基於dsp的並聯式大功率脈衝mig焊逆變電源系統的製作方法

2023-10-06 07:11:29 2

專利名稱：基於dsp的並聯式大功率脈衝mig焊逆變電源系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種基於DSP的高頻IGBT逆變技術，特別涉及ー種基於DSP的並聯式大功率脈衝MIG焊逆變電源系統。
背景技術：
弧焊電源的發展經歷了弧焊發電機、交流弧焊變壓器、矽弧焊整流器及弧焊逆變電源等階段。弧焊逆變電源採用高頻逆變技術，具有體積小、重量輕、高效節能、控制周期短、整機動態響應快、能夠進行精確控制等優勢，逆變技術的應用實現了電源主電路的數位化，使弧焊電源的性能發生了革命性的進步，但是由於現有技術繼承了比較多傳統的模擬控制方式，使得弧焊逆變電源的優勢未能得到充分的發揮。近年來，隨著數位訊號處理技 術的迅速發展，數位化控制技術的需求與日俱增，在工程領域、エ業生產、軍事、醫學以及科學研究中的應用日益普遍，在焊接領域，為了滿足國內外市場的需求，數位化弧焊電源控制系統應運而生，特別是弧焊逆變電源的數位化控制技術，使原有的逆變電源更可靠，性能更好，功能更全。弧焊逆變電源的數位化控制技術主要有兩個目的ー是使用數位化技術迅速解決弧焊逆變電源自身問題；ニ是用數位化技術提升弧焊逆變電源的功能，滿足先進位造技術的需求。聞效聞速化焊接對提聞焊接生廣效率效果明顯，而要實現對大厚板聞效聞速化焊接，關鍵在於焊接電流的進ー步提高，比如採用大功率焊接エ藝及設備。目前，在脈衝熔化極惰性氣體保護焊(Metal Inert Gas Shieled Welding,簡稱MIG焊)領域，因受到半導體功率器件容量的限制和高頻變壓器磁性材料的制約，輸出功率不大，單個逆變單元模塊輸出功率往往不能滿足大功率負載的要求，國內外傳統的脈衝MIG焊電源主要以常規630A以下脈衝MIG焊為主，雖然在技術上比較成熟，但是輸出功率小。為了填滿大厚板的焊接坡ロ，國內外傳統的脈衝MIG焊往往需要多道、層才能達到目的，很難實現一次成型焊接，故生產效率低。由此可見，現有的脈衝MIG焊電源技術，主要有以下幾個方面的缺點(I)輸出功率小。(2)對於大厚板，難以一次性實現成型的高效高速化焊接。(3)生產效率低。例如專利號為200810203848. 9的基於DSP的數位化脈衝焊接電源控制方法，雖然採用了 DSP數位化控制技術，但是由於受到單個逆變單元模塊輸出功率小的限制，因而存在上述缺陷。再如現有技術文獻資料中的「基於DSP的脈衝MIG焊數位化焊機的研製」(陸小明，熊敬清，李晉，等.電焊機，2009. 02)是由單個全橋逆變單元模塊和DSP數位化控制系統組成，雖然該脈衝MIG焊系統能夠實現熔滴過渡的可控性，但其輸出功率小(峰值電流250A)，不能實現高效高速化焊接，故亦存在上述缺陷。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的缺點與不足，提供一種基於DSP的並聯式大功率脈衝MIG焊逆變電源系統，本系統採用了並聯式大功率主電路，並對整個系統進行軟體編程控制，輸出功率大，生產效率高，易於實現一次成型焊接，可靠性高。本發明的目的通過下述技術方案實現一種基於DSP的並聯式大功率脈衝MIG焊逆變電源系統，包括三相交流輸入電網、主電路、電弧負載、人機界面模塊和控制電路，所述控制電路包括數位訊號處理器(DigitalSignalProcessor，簡稱DSP)數位化控制模塊，所述控制電路包括第一控制電路和第二控制電路，第一控制電路通過DSP數位化控制模塊與第二控制電路連接，所述主電路包括第一主電路和第二主電路，第一主電路和第二主電路相互並聯。所述第一主電路和第二主電路的電路結構相同，都包括依次電氣連接的輸入整流濾波模塊、高頻逆變模塊、功率變壓模塊和輸出整流濾波模塊，所述輸入整流濾波模塊與三相交流輸入電網相連接，所述輸出整流濾波模塊與電弧負載相連接。 所述第一控制電路和第二控制電路的電路結構相同，都包括一端均與DSP數位化控制模塊相連接的故障保護模塊、高頻驅動模塊、電壓電流檢測模塊，所述故障保護模塊的另一端與三相交流輸入電網相連接，所述高頻驅動模塊的另一端與高頻逆變模塊相連接，所述電壓電流檢測模塊的另一端與電弧負載相連接。所述DSP數位化控制模塊由ー個數位訊號處理器組成，通過ー個數位訊號處理器實現對第一主電路和第二主電路的並聯控制。所述DSP數位化控制模塊與人機界面模塊相連接，並且控制人機界面模塊；所述數位訊號處理器採用TMS320LF2407A晶片，調節主電路的脈衝峰值基值階段電流和切換輸出。所述數位訊號處理器內嵌事件管理器，所述事件管理器具有脈寬調製単元，所述脈寬調製単元以全軟體方式分別產生兩組兩路互補的脈寬調製信號，分別用於第一主電路和第二主電路的脈衝寬度調製(Pulse Width Modulation，簡稱PWM)。所述故障保護模塊包括相互連接的過壓檢測電路、欠壓檢測電路、過流檢測電路、過溫檢測電路和與門電路。所述高頻逆變模塊包括逆變橋開關管組，所述逆變橋開關管組包括VTl、VT2、VT3和 VT4。所述高頻驅動模塊包括TLP250光耦晶片，所述TLP250光耦晶片有4個；所述高頻驅動模塊將DSP數位化控制模塊輸出的PWM信號進行加強後輸入高頻逆變模塊，作為逆變橋開關管組的開關信號。本發明的工作原理本發明由兩套電路結構相同的主電路並聯而成，DSP控制模塊調節輸出電流電壓以及控制焊接參數的顯示，三相エ頻交流電經過輸入整流濾波模塊整流為平滑直流電後進入高頻逆變模塊，然後通過功率變壓模塊、輸出整流濾波模塊流入電弧負載；與此同吋，DSP數位化控制模塊根據電壓電流檢測模塊檢測到電弧負載的電壓、電流信號，把檢測到的信號與人機界面模塊給定的相關參數進行比較，經過DSP數位化控制模塊的模糊控制算法運算後，發給DSP數位化控制模塊內嵌事件管理器的脈寬調製単元一個信號，脈寬調製単元於是產生兩組兩路互補的PWM信號，這兩組兩路互補PWM信號通過兩個高頻驅動模塊放大去控制高頻逆變模塊絕緣柵雙極型電晶體(Insulated Gate BipolarTransistor,簡稱IGBT)開關管的開通和關斷，從而得到20kHz高頻高壓電，此高頻高壓電再經過功率變壓模塊轉換成符合焊接エ藝要求的低電壓大電流輸出，再經過輸出整流濾波模塊獲到平滑的焊接電流，也就是反饋模糊閉環控制過程；過壓、欠壓、過流和過溫保護電路檢測三相エ頻電壓、初級電流和散熱器溫度，把檢測到的電壓、電流和溫度信號送給故障保護模塊，如出現過壓、欠壓、過流和過溫的現象，故障保護模塊將送給DSP —個低電平故障保護信號，DSP產生低電平PWM通過高頻驅動模塊關斷高頻逆變模塊的開關管，以保護主電路，保證其安全工作。本發明相對於現有技術具有如下的優點及效果(I)輸出功率大。本發明採用並聯式大功率全橋變換器來獲得大功率的輸出，從而使功率密度大，輸出功率大。(2)焊接速度快，生產效率高。與傳統脈衝MIG焊往往需要多道、層焊縫才能填滿 大厚板焊接坡ロ相比，本發明的由於其輸出功率大，可以大大提高焊接速度和熔敷效率，從而提高了脈衝MIG焊的焊接生產效率。(3)對於大厚板的焊接，實現了一次成型焊接。由於採用粗焊絲在大電流熱作用下產生的熔滴量大，熔池寬而深，能很快填滿大厚板焊件的坡ロ，大功率電弧在熔池上燃燒，總的熱輸入遠大於傳統脈衝MIG焊的熱輸入，實現了對大厚板的一次性成型的高效高速化焊接。(4)焊接質量高。焊接エ藝可實現脈衝多參數優化匹配，焊接質量高。(5)系統穩定，控制精度高，可靠性高。該系統以ー個數位訊號處理器為核心，實現了兩個主電路的並聯控制，並通過軟體編程，使系統能夠進行穩定、可靠的大功率輸出，此夕卜，本發明還採用了電壓電流反饋的數位化控制技術，系統的動態特性優良、控制精度高。


圖I是本發明的整體結構框圖。圖2是本發明的第一主電路的電路原理圖。圖3是本發明的高頻驅動模塊的電路原理圖。圖4是本發明的電壓電流檢測模塊的電路原理圖。圖5是本發明的故障保護模塊電路原理圖。圖6是本發明的DSP數位化控制模塊的結構框圖。圖7是本發明的DSP數位化控制模塊的電路原理圖。圖8是本發明的DSP數位化控制模塊的軟體控制流程圖。
具體實施例方式下面結合實施例及附圖對本發明作進ー步詳細的描述，但本發明的實施方式不限於此。
實施例如圖I所示，一種基於DSP的並聯式大功率脈衝MIG焊逆變電源系統，包括三相交流輸入電網、兩套相互並聯的主電路、電弧負載、人機界面模塊108和兩套控制電路，所述控制電路包括DSP數位化控制模塊107、第一控制電路和第二控制電路；第一控制電路和第ニ控制電路的電路結構相同，都包括一端均與DSP數位化控制模塊107相連接的故障保護模塊106、高頻驅動模塊109、電壓電流檢測模塊105，所述故障保護模塊106的另一端與三相交流輸入電網相連接，所述高頻驅動模塊109的另一端與高頻逆變模塊102相連接，所述電壓電流檢測模塊105的另一端與電弧負載相連接；所述DSP數位化控制模塊還與人機界面模塊108相連接，並且控制人機界面模塊108 ;兩套主電路的電路結構相同，都包括依次電氣連接的輸入整流濾波模塊101、高頻逆變模塊102、功率變壓模塊103和輸出整流濾波模塊104，所述輸入整流濾波模塊101與三相交流輸入電 網相連接，所述輸出整流濾波模塊104與電弧負載相連接。DSP數位化控制模塊107由ー個數位訊號處理器組成，所述數位訊號處理器採用TMS320LF2407A晶片，調節主電路的脈衝峰值基值階段電流和切換輸出。故障保護模塊106檢測三相交流輸入電壓，為電壓檢測裝置；檢測過溫信號，為溫度繼電器；檢測初級過流信號為霍爾電流傳感器；所述人機界面模塊108採用LCD顯示屏，顯示脈衝MIG焊的峰值電壓、基值電壓、峰值電流和基值電流的給定值和反饋值以及脈衝頻率、脈衝佔空比和送絲速度的給定值；所述電壓電流檢測模塊105為電壓電流傳感器，與電弧負載相連接。如圖2所示，三相交流輸入電網接輸入整流濾波模塊101的整流模塊RAl，然後連接濾波環節L1、C1和C2，再連接高頻逆變模塊102的逆變橋VTl VT4，C3 C6，R1 R4，輸出接功率變壓模塊103的高頻功率變壓器Tl初級，變壓器Tl次級串接輸出整流濾波模塊104的高頻全波整流電路VDl VD2肖特基ニ極管、濾波環節L2後輸出大功率直流脈衝，以上環節構成大功率主電路。高頻逆變模塊102包括兩個半橋逆變橋臂，每個橋臂包含兩個IGBT開關器件。如圖3所示，高頻驅動模塊起到隔離和功率放大的作用，由於DSP輸出的PWM是3. 3V的方波信號，不能滿足驅動IGBT的功率要求，而且也無法實現控制系統與主功率電路間的隔離，因此本發明採用日本東芝的TLP250高速光電耦合器組成驅動電路，能對DSP發送過來的驅動脈衝PWMl和PWM2實現快速切換並加大驅動功率。DSP數位化控制模塊107的PWM輸出端分別與4個驅動環節TLP250的2管腳相連，驅動環節的輸出分別與逆變橋的4個開關管的G、E極相連。DSP數位化控制模塊107產生的兩組兩路互補PWM信號PWMl和PWM2分別作為圖中U2、U4和U3、U5光耦TLP250的輸入信號，TPl TP2、TP3 ΤΡ4、ΤΡ5 ΤΡ6、ΤΡ7 ΤΡ8等四對測試點的輸出信號分別作為高頻逆變模塊102中的VTl VT4的4個IGBT的驅動信號，這樣，由DSP數位化控制模塊107輸出給TLP250的3. 3V的PWM信號不需要電平轉換，只需通過高頻驅動模塊109就可以直接驅動高頻逆變模塊102中的IGBT ；當DSP數位化控制模塊107輸出的PWM信號為高電平信號時，通過高頻驅動模塊109，IGBT的G、E極間得到ー個+15V的驅動信號而導通；當DSP數位化控制模塊107輸出的PWM信號為低電平信號時，通過高頻驅動模塊109，IGBT的G、E極間得到ー個-7V的驅動信號而關斷。這樣就能很好地滿足快速IGBT開關功率管的要求。BI B4均為整流橋、U6 U9均為三端集成穩壓電源。如圖4所示，電壓採樣信號經過電感L1、L2與電容C47、C48濾波後，採用非隔離電阻R47、R48分壓採樣，之後經過運算放大器U16B進行信號調理，再經過線性光電耦合器晶片U18、電壓跟隨器U17B進行隔離、調整，成為與輸出電壓成線性關係的電壓信號，得到的小於或等於3. 3V的兩路直流脈衝電壓信號分別輸入到DSP數位化控制模塊107的ADCINO和ADCINl ロ，再通過相應軟體實現電壓A/D轉換。電流採樣電路利用霍爾電流傳感器分別對兩主電路的輸出電流進行電流信號採樣，霍爾電流傳感器得到與輸出電流成線性關係的微弱電壓信號經過濾波後得到較為乾淨、平滑的信號，然後分別將兩路電流反饋信號輸入到DSP數位化控制模塊107的ADCIN2和ADCIN3 ロ，再通過相應軟體實現電流A/D轉換。上述環節構成的並聯繫統電壓和電流反饋閉環控制電路，就可以實現並聯逆變電源系統的恆流模式的控制。如圖5所示，過壓和欠壓保護檢測電路 將三相交流輸入電網經エ頻變壓器降壓後，用橋式整流電路整流成直流電壓信號後供給電阻分壓電路，分別調節橋式電路電阻R39、R26和R38、R24的大小，就可以改變電網過壓和欠壓的閥值，即可起到過壓和欠壓保護作用。過溫保護檢測電路通過檢測散熱器上的溫度繼電器的斷開來實現過溫保護，得到CNl的①②斷開信號輸入比較器U6A的反相輸入端，U6A作為比較器進行電壓比較，其同相端為給定參考電壓，當散熱器的溫度低於溫度繼電器閥值溫度時，溫度繼電器閉合，比較器U6A反相輸入端為低電平，比較器U6A輸出高電平；當散熱器的溫度高於溫度繼電器閥值溫度時，溫度繼電器斷開，比較器U6A反相輸入端為高電平，比較器U6A輸出低電平，此信號可引起DSP數位化控制模塊107的故障保護中斷。初級過流保護檢測電路檢測初級電流信號經濾波後給比較器U6B的反相輸入端，U6B作為比較器，其同相輸入端為給定參考電流，當檢測到的初級電流大於給定參考電流時，比較器U6B輸出低電平，此信號可引起DSP數位化控制模塊107的故障保護中斷。與門U13的輸出經光耦U14後與DSP數位化控制模塊107的故障保護檢測引腳I3DPINTA相連接，當與門U13輸出端輸出過壓、欠壓、過溫和過流檢測信號出現欠壓、過壓、過溫和過流故障時，與門輸出低電平，經U14光耦後輸出低電平，作為數位訊號處理器的故障保護中斷的觸發信號輸入數位訊號處理器的Η)ΡΙΝΤΑ引腳，進入故障保護中斷服務子程序，實現故障保護。如圖6所述，選用了 TMS320LF2407A作為DSP數位化控制模塊107的控制晶片，其基本結構包括PWM信號輸出模塊、RS232/485與CAN 2. OB通信模塊、人機界面模塊IXD接ロ、存儲模塊RAM與Flash、數字I/O ロ、A/D模擬輸入。A/D採樣進來的模擬信號送到DSP數位化控制模塊107的A/D轉換通道，DSP數位化控制模塊107通過軟體算法實現A/D轉換，輸出兩組兩路互補的PWM信號經過高頻驅動模塊隔離放大後對主電路進行佔空比調製。DSP數位化控制模塊107還通過人機界面模塊108對脈衝MIG焊逆變電源的輸出電壓電流進行預置和實時顯示，通過總線RS232/485與上位機、CAN 2. OB與外部監控系統相連接，實現DSP數位化控制模塊107與上位機和外部監控系統之間的通信。如圖7所示，DSP數位化控制模塊107包括電源轉換器TPS7333Q、系統控制晶片TMS320LF2407A、30MHz 有源晶振、存儲晶片 IS61LV12816、RS232 總線驅動器 MAX232ACPE 和CAN總線驅動器PCA82C250。其中，電源轉換模塊TPS7333Q將外部供電電源+5V電平轉換成系統控制晶片TMS320LF2407A的+3. 3V電平；TMS320LF2407A主要實現對從兩臺並聯的逆變電源採樣所得的電壓和電流進行A/D轉換並進行運算，再根據運算值輸出相應頻率的PWM佔空比來驅動主電路IGBT，實現PWM佔空比調製；30MHz有源晶振為控制晶片提供基本的時鐘信號，晶片內部經過I. 33倍倍頻後得到40MHz主頻；存儲晶片IS61LV12816主要實現人機界面模塊的數據存儲；控制系統通過總線驅動器MAX232ACPE和PCA82C250與上位機以及外部監控系統進行通信，並且通過IDE標準接ロ CN2與人機界面模塊108相連接，實時顯示脈衝MIG焊電源系統的給定和反饋電壓和電流。控制系統的核心控制策略如下兩臺並聯全橋逆變主電路的電壓和電流採樣信號分別通過DSP控制晶片的ADCINO ADCIN3 ロ送到內部A/D轉換通道，通過軟體進行相應的A/D轉換和PWM佔空比調製。本發明採用美國TI公司的軟體平臺CCStudioV3. 3集成開發環境的RTDX模塊進行控制參數的調整。如圖8所述，此軟體流程圖設計的軟體主要是實現A/D轉換結果的讀取和輸出電壓和電流的控制，即實現佔空比可調的PWM脈衝產生、驅動脈衝的佔空比調製、脈衝階段切換、恆流控制以及故障保護。控制系統程序的工作原理為系統初始化後並允許焊接時，程序進入引弧程序，它包括時序控制(送氣、送絲等)、慢速送絲引弧，當電流大於一定值，井延長一段時間後，程序進入基值和峰值脈衝循環階段在基值階段進行基值電流的恆流控制，當基值時間到或者基值電壓小於基值給定電壓閾值時轉向峰值階段；在峰值階段進行峰值電流的恆流控制，在進入峰值階段2. 5ms後將採集到的峰值弧壓與給定值比較，通過模糊控制算法求出基值時間，通過改變基值時間達到弧長的穩定性控制，當峰值時間到或者峰 值電壓大於峰值給定電壓閾值時又進入基值階段。在脈衝循環過程中，不斷檢查焊接停止信號，一旦接到停焊指令，程序進入收弧控制階段，最後停止焊接並循環等待新的焊槍開關信號。上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種基於DSP的並聯式大功率脈衝MIG焊逆變電源系統，包括三相交流輸入電網、主電路、電弧負載、人機界面模塊和控制電路，所述控制電路包括DSP數位化控制模塊，其特徵在於，所述主電路包括第一主電路和第二主電路，所述第一主電路和第二主電路相互並聯，所述第一主電路和第二主電路的電路結構相同，都包括依次電氣連接的輸入整流濾波模塊、高頻逆變模塊、功率變壓模塊和輸出整流濾波模塊，所述輸入整流濾波模塊與三相交流輸入電網相連接，所述輸出整流濾波模塊與電弧負載相連接。
2.根據權利要求I所述的ー種基於DSP的並聯式大功率脈衝MIG焊逆變電源系統，其特徵在幹，所述控制電路包括第一控制電路和第二控制電路，第一控制電路通過DSP數位化控制模塊與第二控制電路連接，所述第一控制電路和第二控制電路的電路結構相同，都包括一端均與DSP數位化控制模塊相連接的故障保護模塊、高頻驅動模塊、電壓電流檢測模塊，所述故障保護模塊的另一端與三相交流輸入電網相連接，所述高頻驅動模塊的另一端與高頻逆變模塊相連接，所述電壓電流檢測模塊的另一端與電弧負載相連接。
3.根據權利要求I所述的ー種基於DSP的並聯式大功率脈衝MIG焊逆變電源系統，其特徵在於，所述DSP數位化控制模塊由ー個數位訊號處理器組成，通過ー個數位訊號處理器實現對第一主電路和第二主電路的控制。
4.根據權利要求3所述的ー種基於DSP的並聯式大功率脈衝MIG焊逆變電源系統，其特徵在幹，所述DSP數位化控制模塊與人機界面模塊相連接，並且控制人機界面模塊；所述數位訊號處理器採用TMS320LF2407A晶片，調節主電路的脈衝峰值基值階段電流和切換輸出。
5.根據權利要求3所述的ー種基於DSP的並聯式大功率脈衝MIG焊逆變電源系統，其特徵在於，數位訊號處理器內嵌事件管理器，所述事件管理器具有脈寬調製単元，所述脈寬調製單元以全軟體方式分別產生兩組兩路互補的脈寬調製信號，控制第一主電路和第二主電路的PWM調製。
6.根據權利要求2所述的ー種基於DSP的並聯式大功率脈衝MIG焊逆變電源系統，其特徵在於，故障保護模塊包括相互連接的過壓檢測電路、欠壓檢測電路、過流檢測電路、過溫檢測電路和與門電路。
7.根據權利要求I所述的ー種基於DSP的並聯式大功率脈衝MIG焊逆變電源系統，其特徵在於，所述高頻逆變模塊包括逆變橋開關管組。
8.根據權利要求7所述的ー種基於DSP的並聯式大功率脈衝MIG焊逆變電源系統，其特徵在於，所述高頻驅動模塊包括TLP250光耦晶片，所述TLP250光耦晶片有4個；所述高頻驅動模塊將DSP數位化控制模塊輸出的PWM信號進行加強後輸入高頻逆變模塊，作為逆變橋開關管組的開關信號。
全文摘要
一種基於DSP的並聯式大功率脈衝MIG焊逆變電源系統，涉及一種基於DSP的高頻IGBT逆變技術，包括三相交流輸入電網、兩套並聯的並且電路結構相同的主電路、控制電路、DSP數位化控制模塊、電弧負載和人機界面模塊；主電路包括輸入整流濾波模塊、高頻逆變模塊、功率變壓模塊、輸出整流濾波模塊；控制電路包括電壓電流檢測模塊、故障保護模塊、DSP數位化控制模塊、人機界面模塊、高頻驅動模塊組成。本發明首次使用兩套相互並聯的主電路，採用先進的高頻IGBT逆變技術和DSP數位化控制技術，有效提高了脈衝MIG焊逆變電源的輸出功率。具有輸出功率大、生產效率高及可靠性高等優點，特別適用於大厚板的高效高速化焊接。
文檔編號B23K9/095GK102672310SQ201210165028
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月23日 優先權日2012年5月23日
發明者吳開源, 趙卓立, 黃石生 申請人:華南理工大學