弧焊逆变电源的数字化控制

【摘要】： 随着焊接工艺研究的深入以及焊接生产自动化和柔性化的发展，对弧焊电源本身的精确控制和柔性化提出了更为紧迫的需要。由于弧焊逆变电源的逆变频率一般在20K-100KHz的范围，在焊机体积和重量减小的同时，其输出电感明显减小，因此弧焊逆变电源在时间的精确控制上具备了良好的基础。但是，由于目前弧焊逆变电源多采用模拟电路进行控制，使得弧焊电源的输出信号的幅值控制精度并没有实质性的提高，同时焊接电源的柔性化更是无从谈起。因此，本文针对弧焊逆变电源的精确控制和柔性化，对弧焊逆变电源的数字化控制进行了研究。 传统上的弧焊电源控制是采用模拟电路进行的，而模拟控制与数字控制是存在差异的。因此进行数字控制必须从研究数字控制的特点开始。从60年代开始，随着计算机和信息科学的发展，数字信号处理和数字控制技术应运而生，得到了飞速的发展。因此，研究弧焊逆变电源的数字控制的实质就是结合弧焊逆变电源的特点，研究数字控制与模拟控制的不同点，在设计数字控制的控制策略的同时，研究控制效果的差异，最终得到一套能够满足弧焊逆变电源控制应用需要的数字控制器参数。其过程也是寻找弧焊逆变电源新的设计设计方法的过程。本文在这部分的研究工作中，首先建立了弧焊逆变电源的交流小信号模型，并对典型的模拟控制电路进行了分析。在此基础上对弧焊逆变电源的数字控制环节进行了研究，采用模拟化设计方法对数字控制器进行了设计，对控制效果进行了初步的理论分析。 作为一种数学解析模型，交流小信号模型对于弧焊逆变电源的数字控制器设计具有无法替代的理论指导意义。但是，由于解析模型对物理过程进行了大量的简化，因此采用交流小信号模型预测出的控制效果与实际情况存在较大的偏差，同时它也无法描述数字控制器的定点运算。因此本文在交流小信号模型研究的基础上，建立了数字控制弧焊逆变电源的Matlab模型，采用仿真的方法研究了逆变器和定点数字控制的工作过程，对数字控制的控制精度和控制效果进行了分析与预测。本文还结合弧焊逆变电源的应用对电源的外特性以及负载突变和电流给定突变时的过渡过程进行了仿真研究。 实现弧焊逆变电源数字化的关键在于如何构建一个数字控制系统。本文在研究分析现有弧焊逆变电源数字控制应用的基础上，结合当前DSP技术和嵌入式系统发展的最新成果，选用ADSP2181和C167CR设计实现了国内第一台 北京工业大学工学博士学位论文 一 数字化弧焊逆变电源。由于这两个控制芯片是在国内第一次应用于弧焊电源的 控制中，因此本文用较大的篇幅介绍了它们的特点和开发过程，希望能为后续 的更多的研究者提供借鉴和参考。 本文在完成对数字控制系统的调试后，按照前面设计的数字控制器进行了 恒流控制软件编程，并在本文研制的数字化弧焊逆变电源上进行了功率负载试 验，实现了恒流闭环控制。在功率负载试验部分，进行了外特性和动特性两方 面的研究，并与交流小信号模型和Matlab仿真模型的结果进行了对比分析。 功率负载的实验表明，仿真结果准确，本文研制的数字化弧焊逆变电源符合设 计要求，满足焊接工艺的需要。