（材料加工工程专业论文）基于dsp控制的igbt逆变co2焊接电源的研究.pdf

硕十学 _ 7 ：论文 摘要 c 0 2 气保焊是一种先进的焊接方法。本文首先介绍了c 0 2 焊接的发展历史， 原理和特点，以及国内外发展现状和本课题研究的必要性。为了研制高效节能 的c 0 2 焊接电源，针对逆变电源的主电路、控制电路、驱动电路和送丝电路进 行了研究和设计。主电路设计采用全桥式拓扑结构，对i g b t 和中频变压器等核 心器件进行了详细的参数计算。本文分析了经常出现的问题，设计了i g b t 保护 电路和软启动电路。针对过热、过流、过欠压专门设计的保护电路，只要有 任一发生就会中断p w m ，从而实现保护。控制电路基于d s p 自身产生的两路带 死区的p w m 控制技术，采用电压闭环负反馈产生平硬的电源外特性，采用电流 闭环负反馈对短路过程进行波形控制。由于d s p 输出的p w m 波无法直接驱动 i g b t ，本文专门介绍了m 5 7 9 5 9 驱动电路。另外本文设计了送丝系统。 在焊机的主电路和控制电路部分都进行了可靠性和抗干扰设计。系统软件采 用汇编语言，以模块化方法设计。文中详细介绍了主程序、中断服务程序以及 子程序的功能和结构。 d s p 的开发所需要的仿真环境是开发d s p 系统所必需的，文中详细介绍了 d s p 的开发环境c c s 、开发工具i c e t e k 5 1 0 0 u s b 的使用。 通过试验，对该电源的实现方案、组成部分进行了分析，得到了初步的试验 结果，给出了在试验过程中记录的相关数据与波形；对试验过程中出现的问题 进行研究分析，提出了解决方法。试验结果表明：该焊机主电路响应速度快， 硬件电路简单可靠，系统软件高效、移植性好，抗干扰能力强，基本达到了最 初设计的构想和要求。 最后，针对本焊机的后续研究工作提出了进一步完善的建议，为逆变c 0 2 焊机今后的深入研究奠定了良好的基础。 关键词：d s p ；逆变；i g b t ；c 0 2 焊；p w m a bs t r a c t c 0 2a r cw e l d i n g i s a na d v a n c e dm e t h o d t h i sp a p e r i n t r o d u c e s t h e p r i n c i p l e s , c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo fc 0 2 w e l d i n g ，a sw e l la st h e d e v e l o p m e n to ft h ep r e s e n ts i t u a t i o na th o m e l a n da n d o v e r s e a s t h i sa r t i c l e1 no r d e r t od e v e l o pa ne n e r g y - e f f i c i e n tc 0 2w e l d i n gp o w e r s o u r c e ，s ow eh a v ed e e pr e s e a r c h i nt h ei n v e r t e rm a i nc i r c u i t ，c o n t r o lc i r c u i t ，d r i v e rc i r c u i ta n dw i r ed r i v ec i r c u i t s i h a v ed e t a i ld e s i g no ft h em a i nc i r c u i t ，i n c l u d i n gt h et h r e e 。p h a s e 如l l b r i d g e r e c t i f i e r c i r c u i t t h ef u l l 。b r i d g ei n v e r t e ro fi g b t ，t h ei ft r a n s f o r m e rd e s i g na n dt h ed e s l g n o f i g b tp r o t e c t i o nc i r c u i t s a n ds o f t s t a r tc i r c u i t r y t h es a f e g u a r dc i r c l u t m a l n l y c o n s i s t so fo v e r - c u r r e n t ，o v e r - h e a t ，o v e r o v o t a g ea n dl o w v o g a t ec i r c u i t s ，a sl o n g a s t h e r ei sa n vo n eo c c u rw i l lb ei n t e r r u p t e dp w m ，i n o r d e rt oa c h i e v ep r o t e c t l o n r h e c o n t r 0 1c i r c u i tb a s e do nd s pg e n e r a t e dt w op w m p u l s e sn o to v e r l a p p e de a c ho t n e l a n d ，u s i n gc l o s e d 1 0 0 pn e g a t i v ef e e d b a c kb yv o l t a g et oa c q u i r es t r o n g t e a t u r eo t c o ，w e l d e ra n du s i n gc l o s e d 1 0 0 po fn e g a t i v ef e e d b a c kb yc u r r e n tt o c o n t r o lt h e s h o r t c i r 曲i tw a v e f b r m a st h ed s po u t p mp w m w a v ec a nn o td i r e c t l yd r i v ei g b t , a tl a s tt h ep u l s e sa r eu s e dt os p r i n gi g b t m u s tb em a g n i f i e d t h i sp a p e rs p e c i f i c a l l y d e s c r i b e st h em 5 7 9 5 9d r i v ec i r c u i t b e s i d e s ，aw i r e g i v i n gs y s t e mi sd e s i g n e d i nt h l s p a p e r ，w h i c ht a k e sp w m p r i n c i p l e t h er e l i a b i l i t ya n da n t i - j a m m i n ga r ec o n s i d e r e di nd e s i g nt h ew e l d i n g m a c h l n e 。s m a i nc i r c u i ta n dt h ec o n t r o l c i r c u i te l e m e n t s s y s t e ms o f t w a r eu s l n ga s s e m b i y 1 a n g u a g ea n dd e s i g n i n gi n am o d u l a rw a y p a p e rd e s c r i b e si nd e t a i l o ft h em a l n p r o g r a m ，i n t e 帆p ts e r v i c er o u t i n e ， a sw e l la st h ef u n c t i o na n d s t r u c t u r eo tt n e s u b r o u t i n e s t h ed s ps i m u l a t i o ne n v i r o n m e n ti sn e c e s s a r y f o rt h ed e s i g n i n gd s ps y s t e m s ， t h ep a p e ri 1 1 u m i n a t e st h ed s pd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tc c s 2 0 0 0 ，a n dh o w t ou s e t h ed e v e l o p m e n tt o o l so fi c e t e k 一5 10 0 u s bi n d e t a i l t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t ，c o r r e s p o n d i n gd a t a a n dw a v e f o r m sa r er e c o r d e d p r o b l e m so c c u r r e di ne x p e r i m e n t a r ei n v e s t i g a t e da n dp u tf o r w a r ds o l u t l o n lh e e x d e r i m e n tr e s u i t sv e r i f yt h a tt h ei n v e r t e rp o w e r s o u r c eh a sr a p i dr e s p o n s e - s p e e d ， h i g hr e l i a b i l i t y as t r o n ga b i l i t yo fa n t i - j a m m i n g ，b a s i c a l l yf u l f i l lt h eo r i 9 1 n a ld e s l g n c o n c e p ta n dr e q u i r e m e n t s ， f i n a l l v s o m ei m p r o v e da d v i c e sa r ep u tf o r w a r di n a l l u s i o nt op r o b l e m sa n d d e f t c i e n c vi nt h i sw e l d i n gm a c h i n e ，w h i c hm a k eaf o u n dg r o u n d f o r f o l l o w i n g i i 硕十学何论文 r e s e a r c ho ft h ei n v e r t e rc 0 2w e l d i n gp o w e r k e y w o r d s ：d s p ；i n v e r t e r ；i g b t ；c 0 2w e l d i n g ；p w m 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特j 争j ；d n 以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：王昵4 - 日期：卫j 口年月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分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 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 e l 期：砷年多月多日 日期：如( 口年石月3 回 硕十学何论文 第1 章绪论 1 1c 0 2 气体保护焊的发展简介 c 0 2 气体保护焊是一种在c 0 2 气体保护气氛中，以电弧为能量对被焊金属进 行熔化焊的方法，也简称为气电焊【l j 。 从2 0 世纪5 0 年代初气电焊问世，便以高效节能和低成本等优点受到人们的 极大关注。7 0 年代初，以焊接为主体的现代工业，如石油化工、造船业i 电站锅炉、 海上平台、重型机械等基础工业取得飞速发展。c 0 2 气体保护焊接新工艺在这些 工业中得到了广泛应用。因此，c 0 2 气体保护焊机成为了发展最快的新技术焊接 设备之一。2 0 世纪末，现代焊接技术的发展引人注目，其中以c 0 2 气保焊技术的 进步最为突出。电焊机的应用已远远超越了1 0 0 多年来应用的变压器、发电机技 术、微电子技术、电力电子技术、计算机技术的应用，使的c 0 2 气保焊机成为典 型的机电一体化产品。在焊接机械化、自动化进程中，c 0 2 气体保护焊机被列入 到关键的执行设备。在工业发达国家，焊接机械化、自动化的程度已经高达6 0 以上，电焊机中自动、半自动焊机的构成比例已高达8 5 ，其中以c 0 2 气保焊机 为主导地位。我国虽然自2 0 世纪5 0 年代末就开始研制与应用c 0 2 气保焊，但由 于生产水平低，该焊接方法的发展一直比较缓慢。直到2 0 世纪8 0 年代以后，焊 接设备和材料大量的从国外进口，同时引进了国外先进的c 0 2 焊接设备的生产技 术和焊接生产线，这些极大地推动了我国c 0 2 焊接技术地发展。在我国，目前c 0 2 焊接已经在造船、机车和汽车制造等工业部门获得了日益广泛的应用 2 】【3 1 。 逆变焊接电源是现在应用比较广泛的电源，它具有可控性好，容易满足焊接 工艺动特性和静特性的要求，是比传统式焊接电源性能更好、功能更强的电源。 使用寿命长、返修率低、体积小、重量轻、节材、工作频率高。现在比较常用的 功率开关器件是绝缘栅双极晶体管( i g b t ) ，它具有单管容量可达1 0 0 0 a 1 2 0 0 v ， 开关频率在1 0 5 0 k h z 4 儿5 1 。 1 1 1 c 0 2 焊接基本原理 c 0 2 气体保护焊接焊的设备如图1 1 所示，由以下五部分组成： 1 ) 带有网路和焊接电缆的焊接电源 2 ) 带有焊丝盘和送丝机构的送丝装置 3 ) 带有气体流量计和电磁阀的供气装置 4 ) 带有接口的控制箱 5 ) 带有送丝软管的焊枪 基于d s p 控制的i g b t 逆变焊接电源的研究 图1 1c 0 2 气体保护焊接焊的设备 一般细丝c 0 2 气体保护焊常采用短路过渡形式。在短路焊接中，当焊丝末端 的熔滴尚未长得很大时便会和熔池表面接触，形成短路液桥而实现熔滴过渡。在 正常情况下过渡频率高达每秒钟一百多次，焊接过程稳定，焊缝成形良好，常用 以焊接薄壁零件和全位置焊接【l 】。 一个短路过渡周期有四个阶段，分别为燃弧阶段、弧隙短路阶段、液桥呈现 缩颈和断开阶段和电弧复燃。 在燃弧阶段焊丝末端的金属被加热熔化并开始形成熔滴，由于采用的焊接电 流小，所以熔滴尺寸不能很快长大。同时因为弧隙小，故熔滴尚未长得时，熔滴 的端面就和熔池表面接触，产生了弧隙短路，此时电弧瞬间熄灭，电压u 近似等 于零，而且短路电流迅速增加。随着短路电流明显增大，在短路液桥内的电磁收 缩力也随之增强，同时在液桥与熔池接触处的界面张力等综合作用下，使焊丝末 端固液界面处逐渐形成缩颈，最后使液桥在缩颈处断裂开，从而过渡到熔池中。 此后，在焊丝端面和熔池表面间又重新出现了小间隙，如果这时电源电压恢复的 速度足够快，就会使电弧重新复燃，此时短路过渡便经历了一个周期。此种过渡 过程有规律地重复进行，便构成了稳定的短路过渡焊接过程。 在短路过渡焊接生产中，短路过渡频率既是每秒钟产生短路过渡的次数。实 践表明，短路过渡频率的高低可以用来评定短路过渡焊接过程的稳定性。一般短 路过渡频率高时，即表示每秒钟熔滴过渡的次数多，这样在焊丝末端形成的熔滴 尺寸较小，短路过渡比较稳定，金属飞溅较少。 1 1 2 c 0 2 焊接特点 与普通手工电弧焊和埋弧焊相比较，c 0 2 气保焊在工艺性能、生产效率、焊 接过程自动控制和经济效益方面具有以下一些优点【6 】： 1 ) 生产效率高c 0 2 气体保护焊接的穿透力强，熔深大且焊丝的熔化率高， 熔敷速度快，生产率比手工电弧焊高l 3 倍； 2 硕十学位论文 2 ) 焊接成本低c 0 2 气体是酿造厂和化工厂的副产品，来源广、价格低廉， c 0 2 气保焊的成本只有埋弧焊和手工电弧焊的4 0 5 0 ；同时在电力消耗 上，以3 m m 厚低碳钢板对接焊缝为例，c 0 2 气保焊和药皮焊条手工电弧焊 相比，前者每米焊缝消耗的电能只为后者地7 0 左右； 3 ) 适用范围广可以进行全位置焊接，薄板可以焊到l m m 左右，最厚几乎不 受限制( 采用多层多道焊) ，而且在焊接薄板时，较之气焊速度快、变形小； 4 ) 抗锈能力较强，焊缝含氢量低，抗裂性能好； 5 ) 焊后不需要清渣，是明弧焊，有利于监视和控制，便于实现焊接过程的机 械化和自动化。 1 2c 0 2 弧焊电源的发展与现状 c 0 2 气保焊所使用的电源是随着电力电子技术的发展而不断更新换代的。从 1 9 4 7 年第一只晶体管问世，19 5 8 年晶闸管诞生，在到1 9 8 0 年以后全控型器件的 出现。c 0 2 气保焊焊接电源也随之发展更新，从2 0 世纪5 0 年代主要使用旋转直 流焊机，但由于动特性不好，需要做必要的改装。到6 0 年代出现了变压器抽头式 硅二极管整流焊机和磁放大式整流焊机。2 0 世纪7 0 年代初，晶闸管整流焊机诞生， 这是一种可控硅电焊机，可以实现对焊接电源外特性的控制，从而改善了其工艺 性能，推动了焊接技术的发展，但是由于其工作频率低，响应速度较慢，难以很 好的控制电源的外特性。2 0 世界8 0 年代以后出现了逆变技术，其工作频率高，动 态响应速度快，从而为改善焊接工艺提供了良好的条件。 逆变焊接电源与传统焊接电源相比具有以下优点【| 7 】： 1 ) 高效节能效率可达到8 0 - 9 5 ，功率因数可以提高到0 9 9 ，空载损耗只 有几十瓦，节能效果十分显著： 2 ) 重量轻、体积小这是逆变电源最明显的优点。逆变焊接主变压器的重量仅 为传统弧焊电源工频变压器的几十分之一，整机重量仅为传统焊接电源的1 5 至 1 1 0 ，整机体积也只有传统焊接电源的1 3 左右； 3 ) 具有良好的动特性，普通晶闸管弧焊电源的控制周期为3 3 m s ，而逆变弧 焊电源的动态响应时间百微秒级，与电弧焊接中物理过程的时间常数相当，能够 精密地控制电弧中各种物理现象； 4 ) 控制能力增强，显著提高了工艺性能。 c 0 2 逆变焊接电源具有以上优点，使其在工业应用中得到快速的发展。逆变 式电焊机至今经历了四代产品，从最早的晶闸管焊机，到第二代的晶体管焊机， 再到第三代的场效应管焊机，以及发展到今天以i g b t 为主流的逆变式焊机。逆变 频率从几h z 发展到今天的几十千h z 。特别是i g b t 逆变焊机，其可以工作在大 电流和高频率下。因此i g b t 逆变式焊机得到大力的推广和发展。 摹td s p 控制的i g b t 逆变焊接电源的矽究 目前i g b t 逆变式c 0 2 焊接电源的发展趋势如下【8 】： 1 ) 发展大功率、小型化的逆变电源，利用i g b t 作开关元器件的优点，制作 大容量、高性能的逆变式c 0 2 电焊机，从而提高逆变电源的可靠性。 2 ) 综合p w m 技术和谐振技术优点的脉宽调制软开关技术应用在逆变电源， 从而降低电源的开关损耗和电磁干扰，提高逆变电源的工作频率以及可靠性。 3 ) 利用单片机系统功能强、可靠性高的特点来控制电源的动态特性和静态特 性。开发数字化控制电焊机，利用专家系统，在参数选择范围内实现焊接规范和 焊接参数的自适应控制，达到最佳参数配置。 4 ) 随着现代控制技术的突飞猛进，以专家系统、神经网络、模糊控制为代表 的人工智能控制技术越来越多的运用到逆变焊接电源的设计中，从而实现逆变焊 机的智能化控制。例如，利用模糊算法进行一元化控制，合理搭配电流与电压， 从而开发出便于操作和自动焊参数选择的傻瓜式c 0 2 焊机【9 1 。 i g b t 逆变焊机以其引弧成功率高、焊接性能好、噪声低、飞溅小等特点受到 广泛的关注。在国外，i g b t 逆变焊机技术已经比较成熟，产品性能好。但在国内， 由于其在可靠性、焊接工艺和维护等方面还不成熟，现在正处于深入研究和探索 阶段【3 1 。 在控制电路方面，早期产品是以纯模拟器件构成，通过电压比较器进行模拟的 p i d 运算，从而控制脉宽调制模块。随着单片机的出现，其成为控制核心，但p w m 的产生仍旧是由s g 3 5 2 5 4 ，s g 3 5 2 5 等模拟器件产生，使电焊机性能提升不大。 随着科学技术的发展，d s p ( 数字信号处理器) 的产生，其与单片机相比具有 p w m 输出单元，而且是带可编程死区的。使得全数字控制的逆变式c 0 2 焊机成为 可能。而且d s p 还具有处理数据能力快，采样周期短等特点与单片机相比。因此， d s p 是高性能逆变式焊接电源的理想控制元件。 目前，国内哈尔滨工业大学、清华大学、北京工业大学等高校在c 0 2 逆变焊 接电源方面做了研究，我校兰州理工大学( 原甘肃工业大学) 在逆变电源方面也 有一定研究。 随着对i g b t 和逆变式焊机深入研究，c 0 2 逆变焊接电源必将有广阔的应用前 景。 1 3 本文的研究目的和主要内容 本论文根据市场需求，结合逆变技术和d s p ( 数字信号处理) 技术，研制一 台大功率i g b t 逆变c 0 2 焊接电源。为以后调整和优化c 0 2 焊接规范参数提供平 厶 口。 本文拟完成以下几点设计任务( 目标) ： 4 硕十学何论文 1 ) 设计以功率开关管i g b t 和高频变压器为核心的逆变式c 0 2 焊机主电路系统， 绘制出电路图，购置器件并安装调试。 2 ) 设计以d s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为核心的控制电路系统，绘制出电路原理图与 p c b 布线图，加工出印刷电路板，购置元件并安装调试。 3 ) 在主电路和控制电路中设计多种保护措施，以保证i g b t 的安全工作。 4 ) 设计多种抗干扰措施，保证控制系统能够在复杂的干扰环境中正常工作。 5 ) 绘制焊机的控制系统软件流程图，并用d s p 专用的汇编语言编写控制程序。 6 ) 对所设计的焊机进行脱机与联机，空载与负载调试，测试其静特性、动特性以 及调节特性。 所设计焊机的基本参数如下： 逆变c 0 2 焊接电源基本参数： 输入额定电压：3 相，3 8 0 v 士1 0 ， 5 0 h z 最大空载电压：6 7 v 额定焊接电流： 5 0 0 a 焊接电流焊接范围： 5 0 5 0 0 a 电弧电压范围： 1 6 4 2 v 额定负载持续率： 6 0 逆变频率：2 0 k h z 冷却方式：风冷 适合焊丝直径：1 0 ， 1 2 ，1 6 基于d s p 控制的i g b t 逆变焊接电源的研究 第2 章c 0 2 焊接电源主电路和i g b t 保护电路设计 2 1 总体设计 c 0 2 逆变焊接电源有三部分组成，分别是主电路、驱动电路、控制电路。主 电路主要是转换和传递能量，是整个电源的基础。 本文设计的逆变焊接电源输出电流5 0 0 a ，空载电压6 7 v ，频率2 0 k h z 。要求 系统具有平硬外特性和良好的动特性，从而使电流电压调节响应速度快。 2 1 1 逆变主电路拓扑结构选择 逆变焊接电源基本功率转换主回路的电路的拓扑结构有推挽型、全桥、半桥 以及单端正激、单端反激等，如表2 1 所示【m 】。在表2 1 中给出了各种拓扑结构的 特点。 表2 1 逆变电路的比较 电路参数 推挽式 全桥式半桥式单端式 功率开关管集稳态为2 e ，漏感稳态为e ，二极同全桥 截止期二极管 射极间施加电引起的尖峰使 管箝位v 。m a 。s e箝位v 。m 。x = e 压 v c e m a x 2 e 输出相同功率 i ci c2 i c2 i c 时集电极电流 功率开关管数 24 22 量 输出滤波电容 112l 数量 宜获得的输出 大大 中等中、小 容量 由上表可以看出，要获得大容量的输出，应该选用推挽式或全桥式拓扑结构。 但推挽式电路中由于漏感引起的电压尖峰v c e m a x 是全桥式拓扑电路的2 倍，在电 路设计和调试中比较困难，而且对开关管的耐压要求比较高，因此本系统采用应 用比较广泛的全桥式电路拓扑结构。 2 1 2 开关元器件选择 功率开关器件是逆变器中的一个关键器件。目前，功率开关器件正向着高压大 容量化、集成化、全控化、高频化及多功能化方向发展。功率开关从可控性来分， 可以大致分为半控型和全控型器件，半控型器件如普通晶闸管( s c r ) 、逆导晶闸 6 硕十学何论文 管( r c t ) 、非对称晶闸管( a s c r ) 和双向晶闸管( t r i a c ) ，其缺点是开关速度 较慢。全控型器件如可关断晶闸管( g t o ) 、电力晶体管( g t r ) 、功率场效应管 ( m o s f e t ) 、绝缘栅双极性晶体管( i g b t ) 等。在表2 2 中给出了各种全控型器 件的特点。全控型器件的开通和关断是由栅极控制，具有导通电阻小、正向压降 低、开关频率高、开关损耗小、d i d t 及d v d t 耐量大的优点，全控型器件是今后电 力半导体器件发展的方向。 在焊接逆变电源中，对功率半导体器件( 尤其是开关管) 有如下基本要求： 1 ) 耐电压值高。 2 ) 开关频率高，开关损耗小。 3 ) 动态特性d i d t 及d v d t 耐量要大。 4 ) 耐冲击电流大，可靠工作范围大。 5 ) 热稳定性好。 基于以上考虑，本文优先选用全控型器件的器件。表2 3 给出了3 0 0 v 的达林 顿g t r 、功率m o s f e t 和i g b t 三种全控型器件的特性比较。g t r 开关频率小， 对d i d t 有影响，而且是电流型驱动方式，驱动功率较大，而且存在二次击穿问题； 功率m o s f e t 有较好的高速控制性能，但是其容量小，难以实现大电流，主要应 用在小型和轻型设备中；i g b t 是m o s f e t 与双极晶体管的复合器件，它兼有 m o s f e t 易驱动和功率晶体管电压、电流容量大的优点。其工作频率介于m o s f e t 与功率晶体管之间，可正常工作在几十千赫兹频率范围内，在较高频率的大中功 率应用中占有主导地位【1 1 】。因此，本文选用i g b t 作为本电路的主控开关功率器 件。 表2 2 大功率半导体开关器件性能比较 1 0 】 器件名称g t rg t o i g b t v d m o ss i ts i t h 控制方式电流电流电压电压电压电压 常态阻断阻断阻断阻断导通关断导通关断 反向电压阻 5 0 0 j = 5 0 0 3 5 = 1 4 2 ( m m 2 ) 电流密度j = 3 5a m m 2 2 3 本章小结 1 ) 根据对焊机的容量及性能要求，通过对目前较为常用的几种逆变拓扑结构( 单 端式、推挽式、半桥式、全桥式等) 和功率开关器件( g t r 、g t o 、功率m o s f e t 、 i g b t 等) 的比较与分析，选用了全桥逆变式i g b t 焊机主电路。 2 ) 对焊接主电路进行了详细计算，包括前级整流模块的设计，逆变i g b t 元器件 的选型，高频变压器的设计，快恢复二极管的选型和保护电路设计和输出电抗 器的设计。 3 ) 本章最后针对该焊机存在的问题采取了保护措施。对i g b t 、整流二极管等关 键元件采取了阻容保护等措施，取得了良好的效果。 1 7 基于d s p 控制的i g b t 逆变焊接电源的研究 第3 章d s p 系统硬件电路和控制电路设计 3 1d s p 的发展和分类0 1 9 2 3 l d s p 实际上是单片机的升级产品，其本质也是单片机的一种，它也是将中央处 理单元、控制单元和外围设备集成到一块芯片上。第一片d s p 器件是1 9 7 8 年a m i 公司宣布的$ 2 8 11 。1 9 7 9 年i n t e l 公司推出了i n t e l 2 9 2 0 ，这是第一块脱离了微处理 器结构的d s p 芯片，成为d s p 芯片的一个里程碑。1 9 8 2 年左右，美国德州仪器 公司( t e x a si n s t r u m e n t ) 成功的推出了第一代d s p 芯片t m s 3 2 1 0 及其系列产品， 之后又相继推出了第二代、第三代d s p 芯片，性能都在不断提高。t i 在其 t m s 3 2 0 系列芯片上设置了符合i e e e l l 4 9 标准的j t a g ( j o i n tt e s t a c t i o ng r o u p ) 标准测试接口及相应的控制器，通过j t a g 接口和专用的仿真器支持d s p 的仿真 和程序的下载( 装入) ，极大的方便了d s p 应用系统的开发。 我国d s p 技术起步较早，基本上与国外同步发展。我国的很多大学也都建立 了d s p 的专用实验室，展开了对信号处理理论和算法方面研究，对d s p 芯片的开 发做出了一定的工作。 d s p 芯片型号繁杂，分类也有很多种方法，按用途可以分为通用型d s p 芯片 和专用型d s p 芯片；按照d s p 芯片处理的数据格式可分为定点d s p 和浮点d s p 芯片。 在d s p 领域，德州仪器( t i ) 公司的产品及其配套技术和开发工具具有较大 的竞争力，其中，以t m s 3 2 0 l f 2 4 x x 系列芯片的控制器，是t i 公司专门针对电 机、逆变器、机器人、数控机床等控制专门设计的，为焊机的数字化控制系统设 计提供良好的硬件保障。 3 1 1d s p 芯片发展的主要特点 自上世纪八十年代以来，d s p 芯片得到了突飞猛进的发展，因此d s p 芯片越 来越被广泛的应用。从运算速度上，m a c ( 一次乘法和一次加法) 的执行时间已 经由上世纪8 0 年代初的4 0 0 n s 减小到了l o n s 以下，处理能力提高了几十倍。从制 造工艺来说，1 9 8 0 年采用n m o s 制造工艺，而现在则普遍采用亚微米c m o s 制 造工艺。d s p 芯片的引脚数量也从19 8 0 年的最多6 4 个增加到了现在的2 0 0 个以 上，这意味着结构灵活性的增加。随着d s p 芯片的时钟频率和处理速度越来越高， 功能越来越强大，芯片的功耗也随之急速增大。因此，全球d s p 产品将向着高性 能、低功耗、加强融合和拓展多种应用发展。 即d s p 芯片的发展将朝着多、快、好、省发展。 多一一型号多，集成的片内外设多 硕士学位论文 快一一d s p 频率高，速度快 好一一性价比高 省一一功耗相对较低。 3 1 2d s p 控制器的基本原理 无论是微处理器、单片机还是d s p 控制器，它们的工作原理基本一致。都是 从存储器、i o 接口等地方读取数据，按照某种规律运算，再把运算的结果放到存 储器、i o 接口等地方。在其工作过程中，数据流和地址流占统治地位。d s p 控制 器在总体结构上有很多特殊的地方 5 9 , 6 0 】，为了实现对数据流和地址流有序的管理 和控制，采用了数据总线和地址总线的结构方式。数据总线和地址总线好比两条 高速公路，数据信息和地址信息分别在其上快速的流动。中央处理单元( c p u ) 、 程序存储器、数据存储器和内部外设等功能模块分别接在数据总线和地址总线上。 中央处理单元是控制中心，它指挥当前时刻谁可以使用数据总线和地址总线，同 时也进行有关的运算；程序存储器是物理芯片与人的接口，人编写的程序指令写 入到程序存储器中，使中央处理单元只能根据程序的流程进行指挥而不能随意发 挥，从而实现了人的意志；数据存储器是用于记录工作过程中原始数据、中间结 果以及最后结论；集成芯片的内部外设是与外部世界进行信息交换的功能模块， 一般包含i o 、a d 、串行通讯接口等。另外，数据总线和地址总线一般都延伸到 芯片的外部( 到引脚上) 。图3 1 说明了上述情况。 图3 1d s p 控制器基本原理 一般微处理器的数据总线和地址总线是单总线方式，相当于一辆车行驶在只 有一条道的高速公路，这辆车分时的为大家服务。d s p 控制器却不同，采用多总 线方式，相当于是多条道的高速公路，这样便可以多辆车同时在其上行驶，极大 的加快了运行速度。 1 9 基于d s p 控制的i g b t 逆变焊接电源的研究 3 2 数字信号处理器d s p 芯片的选择 在了解了d s p 的分类后，知道d s p 有很多系列，在每个系列中有一系列不同 的产品。目前市场上的d s p 芯片以美国德州仪器公司( t i ) 的t m s 3 2 0 l f 系列为 主流，其他公司如a t & t 、m o t o r o l a 、a d 公司等都推出了具有一定特色的d s p 芯 片。因此选择一款既经济又实用的d s p 芯片作为本控制系统的核心是很重要的。 在本控制系统中所需要的资源有：控制电源逆变器的输出两个p w m 发生器 和送丝电机一个p w m 发生器；焊接电压、焊接电流、送丝速度、参数给定各需 要一个a d 转换口，一共需要四个a d 转换口；启动、应答、送气、引弧、送丝 及停止，过流保护、过压保护、过热保护等控制开关量。 在处理速度方面，由于本系统的逆变频率2 0 k h z 。所以处理器应该在2 5 u s 之内完成所有的控制，包括a d 转换时间、占空比的计算、p w m 输出等等。另外 还应该有能力对焊接动作的顺序启动进行控制，对各种故障的中断进行处理。 考虑以上要求，本课题数字化焊机控制系统采用美国t i 公司t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p 数字信号处理芯片，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 是t i 公司生产的一种定点d s p 芯片， 它采用增强的c 2 x x 内核结构，代码与2 4 x 系列的芯片兼容。 该芯片的主要性能和资源如下【2 0 ：2 1 , 2 4 】： 1 )采用了高性能静态c m o s 技术，使供电电压降为3 3 v 减小了控制器的功 耗； 2 ) 3 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短到3 3 n s ( 3 0 m h z ) ，从而提高了控 制器的实时控制能力； 3 )基于t m s 3 2 0 c 2 x x d s p 的c p u 核，保证了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列d s p 代 码和t m s 3 2 0 系列d s p 代码兼容。 4 )c p u 时钟频率可达4 0 m h z ； 5 )片上自带3 2 k f l a s h 程序存储器；5 4 4 字的d r a m ( 双口r a m ) 和2 k 的s a r a m ( 单口r a m ) ，并提供与外部存储器接口的信号，可以分别寻 址程序存储器和数据存储器，以及i o 各6 4 k 空间； 6 )两个事件管理模块e v a 和e v b ，每个管理器都有两个1 6 位的通用定时 器，8 个1 6 位的脉宽调制( p w m ) 通道。三个捕获单元可随时捕获引脚 上出现的跳变； 7 )具有1 6 个模拟量输入通道的1 0 位模数转换器；1 0 位a d 转换器最小转 换时间为5 0 0 n s ； 8 ) 高达4 0 个可单独编程或复用的通用i o 引脚； 9 ) 片上看门狗电路保证了系统可靠运行； 1 0 )有三种通信接口模块，即串行通信接口( s c o 、串行外设接口( s p i ) 以及 控制器局域网( c a n ) 模块，通信方式十分灵活。它同时带了j t a g 接口， 2 0 硕十学位论文 方便开发调试，而且提供c 语言编译器，完全可以用c 语言进行编程。 此芯片既有丰富的微控制器外设功能又具有高性能的d s p 内核，因此非常适 合于工业控制系统。可以完全满足现代焊机控制的功能需要 5 6 】 5 7 1 。 3 3d s p 2 4 0 7 系统组成 根据c 0 2 焊接的特点，本文设计了以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为控制核心的控制板， 其硬件系统结构图如3 2 所示。 图3 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 硬件系统框图 根据c 0 2 焊接的特点和以后系统升级和扩展，本设计围t m s 3 2 0 l e 2 4 0 7 a 外 扩了一系列的功能器件，以最大程度的开发利用d s p 2 4 0 7 a 。d s p 外部晶振用 l o m h z 经锁相环倍频至4 0 m h z 。由于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 要求3 3 v 直流电源供电， 板上采用t i 的专用d c d c 转换芯片t p s 7 3 0 1 q 把外部输入的5 v 电源转变成3 3 v 。 j t a g 口是标准的i e e e l l 4 9 1 边界测试端口，可以方便地实现在线调试。其中外 扩r a m ，是为了方便程序调试，同时也外扩f l a s h 可以存储程序和一些固化数 据表格等。串行通讯接口电路是用于实现d s p 和p c 机的通信。a d ，d a 电路完 成模拟量的输入和输出。此外，考虑到现在相当一部分数字电路( 如7 4 系列逻辑 电路等) 仍使用5 v 电源，为了使d s p 与采用5 v 逻辑电平的数字电路进行通信， 本设计中使用了3 3 v - 5 v 专用芯片s n 7 4 a b t 2 4 5 a d w 2 1 基于d s p 控制的i g b t 逆变焊接电源的研究 3 3 1a d 转换前向通道设计 a d 转换器是d s p 用来采集模拟信号的，其前向通道设计的好坏直接关系到 a d 转换地采样精度，从而影响到后继的信号处理精度。因此，a d 转换前向的 通道设计十分重要。 本设计采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 自带的1 6 路十位模数转换a d c 模块一次性可 以最多1 6 个通道的t l 动转换，而且每次要转换的通道都是可以通过编程来选择。 a d 转换前向通道电路如下图3 3 所示。图3 3 中显示的是1 个转换通道的电路。 v c c a 图3 3a d 转换前向通道电路 由于d s p 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的工作电压是3 3 v ，因此输入d s p 的模拟信号也不能 超过3 3 v 。为了防止输入信号过高造成a d 输入通道的损坏，设计了对a d 通道 的保护电路，如图3 3 中的17 k 和3 3 k 电阻起到分压的作用，将外部输入的o - 5 v 的模拟量转换成o 3 3 v 。为了提高系统信号处理的精度和稳定性，本设计中加入 了滤波电容如图3 3 所示非极性电容( 1 0 2 ) 和极性电容( 2 2 u f ) ，他们可以将系统 不需要的高频和低频噪声滤掉。另外，采用稳压管限制输入电压幅值，同时输入 电压通过二极管与3 。3 v 电源相连，以吸收瞬间的电压尖峰；当电压超过3 9 v 时， 二极管导通，电压尖峰的能量被与电源并联的滤波电容和去耦电容吸收。 3 3 2 外扩程序和数据r a m 电路设计 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 中集成了3 2 k 字的f l a s hr o m 和2 5 k 字的r a m ，由于 开发调试的需要，本系统外扩了r a m 。t m s l f 2 4 0 7 a 片内的f l a s h 可以做程序 存储器，但是在开发阶段使用f l a s h 作为程序存储器不是很方便，因为每一次修 改程序都需要对f l a s h 进行清除、擦出和编程操作，然而c c s 调试只能设置硬 件断点，所以从调试的角度考虑，应扩充程序r a m 。 综上，为了方便调试和程序开发，本设计通过d s p 2 4 0 7 a 的外部总线接口扩 展了数据存储器和程序存储器。如下图3 4 所示，该系统中外扩了两片c y 7 c 1 0 2 10 。 c y 7 c 1 0 2 1 0 是6 4 k * 1 6 b i t 大小，是一种高性能c o m s 静态r o m ，存取速度 2 2 硕十学何论文 鼍皇曼曼舅曼璺曼蔓皇 一n 一_ i i i 2 n s ，d s p 2 4 0 7 在4 0 m h z 下最快能2 5 n s 执行一条指令，因此d s p 使用c y 7 c 1 0 2 1 0 不需要插入等待周期。一个作为程序存储器，一个作为数据存储器。 图3 4数据存储器和程序存储器 c y 7 c 1 0 2 1 0 引脚如图3 5 所示，其工作 电压是3 3 v 。其中a 1 5 - a 0 是地址线， i 0 1 i 0 1 6 是数据线。c e 位为片选信号，o e 位是读选通信号，w e 位为写选通信号，b h e 和b l e 分别为高八位低八位使能信号，v c c 为电源，v s s 为地。其中所有使能信号均为 低电平有效。 图3 5c y 7 c 1 0 2 1 0 引脚图 3 3 3 串口电平转换电路 在t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的片内集成有“串行通信接口s c i ( s e r i a lc o m m u n i c a t i o n s i n t e r f a c e ) ”。s c i 是一个可编程异步串行通信模块，作为一个标准的异步串行数字 通信