CN105598558B - 一种弧焊电源电流双闭环控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种弧焊电源电流双闭环控制方法，属于弧焊电源和电流控制相关技术领域。弧焊电源工作时，电流内环在每个开关周期对变压器原边峰值电流采样，对主电路电流实时调节。带电流前馈控制的电流外环对弧焊电源的输出电流控制，在弧焊电源稳定工作时，前馈补偿环节不起作用，只有PI调节器参与调节；当电弧负载变化时，前馈补偿环节作用从而提高输出电流的响应速度。本发明中的控制方法不仅避免了主电路过电流对变压器和功率器件的破坏，而且带有电流前馈环节的电流外环控制能更快适应电弧负载的变化。本发明适用于对电流速度和准确性要求较高的弧焊电源。

Description

一种弧焊电源电流双闭环控制方法

技术领域

本发明属于弧焊电源和电流控制相关技术领域，涉及一种弧焊电源的电流双闭环控制方法的设计。

背景技术

逆变焊机按照焊接方法分为熔焊、压焊和钎焊三大类。电弧焊作为熔焊方法的一种，是指利用电弧作为焊接热源的一种焊接方法，由于电弧能简便而有效地将电能转换成工作过程中需要的热能和机械能，因而电弧焊焊接方法在国民生活和生产实践中占据着主要地位，在发达国家的焊接生产总量中比率高达60％。弧焊逆变电源是电弧焊的核心组成部分，给电弧提供电能，并满足电弧焊机工作时所需的电气特性，因此，弧焊逆变电源的性能好坏直接影响电弧焊的焊接质量。弧焊逆变电源工作时，当主电路受到电网电压波动或变压器偏磁等扰动时，电流波动增大，对于单闭环的电流调节，只有当输出电流有变化时，控制系统才能开始调节，故动态响应速度慢，不能对主电路电流快速调节，特别是主电路过电流时，易烧坏变压器和功率器件。且弧焊电源工作时，电弧负载经常处于变化中，提高电流响应速度有助于提高系统可靠性。

针对此，国内外学者进行了相关研究，提出了多种解决办法，包括电容滤波、保护控制、恒峰值电流控制及其他改进方式。电容滤波利用电容的隔直性滤除直流分量，不利于大功率工作场合。保护控制即主电路过电流时，切断电路，未从根本上防止过电流发生。恒峰值电流控制通过原边峰值电流反馈实现对功率器件电流实时控制，但只有峰值电流反馈，对输出电流不能很准确调节。

发明内容

本发明提供一种数字化弧焊逆变电源电流双闭环控制方法的设计，电流内环在每个开关周期对变压器原边峰值电流进行采样，对主电路电流实时调节，避免过电流；带电流前馈控制的电流外环对弧焊电源的输出电流控制，能够提高输出电流的响应速度和对负载的适应性，

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种弧焊逆变电源的带电流前馈控制的电流双闭环控制方法，由电流采样调理电路、电流控制模块、电流驱动电路组成，电流双闭环分别为带电流前馈控制的电流外环和实现主电路电流调节的电流内环。弧焊逆变电源工作时，输出电感电流I_o与电流给定值I_g的差值进行带有电流前馈环节的PI调节，实现输出电流的闭环调节，之后外环电流调节值I_g1与主电路中变压器原边峰值电流瞬时采样值I_i比较，差值进行比例调节，之后内环电流调节值与系统三角波比较生成占空比可调的PWM波形，驱动全桥逆变器中开关管的开通或关断。

所述的“输出电感电流I_o与电流给定值I_g的差值进行带有电流前馈环节的PI调节，实现输出电流的闭环调节”，其具体实施步骤为：

(1)弧焊电源稳定工作

带电流前馈控制的电流外环，在弧焊电源稳定工作时，前馈补偿环节不起作用，输出电感电流I_o与电流给定值I_g的差值只进行PI调节，其等式满足：

式中，I_g1为输出电流调节值，I'_g1为PI调节器后输出值，I_i为变压器原边峰值电流采样值，I_f为输出电流采样值，N为变压器匝数比；

(2)弧焊电源负载变化，输出不稳定

带电流前馈控制的电流外环，在弧焊电源稳定负载变化时，前馈补偿系数K₂＞0，前馈补偿环节作用从而提高输出电流的响应速度，此时输出电流调节值I_g1的计算公式如下：

I_g1＝I_gK₂+I′_g1

式中，I_g为输出电流给定值，K₂为前馈补偿系数。

前馈补偿系数K₂求取步骤为：

1)当弧焊电源从开路开始工作时，占空比D由0迅速增大，不等式满足I_g1<I_i，即

2)弧焊电源短路瞬间时，占空比D迅速减小，而增加电流前馈环节I_gK₂有助于增大I_g1，此时不等式满足I_g1＞I_i,即

式中：K_P为PI调节器的比例调节系数，K_I为积分调节系数，T为采样周期，I_fmax为短路瞬间输出电流采样值。

3)满足步骤1)和2)不等式前提下，K₂取不同值时，由系统阶跃响应曲线确定前馈补偿系数值K₂。

本发明的控制方法，电流双闭环分别为带电流前馈控制的电流外环和实现主电路电流调节的电流内环，本发明考虑到弧焊逆变电源工作过程中对电流的要求，通过对电流外环的PI调节进行优化，加入前馈补偿环节，当电弧负载变化时，带有电流前馈环节的电流外环控制能更快的适应电弧负载的变化，提高输出电流的响应速度和对负载的适应性。同时通过主电路电流实时参与调节，避免了因主电路过电流对变压器和功率器件的破坏。本发明提供了一种弧焊逆变电源的电流双闭环控制方法，在对电流速度和准确性要求较高的弧焊逆变电源上有较大优势。

附图说明

图1是弧焊逆变电源的拓扑简图。

图2是带前馈补偿的电流双闭环控制原理框图。

图3是K₂取不同值时系统的阶跃响应曲线。

图4是无前馈补偿时输出电流仿真波形。横坐标表示仿真时间，纵坐标表示输出电流值。

图5是有前馈补偿时输出电流仿真波形。横坐标表示仿真时间，纵坐标表示输出电流值。

具体实施方式

下面结合附图对本发明专利的具体实施方式进行描述。

如图1所示的弧焊逆变电源的拓扑见图，主电路可看作DC-DC转变过程，电流控制系统主要有以下部分组成：电流采样调理电路、电流控制模块、电流驱动电路，电流双闭环分别为带电流前馈控制的电流外环和实现主电路电流调节的电流内环。本发明的弧焊逆变电源遵照ZX7-400型标准，系统的主要参数如表1所示。

表1系统的主要参数

参数	数值
		输入电压Ui/V	540
开关频率fs/kHz	20
		变压器匝数比N	8
输出电流调节Io/A	20-40
		短路电流Iomax/A	500
负载持续率d	60％

图2是带前馈补偿的电流双闭环控制原理框图，弧焊逆变电源工作时，输出电感电流I_o与电流给定值I_g的差值进行带有电流前馈环节的PI调节，实现输出电流的闭环调节，之后外环电流调节值I_g1与主电路中变压器原边峰值电流瞬时采样值I_i比较，差值进行比例调节，之后内环电流调节值与系统三角波比较生成占空比可调的PWM波形，驱动全桥逆变器中开关管的开通或关断。

带电流前馈控制的电流外环，在弧焊电源稳定工作时，前馈补偿环节不起作用。当弧焊电源负载变化时，前馈补偿环节作用从而提高输出电流的响应速度，前馈补偿系数K₂求取步骤为：

(1)当弧焊电源从开路开始工作时，输出电流由0开始增大，为使输出电流迅速增加，占空比D由0迅速增大，此时不等式满足I_g1<I_i，即

(2)弧焊电源短路瞬间时，电流补偿环节作用，此时K₂＞0，输出电流I_o出现最大值I_omax，为了维持系统稳定，占空比D迅速减少，使得输出电流能够减小，而增大原边电流输入值I_g1能够减小占空比D，而增加电流前馈环节I_gK₂有助于增大I_g1，此时不等式满足I_g1＞I_i,即

式中：I_g为输出电流给定值，K_P为PI调节器的比例调节系数，K_I为积分调节系数，I_fmax为短路瞬间输出电流采样值。

对于单位反馈，I_f＝I_o，I_fmax＝I_omax，令输出电流给定值I_g为400A，由表一可得变压器匝数比N为8，采样周期T为50μs，短路瞬间电流值I_fmax为500A。则计算可得0.17<K₂<0.625。

(2.3)分别求得系统的开环和闭环传递函数，利用小信号模型法求得电感电流I_o对控制信号I_g1的电流内环的闭环传递函数表达式为

式中，ω为弧焊电源工作频率，Q为系统的稳定系数；

则系统的闭环传递函数为：

式中，G₂(s)为电流外环PI调节器；G₃(s)为一阶惯性环节；K_io为电流检测比例系数；K₂为前馈系数；

电流外环的开环传递函数为：

取系统稳定系数Q＝1.246，单位反馈惯性时间常数τ＝0.5ms，分别求得系统的开环和闭环传递函数，图3为前馈系数K₂取不同值时，系统的闭环阶跃响应曲线。可见，随着K₂增大，阶跃响应调节速度变快。因此，在范围允许情况下，取尽量大的前馈系数K₂能够加快系统的响应速度，本发明中，K₂取值0.6。

根据表1及控制系统给出的参数，在Matlab中搭建系统模型，在0.025ms时，将负载从0.0375Ω跳变为0.0275Ω，其他仿真条件相同的情况下，无前馈补偿和有前馈补偿时输出电流仿真波形分别如图4和图5所示。可见，负载变化时，有前馈补偿环节的控制系统相较于无前馈补偿的控制系统能够更快速响应负载变化，待系统稳定后，电流大小不变。

Claims (1)

1.一种弧焊电源电流双闭环控制方法，其特征在于，由电流采样调理电路、电流控制模块、电流驱动电路组成，电流双闭环分别为带电流前馈控制的电流外环和实现主电路电流调节的电流内环；弧焊逆变电源工作时，输出电感电流I_o与电流给定值I_g的差值进行带有电流前馈环节的PI调节，实现输出电流的闭环调节，之后外环电流调节值I_g1与主电路中变压器原边峰值电流瞬时采样值I_i比较，差值进行比例调节，之后内环电流调节值与系统三角波比较生成占空比可调的PWM波形，驱动全桥逆变器中开关管的开通或关断；

所述的“输出电感电流I_o与电流给定值I_g的差值进行带有电流前馈环节的PI调节，实现输出电流的闭环调节”，具体步骤为：

(1)弧焊电源稳定工作

带电流前馈控制的电流外环，在弧焊电源稳定工作时，前馈补偿环节不起作用，输出电感电流I_o与电流给定值I_g的差值只进行PI调节，其等式满足：

$I_{g1}=I_{g1}^{\&prime;}=I_i\&ap;\frac{1}{N}{I}_f$

式中，I_g1为输出电流调节值，I'_g1为PI调节器后输出值，I_i为变压器原边峰值电流采样值，I_f为输出电流采样值，N为变压器匝数比；

(2)弧焊电源负载变化，输出不稳定

带电流前馈控制的电流外环，在弧焊电源稳定负载变化时，前馈补偿系数K₂＞0，前馈补偿环节作用从而提高输出电流的响应速度，此时输出电流调节值I_g1的计算公式如下：I_g1＝I_gK₂+I'_g1

式中，I_g为输出电流给定值，K₂为前馈补偿系数；

其中，前馈补偿系数K₂求取步骤为：

1)当弧焊电源从开路开始工作时，占空比D由0迅速增大，此时不等式满足I_g1<I_i，即

2)弧焊电源短路瞬间时，占空比D迅速减小，而增加电流前馈环节I_gK₂有助于增大I_g1，此时不等式满足I_g1＞I_i,即

式中，K_P为PI调节器的比例调节系数，K_I为积分调节系数，I_fmax为短路瞬间输出电流采样值；

3)满足步骤1)和2)不等式前提下，K₂取不同值时，由系统阶跃响应曲线确定前馈补偿系数值K₂。