专利名称：电焊机的软开关全桥移相焊接电源数控方法
技术领域：
本发明涉及一种焊接电源控制方法技术领域，特别是软开关焊接电源控制方法技 术领域，具体是指一种电焊机的软开关移相焊接电源数控方法。
背景技术：
移相直流焊电源由于体积小、质量轻、高效节能和性能优良，因此得到了广泛的研 究。但移相直流焊电源中开关频率过高，电流过大，这就存在着较大的开关损耗，同时EMI 过大。软开关作为目前电力电子技术研究的热点之一，很好地解决了这个问题。近年来，随着单片机、数字信号处理器以及复杂可编程逻辑器件等元器件的发展， 数字控制技术已得到广泛的应用。相对于传统的模拟控制，数字控制技术有着控制方法灵 活多变、控制精度高、可靠性高等优点。目前国内外移相直流焊电源的最新技术趋势就是移 相开关技术和数字控制技术相结合。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电焊机的软开关移相焊接电源数控方法，有效减小开 关管的开通关断损耗，提高了开关频率，减小了控制器设计的复杂性，大大提高了其灵活 性，控制精度高、可靠性好、即使在较小的负载下也能较好地实现软开关。为了达到上述的目的，本发明提供一种电焊机的软开关移相焊接电源数控方法， 其包括步骤该电焊机的软开关移相焊接电源数控方法，其特点是，包括步骤1)通过数字控制系统的数字处理器的第一全比较单元输出第一脉冲和第二脉冲， 第二全比较单元输出第三脉冲和第四脉冲；2)所述第一脉冲和所述第二脉冲输送至软开关移相焊接电源的超前桥臂的两移 相移相直流开关管，所述第三脉冲和所述第四脉冲输送至软开关移相焊接电源的滞后桥臂 的两移相开关管；3)在周期中断中完成空载电压的软起动，读取电压电流采样值，通过检测输出电 流实现空载和负载两种不同工况的切换，在两种不同工况下实施各自的控制算法等工作， 完成空载电压的建立、负载电流的恒定以及推力电流的调节；4)第一全比较单元和第二全比较单元的比较寄存器数值按照调节器输出的要求 在下溢中断和周期中断当中不断地修改。进一步地，在步骤4)中，所述修改是在下溢中断中赋给第一全比较单元和第二全 比较单元的比较寄存器在计数器计数下降沿的比较值，在周期中断中赋给第一全比较单元 和第二全比较单元的比较寄存器在计数器计数上升沿的比较值，其中计数器计数周期为脉 冲周期。较佳地，还包括步骤5)所述数字控制系统采集故障信号，并产生信号去封锁脉 冲放大和整形电路，同时产生PDPINTA信号送至数字信号处理器，数字信号处理器内部产生PDPINTA中断封锁脉冲输出，从而中断移相焊接电源。其中，所述故障信号包括输出过电压过电流、直流母线过电流、输入过/欠电压或 机器过热的一种或几种信号。采用了本发明的电焊机的软开关移相焊接电源数控方法，软开关采用移相全桥 ZVZCS PWM变换器的移相直流焊电源，利用箝位电容实现超前桥臂的ZVS，利用饱和谐振电 感实现滞后桥臂的ZCS，有效地减小了开关管的开通关断损耗，提高了开关频率；数字控制 系统的引入不仅减小了控制器设计的复杂性，而且大大提高了其灵活性。根据上述原理设 计的软开关移相焊机，通过实验证明性能良好。
图1是本发明的一具体实施例中采用的带饱和电感的ZVZCS变换器的主电路示意 图。图2是本发明的一具体实施例的移相脉冲生成原理图。图3是本发明的一具体实施例的主程序流程图。
具体实施例方式以下将对本发明的电焊机的软开关全桥移相焊接电源数控方法作进一步的详细 描述。请参阅图1 图3所示，本发明的该电焊机的软开关移相焊接电源数控方法，包括 步骤1)通过数字控制系统的数字处理器的第一全比较单元输出第一脉冲和第二脉冲， 第二全比较单元输出第三脉冲和第四脉冲；2)所述第一脉冲和所述第二脉冲输送至软开关移相焊接电源的超前桥臂的两移 相开关管，所述第三脉冲和所述第四脉冲输送至软开关移相焊接电源的滞后桥臂的两移相 开关管；3)在周期中断中完成空载电压的软起动，读取电压电流采样值，通过检测输出电 流实现空载和负载两种不同工况的切换，在两种不同工况下实施各自的控制算法等工作， 完成空载电压的建立、负载电流的恒定以及推力电流的调节；4)第一全比较单元和第二全比较单元的比较寄存器数值按照调节器输出的要求 在下溢中断和周期中断当中不断地修改。具体的，在步骤3)中，所述修改是在下溢中断中赋给第一全比较单元和第二全比 较单元的比较寄存器在计数器计数下降沿的比较值，在周期中断中赋给第一全比较单元和 第二全比较单元的比较寄存器在计数器计数上升沿的比较值，其中计数器计数周期为脉冲 周期。较佳地，该方法还包括步骤5)所述数字控制系统采集故障信号，并产生信号去 封锁脉冲放大和整形电路，同时产生PDPINTA信号送至数字信号处理器，数字信号处理器 内部产生PDPINTA中断封锁脉冲输出，从而中断全桥移相焊接电源。其中，所述故障信号包括输出过电压过电流、直流母线过电流、输入过/欠电压或 机器过热的一种或几种信号。
本发明的软开关焊接电源采用带饱和电感的移相全桥ZVZCS PWM变换器。在移相全桥ZVZCS PWM变换器中，超前桥臂的零电压(ZVS)开关是在超前桥臂并 联适当的电容实现的，而滞后桥臂要实现零电流(ZCS)开关必须在变压器一次电压过零期 间，使一次电流复位到零并短暂箝在零电流，这一般也需要加入辅助电路，如带饱和电感、 副边带箝位等。通过分析，综合考虑到效率、成本和实现难易程度等因素，本发明选择利用饱和电 感实现滞后桥臂ZCS的拓扑作为主电路。带饱和电感的移相全桥ZVZCS PWM变换器的主电路如图1所示，超前桥臂(IGBI\ 和IGBT3组成的桥臂)实现零电压开关，滞后桥臂(IGBT2和IGBT4组成的桥臂)实现零电 流开关，从而实现了软开关全桥移相焊机的零电压零电流开关(ZVZCS)，VDi VD4分别是 与IGBI\ IGBT4反向并联的二极管每个桥臂上的两个开关管(IGBI\和IGBT3或IGBT2和 IGBT4)轮流导通半个周期。两个桥臂之间引入移相从而决定变换器的占空比。其工作原理为在超前臂一只IGBT关断后，主电路进入自然换相过程，此时饱和 电抗Ls仍处于饱和状态，变压器一次电流ip在隔直电容Cb和主变压器一次侧漏抗Llk的谐 振作用下迅速下降。当ip下降到零时，由于饱和电抗Ls已退出了饱和，阻止了阻断电容峰 值电压Uebp引起的电流反向流动，从而使滞后臂的关断在零电压零电流状态下完成。随后， 滞后臂上的另一只IGBT管开通，电源电压Uin与Ucbp之和加在饱和电抗上，由于饱和电抗进 入饱和需要一个短暂的过程，电流不能立即上升，这样滞后臂的开通也是在零电流下完成。1.主电路参数设计1. 1主变压器的设计变压器变比K = Uin(fflin)Dp(fflax)/(U0/Dsec(fflax))(1)一次侧绕组匝数= Uin(fflin)X108/(KfBfflfSc)(2)二次侧绕组匝数N2 = N3 = Ni/K(3)式中Uin(min)为输入电压的最小值；Dp(_)为一次侧最大占空比；Dse。(_)为二次侧最 大占空比；U。为额定输出电压；Kf为波形系数，正弦时取4. 44，方波时取4 ;Bm为所选磁心最 高工作磁密(单位Gs) ；f为开关频率(单位Hz) ；Sc为磁心有效截面积(单位cm2)。1. 2超前桥臂并联电容的设计并联电容= C3 ^ I0(fflin)td(lead)/(2KUin(fflax))(4)式中I。(min)为最小输出电流；Uin(_)为最大输入电压；td(lMd)为超前桥臂两开关管 驱动信号之间的死区时间。1.3饱和电感的设计饱和电感伏秒积0Ls = Ucbp Tzc = Ucbp (T/2-DT/2- A T)(5)式中Uebp为阻断电容峰值电压；Tze为滞后桥臂零电流开关时间；AT为环流时间。1.4阻断电容的设计
阻断电容 Cb = nl0 (DT2-D2T2)/(8(0Ls+nI0Llk)(6)式中为饱和电感伏秒积，为已知；Llk为变压器漏感。1. 5输出滤波电感的设计输出滤波电感Lf = U0(fflin)/(2 -2f-5% Io(fflax)) (l-Uo(fflax)/(Uin(fflin)/k-ULf-UD)) (7)式中f为输出滤波电感的工作频率；UW为滤波电感上电压降；UD为整流二极管导 通电压降。2.控制电路的设计2. 1移相P丽波的实现方法基本原理是利用DSP事件管理器中的两个全比较单元输出四路脉冲。由第一全 比较单元输出超前臂上下管脉冲，第二全比较单元输出滞后臂上下管脉冲。两个全比较单 元的比较寄存器数值按照调节器输出的要求在下溢中断和周期中断当中不断地修改，如图 2所示。在下溢中断中赋给CMPR1&CMPR2在计数器计数下降沿比较值，在周期中断中赋给 CMPR1&CMPR2在计数器计数上升沿比较值。计数器计数周期为脉冲周期。实际编程时，需要 按照全比较输出对称脉冲的设置方法设置。2. 2数字控制系统的软件流程系统软件有主程序和中断程序两大部分，主程序(见图3所示)主要是完成系统 初始化、开关机检测、开关机初始化，然后进入主程序循环等待中断。周期中断程序、下溢中 断程序和PDPINTA程序共同构成系统中断程序。在周期中断程序中完成空载电压的软起动，读取电压电流采样值，通过检测输出 电流实现空载和负载两种不同工况的切换，在两种不同工况下实施各自的控制算法等工 作。周期中断中完成空载电压的建立、负载电流的恒定以及推力电流的调节。下溢中断程序用来更新CMPR1和CMPR2的值。当主电路出现故障时，如输出过电压过电流、直流母线过电流、输入过/欠电压以 及机器过热等，外部硬件产生信号去封锁脉冲放大和整形电路，同时产生PDPINTA信号送 DSP，DSP内部产生PDPINTA中断封锁脉冲输出。通过以上方法设计了一台250A/10kW全桥移相焊电源，输入为三相380V士 15%， 输出空载电压70V，最大输出焊接电流250A，控制器采用TI公司的DSP芯片TMS320LF2407。 证明电源性能良好。因此，本发明的移相全桥ZVZCS PWM变换器利用箝位电容实现超前桥臂的ZVS，利 用饱和谐振电感实现滞后桥臂的ZCS，其有效地减小了开关管的开通关断损耗，提高了开关 频率；数字控制系统的引入不仅减小了控制器设计的复杂性，而且大大提高了其灵活性。综上所述，本发明的电焊机的软开关全桥移相焊接电源数控方法有效减小开关管 的开通关断损耗，提高了开关频率，减小了控制器设计的复杂性，大大提高了其灵活性，控 制精度高、可靠性好、即使在较小的负载下也能较好地实现软开关。在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出 各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的 而非限制性的。
权利要求
一种电焊机的软开关全桥移相焊接电源数控方法，其特征在于，包括步骤1)通过数字控制系统的数字处理器的第一全比较单元输出第一脉冲和第二脉冲，第二全比较单元输出第三脉冲和第四脉冲；2)所述第一脉冲和所述第二脉冲输送至软开关移相焊接电源的超前桥臂的两移相开关管，所述第三脉冲和所述第四脉冲输送至软开关移相焊接电源的滞后桥臂的两移相开关管；3)在周期中断中完成空载电压的软起动，读取电压电流采样值，通过检测输出电流实现空载和负载两种不同工况的切换，在两种不同工况下实施各自的控制算法，完成空载电压的建立、负载电流的恒定以及推力电流的调节；4)第一全比较单元和第二全比较单元的比较寄存器数值按照调节器输出的要求在下溢中断和周期中断当中不断地修改。
2.如权利要求1所述的电焊机的软开关移相焊接电源数控方法，其特征在于，在步骤 4)中，所述修改是在下溢中断中赋给第一全比较单元和第二全比较单元的比较寄存器在计 数器计数下降沿的比较值，在周期中断中赋给第一全比较单元和第二全比较单元的比较寄 存器在计数器计数上升沿的比较值，其中计数器计数周期为脉冲周期。
3.如权利要求1所述的电焊机的软开关移相焊接电源数控方法，其特征在于，还包括 步骤5)所述数字控制系统采集故障信号，并产生信号去封锁脉冲放大和整 形电路，同时 产生PDPINTA信号送至数字信号处理器，数字信号处理器内部产生PDPINTA中断封锁脉冲 输出，从而中断移相焊接电源。
4.如权利要求3所述的电焊机的软开关移相焊接电源数控方法，其特征在于，所述故 障信号包括输出过电压过电流、直流母线过电流、输入过/欠电压或机器过热的一种或几 种信号。
全文摘要
本发明涉及一种电焊机的全桥移相软开关焊接电源数控方法，首先输出第一脉冲、第二脉冲、第三脉冲和第四脉冲；接着前两脉冲分别输送至超前桥臂的两移相开关管，后两脉冲分别输送至滞后桥臂的两移相开关管；并在周期中断中完成空载电压的建立、负载电流的恒定以及推力电流的调节；第一全比较单元和第二全比较单元的比较寄存器数值按照调节器输出的要求在下溢中断和周期中断当中不断地修改，本发明有效减小开关管的开通关断损耗，提高了开关频率，减小了控制器设计的复杂性，大大提高了其灵活性，控制精度高、可靠性好、即使在较小的负载下也能较好地实现软开关。
文档编号B23K9/10GK101856765SQ20091004894
公开日2010年10月13日 申请日期2009年4月7日 优先权日2009年4月7日
发明者舒振宇 申请人:上海沪工电焊机制造有限公司