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斩波及电流闭环反馈控制脉冲等离子弧焊电源
所属分类：技术前沿
来源：《现代焊接》杂志
作者：管理员
更新日期：2015-09-11
摘要：脉冲等离子弧焊采用脉冲电流焊接，当脉冲频率增加时电弧对熔池的压力增大、焊缝熔深增加，脉冲电弧焊有其自身的焊接工艺特点。脉冲弧焊电源输出脉冲电流频率的能力与其电力变流电路结构及控制系统结构有关。采用斩波电力电路及电流闭环反馈控制，采用MOSFET电力器件作为开关器件，设计斩波开关频率53.763kHz，优化输出电感L及变流电路布线等，合理设计弧焊电源电流闭环反馈控制系统结构，使弧焊电源输出电流在基值电流和脉冲电流之间变换的动态过程中快速且无超调，输出脉冲电流的频率达到了1162.8 Hz。
关键词：脉冲电流；脉冲电弧；斩波；闭环反馈；控制
1 引言
脉冲等离子弧焊是采用脉冲电流进行电弧焊的工艺技术。脉冲电弧在平均焊接电流相同的情况下，当脉冲频率增加时电弧对熔池的压力增大、焊缝熔深增加[1]。脉冲电弧可
以用较低的热输入获得较大的熔深，可以减小焊接热影响区和焊件变形。脉冲电弧便于精确控制电弧能量及其分布，易获得合适的熔池形状及尺寸，可以提高焊缝抗烧穿和熔池保持能力，易获得稳定的焊接质量。脉冲电弧对熔池有较强的搅拌作用，而且熔池金属冷凝快，高温停留时间短，焊缝金属组织致密。
弧焊电源通常对输出电流进行闭环反馈控制，再对输出电流进行调制，从而使弧焊电源输出电流在基值电流和基值时间、脉冲电流和脉冲时间之间变换。从脉冲电弧焊接工艺来讲，希望脉冲频率有比较宽广的调节范围。但是弧焊电源输出脉冲电流的频率是与其电力变流电路结构相关联的。弧焊电源若采用晶闸管整流控制式电力变流电路，输出脉冲频率最大是5Hz；若采用IGBT逆变控制式电力变流电路，输出脉冲频率最大是500Hz[2]。
关于脉冲弧焊电源输出脉冲电流及其脉冲频率对焊接电弧及焊接质量的影响，有相关的研究报道[3-5]。
本文采用电力MOSFET器件作为斩波开关器件、采用电流闭环反馈控制技术来控制弧焊电源输出到电弧上的电流，满足脉冲等离子弧焊的要求。
1 脉冲等离子弧焊电源斩波控制式电力变流电路
从系统控制的角度来讲，要求弧焊电源输出脉冲频率高，实际上就是要求弧焊电源这个控制系统（包括电力变流电路、反馈及控制等环节构成的系统）具有高的控制输出电流的动态响应性能。通常衡量系统的动态性能，最常用的就是单位阶跃响应的上升过程，包括上升时间tr、超调量σ、调节时间ts等系统动态响应技术指标。对于脉冲电弧的脉冲电流，若存在超调量、调节时间亦大于0，则在焊接电弧中就能表现出来，影响焊接电弧的质量，所以希望超调量及调节时间等于0；在此条件下，若弧焊电源输出电流其上升时间短，则可以提高弧焊电源输出脉冲电流的频率。
需要说明的是，在脉冲焊接电弧其基值电流值和脉冲电流值等焊接参数可选择的范围内，弧焊电源输出电流由基值电流向脉冲电流转换的动态过程中，若输出电流略有一点超调量，电弧还能连续燃烧；但是由脉冲值电流向基值电流转换的动态过程中，若输出电流有一点超调量就可能导致电流超调到0值，有可能导致电弧断弧、电弧不连续；尤其是基值电流比较小的时候，这种情况就更容易发生，发生这种现象对焊接电弧来讲是不可以的。综上所述，脉冲弧焊电源其输出脉冲电流的控制是有其焊接工艺特殊性的，对其控制要满足脉冲电弧焊的要求。
在此脉冲电弧控制技术要求的背景下，为了提高等离子弧焊电源输出脉冲电流的频率以及达到良好的输出脉冲电流的动态技术指标，研究采用斩波控制式电力变流电路、再结合电流闭环反馈控制，研究输出脉冲电流的特性，满足脉冲电弧焊接的要求。斩波这种电力变流电路在直流伺服电动机调速等领域的应用已经比较普遍，但是在弧焊电源输出脉冲电流的电力变流控制中的研究应用还是具有新意的。
脉冲等离子弧焊电源斩波控制式电力变流电路如图1所示，网路供电电压220 V径变压器T1降压、整流器BR1整流及电容C1滤波，输出电压u1满足脉冲等离子弧焊接电源（以下可简称 弧焊电源，或简称等离子弧焊接电源）空载电压的要求。电力MOSFET VT1～VT3、快速整流二极管VD1～VD2及电感L构成斩波控制式电力变流电路，该电路斩波工作输出电流电压提供给等离子电弧。图1中R4、C2是MOSFET的RC保护电路；R5、C3是快速整流二极管VD1～VD2的RC保护电路；电感L是斩波控制储能放能电感，也起到焊接电流滤波作用。Tif是斩波电流反馈元件，其输出电压uif提供给电流闭环反馈控制电路，进行斩波输出电流闭环反馈控制。dr来自脉宽调制PWM1电路，是高低电平，dr经其后面的驱动电路、驱动电阻R1～R3去驱动电力MOSFET VT1～VT3。
1 脉冲等离子弧焊电源斩波控制式电力变流电路
从系统控制的角度来讲，要求弧焊电源输出脉冲频率高，实际上就是要求弧焊电源这个控制系统（包括电力变流电路、反馈及控制等环节构成的系统）具有高的控制输出电流的动态响应性能。通常衡量系统的动态性能，最常用的就是单位阶跃响应的上升过程，包括上升时间tr、超调量σ、调节时间ts等系统动态响应技术指标。对于脉冲电弧的脉冲电流，若存在超调量、调节时间亦大于0，则在焊接电弧中就能表现出来，影响焊接电弧的质量，所以希望超调量及调节时间等于0；在此条件下，若弧焊电源输出电流其上升时间短，则可以提高弧焊电源输出脉冲电流的频率。
需要说明的是，在脉冲焊接电弧其基值电流值和脉冲电流值等焊接参数可选择的范围内，弧焊电源输出电流由基值电流向脉冲电流转换的动态过程中，若输出电流略有一点超调量，电弧还能连续燃烧；但是由脉冲值电流向基值电流转换的动态过程中，若输出电流有一点超调量就可能导致电流超调到0值，有可能导致电弧断弧、电弧不连续；尤其是基值电流比较小的时候，这种情况就更容易发生，发生这种现象对焊接电弧来讲是不可以的。综上所述，脉冲弧焊电源其输出脉冲电流的控制是有其焊接工艺特殊性的，对其控制要满足脉冲电弧焊的要求。
在此脉冲电弧控制技术要求的背景下，为了提高等离子弧焊电源输出脉冲电流的频率以及达到良好的输出脉冲电流的动态技术指标，研究采用斩波控制式电力变流电路、再结合电流闭环反馈控制，研究输出脉冲电流的特性，满足脉冲电弧焊接的要求。斩波这种电力变流电路在直流伺服电动机调速等领域的应用已经比较普遍，但是在弧焊电源输出脉冲电流的电力变流控制中的研究应用还是具有新意的。
脉冲等离子弧焊电源斩波控制式电力变流电路如图1所示，网路供电电压220 V径变压器T1降压、整流器BR1整流及电容C1滤波，输出电压u1满足脉冲等离子弧焊接电源（以下可简称 弧焊电源，或简称等离子弧焊接电源）空载电压的要求。电力MOSFET VT1～VT3、快速整流二极管VD1～VD2及电感L构成斩波控制式电力变流电路，该电路斩波工作输出电流电压提供给等离子电弧。图1中R4、C2是MOSFET的RC保护电路；R5、C3是快速整流二极管VD1～VD2的RC保护电路；电感L是斩波控制储能放能电感，也起到焊接电流滤波作用。Tif是斩波电流反馈元件，其输出电压uif提供给电流闭环反馈控制电路，进行斩波输出电流闭环反馈控制。dr来自脉宽调制PWM1电路，是高低电平，dr经其后面的驱动电路、驱动电阻R1～R3去驱动电力MOSFET VT1～VT3。
图1 脉冲等离子弧焊电源斩波
控制式电力变流电路
图1中，u1是经电容滤波输出的直流电压。当dr＝1（高电平）时，经驱动电路去驱动VT1～VT3导通，电流i1经VT1～VT3、Tif的一次绕组、电感L，给电弧输出电流i3，此时i1＝i2＝i3，电流呈上升趋势，此时电感L中的储能呈上升趋势。当dr＝0时，经驱动电路，VT1～VT3关断，电流i1、i2立即降到0；电感L储存的能量经快速二极管VD1～VD2、电弧形成回路，电流i3继续流动，此时电感L是放能过程，随着电感L的放能，电流i3具有下降趋势。
对图1斩波控制式电力变流电路工作过程，采用示波器进行测试，测得工作波形如图2所示。图2中上下有两个图，上图是脉宽调制PWM1输出脉冲信号即dr信号，下图是图1中的i3波形图。图2中横向的时间轴1格是20 μs，在示波器上测得图1斩波控制式电力电路的斩波频率是53.763kHz。
图2斩波控制式电力变流电路斩波工作波形
2 电流闭环反馈控制结构
2 电流闭环反馈控制结构
弧焊电源输出控制多数需要对输出电流进行闭环反馈控制，以满足焊接方法（例如等离子弧焊、钨极氩弧焊等）的要求。弧焊电源无论是逆变控制式还是晶闸管整流控制式，只要是作为上述焊接方法的弧焊电源，就要对输出电流进行控制，形成下降外特性，满足焊接方法对弧焊电源的要求。
本文研究的斩波控制式弧焊电源，在斩波变流控制的基础上，采用电流闭环反馈控制，形成对输出电流的控制、形成下降外特性，满足等离子弧焊的要求。
图3是脉冲微束等离子弧焊电源电流闭环反馈控制及脉冲电流输出控制的电路原理示意图。图3中电流负反馈值uif是图1中的电流反馈值uif。脉冲等离子弧焊电源给定电流目标值是ur，经电流闭环反馈控制，弧焊电源输出目标电流ir。脉冲等离子弧焊电源电流闭环反馈控制基本原理如下：当ue＝ur－uif＝0时，PWM1输出脉冲的脉宽保持不变，即dr的脉冲宽度不变，经驱动电路驱动VT1～VT3的导通宽度不变，弧焊电源输出电压及输出电流亦不变，控制输出电流等于目标电流ir。当ue＝ur－uif>0时，PWM1输出脉冲的脉宽加大，即dr的脉冲宽度加大，经驱动电路驱动VT1～VT3的导通宽度加大，弧焊电源输出电压加大、输出电流亦加大，控制输出电流等于目标电流ir；反之亦然，当ue＝ur－uif<0时，PWM1输出脉冲的脉宽减小，即dr的脉冲宽度减小，经驱动电路驱动VT1～VT3的导通宽度减小，弧焊电源输出电压减小、输出电流亦减小，控制输出电流等于目标电流ir。
图3 电流闭环反馈控制及输出脉冲电流
控制的电路原理示意图
3 脉冲输出控制结构
脉冲等离子弧焊电源输出脉冲电流的控制原理如下：PWM2输出脉冲的频率及宽度分别由调节信号f和b调节确定。PWM2输出脉冲信号去控制U1A的10＃端，当PWM2＝0（低电平）时，ur＝urb，经电流闭环反馈控制，弧焊电源输出电流ir＝irb（基值电流）；PWM2＝1（高电平）时ur＝urp，经电流闭环反馈控制，弧焊电源输出电流ir＝irp（脉冲电流）。
图4是脉冲等离子弧焊电源输出脉冲电流波形图，经示波器测量，脉冲电流的脉冲频率是1162.8 Hz。在此需要说明的是，在图4电流波形曲线图中，毛刺是斩波控制式电力变流电路53.763kHz斩波开关过程给测量过程形成的干扰信号。
由示波器测得的脉冲电流波形图表明，脉冲电流上升过程平滑，没有超调，脉冲时间内电流平稳；脉冲电流下降过程平滑，同样没有超调，基值时间内电流平稳。
图4 脉冲等离子弧焊电源输出脉冲电流波形图
3 脉冲参数比较及电路结构分析
能够输出脉冲电流进行钨极氩弧焊或等离子弧焊的弧焊电源现在主要是逆变控制式弧焊电源。这种弧焊电源的变流环节主要有：一次整流、滤波、逆变环节、逆变变压器、二次整流、输出电感L等；其中影响输出脉冲电流频率的主要因素有：逆变环节、逆变变压器、输出电感L、变流路线中的布线结构等。提高逆变频率、优化设计及制造逆变变压器、优化输出电感、优化变流路线中的布线结构等，采取这些措施能够适当提高逆变控制式弧焊电源输出脉冲频率。目前焊接工程中应用的逆变控制式脉冲弧焊电源输出脉冲频率调节范围的最大值是500Hz。
斩波控制式变流电路，其变流环节主要有：工频变压器、整流、滤波、斩波电路、输出电感L等；其中影响输出脉冲频率的主要因素有：工频变压器、斩波电路、输出电感L、变流路线中的布线结构等。设计制造工频变压器时使一次绕组和二次绕组磁路紧密耦合，使其漏感甚小。斩波控制式变流电路优化元件布局、优化布线结构，降低布线产生的电感。进一步优化输出电感L，提高斩波频率。在此基础上，再优化电流反馈环节、优化电流控制环节，从而优化设计系统的动态性能、提高系统的动态性能，使弧焊电源输出具有高动态响应性能，同时不要有超调量。
这种斩波及电流闭环反馈控制的电路结构，影响动态性能的主要元件是储能电感L。电感L加大，有利于储能及滤波，但是将降低弧焊电源输出动态性能；电感L减小，配合斩波开关频率的提高以弥补储能能力的减小，从而可以提高弧焊电源输出动态性能。本文的研究工作经综合考虑，斩波开关频率53.763kHz，此时弧焊电源输出脉冲电流的脉冲频率达到了1162.8 Hz。在此基础上，若再进一步优化设计，频率还有提高的空间。
4 结论
脉冲等离子弧焊电源采用斩波及电流反馈控制，优化斩波电路及电流闭环反馈控制系统，优化电力电路的布线，输出脉冲电流的频率达到了1162.8 Hz。
输出脉冲电流由基值电流向脉冲电流变换的动态过程中无超调，由脉冲电流向基值电流变换的动态过程中亦无超调，脉冲电流和基值电流之间的转换过程平稳，焊接电弧燃烧平稳。
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