IGBT弧焊逆变电源的数字化控制技术

作者：微叶科技 时间：2015-05-18 16:05

     弧焊逆变电源是利用反馈网络和电子控制系统对逆变主电路进行闭环控制，来获得不同的外特性。弧焊逆变电源的外特性主要有恒压特性、恒流特性、缓降特性等几种，其外特性曲线如图1-1所示。

图1-1 弧焊逆变电源外特性曲线

下面将就IGBT弧焊逆变电源的数字化控制技术扼要地予以介绍。

1．基于单片机控制的弧焊逆变电源
图1-2为基于单片机控制的弧焊逆变电源的原理框图。

图1-2 基于单片机控制的弧焊逆变电源的原理框图

从图1-2可以看出，在弧焊逆变电源中单片机可用单元为模拟量输入/输出单元、开关量输入/输出单元、通信接口和人机对话接口等。单片机的主要功能为数值计算、数值分析和实时控制，可以实现以下的控制和调节：
1)弧焊逆变电源外特性的控制
通过单片机的数值计算，采用不同的控制算法，弧焊逆变电源可以获得不同的外特性，如恒压特性、恒流特性、缓降特性等，以适应各种焊接工艺。
2)弧焊逆变电源动态特性的控制
通过单片机的软件编程，实现PI或PID调节。在弧焊逆变电源动态特性的控制中要求控制弧焊电流的上升率(di/dt)，只要在闭环控制中加入di/dt，便可通过软件编程完成弧焊逆变电源动态特性的控制。
3)弧焊电流波形的控制
在某些类型的焊接中，要求实时控制弧焊电流的波形，可以通过单片机的软件编程实现弧焊电流波形的采样，从而实现弧焊电流的波彤或脉冲参数的控制。
4)设定焊接参数和焊接程序的控制
在单片机的ROM 存储器中预了各种焊接工艺所必需的焊接参数，如工件的材质和厚度、焊条的材料和直径、保护气体的成分、弧焊电流的大小等，在焊接前通过面板选择最佳的焊接参数，焊接时监控这些参数。针对不同工件的材质和厚度可以通过大量的试验，确定最佳的焊接参数组合并存入ROM中。这样，只要通过面板选择工件的材质和厚度，便可实现最佳的焊接工艺。焊接应有特定的焊接程序，如先通气后加电一引弧一弧焊电流调节（增加或减小），这一焊接程序由单片机实施控制。
5)故障报警和保护
在焊接过程中发生粘丝、熄弧、过电压、过电流、过热等现象时，单片机在发出报警的同时，对逆变主电路的IGBT功率开关管实施保护。
在图1-2所示的单片机控制的弧焊逆变电源的原理框图中，由面板上的键盘输入给定的焊接参数，经单片机中的A/D 单元转换成数字化的焊接参数和相应的弧焊逆变电源外特性后，通过控制开关发出焊接指令，并按焊接程序发出控制 指令，先通气后引弧。引弧成功后，将自动调节弧焊电流达到预定值。这些调节工作是通过弧焊电压和弧焊电流的实时检测，经单片机的数值计算和分析，控制PWM生成电路，改变其输出脉冲信号的占空比，调节IGBT逆变主电路的输出，实现弧焊电流实时跟踪其预定值。

2．基于DSP控制的弧焊逆变电源
基于DSP控制的弧焊逆变电源的原理框图如图1-3所示。

图1-3 基于DSP控制的弧焊逆变电源的原理框图

图1-3和图1-2比较，除了DSP在信号处理速度和数字控制功能优于单片机以外，可以利用DSP中的事件管理器提供互补的两对PWM信号，并可设定适当的死区时间，避免同一桥臂上的两只开关管直通。单片机控制的弧焊逆变电源中的PWM信号是由硬件电路产生的，而DSP控制的弧焊逆变电源中的PWM信号是通过软件设计产生的。
图1-4为主程序和中断程序流程图。主程序主要完成系统的初始化，中断程序完成电压电流采样信号的AD 转换、占空比计算，更新比较寄存器的参数值，产生新的PWM信号，触发功率开关管。

   图1-4 主程序和中断程序流程图

    全数字化弧焊逆变电源的控制可由单片机和DSP 共同来完成。单片机完成系统的管理和设定参数的输入和输出，而DSP完成PWM信号的生成，实现电源输出电压和电流的控制。

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