交變磁控電源的設(shè)計與仿真

陳克選，杜茵茵，陳彥強

1.蘭州理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州理工大學(xué) 省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730050

0 前言

在熔化極氣體保護焊中，增大焊接電流和焊絲伸長長度是提高焊接熔敷率的直接途徑，但在大電流下，當(dāng)熔滴過渡轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)射流過渡時，電弧穩(wěn)定性變差，飛濺增大，且焊接電流增大的同時也顯著增加了熔滴和熔池上的電弧作用力，過大的電弧力使熔池表面產(chǎn)生劇烈變形，焊縫成形差。在大電流GMAW焊接過程中引入外部磁場，能夠?qū)θ鄣芜^渡形式、焊接電弧行為以及焊接熔池中熔融金屬的流動等產(chǎn)生有益影響［1-4］。通過外加間歇縱向交變磁場讓電弧收縮，使旋轉(zhuǎn)射流過渡時電弧更穩(wěn)定，焊接飛濺率降低［5-7］，還可以有效地攪拌焊接熔池，改變?nèi)鄢亟饘俳Y(jié)晶狀況，從而使構(gòu)件的控形和控性都達到較好的效果［8-9］，具有附加裝置簡單、投入成本低、效益高等優(yōu)勢，受到了國內(nèi)外不少學(xué)者重視。

磁控電源作為核心設(shè)備之一，對磁控焊接過程控制有重要影響。目前應(yīng)用于大電流GMAW中的磁控電源還存在一定的局限性，以往磁控電源多輸出直流電，在焊接過程中引入的磁場多為恒定磁場，未考慮磁場與熔滴過渡的適配問題，即在熔滴過渡的不同階段施加不同強度或頻率的磁場，以降低飛濺、改善成形。此外，焊接過程施加磁場的參數(shù)范圍較窄，高頻強磁場對焊接過程的影響規(guī)律尚不清楚。

本研究借助MATLAB/Simulink仿真軟件，通過仿真設(shè)計和理論計算研制了一臺輸出電流0～15 A，交變頻率0～5 000 Hz的磁控電源。Simulink是基于MATLAB的框圖設(shè)計環(huán)境，可用來對各種動態(tài)系統(tǒng)進行建模、分析和仿真［10］。通過仿真結(jié)果和實際設(shè)計的對照，論證硬件設(shè)計的正確性，同時為硬件實驗提供進一步的依據(jù)和支撐。

1 磁控電源主電路結(jié)構(gòu)

磁控電源主電路采用雙逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由前級逆變器（直流輸出）和后級逆變器（交流方波輸出）組成，如圖1所示。前級逆變器采用半橋逆變結(jié)構(gòu)，逆變器工作頻率20 kHz，通過PWM脈寬調(diào)制技術(shù)控制前級開關(guān)器件IGBT的導(dǎo)通時間，來實現(xiàn)磁控電源恒電流輸出特性的調(diào)節(jié)。為改善功率開關(guān)管瞬態(tài)工況，IGBT管兩端均并聯(lián)阻容RC吸收電路和箝位二極管來確保逆變器可靠工作。為避免在工作過程中逆變電路變壓器發(fā)生偏磁，在變壓器一次側(cè)串入隔直電容C來消除變壓器一次側(cè)電壓波形中的直流成分，實踐證明效果良好。后級逆變器選擇全橋式逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由IGBT3～IGBT6組成，兩只橋臂開關(guān)管交替導(dǎo)通可實現(xiàn)交流方波的頻率和占空比調(diào)節(jié)。該磁控電源的負(fù)載是有鐵心的電感，安裝在與焊絲同軸的保護氣罩上，以產(chǎn)生與磁控電源輸出相匹配的縱向交變磁場，進而控制焊接過程。

圖1 磁控電源主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topological structure of main circuit of magnetron power supply

2 磁控電源控制系統(tǒng)

磁控電源控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計必須滿足以下原則：（1）系統(tǒng)功能豐富；（2）實時性好；（3）使用界面友好；（4）抗干擾能力強?；谏鲜鲈瓌t，采用實時性好且芯片功能豐富的80C196KC單片機為控制系統(tǒng)的核心。該芯片是由INTEL公司生產(chǎn)的MCS96系列16位單片機，具有接口豐富、處理能力強、運算速度快、功耗低的特點。針對磁控電源要實現(xiàn)的功能，設(shè)計的磁控電源控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，硬件電路設(shè)計了以微型控制器為核心的單片機最小系統(tǒng)、實現(xiàn)人機交互的參數(shù)預(yù)置與顯示電路、實時采集實際電流信號的恒值反饋采樣電流、D/A轉(zhuǎn)換電路、實現(xiàn)磁控電源恒流輸出特性的前級逆變驅(qū)動系統(tǒng)電路以及滿足交變電源頻率和占空比獨立調(diào)節(jié)特性的后級逆變驅(qū)動系統(tǒng)電路。

圖2 磁控電源控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure diagram of magnetron power supply control system

2.1 前級逆變控制系統(tǒng)

磁控電源設(shè)計通過控制前級逆變電路開關(guān)器件來實現(xiàn)電源恒流輸出特性，其控制過程如圖3所示。系統(tǒng)采用定頻率調(diào)脈寬（PWM）控制方式，首先將人機交互界面設(shè)置的電流給定值存入單片機內(nèi)存單元，再將電流反饋采樣電路實時采集的勵磁電流值與之進行比較，比較得到的誤差信號進行PI程序運算后由單片機輸出數(shù)字控制信號，該信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號輸入給UC3846脈寬調(diào)制芯片，其產(chǎn)生的脈寬信號經(jīng)放大隔離后實時控制前級逆變電路IGBT的導(dǎo)通時間，使得輸出勵磁電流值與電流給定值趨于一致，從而實現(xiàn)磁控電源恒流外特性。磁控電源恒流閉環(huán)控制過程如圖4所示。

圖3 前級逆變電路控制原理Fig.3 Control principle diagram of front-stage inverter circuit

圖4 磁控電源恒流閉環(huán)控制過程Fig.4 Constant current closed loop control process of magnetron power supply

2.2 后級逆變控制系統(tǒng)

后級逆變實現(xiàn)交變電流頻率和占空比的獨立調(diào)節(jié)，其控制信號的產(chǎn)生是基于80C196KC單片機的兩路高速輸出口，控制原理如圖5所示。首先根據(jù)面板設(shè)定所需頻率及占空比參數(shù)，通過程序運算后由HSO.0和HSO.1輸出兩路相位互補且?guī)в幸欢ㄋ绤^(qū)的脈寬信號，此脈寬信號經(jīng)過反相器反相后，送入專用于驅(qū)動IGBT的厚膜集成芯片M57959L，進行放大隔離后驅(qū)動后級IGBT的導(dǎo)通與截止，從而實現(xiàn)對交變電流頻率和占空比的調(diào)節(jié)。

圖5 后級逆變電路控制原理Fig.5 Control principle diagram of back-stage inverter circuit

2.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

結(jié)合磁控電源工作時序及硬件電路設(shè)計，文中采用模塊化編程方式來提高軟件設(shè)計效率。系統(tǒng)軟件設(shè)計以主程序為框架，主程序控制磁控電源整個工作過程，通過調(diào)用實現(xiàn)各個功能的子程序模塊（參數(shù)設(shè)置與顯示模塊、恒流控制模塊、A/D采樣模塊、后級逆變脈寬輸出模塊等），并配合中斷服務(wù)程序來實現(xiàn)對磁控電源工作過程的控制。此外，為了提高磁控電源在復(fù)雜工況下抵御干擾的能力，設(shè)計程序時也采用平均值濾波法、指令冗余、設(shè)置監(jiān)視定時器等軟件抗干擾技術(shù)改進系統(tǒng)軟件，進一步提高磁控電源可靠性。設(shè)計的主程序流程如圖6所示。

圖6 磁控電源主程序流程Fig.6 Flow chart of main program of magnetron power supply

磁控電源上電后，首先進行系統(tǒng)的初始化設(shè)置，然后根據(jù)磁控焊接工藝要求預(yù)置勵磁電流幅值、頻率和占空比，參數(shù)預(yù)置工作完成后判斷磁控開關(guān)是否閉合，若閉合則進入磁控電源工作過程控制程序，通過軟啟動程序使勵磁電流緩慢上升；當(dāng)有電流流過負(fù)載時，采樣電路開始實時采集勵磁電流值，且與面板給定電流值比較，得到的誤差信號經(jīng)PI恒流控制程序運算后周而復(fù)始地向前級脈寬調(diào)制電路發(fā)送模擬控制信號。

3 仿真設(shè)計及分析

3.1 建立磁控電源仿真模型

文中使用MATLAB/Simullink仿真平臺對設(shè)計的電路進行建模與仿真，以驗證設(shè)計電路的合理性，同時為實際試驗提供理論依據(jù)。磁控電源屬于電力電子系統(tǒng)，利用電力電子系統(tǒng)仿真專用的模塊庫Simscape進行建模。建立磁控電源模型時，在Simscape的PowerSystems子庫中尋找需要的模塊，拖曳到圖形化仿真界面，按照電路原理圖連接器件，根據(jù)理論計算參數(shù)，設(shè)置模型參數(shù)。模型建好后可以添加Measurements子庫中電壓表、電流表以及Scope等工具進行測試，能夠直觀地得到系統(tǒng)仿真結(jié)果，建立的磁控電源仿真模型如圖7所示。

圖7 磁控電源仿真模型Fig.7 Simulation model of magnetron power supply

3.2 仿真結(jié)果分析

仿真時加入powergui模塊用于配置信號仿真的初始條件和時間條件，同時在配置中調(diào)節(jié)仿真步長以匹配相應(yīng)的信號頻率，此處仿真步長可設(shè)置為9e-2 s。基于圖7建立的仿真模型，設(shè)置后級逆變脈沖電源驅(qū)動激勵信號。由于交流磁控電源的負(fù)載是一個由自行繞制的帶坡莫合金磁心、匝數(shù)為160匝的多層螺線管，經(jīng)測量其電感值為1.78 mH，因此仿真時在輸出端添加電感值為1.78 mH的感性負(fù)載，分別得到200 Hz和500 Hz下磁控電源仿真電流輸出波形如圖8所示。

圖8 磁控電源仿真電流輸出波形Fig.8 Simulation current output waveform of magnetron power supply

4 勵磁電流波形測試和交變磁場測試

按圖9所示電路搭建電流和磁感應(yīng)強度測試系統(tǒng)，測試磁控電源實際輸出勵磁電流。采用USB-6215數(shù)據(jù)采集卡，結(jié)合LabVIEW軟件所編寫的程序，以顯示磁控電源實際輸出的勵磁電流波形。

圖9 磁控電源測試系統(tǒng)Fig.9 Magnetron power supply test system

實際測得不同給定參數(shù)下的磁控電源輸出電流波形如圖10所示。其中圖10a為測試頻率200 Hz、占空比80%、電流幅值6 A的勵磁電流波形；圖10b為測試頻率500 Hz、占空比80%、電流幅值10 A的勵磁電流波形，可以看出設(shè)計的磁控電源能夠滿足頻率、占空比和勵磁電流幅值調(diào)節(jié)的特性。從實測電流波形形狀看，隨著輸出頻率的提高波形有畸變，與仿真結(jié)果一致。這是由于負(fù)載為儲能元件電感，電流方向改變時電流不能突變造成的。

圖10 實測磁控電源輸出電流波形Fig.10 Measured output current waveform of magnetron power supply

當(dāng)有交流電流過勵磁線圈時，即會產(chǎn)生交變磁場，采用MODL 903型高斯計來測量勵磁線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度。高斯計將采集的數(shù)據(jù)存儲在計算機上，通過Origin繪圖軟件繪制出磁感應(yīng)強度波形，即可讀出磁感應(yīng)強度大小和交變磁場頻率。如圖11所示，磁控電源給定勵磁電流幅值6 A、頻率200 Hz、占空比80%時，霍爾探頭測得距勵磁線圈尾部20 mm處的磁感應(yīng)強度峰值可達100 Gs，其交變磁場頻率與磁控電源設(shè)定的頻率相同，且磁場強度對稱性很好。說明該磁控電源產(chǎn)生的方波交流作用于勵磁線圈上，能產(chǎn)生給定頻率且一定強度的縱向交變磁場，可以將該磁控電源用于后續(xù)的縱向交變磁場作用下的大電流GMAW試驗中。

圖11 交變磁場波形Fig.11 Alternating magnetic field waveform

5 結(jié)論

（1）交變磁控電源主電路采用雙逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一次逆變相當(dāng)于恒流源，二次逆變獲得所需電流頻率、占空比可獨立調(diào)節(jié)的交變電流波形。

（2）借助仿真手段建立磁控電源仿真模型，根據(jù)計算參數(shù)設(shè)置模型參數(shù)，對交變磁控電源的仿真輸出波形進行分析，論證主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計的合理性。

（3）加入電感負(fù)載，測試不同給定參數(shù)下磁控電源實際電流輸出波形，測試結(jié)果顯示設(shè)計的磁控電源能夠滿足頻率、占空比和勵磁電流幅值調(diào)節(jié)的特性。同時也測試了交變磁場，得到了與磁控電源輸出相匹配的交變磁場，可用于大電流GMAW磁控焊接技術(shù)中。