專利名稱：一種軟開關(guān)逆變弧焊電源的兩級(jí)連續(xù)pwm控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種軟開關(guān)逆變弧焊電源的PWM(脈沖寬度調(diào)制)控制方法，屬于焊接 電源控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
軟開關(guān)技術(shù)由于具有開關(guān)損耗低、電壓和電流的應(yīng)力小、電磁干擾低，可靠性好等 優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于逆變弧焊電源中。圖1(a)為一種常見軟開關(guān)逆變電源的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖 中，UI為三相整流后的直流電源，電壓為540V左右，固定臂由開關(guān)管VTl和VT2組成，通過 隔直電容Cb、變壓器漏感Llk和飽和電感Lk實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)。移動(dòng)臂由開關(guān)管VT3和VT4組 成，通過并聯(lián)電容C3和C4實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)。目前，逆變弧焊電源都是采用PWM控制方式，通過調(diào)節(jié)占空比調(diào)節(jié)電源輸出，采用 固定臂VT1、VT2的占空比保持不變，調(diào)節(jié)移動(dòng)臂VT3、VT4的占空比來實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)PWM控制。 見圖1(b)所示的開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電壓波形，VTU VT4同時(shí)導(dǎo)通，通過調(diào)節(jié)VT4的占空比來控 制正向電路的導(dǎo)通和截止，VT1保持最大占空比。VT2、VT3同時(shí)導(dǎo)通；通過調(diào)節(jié)VT3的占空 比來控制反向電路的導(dǎo)通和截止，VT2保持最大占空比。圖2為采用圖1所示的主電路和控制波形的電源外特性曲線圖，其中曲線A為恒 流控制曲線；曲線B為理論上的700W恒功率曲線；曲線C為恒壓控制曲線。在小功率范圍 內(nèi)外特性波形失控，恒流控制和恒壓控制波形區(qū)域趨于一致，此時(shí)移動(dòng)臂的占空比已經(jīng)調(diào) 節(jié)為零，弧焊電源依然保持一定的功率(約為700W)輸出，由此可見，逆變弧焊電源無法實(shí) 現(xiàn)在小功率范圍內(nèi)的有效調(diào)節(jié)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種適合 于軟開關(guān)逆變電源的兩 級(jí)連續(xù)PWM控制方法，實(shí)現(xiàn)了逆變弧焊電源全功率輸出范圍的連續(xù)可調(diào)。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是軟開關(guān)逆變主電路采用全橋逆變結(jié)構(gòu)，固定臂的占空 比保持不變，調(diào)節(jié)移動(dòng)臂的占空比實(shí)現(xiàn)PWM控制，當(dāng)PWM控制信號(hào)Uc > 0時(shí)，固定臂占空比 最大保持不變，調(diào)節(jié)移動(dòng)臂的占空比實(shí)現(xiàn)輸出功率的調(diào)節(jié)；當(dāng)PWM控制信號(hào)Uc ^ 0時(shí)，移動(dòng) 臂的占空比為零保持不變，調(diào)節(jié)固定臂占空比實(shí)現(xiàn)輸出功率的調(diào)節(jié)。本發(fā)明的有益效果是1、本發(fā)明在現(xiàn)有的軟開關(guān)逆變電源的PWM控制基礎(chǔ)上，增添了一級(jí)對(duì)固定臂的 PWM控制，實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)逆變電源輸出功率在零到額定功率的全范圍的連續(xù)可調(diào)，沒有不可控 范圍的限制。2、無論主電路工作在全橋或半橋逆變的狀態(tài)下，其PWM載波體系始終一致。


圖1是背景技術(shù)中軟開關(guān)逆變弧焊電源主電路和控制波形。
圖2是采用圖1所示的主電路和控制波形的電源外特性曲線圖。圖3是本發(fā)明兩級(jí)連續(xù)PWM控制方法的原理說明圖；圖3(a)為兩級(jí)連續(xù)PWM控制 方法的原理；圖3(b)為以PI調(diào)節(jié)為例的系統(tǒng)控制原理圖；圖3中=Utl為PWM載波最大值； Uc為PWM的控制信號(hào)。圖4是采用兩級(jí)連續(xù)PWM控制方法之后的軟開關(guān)逆變電源的恒流輸出特性，圖 4(a)為30A的恒流輸出特性曲線圖，圖4(b)為20A的恒流輸出特性曲線圖。
具體實(shí)施例方式全橋零電壓零電流逆變弧焊電源主電路和控制波形如圖1所示。圖1 (a)為軟開關(guān) 逆變弧焊電源主電路的全橋逆變結(jié)構(gòu)，UI為540V的三相全橋不可控整流電源，開關(guān)管VT1、 VT2組成固定臂，通過隔直電容(；、變壓器漏感Llk和飽和電感Lk實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)。開關(guān)管 VT3、VT4組成移動(dòng)臂，通過并聯(lián)電容C3和C4實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)。開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電壓波形如 圖1(b)所示，開關(guān)管VT1、VT4同時(shí)導(dǎo)通，開關(guān)管VT2、VT3同時(shí)導(dǎo)通；固定臂的占空比保持 不變，移動(dòng)臂占空比可調(diào)。當(dāng)移動(dòng)臂的占空比調(diào)節(jié)為零時(shí)，電源的輸出功率并不為零。這是因?yàn)榇藭r(shí)電路已 經(jīng)進(jìn)入了半橋工作狀態(tài)。原先用于實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臂零電壓開關(guān)的并聯(lián)電容C3、C4在一個(gè)工作周 期內(nèi)實(shí)現(xiàn)充放電，限制了功率的下降。此時(shí)電源的輸出功率為P = /C1U21 + /C2Uf ( 1)本發(fā)明取PWM工作頻率f = 20KHz，超前臂并聯(lián)電容(^ = C2 = 0. OBuFjUi = 540V, 可計(jì)算出P = 700W,即圖2中的曲線B為“700W恒功率曲線”。由于PWM變換電路中存在損 耗，所以負(fù)載上獲得的功率低于700W，并且隨著負(fù)載電阻的減小，損耗所占比例不斷增加， 負(fù)載功率也在不斷減小。本發(fā)明在現(xiàn)有的軟開關(guān)逆變電源的PWM控制基礎(chǔ)上，增添了一級(jí)對(duì)固定臂的PWM 控制，使逆變弧焊電源輸出在全功率范圍都可實(shí)現(xiàn)有效調(diào)節(jié)。圖3為兩級(jí)連續(xù)PWM控制方 法的原理及流程。根據(jù)調(diào)節(jié)目標(biāo)的需要，分別對(duì)移動(dòng)臂和固定臂的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)PWM 控制信號(hào)Uc > 0時(shí)，電路工作在全橋工作方式，固定臂占空比最大保持不變，調(diào)節(jié)移動(dòng)臂的 占空比實(shí)現(xiàn)輸出功率的調(diào)節(jié)，當(dāng)PWM控制信號(hào)Uc < 0時(shí)，電路工作在半橋工作方式，此時(shí)移 動(dòng)臂的占空比為零保持不變，調(diào)節(jié)固定臂占空比，實(shí)現(xiàn)輸出功率的調(diào)節(jié)，具體步驟如下1)對(duì)電壓或電流信號(hào)的采樣值和給定值的差值進(jìn)行PI計(jì)算得到PWM控制信號(hào) Uc Uc = Kpe+Ki Σ e (2)式中Kp為比例系數(shù)成為積分系數(shù)；e為信號(hào)給定值和反饋值的差；Σ e為偏差 的累積。2)當(dāng)Uc > 0時(shí)，為全橋工作方式，此時(shí)固定臂的占空比為最大值保持不變，由Uc 控制一級(jí)PWM獲得的脈沖信號(hào)提供給移動(dòng)臂，將Uc的值作為移動(dòng)臂的占空比，調(diào)節(jié)電源輸
出ο3)當(dāng)Uc < 0時(shí)，為半橋工作方式，在軟開關(guān)弧焊電源PWM —級(jí)控制方法的基礎(chǔ)上 又加入了一級(jí)PWM控制，作為第二級(jí)PWM控制，獲得的脈沖信號(hào)控制固定臂，即移動(dòng)臂的占 空比為零保持不變，將PWM控制信號(hào)Uc與固定臂占空比的最大值U0相加，即將Uc+UO的值作為固定臂占空比，通過對(duì)固定臂占空比的調(diào)節(jié)，進(jìn)一步拓寬軟開關(guān)弧焊電源輸出功率的 調(diào)節(jié)范圍。當(dāng)PWM控制信號(hào)Uc小于零時(shí)，Uc無法與載波比較，本發(fā)明在原來的PWM控制信號(hào) Uc的基礎(chǔ)上加上載波的最大值U。，將Uc+UQ作為控制信號(hào)，如圖3(a)所示。這種處理方式 使PWM2和PWMl的載波一致并有效保持了兩級(jí)控制的連續(xù)性，而且在Uc為零的臨界狀態(tài)， PWM控制信號(hào)處理后為載波最大值Utl，隨著原PWM控制信號(hào)Uc的進(jìn)一步減小，其與載波比 較后的驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比同步減小，使得PWM控制信號(hào)Uc的控制范圍最大化。所以在第二級(jí) PWM控制調(diào)節(jié)中，其固定臂的驅(qū)動(dòng)脈沖與第一級(jí)PWM控制中的移動(dòng)臂的驅(qū)動(dòng)脈沖連續(xù)且效 果保持一致，實(shí)現(xiàn)了電源輸出全功率范圍可調(diào)。通過全橋、半橋兩種工作方式的切換，很容易實(shí)現(xiàn)全功率范圍內(nèi)的輸出調(diào)節(jié)。圖4 所示為采用半橋處理后的恒流4A和20A的電源外特性曲線，在低功率段，出現(xiàn)明顯的恒流 特性，由此可知，本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)零功率的輸出。
權(quán)利要求
一種軟開關(guān)逆變弧焊電源的兩級(jí)連續(xù)PWM控制方法，軟開關(guān)逆變主電路采用全橋逆變結(jié)構(gòu)，固定臂的占空比保持不變，調(diào)節(jié)移動(dòng)臂的占空比實(shí)現(xiàn)PWM控制，其特征是當(dāng)PWM控制信號(hào)Uc＞0時(shí)，固定臂占空比最大保持不變，調(diào)節(jié)移動(dòng)臂的占空比實(shí)現(xiàn)輸出功率的調(diào)節(jié)；當(dāng)PWM控制信號(hào)Uc≤0時(shí)，移動(dòng)臂的占空比為零保持不變，調(diào)節(jié)固定臂占空比實(shí)現(xiàn)輸出功率的調(diào)節(jié)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種軟開關(guān)逆變弧焊電源的兩級(jí)連續(xù)PWM控制方法，其特征 是當(dāng)PWM控制信號(hào)Uc ^ O時(shí)，移動(dòng)臂的占空比為零保持不變，PWM控制信號(hào)Uc與固定臂 占空比的最大值Utl相加作為固定臂占空比。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種軟開關(guān)逆變弧焊電源的兩級(jí)連續(xù)PWM控制方法，其特征 是對(duì)電壓或電流信號(hào)的采樣值和給定值的差值進(jìn)行PI計(jì)算得到PWM控制信號(hào)Uc <formula>formula see original document page 2</formula>Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)；e為信號(hào)給定值和反饋值的差；Σ e為偏差的累積。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種焊接電源控制技術(shù)領(lǐng)域中的軟開關(guān)逆變弧焊電源的兩級(jí)連續(xù)PWM控制方法，軟開關(guān)逆變主電路采用全橋逆變結(jié)構(gòu)，固定臂的占空比保持不變，調(diào)節(jié)移動(dòng)臂的占空比實(shí)現(xiàn)PWM控制，當(dāng)PWM控制信號(hào)Uc＞0時(shí)，固定臂占空比最大保持不變，調(diào)節(jié)移動(dòng)臂的占空比實(shí)現(xiàn)輸出功率的調(diào)節(jié)；當(dāng)PWM控制信號(hào)Uc≤0時(shí)，移動(dòng)臂的占空比為零保持不變，調(diào)節(jié)固定臂占空比實(shí)現(xiàn)輸出功率的調(diào)節(jié)。本發(fā)明在現(xiàn)有的軟開關(guān)逆變電源的PWM控制基礎(chǔ)上增添了一級(jí)對(duì)固定臂的PWM控制，實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)逆變電源輸出功率在零到額定功率的全范圍的連續(xù)可調(diào)，無論主電路工作在全橋或半橋逆變的狀態(tài)下，其PWM載波體系始終一致。
文檔編號(hào)B23K9/10GK101804496SQ201010132769
公開日2010年8月18日 申請(qǐng)日期2010年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月24日
發(fā)明者傅強(qiáng), 姚河清, 姚瑤, 張俊濤, 張振淑, 徐勇, 王欣仁 申請(qǐng)人:河海大學(xué)常州校區(qū)