W el dj ng T echn ol ogy v01．42N o．3M aL2013焊接设备与材料4l 文章编号：1002_025X(2013)03-004l—04基于单片机+D SP数字控制的变极性电源白宏伟1。
张永停2(1．河南机电高等专科学校，河南新乡453002；2．河南起重机器有限公司，河南新乡453000)摘要：设计了基于单片机+D SP双CPU的变极性双逆变电源，单片机作为主控芯片，实现系统的人机信息交互，D SP作为从控芯片，控制电源输出．双C PU之间以双口R A M为通信桥梁实现数据交换。
变极性电源功率变换主电路由两级逆变电路组成，一次逆变采用移相Z C—Z V S—PW M双零软开关全桥逆变结构，二次逆变采用“共同导通”换向控制策略的耦合电感型半桥逆变电路拓扑．控制系统对两级逆变协调控制并通过软件方法实现。
电流换向速度快，焊接电弧稳定。
关键词：单片机+D SP；移相；软开关；协调控制中图分类号：T G434文献标志码：BO前言变极性电源是一种适用于铝及铝合金焊接技术的焊接电源，其功率变换电路由两级逆变电路构成，一次逆变主要对电源系统的外特性进行控制，并对二次逆变供电，使焊接电源具有快速响应特性；二次逆变通过与一次逆变的协调控制．输出电流频率、D C EN半波幅值及时间、D C EP半波幅值及时间均可单独调节交变方波电流，为焊接电弧提供能量。
单片机具有强大的控制和管理事务能力。
D SP 具有高速运算能力，随着单片机、D SP在焊机领域的运用．焊接电源的数字化设计使现代焊机日趋多功能和智能化。
本设计提出了以单片机+D S P双C P U 为控制核心的变极性焊接电源设计方案，实现变极性电源的全数字化实时控制。
1系统总体设计方案基于单片机+D S P双C PU控制的变极性双逆变电源的总体结构如图1所示。
设计中，两次逆变均采用功率I B G T模块作为主控开关器件。
一次逆变为移相式软开关全桥式逆变电路，采用P W M控制实现输出电压、电流的幅值控制，为二次逆变供电；二次收稿日期：2012一10—31逆变采用带自耦合电感的半桥结构，通过续流耦合电感的作用及开关管的切换控制，最终得到输出电流频率、正负半波幅值、占空比分别可调的变极性焊接电流【”。
圈l思体结构框圈电源控制系统以单片机(80C196K C)+D SP (T M S320LF2407)双C PU为控制核心，单片机与D SP之间的通信通过双口R A M实现。
80C196K C作为主控芯片，具有强大的控制和管理事务能力，主要实现系统的人机信息交互、高频引弧、送气、远程通信等事务管理，T M S320L F2407作为从控芯片，具有高速运算能力，主要对输出电压、电流信号进行采集，并根据用户设定的输出频率、正负半波幅值、占空比等参数，控制输出波形，实现电源的变极性输出控制。
本设计通过软件编程的法实现两级逆变的协调控制。
焊接过程中，控制系统的具体控制案为：上42焊接设备与材料焊接技术第42卷第3期2013年3月电后，先在控制面板上预设焊接工艺参数，合上焊枪开关开始送气、引弧，对焊接电流、电弧电压进行采样反馈并进行PI D运算，得到P W M信号。
一次逆变采用PW M调节方式，由给定信号控制一次逆变输出电流，实现恒流输出特性：二次逆变的控制信号与一次控制信号在相位上严格同步，且二次逆变控制信号正负半波时间都是P W M周期的整倍数，根据电流的预设值．对二次逆变进行变极性控制。
当再次按下焊枪开关时，滞后送气几秒，焊接结束。
2硬件系统设计2．1单片机+D s P双C P U控制系统本系统是以单片机(80C196K C)+D S P (TM S320LF2407)双C PU为控制核心的闭环控制系统，对电源进行整体管理和控制。
用户设定的焊接参数由控制面板输入，经单片机传送给D SP，T M S320LF2407对输出电压、电流信号进行采集，并根据用户设定的焊接参数对功率变换电路进行脉冲宽度控制和PI D运算。
TM S320LF2407的4个通用定时器分别用做一次逆变PW M的生成、二次逆变PW M的生成、A／D转换的定时、焊接过程控制的所有定时。
软件设计时，通过正确配置D SP的通用定时器，使一次PW M和二次逆变控制信号同步，且使二次逆变控制信号的周期为一次PM W周期的整倍数，实现变极性电源双逆变协调控制。
单片机和D S P通过双口随机存储器C Y7C026为通信桥梁实现数据交换。
2．2一次逆变电路一次逆变电路采用移相Z C—Z V S—PW M全桥逆变结构，运用软开关技术，原理如图2所示。
全桥式逆变电路主要由功率开关管I G B Tl～I G B T4和中频变压器组成，I G B T l和I G B T3为超前臂，I G B，I’2和I G．B T4为滞后臂，桥式变换器的2个桥臂开关转换能工作在零电压、零电流下，输出具有较高动态响应特性的可控恒电流f2l。
电路中，V D l～V D4为I G BT内部反并联二极管，承受负载产生的反向电流，保护I G B T。
由R，C，V D构成的缓冲环节可以降低开关管关断时电压上升速度，并减小开关管的损耗。
D SP 将给定信号和输出电流、电压的反馈信号进行信号处理，输出一路40kH z的P W M，经过C D4081和C D4027二分频为两路相位差1800、频率为20kH z 的PW M．这两路PW M轮流驱动桥臂对边上的2对管(I G B Tl和I G B T4，I G B7I'2和I G B T3)，使它们关断或导通．将直流高压转换成频率17H z的中频交流电压．经中频变压器T降压后传递给二次逆变电路。
图3所示为Z C—Z V S—P W M波形变换示意图，其中％为中频变压器一次电压，厶为中频变压器一次电流。
％，(1图2一次逆变主电路结构-G叫H-G肌H t G盯-I．6一l G Bl’2I G B T4K I G B T2卜7＼／—／—、—～≯flk一———一：f0E l f2f3r4f5Z6f7E8f9f10‘1l图3Z C Z V SPW M波形变换示意图移相全桥ZC—Z V S—PW M控制利用中频变压器的漏感和二次侧折算到一次侧的等效电感．可以实现零电压开通和近似零电流关断，实现P W M软开关控制。
由图3可以看到，当桥臂对边上的IG B T l和I G B T4都导通时，o为近似恒流源；％时刻I G B Tl关断，I G B T3电压保持为零；￡。
时刻后I G B T3可以实现零电压ZV S开通；￡：时刻I G B T4关断，I G B r l l2电压保持为零，此时I G B T2可实现零电压开通．此时％极性反向。
在轻负载时，超前桥臂软开关比滞后桥臂的软开关容易实现。
厶在输入电压的作用下逐渐减小，在￡。
时刻减小到零并反向增加。
滞后桥臂的．W e I di ng T echno l ogy V01．42N o．3M ar．2叭3焊接设备与材料．43 =================================================：：=======：===：：=：：：：==：=：：：：：：=：：：开关管必须在z，～缸之间开通，否则不但不能实现滞焊接阶段，焊接电流由工件流向焊枪，电感L1中存后桥臂的零电压开通，而且由于滞后桥臂的电压不储能量，并起到滤波续流的作用。
为零，将会产生较大的开通电流，加大滞后开关管的开通损耗。
由以上分析可知，保持I G B，I’2和I G B T4的驱动信号不变，只需要同步改变I G B Tl和I G B T3的驱动信号的占空比，就能获得不同的功率输出，满足变极性电源焊接电流的要求。
2．3二次逆变电路二次逆变器设计采用基于“共同导通”换向控制策略的耦合电感型半桥逆变拓扑，如图4所示。
共同导通就是在输出电流换向之前．使2个开关管共同导通一小段时间(1～2s)。
图4中V D l。
V D4构成二次整流电路，Ll，L2为续流自耦合电感．对输出电流滤波并维持焊接电流连续，I G B T l，I G B r I’2构成半桥逆变，采用“共同导通”的控制策略。
由一次逆变电路获得的方波交流电压经中频变压器降压后，再经二次整流电路转换为脉冲直流电压，I G B T l，I G B r l l2通过续流耦合电感的作用及开关管的切换控制，最终得到输出电流频率、正负半波幅值、占空比分别可调的变极性焊接电流。
此电路的优点是整机效率高，耦合电感拉动换向速度并使得谐振尖峰减小，电弧稳定【3】。
R1[]z V D l鐾蟛。
辅i、2C l上7L悼V D2漳幺?蕊∑Z∞r rYⅥ图4二次逆亚主电路结构电源工作时，在稳定状态下，耦合电感的任意一个电感都可以作为普通电感使用；在换向过程中，耦合电感和I G B T的缓冲电容为电感提供放电回路，使流过电感的电流迅速减小，且由于耦合作用在反向端建立较大的与换向后电流同向的电压，提高了电流的换向速度。
由正极性焊接向反极性焊接切换电路工作过程分析如下：(1)I G B Tl导通，I G B眩关断，系统处于正极性(2)I G B T l导通，I G B T2导通，I G B T l．I G B T2共同导通一段时间(1～2s)，为接下来的极性换向做准备。
由于共同导通的时间短，不会改变二次逆变电路的状态。
(3)IG B他开通，I G B Tl关断，系统进入D C EN 正极性焊接向D C EP反极性焊接切换阶段。
由反极性焊接向正极性焊接切换时电路的工作过程与上述过程相似。
在换向过程中．耦合电感和I G B T的R C缓冲电路加快了换向速度，使电流快速过零。
二次逆变电路自身还能够提供足够高的再燃弧电压，确保电弧在熄灭后可以可靠地重新引燃。
3双逆变的协调控制及软件实现双逆变控制的关键问题是对一次逆变和二次逆变协调控制，包括两次逆变的波形协调问题和两次逆变的控制信号同步触发问题，变极性电源控制系统的各路波形如图5所示，根据用户给定的焊接电流参数，控制系统在规定的时间切换电流给定值，就可以获得变极性焊接电流。
‘“’一霉坦笠r列电搋投髯■]厂]厂一J U U一图5变极性电源各路波形由图5可知，由给定信号玑控制一次逆变输出电流，通过二次转换，在z，时间内，U。
控制D C EN 输出电流的大小，在瓦时间内，U。
控制D C EP输出电流的大小，当一次逆变输出电流的幅值从，D跳变到，u的同时，二次逆变的控制信号控制二次侧开关管的通断，实现变极性转换，得到变极性输出电流。
44焊接设备与材料焊接技术第42卷第3期2013年3月D C EP的电流幅值较大(为D C EN的1．3～1．5倍)且时间短(为D C EN的20％)，以保证阴极雾化作用。
