基于DSP的電阻焊機(jī)電源控制電路設(shè)計(jì)

摘要：從中頻逆變技術(shù)現(xiàn)狀、中頻逆變電源原理出發(fā)，提出并設(shè)計(jì)出了基于DSP(Digital Single Process)的大功率中頻逆變電阻焊電源控制電路。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)方案的可行性和優(yōu)越性，即控制電路簡(jiǎn)化、器件少、體積小、降低了成本、短路保護(hù)動(dòng)作可靠,滿足性能指標(biāo)的要求,提高了系統(tǒng)的控制精度等優(yōu)越性。
關(guān)鍵字：中頻逆變、驅(qū)動(dòng)、DSP、IGBT

1 引言

電阻焊是一種重要的焊接工藝，具有生產(chǎn)效率高、成本低、節(jié)省材料和易于自動(dòng)化等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、能源、電子、汽車(chē)、輕工等工業(yè)。近年來(lái)，隨著汽車(chē)和制罐等制造業(yè)的迅速發(fā)展，專(zhuān)用電阻焊機(jī)也得到了空前的發(fā)展，逐步趨向自動(dòng)化和機(jī)器人化。焊接控制電源是電阻焊機(jī)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，由于電力電子技術(shù)的快速進(jìn)步，中頻直流逆變電阻焊接電源作為一種新型的控制電源，以其顯著的高質(zhì)低耗的特點(diǎn)成為電阻焊電源的發(fā)展方向[1][2]。

逆變控制型大功率直流電源，是一種節(jié)能，高效，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的電源。但是，目前功率過(guò)小，焊接技術(shù)不是很好，焊接質(zhì)量得不到保證等問(wèn)題[2]。其關(guān)鍵是功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗大。既浪費(fèi)了電能，又影響了逆變電路工作的可靠性。因此，在大功率電阻點(diǎn)焊直流電源中如何克服和減小開(kāi)關(guān)損耗成了一個(gè)重要問(wèn)題[6]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)的逆變電源電阻焊機(jī)多用模擬控制,控制電路相當(dāng)復(fù)雜,維修困難,且整機(jī)體積大[1]。而國(guó)外許多廠家研制的數(shù)字化電阻焊機(jī),焊接自動(dòng)化水平高,質(zhì)量可靠,但是價(jià)格非常昂貴。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,本文將DSP（TMS320LF2407A）控制技術(shù)應(yīng)用于逆變電阻焊機(jī)的研究中,以保證逆變電阻焊機(jī)的靜、動(dòng)特性品質(zhì),同時(shí)進(jìn)一步體現(xiàn)逆變電阻焊機(jī)的輕巧、節(jié)能，安全、可靠的保護(hù)等特點(diǎn)。本文介紹的基于DSP的大功率中頻逆變電阻焊電源設(shè)計(jì)是一個(gè)很好的問(wèn)題解決方案。

2 中頻逆變電源

中頻逆變直流電阻焊機(jī)的供電電源是由三相工頻交流電源經(jīng)整流電路和濾波電容變成直流電源，再經(jīng)由功率開(kāi)關(guān)器件組成的逆變電路變成中頻方波電源，然后輸入變壓器降壓后經(jīng)低管壓降的大功率二極管整流成直流電源，供給焊機(jī)的電極對(duì)工件進(jìn)行焊接（圖1所示）。逆變器通常采用電流反饋實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制（PWM）獲得穩(wěn)定的恒定電流輸出。電路原理和波形

如圖1所示。圖中U電源為電源電壓，U初級(jí)逆變器輸出中頻電壓，變壓器次級(jí)工作電流I次級(jí)，控制PWM的脈寬即可以控制工作電流I次級(jí)的大小。

                       圖1 中頻逆變電源主電路總體框圖

Fig.1 Medium Frequency Inverter Electrical Source Theory Frame

根據(jù)變壓器基本公式U = kfNSBm ,其中：U－變壓器輸入電壓，f－輸入電壓的頻率，N－變壓器匝比，S－變壓器有效導(dǎo)磁面積，Bm－磁芯最高工作磁密?？梢钥闯?，當(dāng)變壓器輸入電壓及磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值一定時(shí)，提高輸入電壓的頻率可以減少繞組匝數(shù)與減小鐵芯截面積，而變壓器的體積主要由 N 及 S 決定，因此，提高逆變器的頻率可以使電源大幅度縮小體積和重量，從而節(jié)約大量銅和磁性材料[1]。同時(shí)由于逆變頻率的提高使二次整流輸出的脈動(dòng)頻率提高，可以使用更小的濾波電抗就能達(dá)到較好的效果，從而可以減小輸出濾波電抗體積和輸出回路的時(shí)間常數(shù)，配合控制回路，就可以大大提高逆變電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，滿足不同的焊接工藝的要求。逆變直流電源具有優(yōu)越的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，因而成為逆變電源最具有發(fā)展前途的方向[1]。[!--empirenews.page--]

3 中頻逆變電源電路設(shè)計(jì)

逆變電源電路部分由DSP及其相應(yīng)外圍電路組成和驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路組成，如圖1所示。逆變電源的初級(jí)、次級(jí)保護(hù)信號(hào)以及IGBT的保護(hù)信號(hào)通過(guò)傳感器和檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)適時(shí)的保護(hù)功能。DSP產(chǎn)生PWM波和外面檢測(cè)信號(hào)、保護(hù)信號(hào)和PWM經(jīng)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)IGBT逆變器。驅(qū)動(dòng)芯片采用了M57962AL。M57962AL具有驅(qū)動(dòng)能力好，功率大，保護(hù)性能好等特點(diǎn)滿足設(shè)計(jì)的需要。驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。驅(qū)動(dòng)電路中有驅(qū)動(dòng)電源、檢測(cè)保護(hù)和驅(qū)動(dòng)芯片。驅(qū)動(dòng)動(dòng)芯片內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖為圖2所示。

IGBT大功率管子通常只能承受10us的短路電流、退飽和或過(guò)流，所以必須有快速保護(hù)，M57962AL在被驅(qū)動(dòng)IGBT出現(xiàn)這些現(xiàn)象時(shí)，進(jìn)行軟關(guān)斷的保護(hù)。電路M57962AL驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部設(shè)有電流保護(hù)電路。如圖2中，典型的應(yīng)用電路，實(shí)現(xiàn)隔離和保護(hù)功能。M57962AL的第1腳與IGBT集電極C相連，用外接的穩(wěn)壓管（圖2中DZ5）代替M57962AL內(nèi)部的穩(wěn)壓管。為了防止門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路出現(xiàn)高壓尖峰，損壞IGBT，在柵極和發(fā)射極之間反向串聯(lián)兩個(gè)穩(wěn)壓二極管（圖2中DZ16和DZ17）。

從圖1，圖2和圖3可以知道IGBT驅(qū)動(dòng)工作原理為:圖1中DSP產(chǎn)生的PWM傳給圖2中的B1，經(jīng)過(guò)三級(jí)管放大反相，進(jìn)入M57962AL芯片的第13腳（圖2中驅(qū)動(dòng)芯片的信號(hào)輸入引腳），在M57959AL的第5腳產(chǎn)生+15V開(kāi)柵和-10V關(guān)柵電壓,驅(qū)動(dòng)IGBT導(dǎo)通與關(guān)斷[6]。

同理，IGBT的保護(hù)原理為：當(dāng)過(guò)流發(fā)生時(shí),IGBT的Uce會(huì)顯著高于正常導(dǎo)通時(shí),飽和壓降一般為7V以上,就發(fā)生所謂的器件/退飽和現(xiàn)象,M57962AL的第1腳起到保護(hù)作用。M57959AL內(nèi)置定時(shí)器啟動(dòng),通過(guò)關(guān)柵電路和降壓電路將短路電流鉗制在較低的值,同時(shí)檢測(cè)電路把M57962AL的第8腳拉為低電平光耦（圖2中所示）響應(yīng),產(chǎn)生短路保護(hù)信號(hào)short1（圖2中所示）為低電平，short1送給DSP，立即關(guān)閉PWM的輸出。驅(qū)動(dòng)信號(hào)關(guān)斷，從而起到保護(hù)IGBT的保護(hù)電路作用。

          
                              圖2 IGBT驅(qū)動(dòng)電路圖

                          Fig.2 IGBT Driver Circuit Frame

                
                                  圖3 M57962AL內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

                         Fig.3 M57962AL Inside Construct Frame

4 控制程序流程圖

    軟件程序主要是DSP產(chǎn)生PWM的程序。整個(gè)軟件編程以C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言編程為主，在CCS2000環(huán)境下進(jìn)行調(diào)試后下載到DSP外圍FLASH里面，運(yùn)行良好，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，主程序流程圖和中斷程序流程圖如圖4.圖4中，系統(tǒng)初始化包括A/D口、PWM口等的初始設(shè)定。A/D轉(zhuǎn)換采用定時(shí)器產(chǎn)生中斷方式完成，用軟件定時(shí)器T4定時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生中斷信號(hào)，然后DSP進(jìn)行相應(yīng)操作。[!--empirenews.page--]

                           圖4 主程序流程圖和中斷流程圖

Fig.4 Main and Interrupt Program Flow Chart

5 實(shí)驗(yàn)波形與結(jié)論

把程序燒寫(xiě)到DSP芯片外圍Flash里面后，給控制電路和驅(qū)動(dòng)模塊加上電壓，這里只對(duì)一路IGBT的驅(qū)動(dòng)波形進(jìn)行分析。圖5是IGBT工作狀態(tài)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形，IGBT的E極（柵極）和G極（門(mén)極）之間的PWM波形，即+15V開(kāi)柵和-10V關(guān)柵電壓，這里采用5Khz的PWM頻率。圖6是在過(guò)流情況或者檢測(cè)來(lái)的信號(hào)不對(duì)時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)關(guān)斷，使得IGBT不工作情況。分析發(fā)現(xiàn)，G極信號(hào)的尖波，最大值20V左右，關(guān)斷時(shí)間Tc<10us,保證了IGBT的安全性。

         圖5 正常工作的波形                  圖6 短路情況波形                            

Fig.5 The Waves of Work Situation       Fig.6 The Waves of Short Circuit Situation

圖5和圖6實(shí)驗(yàn)波形可知，本設(shè)計(jì)電路具有中頻控制5Khz的開(kāi)關(guān)頻率，有很好的可靠性，對(duì)IGBT有及時(shí)的保護(hù)功能。利用DSP控制的驅(qū)動(dòng)電路能實(shí)現(xiàn)可控的中頻逆變，頻率可調(diào)，PWM脈寬可調(diào)，有快速及時(shí)的保護(hù)動(dòng)作。M57962AL芯片和外圍的電路，具有良好的保護(hù)性能、能及時(shí)對(duì)IGBT起到保護(hù)作用和隔離保護(hù)作用。

6 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制電路短路保護(hù)動(dòng)作可立即關(guān)閉PWM,緊急保護(hù),滿足了性能指標(biāo)的要求。利用DSP設(shè)計(jì)的控制電路和M57962AL的驅(qū)動(dòng)電路使得控制電路大為簡(jiǎn)化。器件少、體積小,降低了成本。中頻控制，提高了系統(tǒng)的控制精度。性能優(yōu)良，響應(yīng)時(shí)間為微秒級(jí)，控制速度快，可方便的根據(jù)需要設(shè)計(jì)出合適的外特性。中頻逆變電源的發(fā)展是現(xiàn)代焊接領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向，高效節(jié)能、更高的能量輸入、精確的參數(shù)調(diào)整、能減少電極的熱量和機(jī)械壓力等優(yōu)點(diǎn)得到大家的青睞[1][2][5]。本電源電路設(shè)計(jì)思想對(duì)數(shù)字化中頻逆變直流電阻焊提供了一個(gè)可靠且可行的設(shè)計(jì)方案。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：提出了一種新的基于數(shù)字信號(hào)處理器的中頻逆變電源總體設(shè)計(jì)方案，并具體分析了電路設(shè)計(jì)的硬件和軟件的實(shí)現(xiàn)。5年的經(jīng)濟(jì)效益為5000萬(wàn)元，根據(jù)目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求和目前國(guó)外電阻焊機(jī)的價(jià)格得出的估計(jì)。