CN102672310A - 基于dsp的并联式大功率脉冲mig焊逆变电源系统 - Google Patents

Abstract

一种基于DSP的并联式大功率脉冲MIG焊逆变电源系统，涉及一种基于DSP的高频IGBT逆变技术，包括三相交流输入电网、两套并联的并且电路结构相同的主电路、控制电路、DSP数字化控制模块、电弧负载和人机界面模块；主电路包括输入整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块、输出整流滤波模块；控制电路包括电压电流检测模块、故障保护模块、DSP数字化控制模块、人机界面模块、高频驱动模块组成。本发明首次使用两套相互并联的主电路，采用先进的高频IGBT逆变技术和DSP数字化控制技术，有效提高了脉冲MIG焊逆变电源的输出功率。具有输出功率大、生产效率高及可靠性高等优点，特别适用于大厚板的高效高速化焊接。

Description

基于DSP的并联式大功率脉冲MIG焊逆变电源系统

技术领域

本发明涉及一种基于DSP的高频IGBT逆变技术，特别涉及一种基于DSP的并联式大功率脉冲MIG焊逆变电源系统。

背景技术

弧焊电源的发展经历了弧焊发电机、交流弧焊变压器、硅弧焊整流器及弧焊逆变电源等阶段。弧焊逆变电源采用高频逆变技术，具有体积小、重量轻、高效节能、控制周期短、整机动态响应快、能够进行精确控制等优势，逆变技术的应用实现了电源主电路的数字化，使弧焊电源的性能发生了革命性的进步，但是由于现有技术继承了比较多传统的模拟控制方式，使得弧焊逆变电源的优势未能得到充分的发挥。近年来，随着数字信号处理技术的迅速发展，数字化控制技术的需求与日俱增，在工程领域、工业生产、军事、医学以及科学研究中的应用日益普遍，在焊接领域，为了满足国内外市场的需求，数字化弧焊电源控制系统应运而生，特别是弧焊逆变电源的数字化控制技术，使原有的逆变电源更可靠，性能更好，功能更全。弧焊逆变电源的数字化控制技术主要有两个目的：一是使用数字化技术迅速解决弧焊逆变电源自身问题；二是用数字化技术提升弧焊逆变电源的功能，满足先进制造技术的需求。

高效高速化焊接对提高焊接生产效率效果明显，而要实现对大厚板高效高速化焊接，关键在于焊接电流的进一步提高，比如采用大功率焊接工艺及设备。目前，在脉冲熔化极惰性气体保护焊（Metal Inert Gas Shieled Welding，简称MIG焊）领域，因受到半导体功率器件容量的限制和高频变压器磁性材料的制约，输出功率不大，单个逆变单元模块输出功率往往不能满足大功率负载的要求，国内外传统的脉冲MIG焊电源主要以常规630A以下脉冲MIG焊为主，虽然在技术上比较成熟，但是输出功率小。为了填满大厚板的焊接坡口，国内外传统的脉冲MIG焊往往需要多道、层才能达到目的，很难实现一次成型焊接，故生产效率低。

由此可见，现有的脉冲MIG焊电源技术，主要有以下几个方面的缺点：

（1）输出功率小。

（2）对于大厚板，难以一次性实现成型的高效高速化焊接。

（3）生产效率低。

例如专利号为200810203848.9的基于DSP的数字化脉冲焊接电源控制方法，虽然采用了DSP数字化控制技术，但是由于受到单个逆变单元模块输出功率小的限制，因而存在上述缺陷。

再如现有技术文献资料中的“基于DSP的脉冲MIG焊数字化焊机的研制”（陆小明，熊敬清，李晋，等.电焊机，2009.02）是由单个全桥逆变单元模块和DSP数字化控制系统组成，虽然该脉冲MIG焊系统能够实现熔滴过渡的可控性，但其输出功率小（峰值电流250A），不能实现高效高速化焊接，故亦存在上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于DSP的并联式大功率脉冲MIG焊逆变电源系统，本系统采用了并联式大功率主电路，并对整个系统进行软件编程控制，输出功率大，生产效率高，易于实现一次成型焊接，可靠性高。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种基于DSP的并联式大功率脉冲MIG焊逆变电源系统，包括三相交流输入电网、主电路、电弧负载、人机界面模块和控制电路，所述控制电路包括数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，简称DSP)数字化控制模块，所述控制电路包括第一控制电路和第二控制电路，第一控制电路通过DSP数字化控制模块与第二控制电路连接，所述主电路包括第一主电路和第二主电路，第一主电路和第二主电路相互并联。

所述第一主电路和第二主电路的电路结构相同，都包括依次电气连接的输入整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块和输出整流滤波模块，所述输入整流滤波模块与三相交流输入电网相连接，所述输出整流滤波模块与电弧负载相连接。

所述第一控制电路和第二控制电路的电路结构相同，都包括一端均与DSP数字化控制模块相连接的故障保护模块、高频驱动模块、电压电流检测模块，所述故障保护模块的另一端与三相交流输入电网相连接，所述高频驱动模块的另一端与高频逆变模块相连接，所述电压电流检测模块的另一端与电弧负载相连接。

所述DSP数字化控制模块由一个数字信号处理器组成，通过一个数字信号处理器实现对第一主电路和第二主电路的并联控制。

所述DSP数字化控制模块与人机界面模块相连接，并且控制人机界面模块；所述数字信号处理器采用TMS320LF2407A芯片，调节主电路的脉冲峰值基值阶段电流和切换输出。

所述数字信号处理器内嵌事件管理器，所述事件管理器具有脉宽调制单元，所述脉宽调制单元以全软件方式分别产生两组两路互补的脉宽调制信号，分别用于第一主电路和第二主电路的脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，简称PWM）。

所述故障保护模块包括相互连接的过压检测电路、欠压检测电路、过流检测电路、过温检测电路和与门电路。

所述高频逆变模块包括逆变桥开关管组，所述逆变桥开关管组包括VT1、VT2、VT3和VT4。

所述高频驱动模块包括TLP250光耦芯片，所述TLP250光耦芯片有4个；所述高频驱动模块将DSP数字化控制模块输出的PWM信号进行加强后输入高频逆变模块，作为逆变桥开关管组的开关信号。

本发明的工作原理：本发明由两套电路结构相同的主电路并联而成，DSP控制模块调节输出电流电压以及控制焊接参数的显示，三相工频交流电经过输入整流滤波模块整流为平滑直流电后进入高频逆变模块，然后通过功率变压模块、输出整流滤波模块流入电弧负载；与此同时，DSP数字化控制模块根据电压电流检测模块检测到电弧负载的电压、电流信号，把检测到的信号与人机界面模块给定的相关参数进行比较，经过DSP数字化控制模块的模糊控制算法运算后，发给DSP数字化控制模块内嵌事件管理器的脉宽调制单元一个信号，脉宽调制单元于是产生两组两路互补的PWM信号，这两组两路互补PWM信号通过两个高频驱动模块放大去控制高频逆变模块绝缘栅双极型晶体管(Insulated GateBipolar Transistor,简称IGBT)开关管的开通和关断，从而得到20kHz高频高压电，此高频高压电再经过功率变压模块转换成符合焊接工艺要求的低电压大电流输出，再经过输出整流滤波模块获到平滑的焊接电流，也就是反馈模糊闭环控制过程；过压、欠压、过流和过温保护电路检测三相工频电压、初级电流和散热器温度，把检测到的电压、电流和温度信号送给故障保护模块，如出现过压、欠压、过流和过温的现象，故障保护模块将送给DSP一个低电平故障保护信号，DSP产生低电平PWM通过高频驱动模块关断高频逆变模块的开关管，以保护主电路，保证其安全工作。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

（1）输出功率大。本发明采用并联式大功率全桥变换器来获得大功率的输出，从而使功率密度大，输出功率大。

（2）焊接速度快，生产效率高。与传统脉冲MIG焊往往需要多道、层焊缝才能填满大厚板焊接坡口相比，本发明的由于其输出功率大，可以大大提高焊接速度和熔敷效率，从而提高了脉冲MIG焊的焊接生产效率。

（3）对于大厚板的焊接，实现了一次成型焊接。由于采用粗焊丝在大电流热作用下产生的熔滴量大，熔池宽而深，能很快填满大厚板焊件的坡口，大功率电弧在熔池上燃烧，总的热输入远大于传统脉冲MIG焊的热输入，实现了对大厚板的一次性成型的高效高速化焊接。

（4）焊接质量高。焊接工艺可实现脉冲多参数优化匹配，焊接质量高。

（5）系统稳定，控制精度高，可靠性高。该系统以一个数字信号处理器为核心，实现了两个主电路的并联控制，并通过软件编程，使系统能够进行稳定、可靠的大功率输出，此外，本发明还采用了电压电流反馈的数字化控制技术，系统的动态特性优良、控制精度高。

附图说明

图1是本发明的整体结构框图。

图2是本发明的第一主电路的电路原理图。

图3是本发明的高频驱动模块的电路原理图。

图4是本发明的电压电流检测模块的电路原理图。

图5是本发明的故障保护模块电路原理图。

图6是本发明的DSP数字化控制模块的结构框图。

图7是本发明的DSP数字化控制模块的电路原理图。

图8是本发明的DSP数字化控制模块的软件控制流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，一种基于DSP的并联式大功率脉冲MIG焊逆变电源系统，包括三相交流输入电网、两套相互并联的主电路、电弧负载、人机界面模块108和两套控制电路，所述控制电路包括DSP数字化控制模块107、第一控制电路和第二控制电路；第一控制电路和第二控制电路的电路结构相同，都包括一端均与DSP数字化控制模块107相连接的故障保护模块106、高频驱动模块109、电压电流检测模块105，所述故障保护模块106的另一端与三相交流输入电网相连接，所述高频驱动模块109的另一端与高频逆变模块102相连接，所述电压电流检测模块105的另一端与电弧负载相连接；所述DSP数字化控制模块还与人机界面模块108相连接，并且控制人机界面模块108；两套主电路的电路结构相同，都包括依次电气连接的输入整流滤波模块101、高频逆变模块102、功率变压模块103和输出整流滤波模块104，所述输入整流滤波模块101与三相交流输入电网相连接，所述输出整流滤波模块104与电弧负载相连接。DSP数字化控制模块107由一个数字信号处理器组成，所述数字信号处理器采用TMS320LF2407A芯片，调节主电路的脉冲峰值基值阶段电流和切换输出。故障保护模块106检测三相交流输入电压，为电压检测装置；检测过温信号，为温度继电器；检测初级过流信号为霍尔电流传感器；所述人机界面模块108采用LCD显示屏，显示脉冲MIG焊的峰值电压、基值电压、峰值电流和基值电流的给定值和反馈值以及脉冲频率、脉冲占空比和送丝速度的给定值；所述电压电流检测模块105为电压电流传感器，与电弧负载相连接。

如图2所示，三相交流输入电网接输入整流滤波模块101的整流模块RA1，然后连接滤波环节L1、C1和C2，再连接高频逆变模块102的逆变桥VT1～VT4，C3～C6，R1～R4，输出接功率变压模块103的高频功率变压器T1初级，变压器T1次级串接输出整流滤波模块104的高频全波整流电路VD1～VD2肖特基二极管、滤波环节L2后输出大功率直流脉冲，以上环节构成大功率主电路。高频逆变模块102包括两个半桥逆变桥臂，每个桥臂包含两个IGBT开关器件。

如图3所示，高频驱动模块起到隔离和功率放大的作用，由于DSP输出的PWM是3.3V的方波信号，不能满足驱动IGBT的功率要求，而且也无法实现控制系统与主功率电路间的隔离，因此本发明采用日本东芝的TLP250高速光电耦合器组成驱动电路，能对DSP发送过来的驱动脉冲PWM1和PWM2实现快速切换并加大驱动功率。DSP数字化控制模块107的PWM输出端分别与4个驱动环节TLP250的2管脚相连，驱动环节的输出分别与逆变桥的4个开关管的G、E极相连。DSP数字化控制模块107产生的两组两路互补PWM信号PWM1和PWM2分别作为图中U2、U4和U3、U5光耦TLP250的输入信号，TP1～TP2、TP3～TP4、TP5～TP6、TP7～TP8等四对测试点的输出信号分别作为高频逆变模块102中的VT1～VT4的4个IGBT的驱动信号，这样，由DSP数字化控制模块107输出给TLP250的3.3V的PWM信号不需要电平转换，只需通过高频驱动模块109就可以直接驱动高频逆变模块102中的IGBT；当DSP数字化控制模块107输出的PWM信号为高电平信号时，通过高频驱动模块109，IGBT的G、E极间得到一个+15V的驱动信号而导通；当DSP数字化控制模块107输出的PWM信号为低电平信号时，通过高频驱动模块109，IGBT的G、E极间得到一个-7V的驱动信号而关断。这样就能很好地满足快速IGBT开关功率管的要求。B1～B4均为整流桥、U6～U9均为三端集成稳压电源。

如图4所示，电压采样信号经过电感L1、L2与电容C47、C48滤波后，采用非隔离电阻R47、R48分压采样，之后经过运算放大器U16B进行信号调理，再经过线性光电耦合器芯片U18、电压跟随器U17B进行隔离、调整，成为与输出电压成线性关系的电压信号，得到的小于或等于3.3V的两路直流脉冲电压信号分别输入到DSP数字化控制模块107的ADCIN0和ADCIN1口，再通过相应软件实现电压A/D转换。电流采样电路利用霍尔电流传感器分别对两主电路的输出电流进行电流信号采样，霍尔电流传感器得到与输出电流成线性关系的微弱电压信号经过滤波后得到较为干净、平滑的信号，然后分别将两路电流反馈信号输入到DSP数字化控制模块107的ADCIN2和ADCIN3口，再通过相应软件实现电流A/D转换。上述环节构成的并联系统电压和电流反馈闭环控制电路，就可以实现并联逆变电源系统的恒流模式的控制。

如图5所示，过压和欠压保护检测电路将三相交流输入电网经工频变压器降压后，用桥式整流电路整流成直流电压信号后供给电阻分压电路，分别调节桥式电路电阻R39、R26和R38、R24的大小，就可以改变电网过压和欠压的阀值，即可起到过压和欠压保护作用。过温保护检测电路通过检测散热器上的温度继电器的断开来实现过温保护，得到CN1的①②断开信号输入比较器U6A的反相输入端，U6A作为比较器进行电压比较，其同相端为给定参考电压，当散热器的温度低于温度继电器阀值温度时，温度继电器闭合，比较器U6A反相输入端为低电平，比较器U6A输出高电平；当散热器的温度高于温度继电器阀值温度时，温度继电器断开，比较器U6A反相输入端为高电平，比较器U6A输出低电平，此信号可引起DSP数字化控制模块107的故障保护中断。初级过流保护检测电路检测初级电流信号经滤波后给比较器U6B的反相输入端，U6B作为比较器，其同相输入端为给定参考电流，当检测到的初级电流大于给定参考电流时，比较器U6B输出低电平，此信号可引起DSP数字化控制模块107的故障保护中断。与门U13的输出经光耦U14后与DSP数字化控制模块107的故障保护检测引脚PDPINTA相连接，当与门U13输出端输出过压、欠压、过温和过流检测信号出现欠压、过压、过温和过流故障时，与门输出低电平，经U14光耦后输出低电平，作为数字信号处理器的故障保护中断的触发信号输入数字信号处理器的PDPINTA引脚，进入故障保护中断服务子程序，实现故障保护。

如图6所述，选用了TMS320LF2407A作为DSP数字化控制模块107的控制芯片，其基本结构包括PWM信号输出模块、RS232/485与CAN 2.0B通信模块、人机界面模块LCD接口、存储模块RAM与Flash、数字I/O口、A/D模拟输入。A/D采样进来的模拟信号送到DSP数字化控制模块107的A/D转换通道，DSP数字化控制模块107通过软件算法实现A/D转换，输出两组两路互补的PWM信号经过高频驱动模块隔离放大后对主电路进行占空比调制。DSP数字化控制模块107还通过人机界面模块108对脉冲MIG焊逆变电源的输出电压电流进行预置和实时显示，通过总线RS232/485与上位机、CAN 2.0B与外部监控系统相连接，实现DSP数字化控制模块107与上位机和外部监控系统之间的通信。

如图7所示，DSP数字化控制模块107包括电源转换器TPS7333Q、系统控制芯片TMS320LF2407A、30MHz有源晶振、存储芯片IS61LV12816、RS232总线驱动器MAX232ACPE和CAN总线驱动器PCA82C250。其中，电源转换模块TPS7333Q将外部供电电源+5V电平转换成系统控制芯片TMS320LF2407A的+3.3V电平；TMS320LF2407A主要实现对从两台并联的逆变电源采样所得的电压和电流进行A/D转换并进行运算，再根据运算值输出相应频率的PWM占空比来驱动主电路IGBT，实现PWM占空比调制；30MHz有源晶振为控制芯片提供基本的时钟信号，芯片内部经过1.33倍倍频后得到40MHz主频；存储芯片IS61LV12816主要实现人机界面模块的数据存储；控制系统通过总线驱动器MAX232ACPE和PCA82C250与上位机以及外部监控系统进行通信，并且通过IDE标准接口CN2与人机界面模块108相连接，实时显示脉冲MIG焊电源系统的给定和反馈电压和电流。控制系统的核心控制策略如下：两台并联全桥逆变主电路的电压和电流采样信号分别通过DSP控制芯片的ADCIN0～ADCIN3口送到内部A/D转换通道，通过软件进行相应的A/D转换和PWM占空比调制。本发明采用美国TI公司的软件平台CCStudioV3.3集成开发环境的RTDX模块进行控制参数的调整。

如图8所述，此软件流程图设计的软件主要是实现A/D转换结果的读取和输出电压和电流的控制，即实现占空比可调的PWM脉冲产生、驱动脉冲的占空比调制、脉冲阶段切换、恒流控制以及故障保护。控制系统程序的工作原理为：系统初始化后并允许焊接时，程序进入引弧程序，它包括时序控制（送气、送丝等）、慢速送丝引弧，当电流大于一定值，并延长一段时间后，程序进入基值和峰值脉冲循环阶段：在基值阶段进行基值电流的恒流控制，当基值时间到或者基值电压小于基值给定电压阈值时转向峰值阶段；在峰值阶段进行峰值电流的恒流控制，在进入峰值阶段2.5ms后将采集到的峰值弧压与给定值比较，通过模糊控制算法求出基值时间，通过改变基值时间达到弧长的稳定性控制，当峰值时间到或者峰值电压大于峰值给定电压阈值时又进入基值阶段。在脉冲循环过程中，不断检查焊接停止信号，一旦接到停焊指令，程序进入收弧控制阶段，最后停止焊接并循环等待新的焊枪开关信号。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于DSP的并联式大功率脉冲MIG焊逆变电源系统，包括三相交流输入电网、主电路、电弧负载、人机界面模块和控制电路，所述控制电路包括DSP数字化控制模块，其特征在于，所述主电路包括第一主电路和第二主电路，所述第一主电路和第二主电路相互并联，所述第一主电路和第二主电路的电路结构相同，都包括依次电气连接的输入整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块和输出整流滤波模块，所述输入整流滤波模块与三相交流输入电网相连接，所述输出整流滤波模块与电弧负载相连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于DSP的并联式大功率脉冲MIG焊逆变电源系统，其特征在于，所述控制电路包括第一控制电路和第二控制电路，第一控制电路通过DSP数字化控制模块与第二控制电路连接，所述第一控制电路和第二控制电路的电路结构相同，都包括一端均与DSP数字化控制模块相连接的故障保护模块、高频驱动模块、电压电流检测模块，所述故障保护模块的另一端与三相交流输入电网相连接，所述高频驱动模块的另一端与高频逆变模块相连接，所述电压电流检测模块的另一端与电弧负载相连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于DSP的并联式大功率脉冲MIG焊逆变电源系统，其特征在于，所述DSP数字化控制模块由一个数字信号处理器组成，通过一个数字信号处理器实现对第一主电路和第二主电路的控制。

4.根据权利要求3所述的一种基于DSP的并联式大功率脉冲MIG焊逆变电源系统，其特征在于，所述DSP数字化控制模块与人机界面模块相连接，并且控制人机界面模块；所述数字信号处理器采用TMS320LF2407A芯片，调节主电路的脉冲峰值基值阶段电流和切换输出。

5.根据权利要求3所述的一种基于DSP的并联式大功率脉冲MIG焊逆变电源系统，其特征在于，数字信号处理器内嵌事件管理器，所述事件管理器具有脉宽调制单元，所述脉宽调制单元以全软件方式分别产生两组两路互补的脉宽调制信号，控制第一主电路和第二主电路的PWM调制。

6.根据权利要求2所述的一种基于DSP的并联式大功率脉冲MIG焊逆变电源系统，其特征在于，故障保护模块包括相互连接的过压检测电路、欠压检测电路、过流检测电路、过温检测电路和与门电路。

7.根据权利要求1所述的一种基于DSP的并联式大功率脉冲MIG焊逆变电源系统，其特征在于，所述高频逆变模块包括逆变桥开关管组。

8.根据权利要求7所述的一种基于DSP的并联式大功率脉冲MIG焊逆变电源系统，其特征在于，所述高频驱动模块包括TLP250光耦芯片，所述TLP250光耦芯片有4个；所述高频驱动模块将DSP数字化控制模块输出的PWM信号进行加强后输入高频逆变模块，作为逆变桥开关管组的开关信号。

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