全数字IGBT逆变脉冲MIG/MAG焊接电源的研究
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摘要
逆变技术在焊接电源中的应用使得焊接设备在小型化、高效化方面有了飞越性发展。然而传统的模拟控制方式存在着种种弊端限制了弧焊逆变电源的进一步发展。本文结合数字信号处理技术的特点，首先介绍了焊接电源“数字化”的概念、优点以及研究现状和未来的发展前景。针对当前国内外的发展形势，阐明了进行本课题研究的必要性。
本论文简要介绍了数字信号处理器DSP的工作原理、特点以及芯片的选择。重点介绍了所研制的数字化脉冲MIG／MAG逆变弧焊电源的组成结构和控制原理。分别就逆变焊机的主电路、控制电路、保护电路、驱动电路以及送丝电路做了详细地分析，并从软、硬件两个方面进行了系统地阐述。
电源主电路采用输出功率较大的IGBT全桥式逆变结构，由输入整流滤波电路、逆变电路、高频变压器、输出整流电路和输出电抗器组成。文中详细介绍了主电路的设计要点及元件的选型和参数的计算。控制系统以16位数字信号处理器TMS320F240为核心，对整个电源进行了实时的闭环控制。设计中采用了目前比较常用的脉宽调制方式(PWM)即：控制IGBT的导通时间来实现焊机输出功率与输出特性的控制。由于TMS320F240难以直接产生需要的带死区的脉冲波形，因此设计了专门的“分频电路”。利用TMS320F240的比较单元输出一路PWM脉冲，经分频电路分频后，产生两路互不重叠的触发脉冲，再经IGBT专用驱动模块M57959L进行功率放大后，触发IGBT。系统实时对输出电流和电弧电压进行采样，将采样结果送入到DSP进行A／D转换，采用离散的PI控制算法，输出相应的控制量来实时调节IGBT驱动脉冲的脉宽，进而调制输出电流，达到控制焊机输出的目的。
本文还详细阐述了DSP片内的资源分配，外围电路的功能、作用等。设计了数字化显示电路，并针对焊接过程中可能出现的典型故障：过流、过热、过／欠压等，设计了相应的保护电路。另外，设计了开关型送丝系统。
在焊机的主电路和控制电路部分都进行了可靠性和抗干扰设计。系统软件采用汇编语言，以模块化方法设计。文中详细介绍了主程序、中断服务程序以及子程序的功能和结构。
DSP的开发所需要的仿真环境是开发DSP系统所必需的，文中详细介绍了DSP的开发环境CCS、开发工具XDS510的使用。
通过试验，对该电源的实现方案、组成部分进行了分析，得到了初步的试验结果，给出了在试验过程中记录的相关数据与波形；对试验过程中出现的问题进行研究分析，提出了解决方法。试验结果表明：该焊机主电路响应速度快，硬件电路简单可靠，系统软件高效、移植性好，抗干扰能力强，基本达到了最初设计的构想和要求。
最后，针对本焊机的后续研究工作提出了进一步完善的建议，为数字化焊机今后的深入研究奠定了良好的基础。
The application of power electronic technology in welding yield results in miniaturization and high electronic efficiency of welding inverter. But, as the development of technology, the shortcomings of traditional analogue control circuit have become the bottleneck for further promotion of the welding inverter power. According to the characteristics of digital signal processing, the digitalization of welding inverter and its future development on the basis of illumination of the DSP's basic characteristics are introduced. At the same time aiming at current research status, the paper discusses the necessary of this investigation.
Firstly, the control principle, characteristics and chip selection of DSP are introduced in the paper. The paper focuses on component part and control principle of digital GMAW -P (pulse MIG welding) inverter power. Main circuit, control circuit, pulse width modulation (PWM) circuit, drive circuit and wire feeding circuit are respectively analyzed. Furthermore, the software and hardware aspects are also addressed.
Main circuit, which applies IGBT full-bridge inverter structure, is made up of rectifier, filter, high-frequency transformer and output reactance. The key points and parameters of the design are discussed in detail. To realize real time closed loop control, high performance 16-bit DSP TMS320F240 is adopted as control kernel. Using universal PWM method means to control output power and output characteristic through controlling IGBT switch on time. Because TMS320F240 can not directly generate requisite pulse waveform with dead-band, a special separate frequency circuit is designed. The separate two pulses trigger IGBT after they are magnified by exclusive drive module M57959L. The system samples output current and welding voltage in real time, and uses PI control algorithm realize the purpose of control output characteristics of welding power.
Reliability and anti-jamming are considered in main circuit and control circuit. System software, which is made of modular subroutines, is very efficient for limiting noise and improving system response-speed.
The circumstance of simulation is necessary for designing DSP system. The paper illuminates DSP develop circumstance CCS2. 0 and develop tool XDS 510 in detail.
Corresponding data and waveforms are recorded, and problems occurred in experiment are investigated. The experiment results verify that the inverter power source has rapid response-speed, high reliability, a strong ability of anti-jamming and good human-computer interface.
At last, some advices on future research of the welding power are given, and they will make a found ground for tomorrow's research of digital welding power.
本论文简要介绍了数字信号处理器DSP的工作原理、特点以及芯片的选择。重点介绍了所研制的数字化脉冲MIG／MAG逆变弧焊电源的组成结构和控制原理。分别就逆变焊机的主电路、控制电路、保护电路、驱动电路以及送丝电路做了详细地分析，并从软、硬件两个方面进行了系统地阐述。
电源主电路采用输出功率较大的IGBT全桥式逆变结构，由输入整流滤波电路、逆变电路、高频变压器、输出整流电路和输出电抗器组成。文中详细介绍了主电路的设计要点及元件的选型和参数的计算。控制系统以16位数字信号处理器TMS320F240为核心，对整个电源进行了实时的闭环控制。设计中采用了目前比较常用的脉宽调制方式(PWM)即：控制IGBT的导通时间来实现焊机输出功率与输出特性的控制。由于TMS320F240难以直接产生需要的带死区的脉冲波形，因此设计了专门的“分频电路”。利用TMS320F240的比较单元输出一路PWM脉冲，经分频电路分频后，产生两路互不重叠的触发脉冲，再经IGBT专用驱动模块M57959L进行功率放大后，触发IGBT。系统实时对输出电流和电弧电压进行采样，将采样结果送入到DSP进行A／D转换，采用离散的PI控制算法，输出相应的控制量来实时调节IGBT驱动脉冲的脉宽，进而调制输出电流，达到控制焊机输出的目的。
本文还详细阐述了DSP片内的资源分配，外围电路的功能、作用等。设计了数字化显示电路，并针对焊接过程中可能出现的典型故障：过流、过热、过／欠压等，设计了相应的保护电路。另外，设计了开关型送丝系统。
在焊机的主电路和控制电路部分都进行了可靠性和抗干扰设计。系统软件采用汇编语言，以模块化方法设计。文中详细介绍了主程序、中断服务程序以及子程序的功能和结构。
DSP的开发所需要的仿真环境是开发DSP系统所必需的，文中详细介绍了DSP的开发环境CCS、开发工具XDS510的使用。
通过试验，对该电源的实现方案、组成部分进行了分析，得到了初步的试验结果，给出了在试验过程中记录的相关数据与波形；对试验过程中出现的问题进行研究分析，提出了解决方法。试验结果表明：该焊机主电路响应速度快，硬件电路简单可靠，系统软件高效、移植性好，抗干扰能力强，基本达到了最初设计的构想和要求。
最后，针对本焊机的后续研究工作提出了进一步完善的建议，为数字化焊机今后的深入研究奠定了良好的基础。
The application of power electronic technology in welding yield results in miniaturization and high electronic efficiency of welding inverter. But, as the development of technology, the shortcomings of traditional analogue control circuit have become the bottleneck for further promotion of the welding inverter power. According to the characteristics of digital signal processing, the digitalization of welding inverter and its future development on the basis of illumination of the DSP's basic characteristics are introduced. At the same time aiming at current research status, the paper discusses the necessary of this investigation.
Firstly, the control principle, characteristics and chip selection of DSP are introduced in the paper. The paper focuses on component part and control principle of digital GMAW -P (pulse MIG welding) inverter power. Main circuit, control circuit, pulse width modulation (PWM) circuit, drive circuit and wire feeding circuit are respectively analyzed. Furthermore, the software and hardware aspects are also addressed.
Main circuit, which applies IGBT full-bridge inverter structure, is made up of rectifier, filter, high-frequency transformer and output reactance. The key points and parameters of the design are discussed in detail. To realize real time closed loop control, high performance 16-bit DSP TMS320F240 is adopted as control kernel. Using universal PWM method means to control output power and output characteristic through controlling IGBT switch on time. Because TMS320F240 can not directly generate requisite pulse waveform with dead-band, a special separate frequency circuit is designed. The separate two pulses trigger IGBT after they are magnified by exclusive drive module M57959L. The system samples output current and welding voltage in real time, and uses PI control algorithm realize the purpose of control output characteristics of welding power.
Reliability and anti-jamming are considered in main circuit and control circuit. System software, which is made of modular subroutines, is very efficient for limiting noise and improving system response-speed.
The circumstance of simulation is necessary for designing DSP system. The paper illuminates DSP develop circumstance CCS2. 0 and develop tool XDS 510 in detail.
Corresponding data and waveforms are recorded, and problems occurred in experiment are investigated. The experiment results verify that the inverter power source has rapid response-speed, high reliability, a strong ability of anti-jamming and good human-computer interface.
At last, some advices on future research of the welding power are given, and they will make a found ground for tomorrow's research of digital welding power.
引文
[1] 黄石生，吴祥淼，王志强，王振名．现代焊接电源的新发展．中国机械工程，2002，13(14)：P53-56．
[2] 殷树言，陈树君，刘嘉，黄鹏飞，王冬平．逆变焊接技术的现状与发展．焊接技术，2002，31(SO)：P29-32．
[3] 刘嘉，卢振洋，殷树言，丁京柱．电焊机的数字化．焊接学报，2002，23(2)：P88-92．
[4] Heinrich Hackl. Process assurance and monitoring in GMA welding.http://www.fonius.com/download/welding.technology/papers/e_prozes.pdf.
[5] http://www.ewm.de/frame.html.
[6] Gary Dean. A versatile experimental test rig for GMA weld research. Australasian Welding,2001,46(3):P33-38.
[7] 刘嘉，殷树言，丁京柱．数字化焊机及其特点．电焊机，2001，31(6)：P8-10．
[8] 王伟明，刘嘉，马德，王三良殷树言．基于DSP的单脉冲焊及双脉冲焊全数字控制系统的研究．电焊机，2004，34(3)：P41-44．
[9] 吴开源．基于DSP的弧焊逆变电源数字化控制系统．电子设计应用，2002，1(11)：P71-73．
[10] 曾尧，张秀兰．数字化焊接电源．中国机械工学会．全国CO_2逆变焊机和焊丝技术交流会．上海，2002，10：P43-52．
[11] 陈裕川．全数字控制逆变式弧焊电源．上海焊接通讯，2001(12)：P13-19．
[12] 黄石生．新型弧焊电源及其智能控制．北京：机械工业出版社，2000．
[13] 郝伟．微机控制脉冲MIG焊接电源的研制．兰州：甘肃工业大学硕士学位论文，2002．
[14] 章云，谢莉萍，熊红艳．DSP控制器及其应用．北京：机械工业出版社，2002．
[15] 刘和平，严利平，张学锋，卓清锋．TMS320LF240xDSP结构、原理及应用．北京：北京航空航天大学出版社，2002．
[16] 李哲英，骆丽，刘元盛．DSP基础理论与应用技术．北京：北京航空航天大学出版社，2002．
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[18] TMS320F24X高速数字信号处理器原理及应用．北京：北京闻亭科技发展有限责任公司，2002．
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