1 引言

　　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(shù)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(zhì)低耗的特點成為電阻焊電源的發(fā)展方向。

　　本文從中頻逆變電源原理出發(fā)，提出并設(shè)計出了基于DSP的大功率中頻逆變電阻焊電源控制電路。實驗驗證了此設(shè)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)的控制等優(yōu)越性。

　　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(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(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。

　　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－磁芯工作磁密?？梢钥闯?，當變壓器輸入電壓及磁感應(yīng)強度值一定時，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。由于逆變頻率的提高使二次整流輸出的脈動頻率提高，可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)，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)濟指標，因而成為逆變電源有發(fā)展前途的方向。

　　3 中頻逆變電源電路設(shè)計

　　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(chǎn)生PWM波和外面檢測信號、保護信號和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，保護性能好等特點滿足設(shè)計的需要。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，M57962AL在被驅(qū)動IGBT出現(xiàn)這些現(xiàn)象時，進行軟關(guān)斷的保護。如圖2中，典型的應(yīng)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(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。

　　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。

　　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(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IGBT的保護電路作用。

　　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)境下進行調(diào)試后到DSP外圍FLASH里面，運行良好，達到了預(yù)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(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進行相應(yīng)操作。

　　5 實驗波形與結(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，值20V左右，關(guān)斷時間Tc<10us,保證了IGBT的安全性。

　　圖5和圖6實驗波形可知，本設(shè)計電路具有中頻控制5Khz的開關(guān)頻率，有很好的可靠性，對IGBT有及時的保護功能。利用DSP控制的驅(qū)動電路能實現(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(jié)語

　　實驗結(jié)果表明，該控制電路短路保護動作可立即關(guān)閉PWM,緊急保護，滿足了性能指標的要求。利用DSP設(shè)計的控制電路和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。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)計出合適的外特性。本電源電路設(shè)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(shè)計方案。

參考文獻:

[1]. M57962AL datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/M57962AL_462796.html.