摘要：從中頻逆變技術現(xiàn)狀、中頻逆變電源原理出發(fā)，提出并設計出了基于DSP(Digital Single Process)的大功率中頻逆變電阻焊電源控制電路。實驗驗證了此設計方案的可行性和優(yōu)越性，即控制電路簡化、器件少、體積小、降低了成本、短路保護動作可靠,滿足性能指標的要求,提高了系統(tǒng)的控制精度等優(yōu)越性。
關鍵字：中頻逆變、驅動、DSP、IGBT

1 引言

電阻焊是一種重要的焊接工藝，具有生產效率高、成本低、節(jié)省材料和易于自動化等特點，被廣泛應用于航空、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，專用電阻焊機也得到了空前的發(fā)展，逐步趨向自動化和機器人化。焊接控制電源是電阻焊機系統(tǒng)中的一個重要組成部分，由于電力電子技術的快速進步，中頻直流逆變電阻焊接電源作為一種新型的控制電源，以其顯著的高質低耗的特點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，結構簡單的電源。但是，目前功率過小，焊接技術不是很好，焊接質量得不到保證等問題[2]。其關鍵是功率開關管的開關損耗大。既浪費了電能，又影響了逆變電路工作的可靠性。因此，在大功率電阻點焊直流電源中如何克服和減小開關損耗成了一個重要問題[6]。當前國內的逆變電源電阻焊機多用模擬控制,控制電路相當復雜,維修困難,且整機體積大[1]。而國外許多廠家研制的數(shù)字化電阻焊機,焊接自動化水平高,質量可靠,但是價格非常昂貴。針對這個問題,本文將DSP（TMS320LF2407A）控制技術應用于逆變電阻焊機的研究中,以保證逆變電阻焊機的靜、動特性品質,同時進一步體現(xiàn)逆變電阻焊機的輕巧、節(jié)能，安全、可靠的保護等特點。本文介紹的基于DSP的大功率中頻逆變電阻焊電源設計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的供電電源是由三相工頻交流電源經整流電路和濾波電容變成直流電源，再經由功率開關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低管壓降的大功率二極管整流成直流電源，供給焊機的電極對工件進行焊接（圖1所示）。逆變器通常采用電流反饋實現(xiàn)脈寬調制（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－變壓器有效導磁面積，Bm－磁芯最高工作磁密?？梢钥闯?，當變壓器輸入電壓及磁感應強度最大值一定時，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)越的技術經濟指標，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計

逆變電源電路部分由DSP及其相應外圍電路組成和驅動和保護電路組成，如圖1所示。逆變電源的初級、次級保護信號以及IGBT的保護信號通過傳感器和檢測電路實現(xiàn)適時的保護功能。DSP產生PWM波和外面檢測信號、保護信號和PWM經驅動芯片驅動IGBT逆變器。驅動芯片采用了M57962AL。M57962AL具有驅動能力好，功率大，保護性能好等特點滿足設計的需要。驅動電路如圖3所示。驅動電路中有驅動電源、檢測保護和驅動芯片。驅動動芯片內部電路結構圖為圖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，M57962AL在被驅動IGBT出現(xiàn)這些現(xiàn)象時，進行軟關斷的保護。電路M57962AL驅動器內部設有電流保護電路。如圖2中，典型的應用電路，實現(xiàn)隔離和保護功能。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內部的穩(wěn)壓管。為了防止門極驅動電路出現(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驅動工作原理為:圖1中DSP產生的PWM傳給圖2中的B1，經過三級管放大反相，進入M57962AL芯片的第13腳（圖2中驅動芯片的信號輸入引腳），在M57959AL的第5腳產生+15V開柵和-10V關柵電壓,驅動IGBT導通與關斷[6]。

同理，IGBT的保護原理為：當過流發(fā)生時,IGBT的Uce會顯著高于正常導通時,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腳起到保護作用。M57959AL內置定時器啟動,通過關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,產生短路保護信號short1（圖2中所示）為低電平，short1送給DSP，立即關閉PWM的輸出。驅動信號關斷，從而起到保護IGBT的保護電路作用。

          
                              圖2 IGBT驅動電路圖

                          Fig.2 IGBT Driver Circuit Frame

                
                                  圖3 M57962AL內部結構圖

                         Fig.3 M57962AL Inside Construct Frame

4 控制程序流程圖

    軟件程序主要是DSP產生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)境下進行調試后下載到DSP外圍FLASH里面，運行良好，達到了預期目標，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口等的初始設定。A/D轉換采用定時器產生中斷方式完成，用軟件定時器T4定時啟動A/D轉換，產生中斷信號，然后DSP進行相應操作。[!--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 實驗波形與結論

把程序燒寫到DSP芯片外圍Flash里面后，給控制電路和驅動模塊加上電壓，這里只對一路IGBT的驅動波形進行分析。圖5是IGBT工作狀態(tài)的驅動信號波形，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，驅動信號關斷，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實驗波形可知，本設計電路具有中頻控制5Khz的開關頻率，有很好的可靠性，對IGBT有及時的保護功能。利用DSP控制的驅動電路能實現(xiàn)可控的中頻逆變，頻率可調，PWM脈寬可調，有快速及時的保護動作。M57962AL芯片和外圍的電路，具有良好的保護性能、能及時對IGBT起到保護作用和隔離保護作用。

6 結束語

實驗結果表明，該控制電路短路保護動作可立即關閉PWM,緊急保護,滿足了性能指標的要求。利用DSP設計的控制電路和M57962AL的驅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，響應時間為微秒級，控制速度快，可方便的根據(jù)需要設計出合適的外特性。中頻逆變電源的發(fā)展是現(xiàn)代焊接領域的一個重要發(fā)展方向，高效節(jié)能、更高的能量輸入、精確的參數(shù)調整、能減少電極的熱量和機械壓力等優(yōu)點得到大家的青睞[1][2][5]。本電源電路設計思想對數(shù)字化中頻逆變直流電阻焊提供了一個可靠且可行的設計方案。

本文作者創(chuàng)新點：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計方案，并具體分析了電路設計的硬件和軟件的實現(xiàn)。5年的經濟效益為5000萬元，根據(jù)目前國內市場需求和目前國外電阻焊機的價格得出的估計。