[交直流弧焊逆变电源研究现状]摘要： 阐述了交直流弧焊电源实现原理及特点．并从交直流弧焊电源的逆变技术、数字化控制技术、智能控制技术三方面的研究现状 进行了详细的介绍．指出了交直流弧焊电源沿高性能数...+阅读
摘要：数字信号处理器(dsp)具有高速运算特性及独特的结构，其在逆变点焊电源领域中的应用研究已引起人们的关注。采用ti& 司
的tms320lf2407a芯片为全桥移相零电压点焊逆变电路提供pwm驱动脉冲。分析表明：利用软件编程可对pwm方波脉冲的频率、移相
角及死区时间进行灵活的设定和修改，可对焊接电流、电弧
电压采样实现系统的数字控制。硬件，软件测试结果与专用移相控制芯片进
行了对比验证。
关键词：逆变点焊电源；数字信号处理器；pwm方波：数字控制
中国分类号：tg438．2：tp273．5 文献标识码：b
在航空和汽车等制造行业，逆变点焊电源以其焊接变压器
轻小、动态响应速度快、控制精度高、焊接电流脉动小、热效
率高、电网三相平衡、无次级感抗及功率因数高等优点得到了
日益广泛的应用。但传统的逆变电源多为模拟控制或者模拟与
数字相结合的控制系统．虽然模拟控制技术已经非常成熟．但
其存在很多固有的缺点．如控制电路的元器件较多、灵活性不
够、不便于调试等 ]。而焊接是强非线性、强耦合性、多变性
和复杂性的过程，若采用数字化控制技术代替传统的模拟控制
技术，充分利用逆变主电路准数字化的特点，可以提高焊接质
量，促进焊接电源的发展。
数字信号处理器(dsp)用于工业控制近几年来发展非常
迅速，控制理论及新型控制算法和方案的提出，强大的数据处
理能力和快速运算能力．都为焊接信号的实时处理提供了技术
基础，促进了焊接电源实现数字化。从国内外各高校及研究所
的研究成果来看．dsp在焊接领域已有不少的应用。在此分析
讨论了零电压开关脉宽调制(zvs—pwm)逆变点焊电源的工
作原理及pwm方波产生的机理．并在此基础上对逆变点焊电
源的数字控制进行了研究。
1 逆变点焊电源主电路工作原理
l_1 主电路工作原理
零电压开关(zvs)逆变点焊电源主电路包括输入整流滤
波电路、软开关逆变器、中频变压器和输出整流滤波电路等，
其核心是由4只功率开关管及其并联的二极管和电容组成的软
开关逆变器．如图1a所示。图1a中，定义先导通的开关管q 和
q，组成的桥臂为超前桥臂，滞后导通管q 和q 组成滞后桥臂。
q ，q，和q ，q 分别轮流导通180。，其中q 和q3的导通时刻不
收稿日期：2007—03—16：修回日期：2007—07—14
变，控制q 和q ，使q ，q 和q3，q 的导通相差在0。-180。之间
变化，开关管重叠导通时间的长短决定了逆变器输出的大小。
如图1b所示，当q 先开通，经移相 后开通q ，关断q 后，一
次侧电流从q 中转移到c 和c3支路中，给c 充电，同时给c3放
电，由于c 两端电压不能突变，q 是零电压关断。当c3的电压
下降到零，d，自然导通，d，的导通使q，两端电压近似为零，为
q，提供了零电压开通的条件嘲。滞后臂管子的开关原理与此类
似
(a)软开关点焊逆变电源主电路
(b)igbt驱动波形
图1 逆变器主电路和igbt驱动波形
weldinz technology vol_36 no．5 oct．2007 ·焊接设备与材料· 41
主电路中．分别给4只开关管并联了电容c。～g，实现开关管
的软开关。控制策略上如果采用传统的pwm控制方式即斜对角
的2只开关管同时开通和关断， 由于会出现4只开关管全部处于关
断的状态，其并联电容就会与漏感产生谐振。那么，当斜对角开
关管开通时．并联电容上的电压可能不为零，其电荷就直接通过
开关管释放。电容的能量将全部消耗在开关管中，且在开关管中
还将产生开通电流尖峰。开关管不能实现软开关。因此，采用了
图1b所示的斜对角2只开关管错开切换的移相pwm控制。
1．2 死区时间
为实现开关管的零电压开通。必须有足够的电路谐振能量
来抽走将要开通的开关管的谐振缓冲电容上的电荷，并给同一
桥臂将要关断开关管的并联谐振电容充电。当谐振电容充放电
结束．要开通开关管的反并联二极管，将开关管两端电压箝至
接近零位时，驱动开关管，即可实现零电压开通。所以要实现
开关管的零电压开通．除了要有足够的能量来抽走并联电容上
的电荷．既要满足一定的能量条件，又必须满足一定的时间条
件。可见，在软开关逆变点焊电源中，死区时间一方面可以防
止同一桥臂的2只开关管发生直通现象。同时也是为了满足开
关管零电压换流的时间条件。
超12全文查看前臂和滞后臂的谐振换流能量来源是不一样的。对于超
前臂而言，变压器二次回路的等效电感厶和一次漏感 共同参
与谐振。能量较大，容易实现零电压开关。而滞后臂的谐振能
量只由一次漏感 提供。二次回路的等效电感不参与谐振，显
然滞后臂实现零电压开关要困难一些。因此．在设计计算两桥
臂的死区时间时，只要满足了滞
后臂的时间条件。也就确保了
超前臂的时间条件。
2 驱动方波的产生与控制
2．1 pwm方波
系统采用tms320lf’2407a dsp为控制核心，该控制器的
工作电压为3．3 v，指令执行速度最高可达到40 mips，高性能
10位模／数转换器(adc)的转换时间为500 n8，提供多达l6路
的模拟输入。在逆变电源系统中dsp的作用是产生输出pwm波
形、对反馈电压进行a／d采样并实时监测电压波动情况，调整
输出pwm波形占空比。稳定输出电压。
利用dsp的事件管理器模块，通过软件算法可以使其输出
移相pwm波形。2个事件管理器模块的比较单元能同时输出6对
独立的pwm波形，通过对死区单元寄存器进行赋值可得n0～12
8的死区时间。在比较单元中的比较操作，为通用定时器的计
数器持续与比较寄存器的值进行比较，当一个匹配产生时。比
较单元的输出按照动作控制寄存器(actra)中的位进行跳
变，即或者从高有效跳变为低有效或者从低有效跳变为高有效。
在跳变为高有效或低有效后。此状态一直保持到另一个匹配的
产生[3]。此时比较单元的输出又发生跳变，依此dsp可连续输出
有一定脉宽且高低有效的方波。pwm波产生原理如图2所示。
由图可见产生比较匹配时则发生输出跳变。此模式下，在一个
定时器周期内发生2次比较中断。即产生对称pwm波形。
l一定时器周期——_j
比较匹配点 圈
2 带有死区的p1 m波形产生原理圈
2．2 软件控制设计
主电路中4只功率开关管之间的驱动脉冲有严格的时序要
求。编写程序时应注意dsp各寄存器的初始化。程序流程如图
3所示。dsp中adc模块对中频变压器一次侧电流及输出电压
进行采样。实现电源的双闭环控制； 当要产生的波形其占空比
不同时，只需在线计算出相对于占空比的宽度的值。并加载到
比较寄存器中即可，即根据实际采样值。通过计算、修改软件
而不断改变输出pwm方波的占空比，从而控制输出电压。
开始
调入头文件2407．h
系统寄存器初始化
adc模块初始化
eva和evb模块初始化
分配i，o口
采集电流、电压信号
调用a／d转换子程序
dsp运算处理
调整pwm波形
图3 pwm信号流程图
驱动igbt
焊接完成?
结柬
3 pwm波形测试
采用seed—xds型仿真器对软件进行仿真调试。设定系统
逆变频率为1 khz， 用tds2014型数字示波器测试dsp输出的
pwm波形。
图4和图5为实测dsp输出pwm波形及死区时间．由图可
见，波形1和2互补导通，波形3和4互补导通。波形1，3和波形
2，4之间有时延。因此，波形1，2，3，4分别对应图1b中的
q ，q：，q 和q，波形，满足了软开关逆变点焊电源功率开关管
的驱动时序要求。图6为通过修改程序得到的不同移相角及死
区时间的波形。图7为专用移相控制芯片uc3875输出的移相
pwm波形及死区时间波形。
42 ·焊接设备与材料· 焊接技术 第36卷第5期2o07年l0月
1，2，3，4一uge：5 v／div t：250 izs／div
圉4 移相角90。波形
1，2，3，4一uge：5 v／div t：250 t
s／div
81t5 死区时间lits
1，2，3，4- uge：5v／div t：250 izs／div
(a)移相角180。波形
1，2，3，4一uge：5 v／div t：5 izs／div
(b)无移相角且死区时间2 s
图6 修改程序输出的pwm波形
2
3
4
1，2，3，4-uge：20 v／div t：250 p
s／div
(a)输出的pwm波形
1，2-uge： 10v／divt：1 s／div
(b)死区时间2．2 izs
圉7 试验测得uc3875输出波形
与专用移相控制芯片uc3875输出的波形对比分析及系统
试验验证，dsp输出的pwm波形完全满足要求，通过修改软件
即可得到不同的移相角及死区时间。
4 结论
选取能够实现逆变点焊电源功率开关管零电压开关的移相
pwm控制模式。波形检测表明，dsp输出的pwm方波，可以
满足零电压软开关逆变点焊电源逆变桥功率管的驱动时序要
求： 系统在以dsp为控制核心的基础上，对电流电压采样的双
闭环控制实现了控制系统的准数字化。
参考文献：
[1]周洁．逆变电源的数字控制技术[j]．电焊机，2004，34(12)：8-
10．
[2]阮新波，严仰光．脉宽调制dc／dc全桥变换器的软开关技术[m]．
北京：科学出版社，2o01．16—19．
[3]刘和平，王维俊．tms320lf240x dsp c语言开发应用[m]．北京：
北京航空航天大学出版社，2003．156—158．12全文查看摘要：数字信号处理器(dsp)具有高速运算特性及独特的结构，其在逆变点焊电源领域中的应用研究已引起人们的关注。
采用i∓ 司
的ms320lf2407芯片为全桥移相零电压点焊逆变电路提供pwm驱动脉冲。分析表明：利用软件编程可对pwm方波脉冲的频率、移相
角及死区时间进行灵活的设定和修改，可对焊接电流、电弧
电压采样实现系统的数字控制。硬件，软件测试结果与专用移相控制芯片进
行了对比验证。
关键词：逆变点焊电源；数字信号处理器；pwm方波：数字控制
中国分类号：438．2：p273．5 文献标识码：b
在航空和汽车等制造行业，逆变点焊电源以其焊接变压器
轻小、动态响应速度快、控制精度高、焊接电流脉动小、热效
率高、电网三相平衡、无次级感抗及功率因数高等优点得到了
日益广泛的应用。但传统的逆变电源多为模拟控制或者模拟与
数字相结合的控制系统．虽然模拟控制技术已经非常成熟．但
其存在很多固有的缺点．如控制电路的元器件较多、灵活性不
够、不便于调试等 ]。而焊接是强非线性、强耦合性、多变性
和复杂性的过程，若采用数字化控制技术代替传统的模拟控制
技术，充分利用逆变主电路准数字化的特点，可以提高焊接质
量，促进焊接电源的发展。
数字信号处理器(dsp)用于工业控制近几年来发展非常
迅速，控制理论及新型控制算法和方案的提出，强大的数据处
理能力和快速运算能力．都为焊接信号的实时处理提供了技术
基础，促进了焊接电源实现数字化。从国内外各高校及研究所
的研究成果来看．dsp在焊接领域已有不少的应用。在此分析
讨论了零电压开关脉宽调制(zvs—pwm)逆变点焊电源的工
作原理及pwm方波产生的机理．并在此基础上对逆变点焊电
源的数字控制进行了研究。
1 逆变点焊电源主电路工作原理
l_1 主电路工作原理
零电压开关(zvs)逆变点焊电源主电路包括输入整流滤
波电路、软开关逆变器、中频变压器和输出整流滤波电路等，
其核心是由4只功率开关管及其并联的二极管和电容组成的软
开关逆变器．如图1所示。图1中，定义先导通的开关管q 和
q，组成的桥臂为超前桥臂，滞后导通管q 和q 组成滞后桥臂。
q ，q，和q ，q 分别轮流导通180。，其中q 和q3的导通时刻不
收稿日期：2007—03—16：修回日期：2007—07—14
变，控制q 和q ，使q ，q 和q3，q 的导通相差在0。-180。之间
变化，开关管重叠导通时间的长短决定了逆变器输出的大小。
如图1b所示，当q 先开通，经移相 后开通q ，关断q 后，一
次侧电流从q 中转移到c 和c3支路中，给c 充电，同时给c3放
电，由于c 两端电压不能突变，q 是零电压关断。当c3的电压
下降到零，d，自然导通，d，的导通使q，两端电压近似为零，为
q，提供了零电压开通的条件嘲。滞后臂管子的开关原理与此类
似
()软开关点焊逆变电源主电路
(b)ib驱动波形
图1 逆变器主电路和ib驱动波形
wldinz chnoloy vol_36 no．5 oc．2007 ·焊接设备与材料· 41
主电路中．分别给4只开关管并联了电容c。～，实现开关管
的软开关。控制策略上如果采用传统的pwm控制方式即斜对角
的2只开关管同时开通和关断， 由于会出现4只开关管全部处于关
断的状态，其并联电容就会与漏感产生谐振。那么，当斜对角开
关管开通时．并联电容上的电压可能不为零，其电荷就直接通过
开关管释放。电容的能量将全部消耗在开关管中，且在开关管中
还将产生开通电流尖峰。开关管不能实现软开关。因此，采用了
图1b所示的斜对角2只开关管错开切换的移相pwm控制。
1．2 死区时间
为实现开关管的零电压开通。必须有足够的电路谐振能量
来抽走将要开通的开关管的谐振缓冲电容上的电荷，并给同一
桥臂将要关断开关管的并联谐振电容充电。当谐振电容充放电
结束．要开通开关管的反并联二极管，将开关管两端电压箝至
接近零位时，驱动开关管，即可实现零电压开通。所以要实现
开关管的零电压开通．除了要有足够的能量来抽走并联电容上
的电荷．既要满足一定的能量条件，又必须满足一定的时间条
件。可见，在软开关逆变点焊电源中，死区时间一方面可以防
止同一桥臂的2只开关管发生直通现象。同时也是为了满足开
关管零电压换流的时间条件。
超[]前臂和滞后臂的谐振换流能量来源是不一样的。对于超
前臂而言，变压器二次回路的等效电感厶和一次漏感 共同参
与谐振。能量较大，容易实现零电压开关。而滞后臂的谐振能
量只由一次漏感 提供。二次回路的等效电感不参与谐振，显
然滞后臂实现零电压开关要困难一些。因此．在设计计算两桥
臂的死区时间时，只要满足了滞
后臂的时间条件。也就确保了
超前臂的时间条件。
2 驱动方波的产生与控制
2．1 pwm方波
系统采用ms320lf’2407 dsp为控制核心，该控制器的
工作电压为3．3 v，指令执行速度最高可达到40 mips，高性能
10位模／数转换器(dc)的转换时间为500 n8，提供多达l6路
的模拟输入。在逆变电源系统中dsp的作用是产生输出pwm波
形、对反馈电压进行／d采样并实时监测电压波动情况，调整
输出pwm波形占空比。稳定输出电压。
利用dsp的事件管理器模块，通过软件算法可以使其输出
移相pwm波形。2个事件管理器模块的比较单元能同时输出6对
独立的pwm波形，通过对死区单元寄存器进行赋值可得n0～12
8的死区时间。在比较单元中的比较操作，为通用定时器的计
数器持续与比较寄存器的值进行比较，当一个匹配产生时。比
较单元的输出按照动作控制寄存器(cr)中的位进行跳
变，即或者从高有效跳变为低有效或者从低有效跳变为高有效。
在跳变为高有效或低有效后。此状态一直保持到另一个匹配的
产生[3]。此时比较单元的输出又发生跳变，依此dsp可连续输出
有一定脉宽且高低有效的方波。pwm波产生原理如图2所示。
由图可见产生比较匹配时则发生输出跳变。此模式下，在一个
定时器周期内发生2次比较中断。即产生对称pwm波形。
l一定时器周期——_j
比较匹配点 圈
2 带有死区的p1 m波形产生原理圈
2．2 软件控制设计
主电路中4只功率开关管之间的驱动脉冲有严格的时序要
求。编写程序时应注意dsp各寄存器的初始化。程序流程如图
3所示。dsp中dc模块对中频变压器一次侧电流及输出电压
进行采样。实现电源的双闭环控制； 当要产生的波形其占空比
不同时，只需在线计算出相对于占空比的宽度的值。并加载到
比较寄存器中即可，即根据实际采样值。通过计算、修改软件
而不断改变输出pwm方波的占空比，从而控制输出电压。
开始
调入头文件2407．h
系统寄存器初始化
dc模块初始化
v和vb模块初始化
分配i，o口
采集电流、电压信号
调用／d转换子程序
dsp运算处理
调整pwm波形
图3 pwm信号流程图
驱动ib
焊接完成?
结柬
3 pwm波形测试
采用sd—ds型仿真器对软件进行仿真调试。设定系统
逆变频率为1 khz， 用ds2014型数字示波器测试dsp输出的
pwm波形。
图4和图5为实测dsp输出pwm波形及死区时间．由图可
见，波形1和2互补导通，波形3和4互补导通。波形1，3和波形
2，4之间有时延。因此，波形1，2，3，4分别对应图1b中的
q ，q：，q 和q，波形，满足了软开关逆变点焊电源功率开关管
的驱动时序要求。图6为通过修改程序得到的不同移相角及死
区时间的波形。图7为专用移相控制芯片uc3875输出的移相
pwm波形及死区时间波形。
42 ·焊接设备与材料· 焊接技术 第36卷第5期2o07年l0月
1，2，3，4一u：5 v／div ：250 izs／div
圉4 移相角90。波形
1，2，3，4一u：5 v／div ：250
s／div
815 死区时间lis
1，2，3，4- u：5v／div ：250 izs／div
()移相角180。波形
1，2，3，4一u：5 v／div ：5 izs／div
(b)无移相角且死区时间2 s
图6 修改程序输出的pwm波形
2
3
4
1，2，3，4-u：20 v／div ：250 p
s／div
()输出的pwm波形
1，2-u： 10v／div：1 s／div
(b)死区时间2．2 izs
圉7 试验测得uc3875输出波形
与专用移相控制芯片uc3875输出的波形对比分析及系统
试验验证，dsp输出的pwm波形完全满足要求，通过修改软件
即可得到不同的移相角及死区时间。
4 结论
选取能够实现逆变点焊电源功率开关管零电压开关的移相
pwm控制模式。波形检测表明，dsp输出的pwm方波，可以
满足零电压软开关逆变点焊电源逆变桥功率管的驱动时序要
求： 系统在以dsp为控制核心的基础上，对电流电压采样的双
闭环控制实现了控制系统的准数字化。
参考文献：
[1]周洁．逆变电源的数字控制技术[j]．电焊机，2004，34(12)：8-
10．
[2]阮新波，严仰光．脉宽调制dc／dc全桥变换器的软开关技术[m]．
北京：科学出版社，2o01．16—19．
[3]刘和平，王维俊．ms320lf240 dsp c语言开发应用[m]．北京：
北京航空航天大学出版社，2003．156—158．
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