1 引言

　　近年來(lái)，隨著汽車(chē)和制罐等制造業(yè)的迅速發(fā)展，專(zhuān)用電阻焊機(jī)得到了空前的發(fā)展，逐步趨向自動(dòng)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(gè)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。

　　本文從中頻逆變電源原理出發(fā)，提出并設(shè)計(jì)出了基于DSP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(jiǎn)化、器件少、體積小、降低了成本、短路保護(hù)動(dòng)作可靠，滿足性能指標(biāo)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(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(kāi)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(duì)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(jí)逆變器輸出中頻電壓，變壓器次級(jí)工作電流I次級(jí)，控制PWM的脈寬即可以控制工作電流I次級(jí)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。可以看出，當(dāng)變壓器輸入電壓及磁感應(yīng)強(qiáng)度值一定時(shí)，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(dòng)頻率提高，可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(shí)間常數(shù)，就可以大大提高逆變電源的動(dòng)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)，因而成為逆變電源有發(fā)展前途的方向。

　　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(dòng)和保護(hù)電路組成，如圖1所示。逆變電源的初級(jí)、次級(jí)保護(hù)信號(hào)以及IGBT的保護(hù)信號(hào)通過(guò)傳感器和檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)適時(shí)的保護(hù)功能。DSP產(chǎn)生PWM波和外面檢測(cè)信號(hào)、保護(hù)信號(hào)和PWM經(jīng)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)IGBT逆變器。驅(qū)動(dòng)芯片采用了M57962AL。M57962AL具有驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路如圖3所示。驅(qū)動(dòng)電路中有驅(qū)動(dòng)電源、檢測(cè)保護(hù)和驅(qū)動(dòng)芯片。驅(qū)動(dòng)動(dòng)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(guò)流，所以必須有快速保護(hù)，M57962AL在被驅(qū)動(dòng)IGBT出現(xiàn)這些現(xiàn)象時(shí)，進(jìn)行軟關(guān)斷的保護(hù)。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(mén)極驅(qū)動(dòng)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(gè)穩(wěn)壓二極管。

　　從圖1，圖2和圖3可以知道IGBT驅(qū)動(dòng)工作原理為：圖1中DSP產(chǎn)生的PWM傳給圖2中的B1，經(jīng)過(guò)三級(jí)管放大反相，進(jìn)入M57962AL芯片的第13腳（圖2中驅(qū)動(dòng)芯片的信號(hào)輸入引腳），在M57959AL的第5腳產(chǎn)生+15V開(kāi)柵和-10V關(guān)柵電壓，驅(qū)動(dòng)IGBT導(dǎo)通與關(guān)斷。

　　同理，IGBT的保護(hù)原理為：當(dāng)過(guò)流發(fā)生時(shí)，IGBT的Uce會(huì)顯著高于正常導(dǎo)通時(shí)，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(shí)器啟動(dòng)，通過(guò)關(guān)柵電路和降壓電路將短路電流鉗制在較低的值，同時(shí)檢測(cè)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(hào)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(dòng)信號(hào)關(guān)斷，從而起到保護(hù)IGBT的保護(hù)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(gè)軟件編程以C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言編程為主，在CCS2000環(huán)境下進(jìn)行調(diào)試后到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(shí)器產(chǎn)生中斷方式完成，用軟件定時(shí)器T4定時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生中斷信號(hào)，然后DSP進(jìn)行相應(yīng)操作。

　　5 實(shí)驗(yàn)波形與結(jié)論

　　把程序燒寫(xiě)到DSP芯片外圍Flash里面后，給控制電路和驅(qū)動(dòng)模塊加上電壓，這里只對(duì)一路IGBT的驅(qū)動(dòng)波形進(jìn)行分析。圖5是IGBT工作狀態(tài)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形，IGBT的E極（柵極）和G極（門(mén)極）之間的PWM波形，即+15V開(kāi)柵和-10V關(guān)柵電壓，這里采用5Khz的PWM頻率。圖6是在過(guò)流情況或者檢測(cè)來(lái)的信號(hào)不對(duì)時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)關(guān)斷，使得IGBT不工作情況。分析發(fā)現(xiàn)，G極信號(hào)的尖波，值20V左右，關(guān)斷時(shí)間Tc<10us,保證了IGBT的安全性。

　　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(kāi)關(guān)頻率，有很好的可靠性，對(duì)IGBT有及時(shí)的保護(hù)功能。利用DSP控制的驅(qū)動(dòng)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(shí)的保護(hù)動(dòng)作。M57962AL芯片和外圍的電路，具有良好的保護(hù)性能、能及時(shí)對(duì)IGBT起到保護(hù)作用和隔離保護(hù)作用。

　　6 結(jié)語(yǔ)

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制電路短路保護(hù)動(dòng)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(dòng)電路使得控制電路大為簡(jiǎn)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(shí)間為微秒級(jí)，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。本電源電路設(shè)計(jì)思想對(duì)數(shù)字化中頻逆變直流電阻焊提供了一個(gè)可靠且可行的設(shè)計(jì)方案。

參考文獻(xiàn):

[1]. M57962AL datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/M57962AL_462796.html.