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,即控制電路簡化、器件少、體積小、降低了成本、短路保護(hù)動作可靠,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、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)省材料和易于自動化等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于航空、航天、能源、電子、汽車、輕工等工業(yè)。近年來,隨著汽車和制罐等制造業(yè)的迅速發(fā)展,專用電阻焊機(jī)也得到了空前的發(fā)展,逐步趨向自動化和機(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)簡單的電源。但是,目前功率過小,焊接技術(shù)不是很好,焊接質(zhì)量得不到保證等問題[2]。其關(guān)鍵是功率開關(guān)管的開關(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關(guān)損耗成了一個重要問題[6]。當(dāng)前國內(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]。而國外許多廠家研制的數(shù)字化電阻焊機(jī),焊接自動化水平高,質(zhì)量可靠,但是價格非常昂貴。針對這個問題,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、動特性品質(zhì),同時進(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)是一個很好的問題解決方案。
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初級逆變器輸出中頻電壓,變壓器次級工作電流I次級,控制PWM的脈寬即可以控制工作電流I次級的大小。
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。可以看出,當(dāng)變壓器輸入電壓及磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值一定時,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]。同時由于逆變頻率的提高使二次整流輸出的脈動頻率提高,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間常數(shù),配合控制回路,就可以大大提高逆變電源的動態(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)動和保護(hù)電路組成,如圖1所示。逆變電源的初級、次級保護(hù)信號以及IGBT的保護(hù)信號通過傳感器和檢測電路實(shí)現(xiàn)適時的保護(hù)功能。DSP產(chǎn)生PWM波和外面檢測信號、保護(hù)信號和PWM經(jīng)驅(qū)動芯片驅(qū)動IGBT逆變器。驅(qū)動芯片采用了M57962AL。M57962AL具有驅(qū)動能力好,功率大,保護(hù)性能好等特點(diǎn)滿足設(shè)計(jì)的需要。驅(qū)動電路如圖3所示。驅(qū)動電路中有驅(qū)動電源、檢測保護(hù)和驅(qū)動芯片。驅(qū)動動芯片內(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、退飽和或過流,所以必須有快速保護(hù),M57962AL在被驅(qū)動IGBT出現(xiàn)這些現(xiàn)象時,進(jìn)行軟關(guān)斷的保護(hù)。電路M57962AL驅(qū)動器內(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。為了防止門極驅(qū)動電路出現(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)動工作原理為:圖1中DSP產(chǎn)生的PWM傳給圖2中的B1,經(jīng)過三級管放大反相,進(jìn)入M57962AL芯片的第13腳(圖2中驅(qū)動芯片的信號輸入引腳),在M57959AL的第5腳產(chǎn)生+15V開柵和-10V關(guān)柵電壓,驅(qū)動IGBT導(dǎo)通與關(guān)斷[6]。
同理,IGBT的保護(hù)原理為:當(dāng)過流發(fā)生時,IGBT的Uce會顯著高于正常導(dǎo)通時,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)置定時器啟動,通過關(guān)柵電路和降壓電路將短路電流鉗制在較低的值,同時檢測電路把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)動信號關(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。整個軟件編程以C語言和匯編語言編程為主,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)換采用定時器產(chǎn)生中斷方式完成,用軟件定時器T4定時啟動A/D轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生中斷信號,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
把程序燒寫到DSP芯片外圍Flash里面后,給控制電路和驅(qū)動模塊加上電壓,這里只對一路IGBT的驅(qū)動波形進(jìn)行分析。圖5是IGBT工作狀態(tài)的驅(qū)動信號波形,IGBT的E極(柵極)和G極(門極)之間的PWM波形,即+15V開柵和-10V關(guān)柵電壓,這里采用5Khz的PWM頻率。圖6是在過流情況或者檢測來的信號不對時,驅(qū)動信號關(guān)斷,使得IGBT不工作情況。分析發(fā)現(xiàn),G極信號的尖波,最大值20V左右,關(guān)斷時間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的開關(guān)頻率,有很好的可靠性,對IGBT有及時的保護(hù)功能。利用DSP控制的驅(qū)動電路能實(shí)現(xiàn)可控的中頻逆變,頻率可調(diào),PWM脈寬可調(diào),有快速及時的保護(hù)動作。M57962AL芯片和外圍的電路,具有良好的保護(hù)性能、能及時對IGBT起到保護(hù)作用和隔離保護(hù)作用。
6 結(jié)束語
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該控制電路短路保護(hù)動作可立即關(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)動電路使得控制電路大為簡化。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)時間為微秒級,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)思想對數(shù)字化中頻逆變直流電阻焊提供了一個可靠且可行的設(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5000萬元,根據(jù)目前國內(nèi)市場需求和目前國外電阻焊機(jī)的價格得出的估計(jì)。