DSP控制的IGBT逆变式GMAW焊接电源主电路设计

1、第卷第期年月重珲俄控制的逆变式焊接电源主电路设计王晓非，陈克选，肖笑，宋聚海（兰州理工大学材料科学与工程学院，甘肃兰州）摘要：针对对焊接电源的要求，设计了一台控制的全桥式逆变焊接电源。详细介绍了主电路的设计，包括输入整流电路、逆变功率开关的选型、中频变压器的设计、输出整流电路、电抗器。以及功率开关的保护电路等的设计。通过系统调试，所设计的主电路满足要求。关键词：；逆变电源；主电路中图分类号：鸭文献标识码：，文章编号：一（）瑚够，§矛，竹），）甚：“，而（）印。印毗舳一肫，访把，丑丌。，蚰山，肥：；“刖吾逆变焊接电源具有体积小、质量轻、节主电路断电时，由。、和、为。、提供放电回路。（）

2、逆变器。功率电子开关】时在以蚴脚为核心的控制回路的作用下，周期性的开关，将输入整流滤波电路产生的直流电变换成频率为材、高效节能和适应性强等优点，已经逐步应用于汽车、船舶、金属结构和压力容器等制造业中。逆变焊接电源由主电路、控制电路和保护电路三部分组成【，其主电路拓扑结构通常有推挽式、半桥式、全桥式等形式。本研究设计的逆变电源输出电流，空载电压，频率。功率较大，因此选择全桥式逆变主电路。的交流方波，之后经高频变压器降压输出。输出电压采用输出的波进行调节，即改变驱动脉冲的占空比实现。（）输出整流滤波。高频变压器输出的交流方波电压再经，、整流和电感滤波后，变为直流电压输出，为焊接提供能量。主电路组成

3、和工作原理本研究设计的逆变焊接电源输出电流，主电路设计中频变压器设计中频变压器的作用是电压变换、功率传递和实空载电压，频率，其主电路如图所示。从图中可以看出，主电路分为三部分：（）输人整流滤波。电网输入，交流电，经大功率整流二极管整流，为逆变器提供直流电压。、为滤波电容。当收稿日期：作者简介：王晓非（一）男河南商丘人，硕士主要从事数字化逆变电源的研究工作。现输入、输出之间的隔离。对于逆变焊接电源中的中频变压器，由于工作频率高达，因此要求这种变压器磁心材料高频损耗尽可能小，此外更重要的是要求避免磁心饱和，因此选择磁通密度时按最恶劣条件来选择工作磁通密度。原因是铁心的饱和意味着高频变压器励磁电流的

4、急剧增加，这显然男盔，盔鳜乏么矽么；一万方数据研究与设计雹晖拽第卷图逆变焊接主电路原理会导致与之连接的功率开关承受极大的电压、电流而损坏。考虑以上要求，本设计采用性价比较高的铁氧体材料作变压器磁心，其饱和磁通密度约。工作磁通取小于曰。本研究为全桥逆变，所以磁心中的磁通是交变的，口也是交变的，所以×。此外变压器工作在低电压、大电流的条件下，高频变压器二次侧绕组电流较大，导线比较粗，因而选择型铁心，便于绕制。中频变压器一次侧绕组。，二次侧两组绕组他，飓，对称串联。由主电路可以计算出电网输入经整流滤波后输入到变压器输入端的电压（为电网输入电压）。磁心尺寸变压器磁心尺寸取决于输出功率和温升等

5、，设计公式为习：由辟×厂××××。推出烙丽丽去丽而（）式中为功率（单位：），辟×；为经验系数；为铁心窗口面积（单位：）；为铁心有效截面积（单位：）；日为磁通变化量（单位：）；为匝数（单位：匝）厂为逆变工作频率（单位：）；，为电流密度（单位：），铜导线扛，。由式（）可以算出私一。考虑实际应用时通风和绕线留出的空间，窗口系数选择，实际选择的谢。查产品目录选择型磁心两幅合并，其，耻。验算瓣，符合要求。匝数比在此设计的电焊机空载电压，在设计变压器时适当取大，其幅值取，以，实际取。所以输出电压皓刀一。因为的开关频率为，周期殆斗，为防止直通，其导

6、通时间小于斗。实际电路乙（）×斗，满足要求。其中瓦。是万方数据最大导通脉宽，玑焊机空载电压，以中频变压器二次侧电压幅值。电网输入电压经整流滤波后，电压幅值为，。×以×××（）式中为电网电压波动系数。一次侧匝数至少为以死皿ד×）匝（）实际应用。匝，峥匝。中频变压器一次侧电流，们，考虑到在下铜的集肤效应为，选择铜皮厚度为。一次侧绕组截面积。，一次侧铜皮宽度形。，宽度形。实际应用中一次侧选用衄铜皮绕制，二次侧采用宽度的铜皮，取两股并联绕制。选择是逆变弧焊电源中的关键核心元件，对它的设计、选择直接关系到整个焊机的安全、可靠。因此在

7、计算参数时应留有较大的裕量。输入电网电压经整流、滤波后。直流输出电压××口、×××（）为电网电压有效值；为波动系数；口为安全系数，取。关断时的峰值电压以。（玑）×口（×）×（）为过电压系数；为池引起的尖峰电压（单位：）。实际中，额定电压向上靠，选择。高频变压器一次侧电流：，、，×÷（）绕组铜皮尺寸砌，中频变压器二次侧平均电流为，铜皮截面积额定电压最大值玑（承受的稳态最大电压）为【】：、式中式中额定电流，研究与设计王晓非等：控制的逆变式焊接电源主电路设计第期式中，为高频变压器一次侧电流；，为高频变

8、压器二次侧电流，按照额定输出电流计算；。、为高频变压器一、二次侧匝数。每只管子上的平均电流为，。的一半，即。额定电流，是导通时能流过管子的最大持续电流（结温），因此，选择管子的电流等级为。综上所述，选择德国西门子标准系列，其额定电压为，额定电流。阻容吸收保护电路为了防止在关断时损坏，本设计中采用缓冲电路，其组成如图中¨，。所示。其作用是在关断时，负载电流通过。向。分流，减轻负担，抑制出和过电压。本设计中电容选择“，电阻。输入电路设计电网输入交流电经整流器整流后，变成脉动直流电，需经输入滤波器进行滤波，将脉动直流电变成平滑直流电再送给逆变器。整流二极管选择二极管时是根据电流的有效值进行

9、选择的，相应的正弦半波有效值为【，（）式中，为电流有效值（单位：）；，为额定电流（单位：）。由于是三相全桥整流，每个整流管导通周期，因此每个周期内整流管电流发热量聃×刀（）式中为电流通过二极管的发热量；，为输入电流平均值；尺为负载；为周期。由此可以推出，斌×仍砰××，从而得出，即，。中频变压器一次电流，额定电流厶，×。整流二极管最大承受电压×××。实际应用选择两倍安全余量，选择额定值为，。实际焊机中选择的是整流模块。“软起动”电路设计限流电阻电容输入式整流滤波电路在接通交流电压时，合闸时对电容进行充电，往往会引起较

10、大的浪涌电万方数据流，因此会引起一系列可靠性方面的问题，必须加以抑制。软起动电路分为两部分：一是输入电网电压分段起动，在合闸时，先接人限流电阻，将合闸浪涌电流限制在设定范闱内，待输入电容充满电后，再将该电阻短接；二是逆变器的输入、输出滤波电容容量较大，若大功率开关管马上按照额定负载的脉宽（最大）导通，输入电容以最大电流放电和输出电压的突然建立，将会形成非常大的电容电流，使得功率开关管的负担过重，很有可能在合闸时将开关管烧坏。对于第二部分软起动电路通过软件编程实现，第一部分软起动电路通过硬件实现。对于第一部分限流电阻的选择要适当，过大，主电路电压降损失大；过小，起不到限流作用。本研究中，选择的限

11、流电阻为的水泥电阻。起动后，延时一段时间（即滤波电容。、，充满电后，其时间常数为尺×斗啪）嘲开关闭合，将从主电路中短接。滤波电容在此采用三相全波整流，其直流电压脉动频率为。为了供给逆变器平滑的直流电压，必须在输入整流电路和逆变器之间加入滤波电容，其目的是减小整流输出后直流电的交流分量。如图中。和，即滤波电容，其计算公式为揪蹦，（）式中为整流输出直流电压的脉动周期；为输入功率（单位：）；砜为电容器平均电压（单位：）。由式（）可得斗。一般实际选取是算出值的倍嘲。在此实际选取的是两个仙，电容串联，其目的是提高耐压值。由于电解电容不是理想的电容，它本身的阻抗对电容上的电压会有影响，所以为了稳

12、定其两端电压，使每组电容的分压相等，分别在每组的电容两端并联一个均压电阻。如图中，。本设计选择的尺尺。由于串联等效电阻和串联等效电感的存在，影响滤波效果。实际电路中，在电解电容两端并联高频无极性电容，如图中：，。选择高频滤波电容主要满足耐压值够，本设计中选择的是，。输出电路设计采用全波中心抽头整流，其优点是电压损失少，使用二极管少，成本低。整流二极管因为是高频整流，所以选择的是快恢复二极管，它具有短的反向恢复时间和小的反向恢复电流。对研究与设计重晖拽第卷于单相全波整流电路，整流二极管额定电流为，×（）式中，为整流二极管额定电流；，为焊机输出电流。管上承受最大反向电压以×（）

13、式中“为焊机输出电压幅值。本设计中考虑实际应用安伞问题，焊机选用四组整流二极管，其额定电流，额定电压。采用两两并联使用，使其电流每组达到。为了得到平滑的直流电压，需要加入输出滤波电容。其计算式为：×（）。在此设计的是的焊机，所以选择的电容为，。输出直流电抗器电焊机中直流电抗器的作用有两个：一是滤波和储能，二是改善电源的动特性，限制短路电流的上升速度和峰值电流，改善引弧性能，减小飞溅。本焊机设计时选用线性电抗器，其具有空气隙较大，在大电流时不饱和。硅钢片条形铁心，其价钱低廉。为了满足输出电流的连续，电抗器的电感量应满足（以一。，曲（）式中为直流电抗器的电感量（单位：）；以为中频变压器二

14、次侧电压幅值（单位：）；为焊机输出电压（单位：）；。为最大导通时间（单位：“）；乙为最小电流（单位：）。一般情况下乙，其中，为电焊机额定输出电流，为，的变化量，一般取，的；计算的乙，取。即（）×（×）（）当焊丝直径为砌时，取值为加。取值一般为晶闸管逆变器电感量的倍【】，本焊机选择的是。电抗器线圈匝数可由式（）求得肚与号器等等甜匝（）式中玩为铁心最大磁感应强度；为直流电抗器匝数江为直流电感；，为电抗器中流过电流。本设计，取匝。由式（）可以选择铁心型号邸卢×（××）（）式中。为窗口利用系数，一般取闭，为磊白鳜必垆，危名矗，万方数据导线电流密度（单位

15、：肌）。系统调试和结果经过逆变后，再经高频变压器降压后的波形见图。高频变压器输出经快恢复二极管整流后的空载电压波形见图，与预期输出波形符合。图实测空载高频变压器二次侧电压波形围实测二次侧整流后空载电压波形结论在主电路设计中，中频变压器的计算是非常重要的，它起着传递功率和降压的作用，是计算的核心，设计时要注意磁心是根据逆变频率选择的。盯是主电路中的核心元器件，在设计时要考虑其安全余量和保护电路设计。输出电抗器对电焊机的动特影响很大，对其设计要在实际调试时进行调整。通过对电焊机的调试，该研究满足对焊接主电路的要求。参考文献：【】顾公兵全桥式：逆变焊接电源主电路的设计】电焊机，（）：【】常云龙新型焊

16、接电源实用技术【】北京：中国教育文化出版社【李芳全数字逆变脉冲（埘焊接电源的研究】兰州：兰州理工大学材料科学与工程学院，【】殷树言：焊接设备原理与调试【】北京：机械工业出版社，【】徐德进微机控制多功能逆变焊机的研制【】兰州：兰州理工大学材料科学与工程学院，【屈稳太大功率高频逆变电焊机的研究【电力电子技术，（）：一DSP控制的IGBT逆变式GMAW焊接电源主电路设计作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：王晓非， 陈克选， 肖笑， 宋聚海， WANG Xiao-fei， CHEN Ke-xuan， XIAO Xiao，SONG Ju-hai兰州理工大学材料科学与工程学院,甘肃,

17、兰州,730050电焊机ELECTRIC WELDING MACHINE2009，39(11)0次相似文献(10条)针对GMAW-P焊的脉冲波形调制,采用16位定点数字信号处理器TMS320LF2407A建立了基于DSP的GMAW-P焊数字化控制系统.利用DSP内部集成的PWM产生模块,通过选择合适的工作方式实现了PWM信号的直接数字化控制,从而实现了GMAW-P焊高频逆变和低频脉冲波形调制,提高了控制系统的工作稳定性和可靠性,阐述了控制系统的软件设计.结果表明,所设计的数字化控制系统能实现良好的GMAW-P焊接工艺,焊接过程稳定,获得的焊缝质量好,成形美观,充分显示了DSP数字化控制的优点.

18、铝合金在工业中的广泛应用促进了铝合金脉冲GMAW焊接工艺及焊接设备的大发展,数字化技术为研发适合高效焊接铝合金工艺新电源提供了契机.文中基于数字信号处理器(DSP)和MCU双核数字控制,研制了数字化脉冲GMAW铝合金焊机.基于模块化设计思想,DSP主要处理焊接过程信号和焊接输出波形控制,MCU主要处理人机交互信息,双核之间采用通讯方式进行信息交互.设计的数字化控制电源具有焊接电源输出波形控制、熔滴过渡控制、电弧性能控制、专家系统等功能,适合各种铝合金不同场合的应用.焊接试验结果表明,焊接工艺性能良好,焊缝成形均匀一致,建立的焊接电源数字控制平台可用于铝合金焊接工艺的研究.3.学位论文 傅延安

19、GMAW引弧动态过程DSP控制优化 2003阐述了焊接过程信息数字处理控制思想,实际研究了数字信号处理器(DSP)在CO2气体保 护焊接中的应用,将数字信号处理器(DSP)在送丝系统的柔性化调节、引弧和收弧模式、焊接参数的一元化自调节等方面的应用作了研究和试验.通过研究的样机试验,建立了一套焊接电源的数字化、信息化、柔性化控制平台,并探讨了数字信号处理器(DSP)在CO2焊接领域中的应用优点和前景,并提取了DSP主控GMAW焊接电源全系统框图.试验证明该系统工作稳定可靠,较好地满足了工艺性能,实现了焊接机控制的数字化.5.学位论文 王伟明 逆变式GMA单脉冲和双脉冲焊机数字控制系统研究 200

20、4在对GMAW焊接性能影响因素的分析的基础之上,通过DSP控制系统对波控参数进行调整与比较,结合实验具体分析波控参数对GMAW焊接性能的影响.结果表明通过对波控参数精确的调节,可以有效地提高GMAW的焊接性能,可以满足不同的焊接工艺的要求.7.学位论文 孙广 基于能量调节的DSP主控短路过渡GMAW焊智能控制研究 2005采用CO2气体保护焊的短路过渡方式进行焊接时，由于CO2气体的性质造成了焊接过程稳定性及工艺性能较差(主要是飞溅大和焊缝成形差)的缺陷。本文结合CO2气体保护短路过渡焊控制方式的研究现状，以及对短路过渡各阶段控制逐渐细化及精确化的发展趋势，将先进的数字化技术引入到控制过程中，

21、同时采用更加体现焊接过程本质的能量调节方式对焊接过程的各阶段进行精确控制，获得稳定的焊接过程，并同时达到减少飞溅及改善焊缝成形的目的。理论分析及实验结果表明，短路过渡CO2焊接过程中短路期和燃弧期的能量分配是与焊接过程的稳定性及焊接质量有直接影响的，不同的能量分配形式会引起焊接工艺性能的很大变化。以往任何一种以减少飞溅率和改善焊缝成形为目的的波形控制方式的实质就是对焊接电源提供能量的一种分配过程。在一定的焊接规范下焊接电源在每一个过渡周期之内所提供给负载的总能量Q是一定的。并且以燃弧能量Qa和短路能量Qs的形式体现出来并对焊接过程产生不同的影响；燃弧能量Qa中包含加热工件形成熔池的能量Qb，维

22、持电弧稳定燃烧的能量Qp，及熔化焊丝形成熔滴所需的能量Qd。短路能量Qs主要是熔滴在向熔池过渡过程中系统所提供的能量。同时CO2短路过渡焊的稳定性与焊接过程能量的匹配有很大关系，经大量实验结果证明在一个给定的规范下存在着使焊接过程保持稳定的最佳短路过渡频率，在该过渡频率下燃弧与短路过程的重复性好，因而焊接过程具有较高的稳定性。通过调节燃弧能量Qa及短路能量Qs的匹配及其比值对焊缝尺寸及过渡频率的影响实验，得出结论：燃弧能量Qa主要对焊缝的宽度(熔宽)影响较大，Qa值越高则熔宽较大、电弧稳定性高，反之熔深较浅，且电弧不稳定；短路能量Qs主要是短路阶段中熔滴向熔池过渡时熔滴内部积聚能量的释放，该能

23、量的大小直接影响到焊接过程的飞溅率，Qs值越大则飞溅率越高、反之则飞溅率减少。而燃弧能量与短路能量比(Qa/Qs)对焊接质量及短路过渡频率都有较大的影响，当(Qa/Qs)较大时焊缝成形平坦而且光滑，反之则焊缝成形窄而高。同时(Qa/Qs)与短路过渡频率有很强的对应关系，当(Qa/Qs)合适时短路过渡频率最高焊接过程最稳定。由此可见获得良好的焊接质量和稳定焊接的过程就是焊接电源提供的诸能量之间的合理匹配的过程。利用基于能量调节的波形控制方式通过统计分析的方法验证了各控制参数对焊接过程稳定性的影响。通过大量的工艺实验确定了可以利用改变再燃弧电压Ei的方式调节短路过渡过程中的燃弧与短路阶段的能量比(

24、Qa/Qs)，从而提高焊接过程的稳定性及改善焊缝成形。同时由于短路过渡的过渡频率f与能量比(Q/aQs)之间有很强的线性对应关系，因此可以用短路过渡频率f作为控制目标而实现基于能量调节的波形控制方式。并由此可以制定出在不改变系统规范参数的情况下，完全可以通过调节能量比(Qa/Qs)来调整短路过渡频率，使焊接过程保持稳定。以此设计出基于能量调节的波形控制方案及具体控制区间，采用PI控制与模糊自寻优控制相结合的控制方式，在保持燃弧阶段的恒压控制对弧长波动的抗干扰能力的同时，采用模糊自寻优控制对再燃弧脉冲电压Ei的调节以保证在不改变规范的前提下合理调节能量比(Qa/Qs)调整短路过渡频率使其最优。在

25、数字化逆变电源的具体设计中，首先对电源系统的PI调节参数进行精确的调节，并最后确定恒压控制的比例系数Kp、积分系数Ki使控制波形稳定。根据DSP控制系统的特点，设计适于数字化程序控制的易于编程的具体PI算法公式。在本设计中把再燃弧脉冲电压Ei作为模糊控制的调节量，把最佳短路过渡频率f作为被控量，采用基于短路过渡频率f的模糊自寻优控制方式，在其他焊接参数给定的情况下，通过调整燃弧能量与短路能量比(Qa/Qs)的方式来获得最佳短路过渡频率值，在保持焊接过程稳定性的前提下同时获得满意的焊缝质量。讨论了液力变矩器总成环缝精度焊接系统GMAW焊机柔性化控制的几个由数字信号处理器(DSP)作为控制核心的新

26、型CO2气保护焊接电源的柔性化控制技术,有效实现了同步引弧、焊接过程分段时变参数以及焊缝搭接这几项技术要素,保证了液力变矩器焊后同轴度和内部间隙量精度.9.学位论文 李芳 GMAW-P数字电源设计及熔滴过渡特征信号提取与建模研究 2008脉冲熔化极气体保护焊(GMAW-P)在工业生产中的应用日益广泛。当前，铝合金等材料的广泛应用，由此而带来的新工艺等对焊接设备提出了更高的要求。GMAW-P焊接方法在应用中存在的其中一个工艺问题就是：弧长稳定性。由于GMAW-P焊接过程中，脉冲电流波形不断地在基值与峰值电流之间进行切换，因此弧长也在两个值之间不断变化，很容易出现导电嘴的回烧。如何有效的控制电弧长

27、度是GMAW-P亟待解决的工艺问题之一。GMAW-P熔滴形成、长大及过渡与脉冲参数有着密切的关系，而GMAW-P熔滴过渡过程对GMAW-P焊接工艺性能、焊缝成形和焊接质量有重要影响。如何能有效、精确控制熔滴过渡的形式，实现精确的一脉一滴熔滴过渡过程也是GMAW-P研究的一个重要任务。对于GMAW-P焊接电源，应用环境多为开放式的车间或野外，各种高频信号干扰容易导致数字焊接电源发生故障。目前，GMAW-P数字焊接电源从控制方案设计角度存在以下问题：1)采用单一的CPU，信号高度集中；2)资源独占，程序设计复杂；3)可靠性不高，某一环节的问题可能会导致系统的瘫痪。 针对当前GMAW-P数字焊接电源

28、存在的问题，应用模块化理论，计算各零部件之间的相似程度系数，形成模糊相似矩阵，从数字控制角度对GMAW-P焊接电源系统进行了模块划分。系统的主模块分为主回路模块和控制模块。控制模块又包括信息交互模块、过程控制模块、辅助功能模块三大部分。信息交互模块与过程控制模块分别采用DSP和MCU独立控制。过程控制模块以DSP为核心，通过RS-485总线与MCU控制的信息交互模块采用软件握手的方式进行数据通讯，实现对GMAW-P焊接过程中脉冲电流、电弧长度控制。此外，通过CAN总线实现了GMAW-P焊接电源与PC机之间的通讯，方便的进行产品的升级。双CPU设计将管理功能与算法功能合理分配，为优化GMAW-P

29、工艺奠定了基础。采用模块化熵Sm=1/pSmi度量系统的模块化程度，其中，p为产品模块化的级数；i为模块的级别。论文分析了GMAW-P焊接电源的故障类型，研究了GMAW-P焊接电源系统的可靠性。采用分层控制技术，构建了GMAW-P焊接电源系统故障树模型。确定了故障传播的逻辑关系，根据传播矩阵来确定各故障节点的排查次序。如果故障一旦发生，从直接导致顶事件发生的第一级节点按照排查次序检查各个节点，快速确定故障源，提高故障的诊断效率。根据故障的关键重要度采用了不同的处理方法，可以有效的节约DSP的软件资源，并且快速的处理异常状况，达到保护焊接电源的目的。理想的GMAW-P一脉一滴熔滴过渡方式可以保证

30、熔滴尺寸的一致性，而脉冲频率与熔滴直径有着密切关系：f=k*vf/D。一个脉冲周期内焊丝熔化的体积由两部分组成，一部分为发生过渡的熔滴体积d，另一部分为没有过渡而残留在焊丝端部的熔化金属的体积r。基于对焊丝端部熔化金属体积的考虑，修正了GMAW-P熔滴过渡时熔滴的尺寸与脉冲频率的关系方程：f=k*vf/D，=d/d+r=43R3/3a20x-x2a20-R2-a20*(a20-R2)+43R3,为考虑熔滴过渡后残余熔滴的体积系数。修正公式为优化选择脉冲参数提供了理论支持。建立了等速送丝GMAW-P系统传递函数，从控制理论角度解释缓降外特性对于GMAW-P电弧弧长控制的必要性。针对GMAW-P焊接的特点，对GMAW-P弧长适应控制展开研究，设计了频率-特性复合弧长控制器。一方面通过脉冲频率控制使弧长保持稳定，同时，控制焊接电源的外特性，以保证脉冲频率在小范围内波动。台