数字化软开关逆变弧焊电源的研究
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摘要
逆变技术和软开关技术的结合使得弧焊电源实现了高频化、轻量化、大容量化;而数字信号处理器(DSP)的采用则使电源真正迈向了数字化,使电源的抗干扰能力、运算能力、实时性、集成度在很大程度上得到了改善。本课题的主要目的在于研究一台基于DSP的数字化软开关逆变弧焊电源。
本文首先介绍了弧焊电源的发展历史,论述了逆变电源的国内外发展现状和未来的发展趋势和研究方向,同时对数字化焊接电源的特点进行了阐述,在此基础上给出了数字化逆变弧焊电源的设计思想,详细介绍了逆变弧焊电源主电路和控制电路的设计。主电路由IGBT作为逆变电路主开关元件,采用能够输出较大功率的全桥式逆变结构,并配以高频变压器和高频整流电路构成。通过谐振技术和移相控制技术的结合使领先桥臂实现了零电压开关,滞后桥臂实现了零电流开关,克服了零电压全桥逆变电路中滞后桥臂软开关范围窄、占空比损失大等缺点。同时文中还详细地分析了主电路的运行状态,讨论了高频变压器和谐振元件参数的设计,并对输入、输出整流电路进行了设计与分析。控制系统采用2407 DSP为核心控制器件,脉冲发生电路以UC3879为基础设计。采用闭环反馈和参数自调整模糊PID方法实现对输出电弧的恒流控制,并详细介绍了参数自调整模糊PID控制器的设计过程。论文中还介绍了采样电路、DSP应用系统、驱动电路和保护电路的设计。
针对论文中设计的主电路和控制电路,通过Matlab Simulink工具箱搭建了系统的仿真模型,并给出了主电路中IGBT的工作波形、变压器初级电压电流波形和控制系统的仿真波形,对波形进行了分析。在论文的最后,还对系统的可靠性和抗干扰措施进行了分析和设计。
The combination of inverter technology and soft-switching technology makes the welding power to carry out high frequency, light weight and big capacity. But the adoption of the digital signal processor(DSP) makes power supply really to head into numeral, makes the anti- interference ability of the power supply, compute ability, real-time ability and integrated level to get an improvement to a large extent. The main purpose of this paper lies in researching a numeral soft-switching welding inverter based on DSP.
This paper firstly introduces the development history, actuality about the arc- welding inverter and forecasts the foreground and trend of it. In the meantime, we discuss the characteristics of welding power supply, and then we give the design ideas of numeral welding power, introduce the design methods of main circuit and control circuit of it in detail. A full-bridge configuration which cooperates with high frequency transformer and commutator is used to be main circuit, and IGBT is the primary switch component. The leading leg achieves ZVS, and the lagging leg is ZCS by the combination of soft-switching and inverter technology, which gets over the drawback of FB-ZVS-PWM circuit. The run-state of main circuit is analysed. The parameters of transformer and resonant components are calculated. The input and output rectifier is designed. We take UC3879 as the core of PWM controlling to carry out soft-switching and TMS320LF2407A as the core of all controlling system. The peripheral circuits are given in the paper. These circuits include the microprocessor circuit, the circuit used to give parameters and to show them, the PWM circuit and the safeguard circuit. The control strategy adopts Fuzzy-PID control, it’s design method is shown in the paper.
For the main circuit and control circuit in the paper, we construct the simulated model through Matlab/Simulink tools, and give the simulated waves. In order to protect the reliability of the system, we used many anti-jamming measures.
本文首先介绍了弧焊电源的发展历史,论述了逆变电源的国内外发展现状和未来的发展趋势和研究方向,同时对数字化焊接电源的特点进行了阐述,在此基础上给出了数字化逆变弧焊电源的设计思想,详细介绍了逆变弧焊电源主电路和控制电路的设计。主电路由IGBT作为逆变电路主开关元件,采用能够输出较大功率的全桥式逆变结构,并配以高频变压器和高频整流电路构成。通过谐振技术和移相控制技术的结合使领先桥臂实现了零电压开关,滞后桥臂实现了零电流开关,克服了零电压全桥逆变电路中滞后桥臂软开关范围窄、占空比损失大等缺点。同时文中还详细地分析了主电路的运行状态,讨论了高频变压器和谐振元件参数的设计,并对输入、输出整流电路进行了设计与分析。控制系统采用2407 DSP为核心控制器件,脉冲发生电路以UC3879为基础设计。采用闭环反馈和参数自调整模糊PID方法实现对输出电弧的恒流控制,并详细介绍了参数自调整模糊PID控制器的设计过程。论文中还介绍了采样电路、DSP应用系统、驱动电路和保护电路的设计。
针对论文中设计的主电路和控制电路,通过Matlab Simulink工具箱搭建了系统的仿真模型,并给出了主电路中IGBT的工作波形、变压器初级电压电流波形和控制系统的仿真波形,对波形进行了分析。在论文的最后,还对系统的可靠性和抗干扰措施进行了分析和设计。
The combination of inverter technology and soft-switching technology makes the welding power to carry out high frequency, light weight and big capacity. But the adoption of the digital signal processor(DSP) makes power supply really to head into numeral, makes the anti- interference ability of the power supply, compute ability, real-time ability and integrated level to get an improvement to a large extent. The main purpose of this paper lies in researching a numeral soft-switching welding inverter based on DSP.
This paper firstly introduces the development history, actuality about the arc- welding inverter and forecasts the foreground and trend of it. In the meantime, we discuss the characteristics of welding power supply, and then we give the design ideas of numeral welding power, introduce the design methods of main circuit and control circuit of it in detail. A full-bridge configuration which cooperates with high frequency transformer and commutator is used to be main circuit, and IGBT is the primary switch component. The leading leg achieves ZVS, and the lagging leg is ZCS by the combination of soft-switching and inverter technology, which gets over the drawback of FB-ZVS-PWM circuit. The run-state of main circuit is analysed. The parameters of transformer and resonant components are calculated. The input and output rectifier is designed. We take UC3879 as the core of PWM controlling to carry out soft-switching and TMS320LF2407A as the core of all controlling system. The peripheral circuits are given in the paper. These circuits include the microprocessor circuit, the circuit used to give parameters and to show them, the PWM circuit and the safeguard circuit. The control strategy adopts Fuzzy-PID control, it’s design method is shown in the paper.
For the main circuit and control circuit in the paper, we construct the simulated model through Matlab/Simulink tools, and give the simulated waves. In order to protect the reliability of the system, we used many anti-jamming measures.
引文
[1]蒋志林,黄石生,弧焊逆变电源的研究与展望,电焊机,1999,6:6～10
[2]汪殿龙,新型软开关逆变电源的研制:[硕士学位论文],沈阳,沈阳工业大学,2003
[3]郑宜亭,黄石生,弧焊电源,北京:机械工业出版社,2002
[4]刘嘉,卢振洋,电焊机的数字化,焊接学报,2002,1:1～5
[5]刘嘉,殷树言,丁京柱,数字化焊机及其特点,电焊机,2001,6:8～10
[6]何建萍,张春波,吴毅雄等,数字化焊接电源系统特征及分析,焊接技术,2003,12
[7]常云龙,杨旭,张建民,DSP在焊接领域的应用,现代焊接2006,2
[8]易志华,国外电焊机发展概况,电焊机,1999,1:1～5
[9]孙建民,王涛,王忠礼等,智能控制原理及应用,北京:冶金工业出版社,2003,196～199
[10]章卫国,杨向中,模糊控制理论与应用,西安:西北工业大学出版社,1999
[11]王兆安,黄俊,电力电子技术,北京:机械工业出版社,2004,171～178
[12]黄石生,新型弧焊电源及智能控制,北京:机械工业出版社,2000,17～34
[13]张占送,蔡宣三,开关电源的原理与设计,北京:电子工业出版社,1998,430～499
[14] A Novel Zero-Voltage and Zero-Current-Switching PWM Full-Bridge Converter Using Two Diodes in Series With the Lagging Leg.In:Xinbo Ruan,Yangguang Yan.2001.IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS,VOL.48,NO.4,AUGUST 2001.777~785
[15] Novel Zero-Voltage and Zero-Current-Switching (ZVZCS) Full-Bridge PWM converter using coupled output inductor,IN:Hang-Seok Choi,J.W.Kim and B.H.Cho.0-7803-6618-2/01,2001,IEEE,967~973
[16]李春旭,弧焊逆变电源控制系统的研究:硕士学位论文,甘肃,甘肃工业大学,2003
[17]胡晓光,蔡惟铮,一种新型ZVZCS全桥PWM变换器,电工技术,2002,7,
[18]方臣富,殷树言,侯润石等,辅助变压器式FB-ZVZCS-PWM逆变弧焊电源,焊接学报,2005,9,9～12
[19]罗怡,许先果,移相控制ZVZCS DC/DC变换器主电路分析设计,电力电子技术,2005,8,17～19
[20]吕照瑞,张俊洪,赵镜红,全桥PWM ZVZCS变换器电路的分析设计,电力电子技术,2003,10
[21]杜贤昌,韩晓东,白志范等,软开关弧焊电源的设计及参数选择(Ⅰ),焊接学报,2005,8
[22]杜贤昌,韩晓东,白志范等,软开关弧焊电源的设计及参数选择(Ⅱ),焊接学报,2006,5
[23]王增福,李昶,魏永明,软开关电源原理与应用,北京:电子工业出版社,2006,192～260
[24]周志敏,周纪海,开关电源实用技术——设计与应用,北京:人民邮电出版社,2003
[25]李定宣,开关稳定电源设计与应用,北京:中国电力出版社,2006
[26]张占松,汪仁煌,谢丽萍译,开关电源手册(第2版),北京:人民邮电出版社,2006
[27]An Improved ZVZCS PWM FB DC/DC Converter.In:Eun-Soo,Kee-Yeon Joe,Moon-Ho Kye.1997.IEEE,0-7803-3704-2,1997.1014~1019
[28]王志强译,开关电源设计,北京:电子工业出版社,2005
[29]侯振义,直流开关电源技术及应用,北京:电子工业出版社,2006
[30]徐德鸿,沈旭,杨成林等译,开关电源设计指南,北京:机械工业出版社,2004
[31]阮新波,严仰光,直流开关电源的软开关技术,北京:科学出版社,2000
[32]李剑华,王志强,孙宝文,软开关弧焊逆变器中功率变压器的参数设计,电焊机,2001,10:30～31,37
[33]杨晶琦,电力电子器件原理与设计,北京:国防工业出版社,2000,115～120
[34]刘和平,TMS320LF240xDSP的结构、原理及应用,北京:北京航空航天大学出版社,2002
[35]杨帮文,最新传感器使用手册,北京:人民邮电出版社,2004,255～261
[36]王奇,陈柏超,电力电子装置控制系统的DSP设计方案,单片机与嵌入式系统应用,2005,8:33～37
[37]王珩,单平,胡绳荪等,基于DSP的CO2焊全数字化电源的研制,焊接设备与材料,2005,2
[38]张志坚,李鹤岐,李虹,实时显示的DSP控制逆变弧焊电源设计,兰州理工大学学报,2006,6
[39]魏双成,张军红,齐铂金,软开关弧焊逆变焊机的DSP控制,焊接设备与材料,2003,7
[40]Unitrode公司,Phase Shift Resonant Controller.
[41]史悦玲,李时杰,贾俊林,基于UC3879的移相全桥ZVS-PWM逆变器的研究,仪器仪表装置,2002,6:21～23
[42]钟利平,刘成芳,新型相移PWM控制器UC3879及其在零电压全桥变换器中的应用,国外电子元器件,1996,8:36～39
[43]杨柏松,罗如山,IGBT及其驱动和保护电路的研究,茂名学院学报,2006,2:40～43
[44]王鸣,基于模糊控制理论的一种PID参数自调整控制器的设计与仿真,自动化与仪器仪表,2000,1
[45]李楠,孟庆春,付晓峰,基于参数自整定模糊PID控制策略的电机模型仿真研究,机电工程技术,2004,第33卷,第9期:55～57
[46]刘曙光,魏俊民,竺志超,模糊控制技术,北京:中国纺织出版社,2001
[46]王三武,董金发,基于MATLAB模糊自整定PID控制器的设计与仿真,机电工程技术,2006,第35卷,第2期:67～70
[47]郭唐仕,尹华杰,陈锦云,基于双DSP低电压大电流变换器的模糊PID控制,电力电子技术,2003,10
[48]Fuzzy PID Control of Nonlinear Plants,In:Michail Petrov,Ivan Ganchev,Albena Taneva.2002 FIRST INTERNATIONAL IEEE SYMPOSIUM“INTELLIGENT SYSTEM”,2002,30~35
[49]汤兵勇,路林吉,王文杰,模糊控制理论与应用技术,北京:清华大学出版社,2002,37～58
[50]陶永华,新型PID控制及其应用,北京:机械工业出版社,2002,101～146
[51]刘金琨,先进PID控制MATLAB仿真,北京:机械工业出版社,2003
[52]袁凤莲,Fuzzy自整定PID控制器设计及其MATLAB仿真,沈阳航空工业学院学报2006,2,71～73
[53]华学明,吴毅雄,张勇等,数字信号处理器控制焊接电源的抗干扰设计,电焊机,2002,9
[54]牛虎理,路登平,刘建屏等,弧焊逆变电源的谐波及其抑制,电焊机,2004
[55]Design Techniques for EMC,Cherry Clough Consultants,In:Eur Ing Keith Armstrong C.2000(1),6~19
[56]杨克俊,电磁兼容原理与设计技术,北京:人民邮电出版社,2004
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[16]李春旭,弧焊逆变电源控制系统的研究:硕士学位论文,甘肃,甘肃工业大学,2003
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[46]王三武,董金发,基于MATLAB模糊自整定PID控制器的设计与仿真,机电工程技术,2006,第35卷,第2期:67～70
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[54]牛虎理,路登平,刘建屏等,弧焊逆变电源的谐波及其抑制,电焊机,2004
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