基于DSP的电阻焊机电源控制电路设计

电阻焊机的功率控制电路设计摘要：从中频逆变技术现状、中频逆变原理出发，提出并设计了基于数字单过程(DSP)的大功率中频逆变电阻焊电源控制电路。实验验证了该设计方案的可行性和优越性。也就是说，验证了控制电路简化、元件少、体积小、成本低、短路保护动作可靠性高、满足性能指标要求、提高系统控制精度等优越性。关键字：if逆变器、驱动器、DSP、IGBT引言1电阻焊是以高生产效率、低成本、材料节约和自动化为特征的重要焊接工艺，广泛应用于航空、航空、能源、电子、汽车、轻工业和其他行业。近年来，随着汽车和罐头制造等制造业的迅速增长，特种电阻焊机也取得了空前的发展，逐渐成为自动化和机器人化。由于电气电子技术的快速发展，焊接控制电源作为一种新型的控制电源，中频直流逆变电阻焊电源具有重要的高能耗特性，电阻焊电源的发展方向12。逆变控制高输出直流电源是节能、结构简单的电源。但是目前功率太小，焊接技术不太好，焊接质量不保证等问题2。关键是电力开关管的开关损耗很大。浪费了电力，同时影响了逆变电路工作的可靠性。因此，如何克服和减少大功率电阻点焊直流电源中的开关损耗成为了一个重要问题6。目前国内逆变电阻焊机大量使用模拟控制，控制电路相当复杂，难以维护，整机体积大1。相反，海外多家制造商开发的数字电阻焊机，焊接自动化水平高，质量可靠，但价格昂贵。针对这个问题，本文在保证逆变电阻焊机静态和动态特性的逆变电阻焊机研究中应用了DSP(TMS320LF2407A)控制技术，同时进一步实现了逆变电阻焊机的轻量化、节能、安全、可靠的保护功能。本文介绍的基于DSP的大功率中频逆变电阻焊电源设计是一个很好的问题解决方案。2中频逆变电源中频逆变直流电阻焊机的电源通过整流电路和滤波电容转换为直流电源，通过电源开关设备的逆变电路转换为中频方波电源，然后通过输入变压器电压下降后的低管压降将大功率二极管整流到直流电源，并供给焊机的电极焊接工件(见图1)。逆变器通常使用电流反馈来实现脉冲宽度模块(PWM)，以实现稳定的恒定电流输出。电路原理和波形如图1所示。图中，u电源可以控制电源电压、u主逆变输出if电压、变压器二次工作电流I二次、控制PWM脉宽控制工作电流I二次大小。图1中频逆变主电路框图fig . 1 medium frequency inverter electrical source theory frame根据变压器基本公式U=kfNSBm，其中u-变压器输入电压、f-输入电压的频率、n-变压器灯比率、s-变压器有效导电面积、BM-核心最大工作磁密度。在变压器的输入电压和磁感应强度最大时，提高输入电压的频率，绕组的绕组线圈员减少，铁心的横截面面积减少，变压器的体积主要由n和s决定，因此提高逆变器的频率，电力的体积和重量将大幅减少，由此可见，节省了很多铜和磁性物质1。同时，随着逆变频率的增加，二次整流输出的脉动频率增加，可以使用较小的滤波器电抗取得更好的结果，从而减少输出滤波器电抗体积和输出电路的时间常数，显着提高逆变器与控制电路的动态响应速度，满足不同的焊接工艺要求。逆变直流电源具有良好的技术经济指标，成为最先进的逆变方向1。3中频逆变电路设计逆变电路部分包括DSP及其周围电路的配置、驱动和保护电路，如图1所示。逆变器的主、次保护信号和IGBT保护信号通过传感器和检测电路得到及时保护。DSP生成PWM波和外部检测信号、保护信号和PWM驱动芯片驱动器IGBT逆变器。驱动程序芯片使用M57962AL。M57962AL满足了驱动能力、高功率、卓越的保护性能等设计需求。驱动器电路如图3所示。驱动电路包括驱动电源、检测保护和驱动芯片。驱动器芯片内部电路原理图如图2所示。IGBT高功率管道通常可以承受10us的短路电流、不饱和或过电流，因此需要快速保护，M57962AL在由驱动IGBT发生此类现象时执行软关闭保护。电路M57962AL驱动器内部有电流保护电路。图2中隔离和保护功能的典型应用电路。M57962AL的第一脚连接到IGBT收集器c，使用外部稳定器管(图2中的DZ5)代替M57962AL内部的稳定器管。在栅极驱动器电路中，在栅极和发射极之间反向连接两个稳压器二极管，以防止高压峰值，并损坏IGBT(图2中的DZ16和DZ17)。图1、图2和图3中，IGBT驱动器的工作原理将：图1中的DSP生成PWM传送到图2中的B1，经过三阶段管放大反转，进入M57962AL芯片的第13脚(图2中的驱动器芯片上的信号输入针)，M57959AL的第5脚上的15V打开和-10V关闭电压同样，IGBT的保护原理是，如果流发生时IGBT的Uce高于正常传导，饱和压降通常高于7V，则会发生所谓的设备/不饱和现象，M57962AL的第一只脚起到保护作用。M57959AL内置计时器运行，通过栅极和降压电路将短路电流钳制为低值，将M57962AL的第八只脚拉至低电平光电对(图2所示)，短路保护信号short1(图2所示)为低电平，short1给DSP，PWM输出立即关闭。驱动器信号中断，充当保护IGBT的保护电路。图2 IGBT驱动器电路图Fig.2 IGBT驱动程序circuit frame图3 M57962AL内部原理图fig . 3m 57962 al inside construct frame4控制过程流程图软件程序主要是DSP生成PWM的程序。完整的软件编程以c语言和汇编语言编程为基础，在CCS2000环境下进行调试后，下载到DSP周围的FLASH中，运行良好，达到了预期目标，主程序流程图和中断程序流程图图4。在图4中，系统初始化包含A/D端口、PWM端口等的初始设置。A/D转换通过生成计时器中断完成，开始向软件计时器T4进行A/D转换，生成中断信号，然后由DSP完成。图4主程序流程图和中断流程图fig . 4 main and interrupt program flow chart5实验波形和结论在DSP芯片周围闪存上刻录程序，向控制电路和驱动模块添加电压，只能分析单向IGBT驱动器波形。图5是IGBT操作状态下的驱动器信号波形，使用IGBT的e极(栅极)和g极(栅极)之间的PWM波形、15V开口和-10V栅极电压，使用5Khz的PWM频率。图6是在检测到过流情况或错误信号时关闭驱动器信号，从而阻止IGBT工作。分析结果表明，g极信号的峰值、峰值约20V、截止时间Tc10us保证了IGBT的安全。图5正常运行波形图6段落波形fig . 5 the waves of work situation fig . 6 the waves of short circuit situation图5和图6实验波形表明，本设计电路具有if控制5Khz开关频率，可靠性好，具有对IGBT的及时保护。使用DSP控制驱动器电路，可以控制中频逆变电源、频率可调、PWM脉宽可调、快速及时的保护动作。M57962AL芯片和外围电路具有良好的保护性能，并可及时为IGBT提供保护和隔离保护。6结束语实验结果表明，该控制电路的短路保护动作可以立即关闭PWM，可以紧急保护，满足性能指标的要求。DSP设计的控制电路和M57962AL的驱动电路大大简化了控制电路。设备少，尺寸小，降低了成本。中频控制，提高系统控制精度。性能优良，响应时间以微秒为单位，控制速度快，便于根据需要设计合适的外部特性。If逆变器的开发是现代焊接领域的重要发展方向之一，其高效节能、