基于DSP的逆變交流電阻焊電源控制

2016-01-06 05:06:34曹彪,李海波,龐少輝

華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) 2015年3期

基于DSP的逆變交流電阻焊電源控制*

曹彪李海波龐少輝

(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院廣東廣州 510640)

摘要：常用的工頻電阻焊機(jī)輸出不連續(xù)的類正弦交流波形，由于電流過零時(shí)間長，同等功率下電流峰值過大，造成焊接時(shí)工件加熱不連續(xù)，易產(chǎn)生飛濺，針對上述問題，設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)字信號處理器(DSP)的逆變交流控制系統(tǒng).該系統(tǒng)以DSP為控制核心，包括信息檢測、脈寬調(diào)制(PWM)輸出控制、人機(jī)交互、輸入輸出(I/O)接口、故障檢測等電路和相應(yīng)的控制軟件.系統(tǒng)采用PWM控制方式調(diào)節(jié)焊接變壓器的初級電壓，實(shí)現(xiàn)了大范圍電流調(diào)節(jié)條件下較為連續(xù)的輸出；具有電流、電壓、功率3種反饋控制模式和多種頻率選擇，在每半個(gè)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速反饋調(diào)節(jié)，提高了控制精度，改善了交流電阻焊機(jī)的工藝適應(yīng)性.

關(guān)鍵詞：電阻焊；焊接電源；數(shù)字信號處理器；交流逆變器；控制系統(tǒng)

中圖分類號：TG438.2

doi：10.3969/j.issn.1000-565X.2015.03.002

文章編號：1000-565X(2015)03-0015-06

收稿日期：2014-09-09

基金項(xiàng)目：*廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013B090600098)；廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目(2011B090400261)；黃埔區(qū)科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(201341)；廣東省特派員工作站項(xiàng)目(2010B090500008)；佛山市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2011AA100175)

作者簡介：朱強(qiáng)(1977-)，男，講師，博士生，主要從事弧焊電源的智能控制和計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究.E-mail: zhuscut@163.com

電阻焊廣泛地應(yīng)用于航空、航天、汽車、輕工、家電等領(lǐng)域，特別是近幾年來隨著汽車工業(yè)等大批量生產(chǎn)企業(yè)的增加，電阻焊方法在整個(gè)焊接領(lǐng)域中的比例也在增加，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大[1-2].目前廣泛采用的單相工頻電阻焊機(jī)的電流波形是類似于正弦波的交流波形，存在著點(diǎn)焊飛濺率高、加熱不連續(xù)等缺點(diǎn)[3].逆變電阻點(diǎn)焊機(jī)與傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊機(jī)相比，具有良好的工藝性能與動(dòng)態(tài)響應(yīng)，焊接輸出精密可控，焊點(diǎn)質(zhì)量高，近年來受到了越來越廣泛的重視[4-5].隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，這類設(shè)備的技術(shù)不斷得到改進(jìn).數(shù)字信號處理器(DSP)速度快、可靠性好，是一種比單片機(jī)更優(yōu)的具備密集運(yùn)算功能的控制芯片，適合于信號的實(shí)時(shí)采集、處理與控制等方面的應(yīng)用，近年來在電源、電機(jī)控制中獲得了較廣泛的應(yīng)用[6].文中將逆變技術(shù)應(yīng)用于工頻焊機(jī)，采用DSP芯片設(shè)計(jì)了功能完整、性能優(yōu)良的控制系統(tǒng)，有利于改善現(xiàn)有交流焊機(jī)的性能，提升焊接效果.

1控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及軟件

1.1逆變交流電阻焊系統(tǒng)組成

逆變交流電阻焊系統(tǒng)組成如圖1所示，三相或單相交流輸入經(jīng)過整流濾波，由絕緣柵雙極晶體管(IGBT)全橋逆變電路轉(zhuǎn)化成脈寬可調(diào)的脈沖波形，并按照一定的頻率切換方向，再經(jīng)過焊接變壓器降壓后直接輸出.DSP檢測焊接電流、電極間電壓、輸入電壓并進(jìn)行反饋運(yùn)算，輸出合適的脈寬調(diào)制(PWM)信號驅(qū)動(dòng)逆變電路工作.

1.2控制系統(tǒng)組成

圖2為DSP控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖.主要包括DSP、人機(jī)界面、信息檢測、PWM輸出、故障保護(hù)和I/O接口等電路.采用DSP的目的是實(shí)現(xiàn)多信息的快速采樣、處理和反饋運(yùn)算.

圖1　逆變交流電阻焊系統(tǒng)結(jié)構(gòu) Fig.1　Structure of AC inverter resistance welding system

圖2　DSP控制電路硬件結(jié)構(gòu) Fig.2　Structure of DSP control circuit

本系統(tǒng)通過對焊接電流、電極間電壓的檢測，實(shí)現(xiàn)恒流、恒壓、恒功率3種控制模式；系統(tǒng)還能夠檢測電源的過熱、過壓、欠壓和參數(shù)超限等故障，并顯示在液晶屏上，方便故障的排除.

1.2.1電流檢測

電流檢測部分是將傳感器檢測的焊接電流信號轉(zhuǎn)換為DSP可以識別的電平信號.在輸出回路的電感作用下，逆變交流電阻焊系統(tǒng)的輸出電流為近似方波的帶一定脈動(dòng)的交流波形，首先采用10kHz截止頻率的低通濾波電路濾波，然后用電平偏置處理電路將正負(fù)半波的信號轉(zhuǎn)換到DSP可識別的03.3V之間.DSP根據(jù)標(biāo)定和實(shí)時(shí)采集的信號識別零電平和焊接實(shí)際電流，并將其作為半周期電流、功率控制的依據(jù).

1.2.2電極間電壓檢測

電極間電壓信號用于恒壓控制或恒功率控制.電極間電壓信號直接從電極兩端測量，考慮到控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通過隔離再經(jīng)過濾波、電平變換電路處理輸入到DSP的模數(shù)轉(zhuǎn)換(AD)端口.

1.2.3網(wǎng)壓檢測

網(wǎng)壓檢測的目的是為了判斷電網(wǎng)電壓的狀態(tài)，一方面在網(wǎng)壓波動(dòng)較大時(shí)快速保護(hù)系統(tǒng)，同時(shí)在反饋控制中加入網(wǎng)壓補(bǔ)償算法以改善網(wǎng)壓瞬態(tài)突變時(shí)的控制響應(yīng).采用霍爾電壓傳感器，測量主電路整流后直流支撐電容兩端的電壓，準(zhǔn)確反映逆變器的輸入狀態(tài).

1.2.4PWM驅(qū)動(dòng)與輸出控制

軟件控制DSP芯片的兩組PWM產(chǎn)生4路PWM信號，經(jīng)光耦隔離和功率放大后控制IGBT的開通關(guān)斷.

圖3為兩組PWM的時(shí)序圖，其中Q1、Q2為1組PWM信號，用于控制前橋臂，Q3、Q4為另1組控制后橋臂的信號.為提高控制精度，減小輸出電流紋波，前橋臂以20kHz的頻率工作，脈沖個(gè)數(shù)隨后橋臂的寬度調(diào)整.后橋臂的寬度決定了焊機(jī)的工作頻率，對通常工頻變壓器構(gòu)成的焊機(jī)控制，后橋臂的切換頻率為50Hz.為適應(yīng)不同材料短時(shí)間焊接工藝的需要，后橋臂還設(shè)計(jì)了100、150、200、250Hz等多種可選定的工作頻率.在一個(gè)周期T內(nèi)，t1時(shí)刻Q3與Q1開通，同時(shí)開始對Q1驅(qū)動(dòng)信號的脈沖計(jì)數(shù)，脈沖寬度為t2-t1.達(dá)到半周期開通時(shí)刻t3時(shí)關(guān)斷Q1和Q3，然后經(jīng)過一個(gè)死區(qū)時(shí)間，t4時(shí)控制Q2、Q4按Q1、Q3的方式工作，直至ts時(shí)結(jié)束，如此循環(huán)，當(dāng)設(shè)定的焊接周波數(shù)達(dá)到時(shí)，關(guān)斷所有開關(guān)管，完成本次通電.工作過程中運(yùn)用比例-微分-積分(PID)算法改變Q1、Q2組PWM信號的占空比以調(diào)節(jié)電源輸出，通過改變Q3、Q4的周期調(diào)節(jié)電源的頻率.

圖3　PWM波形示意圖 Fig.3　Schematic diagram of PWM waveforms

將輸出波形設(shè)定為交流方波，利用全橋逆變電路，將半周期的輸出波形采用斬波控制方式調(diào)節(jié)，在每個(gè)斬波周期(50μs)對輸出電流、電壓和電網(wǎng)電壓進(jìn)行采樣，根據(jù)控制模式設(shè)定計(jì)算輸出偏差量，依據(jù)偏差量和PID算法計(jì)算下一斬波周期的PWM脈寬，實(shí)現(xiàn)輸出的實(shí)時(shí)調(diào)整，達(dá)到輸出波形的快速準(zhǔn)確控制.

在輸出頻率為50Hz時(shí)，逆變控制方式半周期施加在阻焊變壓器上的電壓有效值最大可接近正弦交流的1.4倍，半周期有效值超過1倍時(shí)有可能導(dǎo)致變壓器飽和.采用綜合限制Q1、Q2占空比和變壓器伏秒積的方法防止變壓器飽和.此外，交流變壓器在正負(fù)半周電壓不對稱時(shí)，會(huì)造成變壓器偏磁[7-8].本研究采用每半周期反饋控制，有利于避免偏磁，同時(shí)利用DSP的高速信息采樣與處理能力，通過調(diào)整負(fù)半周最后的脈寬，使負(fù)半周的伏秒積與正半周期相等，進(jìn)一步限制偏磁.

1.2.5I/O與通信接口

設(shè)計(jì)了經(jīng)過光耦隔離的9路數(shù)字輸入和9路數(shù)字輸出接口.數(shù)字輸入包括1路焊接啟動(dòng)信號、4路參數(shù)組選擇信號、2路過熱檢測、1路冷卻水故障檢測和1路故障清除信號.輸出信號包括3路氣閥控制、1路軟啟動(dòng)控制、1路計(jì)數(shù)輸出、1路焊接結(jié)束和3路狀態(tài)輸出信號.這些信號主要是為焊機(jī)的多功能或自動(dòng)化應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，故障檢測用于保護(hù)系統(tǒng)不受損害.

此外，還設(shè)計(jì)了RS232接口電路，用于與上位機(jī)的通信，可接受上位機(jī)發(fā)送的焊接參數(shù)，也可以將實(shí)測結(jié)果發(fā)送給上位機(jī)，便于分析處理與儲(chǔ)存.

1.2.6人機(jī)接口

控制系統(tǒng)的人機(jī)交互包括一個(gè)8鍵鍵盤和一塊320×240點(diǎn)陣的液晶顯示屏(LCD).在軟件的支持下，能夠選擇控制模式、輸出頻率、焊接參數(shù)組以及其他多種功能選項(xiàng)；可以方便地設(shè)置預(yù)壓、緩升、焊接、冷卻、保持、休止等各段時(shí)間，設(shè)定電流、電壓、功率的給定值及其監(jiān)控上下限；還用于實(shí)時(shí)顯示焊接電流/電壓/功率實(shí)測值、焊接計(jì)數(shù)值等數(shù)據(jù)；當(dāng)電源出現(xiàn)故障時(shí)，在LCD上顯示所發(fā)生的故障.

1.3系統(tǒng)軟件

圖4　焊接過程控制程序流程圖 Fig.4　Flow chart of welding process control program

軟件包括參數(shù)設(shè)置與顯示、通信及焊接過程的控制等程序.圖4為焊接過程控制程序流程圖，示出了3階段加熱的電阻點(diǎn)焊過程.在每段加熱控制中，DSP以20kHz采樣頻率采集焊接電流、電極間電壓和電網(wǎng)電壓信息，運(yùn)行PID程序獲得全橋逆變電路的PWM信號，控制系統(tǒng)工作在恒流、恒壓或恒功率模式.系統(tǒng)控制采用變參數(shù)的增量式PID控制算法[9-10]，每半周期初始階段的PID參數(shù)保證波形快速上升，實(shí)際輸出超過設(shè)定值70%之后的PID參數(shù)主要是保證波形的平穩(wěn)性，從而達(dá)到過零切換時(shí)間短、波形平穩(wěn)的效果.

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

控制器硬件、軟件設(shè)計(jì)完成后，在一臺(tái)小型工頻變壓器上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn).變壓器輸出電壓為3V，負(fù)載為1mΩ的電阻，通過800mm長的電纜連接到變壓器輸出端.

2.1恒流控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5為電源輸出1000A、50Hz時(shí)的恒流控制實(shí)測電流波形，可見電流I上升較快，控制平穩(wěn)，電流的紋波較小.圖6是其他4種頻率的恒流波形.

圖5　電源輸出為50Hz、1000A時(shí)的恒流控制電流波形 Fig.5　Current waveform with constant current control at a power output of 50Hz and 1000A

(a)100Hz，1000A(b) 150Hz，1000A

圖6不同頻率下的電流波形

Fig.6Current waveforms at different frequencies

考慮到某些焊接工藝需要較短的焊接時(shí)間[11]，一些工頻電阻焊控制器設(shè)置了半波控制的功能，采用小導(dǎo)通角半波控制獲得較短的通電時(shí)間[12].為此本控制系統(tǒng)設(shè)置了可選擇輸出頻率的功能，實(shí)現(xiàn)較短時(shí)間焊接，方便微型零件的精密焊接.從圖6可以看出，隨著頻率增高，平穩(wěn)段變短，上升速度基本保持一致.

2.2結(jié)果分析與討論

對不同頻率時(shí)的輸出電流波形進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理，得到表1所示的分析結(jié)果.表中，f為頻率，Ig為電流的設(shè)定值，Ip為峰值，Ie為有效值，δ1為峰值與設(shè)定值偏差率，δ2為峰值相對有效值的偏差率，δ3為有效值相對設(shè)定值偏差率.

對于50Hz(見圖5)的電流波形，電流峰-峰值切換約為1.4ms，電流換向由固定死區(qū)控制，過零幾乎無停留，峰值與設(shè)定值偏差為3%，峰值相對有效值偏差為6.29%.進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，在輸出設(shè)定電流減小時(shí)，只是平穩(wěn)段電流值相應(yīng)減小，過零過程不變，電流峰-峰值切換時(shí)間變短.

表1不同頻率下電流波形的參數(shù)
Table 1Parameters of current waveform at different frequencies

f/HzIg/AIp/AIe/Aδ1/%δ2/%δ3/%5010001030969.03.006.29-3.110010001030926.03.0011.23-7.415010001047896.84.7016.75-10.4200900930759.53.3322.45-15.6250900911725.31.2225.60-19.4

表1中δ1是控制過沖的情況，受PID參數(shù)的影響，與頻率關(guān)系不大.δ2、δ3隨頻率增加呈遞增狀態(tài)，這是由于單位時(shí)間內(nèi)，電流的過零占比增加引起的.

有學(xué)者針對一些材料的焊接比較了逆變直流與工頻交流的工藝差別[13-14]，表明直流有明顯的優(yōu)勢.逆變交流介于兩者之間，為進(jìn)一步明確這種控制方式與傳統(tǒng)工頻交流焊機(jī)的區(qū)別，依據(jù)晶閘管(SCR)控制的工頻交流的電流函數(shù)關(guān)系式[15]，采用Matlab軟件分析相應(yīng)負(fù)載條件下不同觸發(fā)角時(shí)的過零時(shí)間占半周期的比率δt和峰值相對有效值的偏差率δ2，結(jié)果如圖7所示.可以看出，其峰值相對有效值最小偏差為41%，隨著觸發(fā)角α的增大(電流減小),偏差增大，甚至?xí)^100%.從圖7還可以看出，隨著觸發(fā)角增大，電流過零時(shí)間快速增加，波形脈動(dòng)性增大.

圖7　SCR觸發(fā)角對過零時(shí)間和有效值偏差的影響 Fig.7　Influences of SCR trigger angle on across-zero time and effective value deviation

電阻焊是利用電流流過工件產(chǎn)生的熱量加熱并局部熔化金屬實(shí)現(xiàn)焊接，電流有效值決定有效產(chǎn)熱量，峰值決定瞬間最大產(chǎn)熱率.存在電流過零意味著焊接點(diǎn)在過零期間由于熱傳導(dǎo)而被冷卻，在電流導(dǎo)通期間需要更大的電流補(bǔ)充，過零時(shí)間越長，相同的有效值對應(yīng)的峰值電流越大.較大的電流脈動(dòng)狀態(tài)導(dǎo)致焊接區(qū)域呈現(xiàn)較大的脈動(dòng)加熱，加熱速率過大時(shí)，熔化區(qū)域的擴(kuò)展速度超過塑形環(huán)的形成速度，熔化金屬被擠出，形成飛濺，這是普通交流焊機(jī)尤其是在觸發(fā)角α較大時(shí)容易產(chǎn)生飛濺的原因.SCR控制的另一個(gè)問題是在半周期內(nèi)輸出不可控，SCR導(dǎo)通期間，輸出是由輸出電壓和回路負(fù)載參數(shù)決定的動(dòng)態(tài)過程.而由圖5的波形可以看出，所設(shè)計(jì)的逆變交流控制方式較好地解決了過零、脈動(dòng)和可控性的問題，輸出的電流波形平穩(wěn)，控制精確，且不受輸出減小影響.

2.3恒壓控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果

考慮到不同材料的焊接工藝需要，本控制器還設(shè)計(jì)了恒壓控制模式.通過對電極間電壓的檢測，在獲得相應(yīng)的PID參數(shù)后，可以實(shí)現(xiàn)恒壓控制.

圖8為不同頻率的恒壓控制電極間電壓經(jīng)控制系統(tǒng)檢測電路處理后的波形.恒壓控制時(shí)電壓的過零比較快，呈現(xiàn)出與恒流控制相似的波形特性.從圖8可以看出，在半周期切換時(shí)，電壓能夠快速切換，過渡時(shí)間比電流控制稍短；電壓控制的平穩(wěn)性較電流稍差，主要是因?yàn)殡姌O間電壓為直接測量，受干擾較大，處理較為困難.從波形來看，達(dá)到了輸出快速過渡、較為平穩(wěn)的目標(biāo).

(a)50Hz，1.5V

(b)100Hz，1.5V(c)200Hz，1.5V

圖8不同頻率的恒壓控制電壓波形

Fig.8Voltage waveform with constant voltage control at diffe-rent frequencies

2.4恒功率控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將電極間電壓與焊接電流的乘積作為反饋信息，并采用PID控制，可得到控制系統(tǒng)的恒功率控制模式.圖9為恒功率輸出波形圖，其中圖9(a)為電流和電壓波形，在控制功率穩(wěn)定時(shí)，電流呈現(xiàn)上升、電壓則下降的狀態(tài)，這是由于通電初期接觸電阻下降導(dǎo)致的.圖9(b)為依據(jù)電流電壓計(jì)算的輸出功率波形圖，可以看出過程功率P間斷時(shí)間短、平穩(wěn)，有利于焊點(diǎn)的加熱過程.平穩(wěn)階段功率波形紋波較大，主要是電流、電壓信號有紋波，它們的乘積放大了紋波效應(yīng).實(shí)際控制中結(jié)合了數(shù)字濾波方法抑制信號紋波的干擾.

(a)電流,電壓

(b)輸出功率

Fig.9Output waveforms under constant power control with a power output of 50Hz and 1kVA

3結(jié)論

所設(shè)計(jì)的基于DSP的逆變交流電阻焊控制系統(tǒng)能夠快速處理焊接過程的多種信息，結(jié)合逆變控制方式實(shí)現(xiàn)了交流電阻焊半周期波形的快速響應(yīng)與平穩(wěn)控制.控制系統(tǒng)具有恒流、恒壓、恒功率等多種控制模式，具有多種頻率設(shè)定的功能，在一定程度上改善了交流電阻焊的工藝適應(yīng)性.

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