專利名稱：電焊機(jī)的數(shù)控軟開關(guān)全橋移相焊接電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及移相焊接電源技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及軟開關(guān)移相焊接電源技 術(shù)領(lǐng)域，具體是指一種電焊機(jī)的數(shù)控軟開關(guān)移相焊接電源。
*狄術(shù)
全橋移相焊電源由于體積小、質(zhì)量輕、高效節(jié)能和性能優(yōu)良，因此得到了 廣泛的研究。但全橋移相焊電源中開關(guān)頻率過高，電流過大，這就存在著較大
的開關(guān)損耗，同時EMI過大。軟開關(guān)作為目前電力電子技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一， 很好地解決了這個問題。
近年來，隨著單片機(jī)、數(shù)字信號處理器以及復(fù)雜可編程邏輯器件等元器件 的發(fā)展，數(shù)字控制技術(shù)已得到廣泛的應(yīng)用。相對于傳統(tǒng)的模擬控制，數(shù)字控制 技術(shù)有著控制方法靈活多變、控制精度高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。目前國內(nèi)外弧焊 電源的最新技術(shù)趨勢就是移相軟開關(guān)技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合。

實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種電焊機(jī)的數(shù)控軟開關(guān)移相焊接電源，有效減 小開關(guān)管的開通關(guān)斷損耗，提高了開關(guān)頻率，減小了控制器設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，大 大提高了其靈活性，控制精度高、可靠性好、即使在較小的負(fù)載下也能較好地 實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的電焊機(jī)的數(shù)控軟開關(guān)移相焊接電源具有 如下構(gòu)成二
該電焊機(jī)的數(shù)控軟開關(guān)移相焊接電源，其特點(diǎn)是，包括數(shù)字控制系統(tǒng)和全 橋移相焊電源，所述數(shù)字控制系統(tǒng)包括數(shù)字信號處理器，所述數(shù)字信號處理器 連接所述全橋移相焊電源，所述全橋移相焊電源采用全橋變換器。
較佳地，所述全橋變換器是移相全橋軟開關(guān)PWM變換器。更佳地，所述移相全橋軟開關(guān)PWM變換器為移相全橋ZVZCS PWM變換器。
更進(jìn)一步地，所述移相全橋ZVZCS PWM變換器是帶飽和電感的移相全橋 ZVZCSPWM變換器。
更進(jìn)一步地，所述數(shù)字信號處理器包括第一全比較單元和第二全比較單元， 所述移相全橋ZVZCS PWM變換器包括超前橋臂和滯后橋臂，所述第 一全比較 單元分別連接所述超前橋臂的兩移相開關(guān)管，所述第二全比較單元分別連接所 述滯后橋臂的兩移相開關(guān)管。
采用本實(shí)用新型，由于本實(shí)用新型的移相全橋ZVZCS PWM變換器利用箝 位電容實(shí)現(xiàn)超前橋臂的ZVS,利用飽和諧振電感實(shí)現(xiàn)滯后橋臂的ZCS，其有效 地減小了開關(guān)管的開通關(guān)斷損耗，提高了開關(guān)頻率；數(shù)字控制系統(tǒng)的引入不僅 減小了控制器設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，而且大大提高了其靈活性。根據(jù)上述原理設(shè)計(jì)的 軟開關(guān)全橋移相焊機(jī)，通過實(shí)驗(yàn)證明性能良好。


圖l是本實(shí)用新型的一具體實(shí)施例的帶飽和電感的ZVZCS變換器的主電路
示意圖。
圖2是本實(shí)用新型的一具體實(shí)施例的移相脈沖生成原理圖。 圖3是本實(shí)用新型的一具體實(shí)施例的主程序流程圖。
具體實(shí)施方式
為了能夠更清楚地理解本實(shí)用新型的技術(shù)內(nèi)容，特舉以下實(shí)施例詳細(xì)說明。 請參閱圖1~圖3所示，本實(shí)用新型的電焊機(jī)的數(shù)控軟開關(guān)移相焊接電源， 包括數(shù)字控制系統(tǒng)和全橋移相焊電源，所述數(shù)字控制系統(tǒng)包括數(shù)字信號處理器， 所述數(shù)字信號處理器連接所述全橋移相焊電源，所迷全橋移相焊電源采用全橋 變換器。
較佳地，所述全橋變換器是移相全橋軟開關(guān)PWM變換器。
更佳地，所述移相全橋軟開關(guān)PWM變換器為移相全橋ZVZCS PWM變換器。在本實(shí)用新型的一具體實(shí)施例中，所述移相全橋ZVZCS PWM變換器是帶 飽和電感的移相全橋ZVZCS PWM變換器。
在本實(shí)用新型的一具體實(shí)施例中，所述數(shù)字信號處理器包括第一全比較單 元和第二全比較單元，所述移相全橋ZVZCS PWM變換器包括超前橋臂和滯后 橋臂，所述第一全比較單元分別連接所述超前橋臂的兩移相開關(guān)管，所述第二 全比較單元分別連接所述滯后橋臂的兩移相開關(guān)管。
在移相全橋ZVZCS PWM變換器中，超前橋臂的零電壓(ZVS)開關(guān)是在超 前橋臂并聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娙輰?shí)現(xiàn)的，而滯后橋臂要實(shí)現(xiàn)零電流(ZCS)開關(guān)必須在變壓 器一次電壓過零期間，使一次電流復(fù)位到零并短暫箝在零電流，這一般也需要 加入輔助電路，如帶飽和電感、副邊帶箝位等。
通過分析，綜合考慮到效率、成本和實(shí)現(xiàn)難易程度等因素，本實(shí)用新型選
擇利用飽和電感實(shí)現(xiàn)滯后橋臂zcs的拓樸作為主電路。
帶飽和電感的移相全橋ZVZCS PWM變換器的主電路如圖l所示，超前橋 臂(IGBL和IGBT3組成的橋臂)實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，滯后橋臂(IGBT2和IGBT4組成 的橋臂)實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)移相焊機(jī)的零電壓零電流開關(guān) (ZVZCS)， VD廣VD4分別是與IGBT廣IGBT4反向并聯(lián)的二極管每個橋臂上的兩 個開關(guān)管(IGBT,和IGBT3或IGBT2和IGB丁4)輪流導(dǎo)通半個周期。兩個橋臂之間 引入移相從而決定變換器的占空比。
其工作原理為在超前臂一只IGBT關(guān)斷后，主電路進(jìn)入自然換相過程，此 時飽和電抗Ls仍處于飽和狀態(tài)，變壓器一次電流ip在隔直電容Cb和主變壓器一 次側(cè)漏抗I^的諧振作用下迅速下降。當(dāng)ip下降到零時，由于飽和電抗Ls已退出 了飽和，阻止了阻斷電容峰值電壓Ucbp引起的電流反向流動，從而使滯后臂的 關(guān)斷在零電壓零電流狀態(tài)下完成。隨后，滯后臂上的另一只IGBT管開通，電源 電壓Uin與Ucbp之和加在飽和電抗上，由于飽和電抗進(jìn)入飽和需要一個短暫的過 程，電流不能立即上升，這樣滯后臂的開通也是在零電流下完成。
1.主電路參數(shù)設(shè)計(jì)
1.1主變壓器的設(shè)計(jì)
變壓器變比
K=Uin(min)Dp(max)/(Uo/Dsec(max)) ■ (1)一次側(cè)繞組匝數(shù)
<formula>formula see original document page 6</formula> 二次側(cè)繞組壓數(shù)
<formula>formula see original document page 6</formula>
式中Ui咖in)為輸入電壓的最小值；Dp(鵬)為一次側(cè)最大占空比；D咖(麗)為二 次側(cè)最大占空比；U。為額定輸出電壓；Kf為波形系數(shù)，正弦時取4.44,方波時 取4; Bm為所選磁心最高工作磁密(單位Gs); f為開關(guān)頻率(單位Hz); Sc為 磁心有效截面積(單位cm2)。
1.2超前橋臂并聯(lián)電容的設(shè)計(jì)
并聯(lián)電容<formula>formula see original document page 6</formula>式中I咖ta)為最小輸出電流；Uj咖狀)為最大輸入電壓；td(,ead)為超前橋臂兩開 關(guān)管驅(qū)動信號之間的死區(qū)時間。 1.3飽和電感的設(shè)計(jì) 飽和電感伏秒積
<formula>formula see original document page 6</formula>式中Ucbp為阻斷電容峰值電壓；Tzc為滯后橋臂零電流開關(guān)時間；AT為 環(huán)流時間。
1.4阻斷電容的設(shè)計(jì) 阻斷電容<formula>formula see original document page 6</formula>
式中①Ls為々包和電感伏秒積，為已知；L&為變壓器漏感。
1.5輸出濾波電感的設(shè)計(jì)
輸出濾波電感<formula>formula see original document page 6</formula> 式中f為輸出濾波電感的工作頻率；Uu為濾波電感上電壓降；Uo為整流二 極管導(dǎo)通電壓降。
2.控制電路的設(shè)計(jì)
2.1移相PWM波的實(shí)現(xiàn)方法基本原理是利用DSP事件管理器中的兩個全比較單元輸出四路脈沖。由 第一全比較單元輸出超前臂上下管脈沖，第二全比較單元輸出滯后臂上下管脈
期中斷當(dāng)中不斷地修改，如圖2所示。在下溢中斷中賦給CMPR1&CMPR2在計(jì) 數(shù)器計(jì)數(shù)下降沿比較值，在周期中斷中賦給CMPRl&CMPR2在計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)上升 沿比較值。計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)周期為脈沖周期。實(shí)際編程時，需要按照全比較輸出對 稱脈沖的設(shè)置方法設(shè)置。
2.2數(shù)字控制系統(tǒng)的軟件流程
系統(tǒng)軟件有主程序和中斷程序兩大部分，主程序(見圖3所示)主要是完成 系統(tǒng)初始化、開關(guān)機(jī)檢測、開關(guān)機(jī)初始化，然后進(jìn)入主程序循環(huán)等待中斷。周 期中斷程序、下溢中斷程序和PDPINTA程序共同構(gòu)成系統(tǒng)中斷程序。
在周期中斷程序中完成空載電壓的軟起動，讀取電壓電流采樣值，通過檢 測輸出電流實(shí)現(xiàn)空載和負(fù)載兩種不同工況的切換，在兩種不同工況下實(shí)施各自 的控制算法等工作。周期中斷中完成空載電壓的建立、負(fù)載電流的恒定以及推 力電流的調(diào)節(jié)。
下溢中斷程序用來更新CMPR1和CMPR2的值。
當(dāng)主電路出現(xiàn)故障時，如輸出過電壓過電流、直流母線過電流、輸入過/ 欠電壓以及機(jī)器過熱等，外部硬件產(chǎn)生信號去封鎖脈沖放大和整形電路，同時 產(chǎn)生PDPINTA信號送DSP， DSP內(nèi)部產(chǎn)生PDPINTA中斷封鎖脈沖輸出。
通過以上方法設(shè)計(jì)了 一臺250A/10kW全橋移相焊電源，輸入為三相380 V ±15%，輸出空栽電壓70V，最大輸出焊接電流250A，控制器采用TI公司的 DSP芯片TMS320LF2407。證明電源性能良好。
因此，本實(shí)用新型移相全橋ZVZCS PWM變換器利用箝位電容實(shí)現(xiàn)超前橋 臂的ZVS,利用飽和諧振電感實(shí)現(xiàn)滯后橋臂的ZCS，其有效地減小了開關(guān)管的 開通關(guān)斷損耗，提高了開關(guān)頻率；數(shù)字控制系統(tǒng)的引入不僅減小了控制器設(shè)計(jì) 的復(fù)雜性，而且大大提高了其靈活性。
綜上，本實(shí)用新型的電焊機(jī)的數(shù)控軟開關(guān)移相焊接電源有效減小開關(guān)管的 開通關(guān)斷損耗，提高了開關(guān)頻率，減小了控制器設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，大大提高了其 靈活性，控制精度高、可靠性好、即使在較小的負(fù)載下也能較好地實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。在此說明書中，本實(shí)用新型已參照其特定的實(shí)施例作了描述。但是，很顯 然仍可以作出各種修改和變換而不背離本實(shí)用新型的精神和范圍。因此，說明 書和附圖應(yīng)被認(rèn)為是說明性的而非限制性的。
權(quán)利要求1.一種電焊機(jī)的數(shù)控軟開關(guān)移相焊接電源，其特征在于，包括數(shù)字控制系統(tǒng)和全橋移相焊電源，所述數(shù)字控制系統(tǒng)包括數(shù)字信號處理器，所述數(shù)字信號處理器連接所述全橋移相焊電源，所述全橋移相焊電源采用全橋變換器。
2. 如權(quán)利要求1所述的電焊機(jī)的數(shù)控軟開關(guān)移相焊接電源，其特征在于，所述 全橋變換器是移相全橋軟開關(guān)PWM變換器。
3. 如權(quán)利要求2所述的電悍機(jī)的數(shù)控軟開關(guān)移相焊接電源，其特征在于，所述 移相全橋軟開關(guān)PWM變換器為移相全橋ZVZCS PWM變換器。
4. 如權(quán)利要求3所述的電焊機(jī)的數(shù)控軟開關(guān)移相焊接電源，其特征在于，所述 移相全橋ZVZCS PWM變換器是帶飽和電感的移相全橋ZVZCS PWM變換 器。
5. 如權(quán)利要求3所述的電焊機(jī)的數(shù)控軟開關(guān)移相焊接電源，其特征在于，所述 數(shù)字信號處理器包括第一全比較單元和第二全比較單元，所述移相全橋 ZVZCS PWM變換器包括超前橋臂和滯后橋臂，所述第一全比較單元分別連 接所述超前橋臂的兩移相開關(guān)管，所述第二全比較單元分別連接所述滯后橋 臂的兩移相開關(guān)管。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種電焊機(jī)的數(shù)控軟開關(guān)全橋移相焊接電源，包括數(shù)字控制系統(tǒng)和全橋移相焊電源，所述數(shù)字控制系統(tǒng)包括數(shù)字信號處理器，所述數(shù)字信號處理器包括第一全比較單元和第二全比較單元，所述全橋移相焊電源采用帶飽和電感的移相全橋ZVZCS PWM變換器，所述移相全橋ZVZCS PWM變換器包括超前橋臂和滯后橋臂，所述第一全比較單元分別連接所述超前橋臂的兩移相開關(guān)管，所述第二全比較單元分別連接所述滯后橋臂的兩移相開關(guān)管，本實(shí)用新型能有效減小開關(guān)管的開通關(guān)斷損耗，提高了開關(guān)頻率，減小了控制器設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，大大提高了其靈活性，控制精度高、可靠性好、即使在較小的負(fù)載下也能較好地實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。
文檔編號B23K9/10GK201376134SQ200920070010
公開日2010年1月6日 申請日期2009年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月7日
發(fā)明者舒振宇 申請人:上海滬工電焊機(jī)制造有限公司