： ( 1 ) 传统方法【5 】； 河海太学硬士学位论文新型c c h 焊机的数值仿真及微机控制研究 传统的控制方法是在恒压外特性的焊接电源输出回路中串接1 个电抗器，由于 电抗的存在，短路电流上升率di dt 以及液桥破断时的短路峰值电流受到了抑 制，从而也降低了飞溅。同时，电抗还具有储能作用，电弧重燃后，电抗向电弧释放能量， 保证了适当的燃弧能量和较好的焊缝成型。但该方法的缺点在于电感的大小固定 无法适应焊接条件瞬变的要求，若电感值不当反而会恶化焊接效果。其电流电压波 形如图1 1 所示。 一 图1 1 传统法电压电液淡形图 l 图1 2 脉动送丝示意图 ( 2 ) 采用脉动送丝方式进行c 0 2 焊接 脉动送丝，就是通过特殊的送丝机构。采用“一送一停”的送丝方式，使送丝 速度周期性变化，对熔滴过渡进行控制。图1 2 表示焊丝送进过程。在焊丝“停” 的过程中，电弧烧长并在焊丝端头形成熔滴，电弧逐渐拉长，当电弧反烧到一定程 度，焊丝高速送进，将熔滴强制推向熔池，电弧逐渐缩短，惯性力促使熔滴完成短 路过渡。每次送进都造成一次短路过渡，即一步一个焊滴，熔滴的大小决定于送丝 步距。由于脉动送丝时，是这种强制性的短路过渡方式可以有效地克服斑点压力， 帮助熔滴顺利进入熔池，大大降低飞溅，而且不必过分降低电弧电压。脉动送丝 的实现方式很多，包括凸轮脉动送丝、送丝回抽和焊接电流联合控制等。但在实际 应用中，检测和控制系统的动态响应、电机和减速机系统的动态响应及焊丝在送丝 软管中运动的动态响应比液桥后期的收缩过程要慢得多，系统很难做到送丝与熔滴 过渡的同步1 3 矗6 j 7 】。 ( 3 ) 电流切换法 在每个熔滴过渡过程中，在液桥缩颈达到临界尺寸之前允许短路电流自然增 大，保证其电磁压缩力的有利作用。一旦缩颈尺寸达到临界尺寸后，立即进行电流 切换，将电流迅速从高值切换到低值，使液桥缩颈处在小电流下断开。但在短路焊 接中存在着固有的非规律性的过渡特性，有时会造成提前或滞后的不正常切换。正 常切换率只能达到8 5 左右。 ( 4 ) 波形控制 波形控制法就是通过控制输出电流波形，使金属液桥在低的电流上升速度和低 的短路峰值电流下断开，即使液桥在低的爆炸能量下爆断，以减小飞溅。液桥爆断， 电弧再引燃后，立即提高燃弧电流，经一段时间燃弧，电流再从高值过渡到稳定值， 这样来增加燃弧期间母材输入热量，从而达到增加熔深和改善焊缝成形的目的8 1 。 2 第一章绪论 波形控制比较有代表性的是美国林肯公司的表面张力过渡( s t t ) 控制例。其 基本原理是：在短路过渡后期，降低电流，使液桥在低的能量下爆断，减小短路过 渡的飞溅；另一方面，在燃弧后期，熔滴一旦与熔池接触，立即迫降电流，减小电 磁排斥力，抑制瞬时短路飞溅。 在以上各种减小飞溅的措施中，最具发展潜力的就是基于表面张力过渡理论的 波形控制法【1 0 l 。美国林肯公司利用逆变焊机的高速可控性，采用波形控制技术研 制了s t t 型c 0 2 半自动焊机【1 1 1 。该焊机在西气东输工程中扮演了一个很重要的角 色，据统计，按工程量计算，林肯焊机大约完成工程量的8 5 左右。这种焊机最 大的优点就是可以极大的减小飞溅【1 2 】。 由于波形控制可以有效的减小飞溅，所以受到普遍关注。天津大学的杨立军， 山东大学的张光先，兰州理工大学的马跃洲等都在波形控制逆变c 0 2 焊机的研制 方面开展了较为深入的研究。 1 2 波形控制逆变c 仉焊机的研究现状 1 2 1 国内研究 为了降低c 0 2 焊的飞溅，国内焊接工作者在波形控制逆变c 0 2 焊机的研制方 面一直在进行着不懈的努力。至今所做的大量研究工作，大致分为3 个方面：( a ) 逆变主电路方面的研究； ( b ) 焊接过程信号检测方面的研究；( c ) 波形控制系统计 算仿真技术在波控逆变c 0 2 焊技术中的应用研究。 ( 1 ) 逆变主电路方面的研究 由于在c 0 2 焊中短路发生的频率在1 0 0 h z 左右，常规的可控硅主电路已不能 满足时间上的要求，而硬开关逆变主电路存在开关损耗大，开关器件承受的电压电 流冲击大，电磁污染大等缺陷，因此一些学者进行了软开关技术的研究。比较典型 的有移相全桥零电压( f b z v s ) 和全桥零电压零电流脉宽调制( f b z v z c s ) 。 山东大学张光先等人自主研发的改进型f b z v z c s - p w m 变换器的方案已成功的 应用于奥太焊机中，这种变换器增加了焊机电源的可靠性，降低了成本，生产数千 台弧焊电源，取得明显经济效益【1 3 】。北京工业大学陈树君等人研制成一台1 0 k w 级 采用f b z v z c s p w m 交换器的软开关弧焊逆变电源的样机，各方面性能大幅提高 1 1 4 。 ( 2 ) 焊接过程信号检测方面的研究； c 0 2 焊接过程信号检测是波形控制中很关键的问题f 1 5 l 。随羞小波理论的日渐发 展和成熟，一些学者提出了焊接过程信号的小波提取。华南理工大学的薛家祥和天 津大学的薛海涛等人在这方面进行了比较深入的研究。 ( 3 ) 计算仿真技术在波控逆变c 0 2 焊技术中的应用研究。 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，且有些问题是试验难以发现和解决的。因此一些学者将计 河海大学硕士学位论文 新型c o z 焊机的数值仿真及微机控制研究 算机仿真技术应用于波控逆变c 0 2 焊技术中，取得了很好的效果。这方面研究的 最早的是华南理工大学，他们承担着国家自然科学基金项目“弧焊逆变电源结构、 参数的计算机仿真与辅助设计”【1 6 1 。借助功能强大的计算机，通过全面、系统及深 入的定性和定量分析，描述并研究新一代弧焊逆变器各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设计。 1 2 2 国外研究 在焊接逆变电源主电路方面，通过外加辅助二极管d l 、d 2 ，使逆变主电源能 在零电流和零电压开关，这就大大降低了i g b t 上所承受电压，提高了焊接电源的 稳定性【1 9 1 ，如图1 3 所示。 图1 3 零电压零电流主电路拓扑结构 在送丝系统方面，国外一些专家发现送丝系统控制方法对焊接飞溅有一定的 影响，并认为h 桥驱动控制效果最好【2 0 0 1 1 。 在控制电路方面，前苏联学者经过大量研究，最早提出了s 1 汀法( s u r f a c e t e n s i o nt r a n s f e r ) t i p 表面张力过渡法。基于这种思想，研究者们提出了各种波形控 制思想，即将短路过渡过程分成若干阶段，然后对各个阶段的电流进行控制，以达 到少飞溅或无飞溅的目的。其中，电压开环控制配合电流闭环控制的效果较为理想。 该法首先通过获取电压信号来判断是燃弧状还是短路状态：如果是燃弧状态，则采 用电压开环控制，这样有助于调节控制器，得到稳定的电压输出；当燃弧状态结束， 进入到短路状态时，则系统切换到电流闭环控制，对短路状态各个阶段的电流波形 进行实时控制。为减少飞溅和便于重新燃弧，开环电压控制在液桥断开时刻不起作 用，而是过了一段时间后才起作用，因此这种控制方式使飞溅明显减少 1 7 , 1 8 】。 1 3 存在的问题 低飞溅波控逆变c 0 2 焊机是当今焊机界研究的热点。其中逆变主电路的可靠 性，焊接过程信号获取，控制系统优化设计三方面存在的问题较多。 软开关技术虽然可以提高主电路的可靠性，但是软开关技术还不是很成熟，而 且软开关的控制电路比较复杂，所以硬开关仍然是比较常用的逆变主电路。北京时 4 第一章绪论 代，美国海宝，日本松下等公司的焊机主电路均为硬开关形式。但硬开关逆变主电 路存在的主要问题是如何设计出简单高效的缓冲电路，简单高效的缓冲电路可以改 变器件的开关轨迹，控制瞬态电压，降低功率器件的开关损耗，充分利用功率器件 的功率极限，从而保护器件安全运行，提高逆变主电路的可靠性圆。在缓冲电路 的设计方面，目前只是提出了缓冲电路的各种方案，对其元器件参数的合理选择还 没有完整的理论来定量分析。 在波控c 0 2 弧焊过程信号的获取过程中。由于线路的布置、电缆走线、外界 电磁干扰等因素，会在获取信号上叠加高频噪声。当噪声信号的强度较大时，将难 以检测原信号的波形，甚至提取到错误的反馈信息，使控制系统无法准确的控制输 出波形】。如何准确的获取焊接过程信号，一直是焊接工作者关注的问题。 焊接电弧具有非线性，时变性，难以建立精确数学模型的特点【2 4 l 。所以波控 系统的优化设计是广大焊接工作者面临的重要问题。系统的计算机仿真配合系统统 调试验是优化波控系统的有效途径。 以上问题的研究与解决必将促进c 0 2 气体保护焊在工业生产中的进步推广 和使用，大大提高劳动生产率。 1 4 课题介绍 1 4 1 本课题的任务 本课题是基于现在国内微机控制的逆变c 0 2 焊机的发展状况，向学校申请的 河海大学青年基金项目，以便对逆变c 0 2 焊的焊接过程能有进一步了解和认识， 同时对波形控制逆变c 0 2 焊机的研制进行有益的尝试。 所要研制的波形控制逆变c 0 2 焊机的主要技术要求有： ( 1 ) 焊机顺利实现逆变，其中焊机逆变电源主电路的功率器件选用i g b t ( i n s u l a t e dg a t e db i p o l a r t r a n s i s t o r ) ，逆变频率为2 0 k h z ，焊机额定电流为3 5 0 a ， 最大占空比0 4 ，空载电压6 0 v 。 ( 2 ) 能够适用于直径分别为伽8 、痧1 0 、a 0 1 2 和q 3 1 6 的焊丝。 ( 3 ) 能方便地进行焊接参数的设置，并能对有关参数进行实时显示。 ( 4 ) 能够对异常现象进行处理，具有定的保护功能。 ( 5 ) 系统稳定可靠，抗干扰能力强。 ( 6 ) 对焊接电流波形进行有效的精细化控制，减少飞溅，改善焊缝成型。 1 4 2 课题的进展情况 波控逆变焊机主有逆变主电路，信号检测电路，微机控制电路等几部分组成， 其总体结构框图如图1 4 所示。本课题经过前几届研究生的研究，在主电路，电源 外特性控制电路方面取得了如下进展。 1 4 2 1 主电路 河海大学硬士学位论文 新型c 0 2 焊机的数值仿真及微机控制研究 焊机主电路包括输入整流滤波、逆变、r c 缓冲电路、电压转换隔离以及输出 整流滤波几个部分。输入整流滤波电路、中频变压器、直流电抗器、功率器件i g b t 的选型和驱动电路、输出整流滤波电路的设计与制作等工作已基本完成。本课题中 主电路部分采用具有硬开关功能的p w m 控制全桥弧焊逆变器，其电路图如图1 5 所示。 舯幢捆 1 湘h 波r 中靴 短路缩颈信号 r 度剐 整漉滤波 一 逆变器 整瀛滤波 图1 4 逆变焊接电源结构框图 图1 5 中每个i g b t 的c 、e 间都并联了一个r c 阻容缓冲电路。缓冲电路也 称为吸收电路，是大功率变流技术中必不可少的组成部分 2 5 1 。其作用是为了吸收 i g b t 的集电极由于关断而引起的尖峰电压，保护i g b t ，提高主电路工作的可靠 性。 图1 ，5 逆变弧焊电源主电路 1 4 2 2 电源外特性控制电科2 6 l 已设计完成的电源外特性控制电路的电路图如图1 6 所示， 图1 6 中s g 3 5 2 6 是高性能的脉宽调制器集成芯片，它的误差放大器的正相输 入端l 脚有两路输入：一路是燃弧电压给定信号u g l 和短路电流给定信号i 。；另 路是空载给定电压u 吐。 1 ) 燃弧电压给定信号u 酣和短路电流给定信号i 。 6 第一章绪论 当转换开关s l 转到手动，从s g 3 5 2 6 的1 8 脚引入基准5 v 电压，经过，再 由调压旋钮r 5 产生u g l ；当s i 切换到微机控制状态时，控制信号经过由d a 转换 器输入，产生u g i 。在燃弧状态下，电压反馈信号u f 经过光耦u 5 隔离放大，再经 模拟切换开关m c l 4 5 5 1 接入s g 3 5 2 6 的误差放大器的反相输入端2 脚，与u 9 1 构 成电压负反馈闭环系统，产生平硬的电源外特性，输出恒定电压，并且由u 。i 控制 图1 6 电源外特性控制电路 可调。 在短路过渡过程中，系统采用电流闭环控制。当检测到短路时，向微机控制系 统发出中断申请。c p u 响应中断后，输出电流给定信号i 。同时，在c p u 控制下， 模拟开关m c l 4 5 5 1 把电压反馈信号u f 从s g 3 5 2 6 的误差放大器的反相输入端断开， 并接地，转而把电流反馈控制信号i f 接入，这样就构成电流闭环负反馈。微机控制 系统可以通过控制给定电流的大小来实现短路期间电流波形的控制。 2 ) 空载电压给定u m 反馈电流信号i f 经过运放u l b 反相放大后，与设定值比较，判断是否空载。当 电流小于3 0 a 时，处于空载状态，u 2 a 输出正相饱和电压，经r 1 6 、r 1 1 分压后， 得到空载给定电压u 吐，电源输出空载电压5 0 v ；当电流高于3 0 a 时，则处于焊接 状态，u 2 a 状态翻转，二极管d 4 截止，u 匣2 一o ，进入正常焊接状态。 在s g 3 5 2 6 的误差放大器的反相输入端2 脚，也有两路输入：一路是电压反馈 信号u f 。为了防止系统相互干扰，控制电路与主电路之间采用光耦隔离。另一路 是电流反馈信号i f 。由于比较器u 2 。以及模拟开关芯片m c l 4 5 5 1 输入要求为正， 所以采用两级放大电路对电流反馈信号i f 的相位与增益进行调整。 1 4 3 本论文的任务 本论文的内容在课题已取得的进展基础上进行，主要包括以下几方面： 河海大学硕士学位论文 新型c o z 焊机的投值仿真及微机控制研究 1 对主电路部分进行仿真和试验分析，设计出合理的r c 缓冲电路参数，使 主电路能够稳定可靠的工作。 2 对焊接过程中的短路和缩颈检测电路进行设计调试。 3 对系统进行数学建模与仿真分析，验证波控方案的可行性，并为以后的整 机统调奠定基础。 4 对微机控制系统的软硬件部分进行设计。 第二章主电路中r c 缓冲电路的计算与分析 第二章主电路中r c 缓冲电路的计算与分析 主电路是焊机的基础，承担着转换和传递能量的任务，必须安全可靠的工作。 合理的r c 缓冲电路是主电路可靠工作的有利保障。r c 缓冲电路的设计要建立在对 逆变主电路工作过程详细分析的基础上。对于大功率的焊机逆变主电路来说，其工 作环境和负载情况都非常恶劣，而采用的功率器件很昂贵，所以在焊接逆变主电路 分析中采用计算机仿真技术更具有优越性。因此本文借助电路仿真软件建立主电路 仿真模型，在仿真的基础上对主电路的工作过程进行分析。 2 1 基于m a l ：l a b 的弧焊桥式逆变电路的仿真模型 开关型变换器是个强非线性的时变系统，要准确地分析其空间和动态性能 往往是非常困难的。建立精确的数学模型一直是电力电子学领域的一个难题，通常 只有假设一定的条件，而忽略一些次要的因素，才能得到在一定范围内适用的数学 模型，为分析和设计电路提供帮助。弧焊逆变主电路仿真方法一般有两种：一种方 法是建立电路中各个元件模型，然后把它们连成电路进行仿真。如文献【2 7 】就是以 p s p i c e 中现有的器件模型为基础，先建立了绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 的组合模型， 并以非线性电容来表征器件的寄生电容。然后采用所建立的模型，对双端全桥零电 压零电流( f b - b z v z c s - p w m ) 软开关变换器进行了计算机仿真，分析了器件的 开关性能和变换器的能量传输性能，并通过试验验证了仿真结果，证实了在建立合 适的器件模型的基础上，计算机仿真可以成为研究弧焊逆变电源的有效手段；另一 种方法是把整个逆变电路看成一个整体进行仿真，这种方法根据弧焊逆变电源动态 过程的特点，采用计算机仿真技术，通过建立控制系统的非线性模型，得到各种动 态过程的直接描述，并进行仿真分析，为研究弧焊逆变器输出电流的动态过程提供 有效的手段。 2 1 1 仿真软件的选择 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 r 和m a t l a b 分别是两类仿真器的代表。 p s p i c e 是较早出现的e d a 软件之一，由m i c r o s l m 公司于1 9 8 5 年推出。 在电路仿真方面，它的功能可以说是最为强大，在国内被普遍使用。现在使用较多 的是p s p i c e6 2 ，工作于w i n d o w s 环境，占用硬盘空间2 0 多兆。p s p i c e 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，著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。 m a t l a b5 2 中新增加的p o w e rs y s t e mb l o c k s e t ( p s b ) 含有在一定使用条件下 9 河海大学碗士学位论文 新型c 仉焊机的数值仿真及微机控制研究 的元件模型，包括电力系统网络元件、电机、电力电子器件、控制和测量环节以及 三相元件库等，再借助于其它模块库或工具箱，在s i m u l i n k 环境下，可以进行电 力系统的仿真计算，可以实现复杂的控制方法仿真，同时可班蕊察仿真的执行过程。 仿真结果在仿真结束时利用变量存储在m a t l a b 的工作空间中。 p s p i c e 和m a t l a b ( p s b ) 仿真软件各有其应用的优势，其版本也在不断更新， 其中m a t l a b 现在已经推出7 0 版本。m a t l a b ( p s b ) 适用于中等规模电路的仿真 以及变定步长仿真算法的电路仿真。m a t l a b s i m u l i n k 的强大运算能力对于仿 真结果的后处理非常方便。p s p i c e 则适用于小规模系统元器件级的建模。若系统 规模过大，则仿真执行时间则会变得非常长【嚣l 。 基于以上的转折，本文使用m a t l a b 新增的p o w e rs y s t e mb l o c k s e t ( p s b ) 模块来 建立弧焊逆变主电路仿真模型。 2 1 2 仿真模型的建立 2 12 1 i g b t 模块介绍】 i g b t 模块位于p o w e r i i b 模块库中的p o w e r e l e c t r o n i c s 子模块库内，i g b t 模块 模拟了一个半导体器件，该器件由一个门信号进行控制。i g b t 模块的外观图如图 2 1 所示，c 为信号的输入端，g 端为控制信号输入端，e 为信号输出端，m 端输 出的是通过i g b t 模块的电流值i c 以及模块两端的电压值u e e 。i g b t 模块实现的 具体电路如图2 2 所示。 国 图2 1 i g b t 模块外观图 c 蠹蕊飞兰，蒿蜃e r c u c e g 图2 2i g b t 模块实现电路图 由图2 2 ，i g b t 模块实际上是由一个电感，一个电阻，一个直流电源以及一个 电源开关串联而成，其中电源开关是由一个逻辑控制电路控制着的。逻辑控制电路 的控制源为逻辑信号g ，g 的取值为大于0 或者等于0 。如果集电极与发射极之问 第二章主电路中r c 缓冲电路的计算与分析 的电压为正且大于v f 则当g 的输入信号为正时，i g b t 模块导通：当g 的输入信 号为0 时，i g b t 模块的关闭。如果集电极与发射极之间的电压为负，则i g b t 处 于关闭状态。 i g b t 模块还需要进行参数设定，它的参数调整对话框中各个选项的含义如下： “r e s i s t a n c er o n ( o h m s ) ”文本框：用于设置图2 2 中r o n 电阻的参数值。 一般取0 0 0 0 1 0 。 “i n d u c t a n c el o n ( h ) ”文本框：用于设置图2 2 中l o n 电感的参数值。一般 取l 坩。 “f o r w a r d v o l t a g e ”文本框：用于设置图2 2 中v f 直流电压源的参数值。一 般取2 v 。 “i n i t i a lc u r r e n t i c ( a ) ”文本框：用于设置通过i g b t 模块初始电流值的参 数。一般参数被设置为0 ，如果它被设置为大于0 ，则i g b t 模块的初始状态就是 导通的。 “s n u b b e rr e s i s i t a n c e r s ( o h m s ) ”文本框：用于设置与c ，e 两端并联的 电阻值，如果设置为i n f , 则代表不存在并联电阻。 “s n u b b e r c a p a c i t a n c ec s ( f ) ”文本框：用于设置与c ，e 两端并联的电容 值，如果设置为0 ，则代表不存在并联电容。 “c u r r e n t1 0 f a l l t i m e ( s ) ”文本框：用于设置通过i g b t 的电流下降到 原通过电流1 0 所需要的时间，以秒为单位。一般取1 u s 。 “c u r r e n tt a i l t i m e ( s ) ”文本框：用于设置通过i g b t 的电流由1 0 下降到 0 所需的时间。一般取2 u s 。 在以上参数中，c u r r e n t1 0 f a l lt i m e ( s ) 和c u r r e n tt a i lt i m e ( s ) 两个 参数的设置涉及到i g b t 的关闭特性。即当g 信号降为0 后，i g b t 模块在关闭过 程中大致可分为两个阶段，第1 阶段在t f 这一下降时间内，集电极电流从最大电 流值降到1 0 最大电流值；第二阶段在t t 这一尾部时间内，集电极电流值由1 0 最大电流下降到0 。集电极电流具体的下降形式如图2 3 所示。 。一 m a x ，_ _ 。 |k o - t m a x 、 荆 图2 3i g b t 模块集电极电流下降形式示意图 2 1 2 2 电弧非线性负载模型 l l 河海大学硕士学位论文 新型c 0 2 焊机的数值仿真及微机控制研究 熔滴短路过渡过程作为非线性过程，表现为电弧负载的高度非线性。c 0 2 气体 保护焊熔滴短路过渡过程分燃弧段和短路段两个阶段，电弧负载在这两个阶段具有 不同的特性。电弧负载可等效为图2 4 【3 0 1 所示的电路模型。图中u l 焊丝干伸长压降， u 2 为弧柱压降。u 3 阴极和阳极压降之和。 图2 4 电弧负载等效模型 此模型为电弧静态关系模型。在动态过程研究中，燃弧电压u 内电流f 的关系 仍可视作线性环节。而燃弧电压u 。与电弧弧长l a 之间的影响是无惯性的【3 1 】，所以上 述电弧模型可作为电弧动态模型予以运用和研究。 图2 4 所示的电弧负载模型在m a t l a b 仿真中实现方式如图2 5 所示，用i d e a l s 谢b c h l 模块来实现短路和燃弧的切换，用恒压源来等效阴极和阳极压降之和，在短 路过程中i d e a ls w i t c h 2 关断，将恒压源与负载电路断开。短路时，i d e a l s w i t c h l 导 通, i d e a ls w i t c h 2 关断；燃弧时，i d e a ls w i t c h l 关断，i d e a ls 耐t c h 2 导通。i d e a l s w i t c h l 和i d e a ls w i t c h 2 的驱动脉冲p u l s e g e n e r a t o r l 和p u l s e g e n e r a t o r 2 反相。改变 i d e a ls w i t e h 驱动脉冲p u l s eg e n e r a t o r 的周期和脉宽，可以实现对短路频率和焊接过程 一个焊接周期中燃弧和短路时间的调节。 i d e a ls w i t c h 2 图2 5 电弧负载仿真模型 一般逆变主电路的调试用电阻箱作为负载。电阻箱负载是阻性负载，与实际焊 接过程中的电弧非线性负载存在很大的差异，这给主电路的调试带来了不便。运用 上述所建的电弧负载模型，可以对主电路进行焊接过程的仿真。 2 1 2 3 仿真电路模型 使用s i m p o w e r s y s t e m 提供的电路元件模型搭建主电路模型，接入电弧负载的 封装模块，构建出的桥式逆变主电路模型如图2 6 ( 测量模块从略) 所示。其中i g b t 模块驱动采用p u l s eg e n e r a t o r 模块。 1 2 第二章主电路中r c 缓冲电路的计算与分析 e 圈2 6 弧焊逆变主电路仿真模型 2 1 2 4 仿真结果 运行仿真模型，得到i g b t 的u c c 波形和电弧负载电压和电流的波形分别如图 2 7 ，图2 9 所示。仿真模型中中频变压器的变比为l ：1 0 ，i g b t 的驱动频率为2 0 k h z ， 电抗器l 1 为1 0 0 l h ，短路过渡周期为l o m s ，其中燃弧阶段为7 5 m s ，短路阶段为 2 5 m s 。 图2 7 i g b t 的u c e 仿真波形 图2 8 i g b t 的u c e 实测波形 啡鲫辩柚 协蟑糟韵蜘 图2 9 仿真电弧电压和电流波形图 图2 1 0 实测电弧电压和电流波形 河海大学硕士学位论文 新型c 0 2 焊机的数值仿真及微机控制研究 实验测得的i g b t 的u c o 波形和电弧电压和电流波形分别如图2 8 ，图2 1 0 所 示。实验选用北京时代公司的z p 7 - - 5 0 0 型逆变焊机，焊丝直径为1 0m l t l ，收弧电 流为3 0 0 a ，收弧电压为3 0 v 。 对比图2 7 、图2 9 可以看出，仿真波形与实测波形基本一致，说明所建的仿真 模型是正确的。 2 2r c 缓冲电路的分析与计算 逆变焊机中功率器件i g b t 的损坏是影响主电路正常工作的最主要因素。i g b t 损害，不外乎是在开关过程中遭受了过量的d i d t 、d v d t 或瞬时功率危害而造成的， 缓冲电路的作用，就是改变器件的开关轨迹，控制瞬态电压，降低i g b t 开关损耗， 充分利用i g b t 的功率极限，保护器件安全运行。缓冲电路减小i g b t 的开关损耗， 是将开关损耗从i g b t 上转移至缓冲电路上，但总的开关损耗并未减妙3 2 】。 2 2 1 全桥逆变主电路工作过程 图2 1 1 全桥式逆变主电路 全桥式逆变主电路如图2 1 l 所示。图中以e 表示电网输入电压经过整流滤波 后得到的直流电，q 1 4 是四个i g b t 。其中，q 1 和q 4 是一组，q 2 和q 3 是一 组。电源的逆变过程如下：当q l 和q 4 开通，q 2 和q 3 关断时，电源经过q 1 、 变压器原边、q 4 构成导通回路；当q l 和q 4 由开通到关断时，q 2 和q 3 并不是 立刻开通，而是继续关断一段时间后才开通，以防止直通现象的发生；当0 2 和 q 3 开通，q 1 和q 4 关段时，电源经过q 2 、变压器原边、q 3 构成导通回路；当 q 2 和q 3 由开通到关断时，q 1 和q 4 并不是立刻开通，而是继续关断一段时间后 才开通，进入下一个逆变过程。 从图2 1 1 中可以看到，在每个i g b t 的c 、e 间都并联了一个r c 阻容，这就 是r c 缓冲电路。其作用是为了控制i g b t 的关断浪涌电压和续留二极管恢复浪涌 电压，减小开关损耗，保护i g b t ，提高逆变主电路的可靠性。 2 2 2 逆变主电路工作过程仿真分析与l g b t 关断轨迹的选择 第二章主电路中r c 缓冲电路的计算与分析 r c 缓冲电路参数对i g b t 的关断轨迹有着很大影响。图2 1 2 ，图2 1 3 是两组不 同r c 参数下通过图2 6 所示的仿真模型得到的i g b t l 的u c e 波形图。 在图2 1 2 所示的情况下，i g b t 模块内部的续流二极管在变压器原边续流过程中 未导通，逆变主电路的整个工作过程如下： 譬 1 譬 ； 。ll _ tu 。 _ 0 j 一 f f 拍珀at 髓7 m7 l 蛔倒蟠 * 1 0 l_ 图2 1 2i g b t l 的u c e 波形( 续流二极管不导通) t l t 2 时段，i g b t l 、i g b t 4 从导通转到关断状态，电流通过变压器原边，c 2 r 2 ， c 1 r i 形成续流回路，直到t 2 时刻，此时d 2 、d 3 不导通。 t 2 t 3 时段，i g b t 2 、i g b t 3 导通，到t 3 时刻； t 3 4 时段，i g b t 2 、i g b t 3 从导通转到关断状态，电流通过变压器原边，c 1 r 1 ， c 2 r 2 形成续流回路，直到t 4 时刻，此时d i 、d 4 不导通。 t 4 t 5 时段，i g b t l 、i g b t 4 导通，直到t 5 时刻，i g b t l 、i g b t 4 关断，进入 下个循环。 在图2 1 3 所示情况下，i g b t 模块内部的续流二极管在变压器原边续流过程中 导通，整个工作过程如下： 6 t i f f 那0 如0 一 昱铷0 苦2 1 1 a 1 0 0 0 均o l ， 馑l l 驳z 7 8 i757 , 8 77 ( s ) ，3 x l e t 】t 2 t3t t 5 t 图2 1 3i g b t i 的u c e 波形( 续流二极管导通) “t 2 时段，i g b t l 、i g b t 4 从导通转到关断状态，变压器原边续流，对c 2 、 c 3 反向充电( 规定电压上正下负为正) ，当q 2 ，q 3 的u c e 达到续流二极管导通 河海大学硕士学位论文 新型c 0 2 焊机的数值仿真及微机控制研究 条件时，d 2 、d 3 导通，i g b t l 、i g b t 4 的集射极电压u c e 被钳位为电源电压，直 到t 2 时刻； t 2 t 3 时段，续流二极管d 2 、d 3 上的电流变为0 ，被关断，变压器原边由于 漏感作用，在一个l r c 回路中发生振荡，直到t 3 时刻； t 3 t 4 时段，i g b t 2 、i g b t 3 导通，直到t 4 时刻。 件惦时段，i g b t 2 、i g b t 3 关断