4 数字化弧焊电源控制系统研究

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1、4.数字化弧焊电源控制系统研究4.1引言弧焊电源的负载是电弧,因此其电气性能要能适应电弧负载的特性,即具备工艺适应性。弧焊工艺对电源有下列要求[][]:保证引弧容易;保证电弧稳定;保证焊接规范稳定;具有足够宽的焊接规范调节范围。为满足上述工艺要求,弧焊电源的电气性能要考虑如下几个方面:弧焊电源外特性的要求;弧焊电源调节特性的要求;弧焊电源动特性的要求。逆变式弧焊电源控制系统设计的目的是利用控制系统通过电压、电流闭环负反馈调节,来获得弧焊电源所需要的外特性、调节特性和动特性。随着超大规模集成电路技术的发展,微处理器的性能飞速提高,成本价格不断下降,

2、使得开关型电力变换装置的全数字化控制日益增多,模拟控制已逐渐被数字控制取代。但同时,受限于微处理器的发展,也出现了数字控制系统特有的问题,如采样和量化过程产生的误差,使系统性能有所下降,数字处理器采样、计算延时带来的电源最大占空比受限问题,传统的模拟控制方案在数字实现中效果不如模拟控制等等,这些问题使得数字控制在电源性能提高的发挥中受到了阻碍。本章将从分析移相全桥小信号模型基础上建立移相全桥通用模型,且致力于分析电阻负载变化时,开关频率和开环增益特性的关系。数字采样、零阶保持和滞后一拍对控制对象的影响在数字化逆变电源中有文献研究,但是在移相全桥电

3、源中尚未有文献深入讨论,本章致力于分析数字化过程引起控制系统性能下降的主要原因以及提出相应建议。最后本章将就数字化过程对弧焊电源的影响的解决办法而建立弧焊电源双环切换数字化系统,以及双闭环数字化系统,并通过仿真证明其动态特性和稳态特性是否能够满足弧焊电源需求。4.2弧焊电源控制系统模型4.2.1移相全桥小信号模型由于要实现滞后桥臂的ZVS,移相全桥电路必须含有谐振电感,而谐振电感的存在会造成副边的占空比丢失。在ZVS移相全桥PWM变换器中,变压器副边有效占空比可以表示如下:(4-1)其中,为由控制信号决定的占空比大小,为占空比损失。占空比损失表达

4、式如下:(4-2)其中,为变压器副原边匝比,,和分别为输入电压和输出电压,为开关周期,为输出滤波器电感值,为输出滤波电感的电流,和为占空比丢失开始和结束时刻的变压器原边电流。由上述表达式我们可以看出,滤波电感电流和输入电压的变化均对实际有效占空比产生影响。其具体表达式可如下所示:(4-3)滤波电感电流变化导致占空比变化量为(4-4)其中,,负号表示滤波电感电流的增加将导致占空比损失增大。输入直流电压变化引起的占空比变化量为(4-5)即直流电压上升将导致占空比损失减小。将ZVS移相全桥PWM变换器的实际有效占空比变化量代入公式,可以建立如图4.1所

5、示的移相全桥PWM变换器小信号等效模型:图4.1移相全桥PWM变换器小信号等效模型通过其小信号模型,推导出移相全桥的传递函数:(1)控制对的传递函数,令,可求得:(4-6)其中,,为开关频率,为变压器等效到原边的漏感和串联谐振电感之和。(2)输入电压对输出电压的传递函数,令,可求得:(4-7)(3)输出阻抗,令、,可求得:(4-8)(4)占空比对电感电流的传递函数,令,可求得:(4-9)4.2.1移相全桥ZVS通用模型几乎所有的文献都是基于移相全桥小信号等效模型来分析,但是这个等效模型推导过程相对复杂,而且因为含有电压源、电流源,应用起来不够方便

6、。本人通过简单分析找到一种可以代替小信号模型的通用模型,推导过程简单,应用起来非常方便。事实上,由于占空比丢失只是丢失电压,如果能用一个能代替占空比丢失的虚拟电阻代替占空比丢失阶段,其电阻值与输入电压、输出电流,占空比都没有关系,只与物理参数有关,那么就可以得到移相全桥ZVS通用模型。占空比丢失电压为:(4-10)式中,为变压器副原边匝比,,和分别为输入电压和占空比丢失电压,为开关周期,为占空比丢失时间,为一个周期中丢失的占空比。占空比丢失期,变压器副边短路,原边电压全部降在等效谐振电感上,所以:(4-11)式中,为变压器副边两边漏感并联后折算到

7、原边再串联原边漏感以及串联外加谐振电感之和,为占空比丢失期间变压器原边电流变化量,为输出滤波电感电流。根据式(4-10)、(4-11)可以得出:(4-12)式中,为开关频率。则占空比丢失等效电阻为,其与输入电压、输出电流以及占空比均无关,只与开关频率、等效谐振电感、变压器副原边变比有关,而移相全桥电路通常是恒频控制,别的物理参数一旦设计好就不变,所以虚拟等效电阻在电路运行时就不会改变。电流增大时占空比丢失严重的解释是:由于输出电流变大时,在此虚拟等效电阻上面的压降变大,也就是丢失在此电阻上面的电压变大,输出电压就变低,表示占空比丢失严重。所以可以

8、得出移相全桥通用模型如图4.2所示。图4.2移相全桥ZVS通用等效模型其中为占空比,为负载电阻。由图4.2同样可以推倒出移相全桥的各传递

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1、4.数字化弧焊电源控制系统研究4.1引言弧焊电源的负载是电弧,因此其电气性能要能适应电弧负载的特性,即具备工艺适应性。弧焊工艺对电源有下列要求[][]:保证引弧容易;保证电弧稳定;保证焊接规范稳定;具有足够宽的焊接规范调节范围。为满足上述工艺要求,弧焊电源的电气性能要考虑如下几个方面:弧焊电源外特性的要求;弧焊电源调节特性的要求;弧焊电源动特性的要求。逆变式弧焊电源控制系统设计的目的是利用控制系统通过电压、电流闭环负反馈调节,来获得弧焊电源所需要的外特性、调节特性和动特性。随着超大规模集成电路技术的发展,微处理器的性能飞速提高,成本价格不断下降,

2、使得开关型电力变换装置的全数字化控制日益增多,模拟控制已逐渐被数字控制取代。但同时,受限于微处理器的发展,也出现了数字控制系统特有的问题,如采样和量化过程产生的误差,使系统性能有所下降,数字处理器采样、计算延时带来的电源最大占空比受限问题,传统的模拟控制方案在数字实现中效果不如模拟控制等等,这些问题使得数字控制在电源性能提高的发挥中受到了阻碍。本章将从分析移相全桥小信号模型基础上建立移相全桥通用模型,且致力于分析电阻负载变化时,开关频率和开环增益特性的关系。数字采样、零阶保持和滞后一拍对控制对象的影响在数字化逆变电源中有文献研究,但是在移相全桥电

3、源中尚未有文献深入讨论,本章致力于分析数字化过程引起控制系统性能下降的主要原因以及提出相应建议。最后本章将就数字化过程对弧焊电源的影响的解决办法而建立弧焊电源双环切换数字化系统,以及双闭环数字化系统,并通过仿真证明其动态特性和稳态特性是否能够满足弧焊电源需求。4.2弧焊电源控制系统模型4.2.1移相全桥小信号模型由于要实现滞后桥臂的ZVS,移相全桥电路必须含有谐振电感,而谐振电感的存在会造成副边的占空比丢失。在ZVS移相全桥PWM变换器中,变压器副边有效占空比可以表示如下:(4-1)其中,为由控制信号决定的占空比大小,为占空比损失。占空比损失表达

4、式如下:(4-2)其中,为变压器副原边匝比,,和分别为输入电压和输出电压,为开关周期,为输出滤波器电感值,为输出滤波电感的电流,和为占空比丢失开始和结束时刻的变压器原边电流。由上述表达式我们可以看出,滤波电感电流和输入电压的变化均对实际有效占空比产生影响。其具体表达式可如下所示:(4-3)滤波电感电流变化导致占空比变化量为(4-4)其中,,负号表示滤波电感电流的增加将导致占空比损失增大。输入直流电压变化引起的占空比变化量为(4-5)即直流电压上升将导致占空比损失减小。将ZVS移相全桥PWM变换器的实际有效占空比变化量代入公式,可以建立如图4.1所

5、示的移相全桥PWM变换器小信号等效模型:图4.1移相全桥PWM变换器小信号等效模型通过其小信号模型,推导出移相全桥的传递函数:(1)控制对的传递函数,令,可求得:(4-6)其中,,为开关频率,为变压器等效到原边的漏感和串联谐振电感之和。(2)输入电压对输出电压的传递函数,令,可求得:(4-7)(3)输出阻抗,令、,可求得:(4-8)(4)占空比对电感电流的传递函数,令,可求得:(4-9)4.2.1移相全桥ZVS通用模型几乎所有的文献都是基于移相全桥小信号等效模型来分析,但是这个等效模型推导过程相对复杂,而且因为含有电压源、电流源,应用起来不够方便

6、。本人通过简单分析找到一种可以代替小信号模型的通用模型,推导过程简单,应用起来非常方便。事实上,由于占空比丢失只是丢失电压,如果能用一个能代替占空比丢失的虚拟电阻代替占空比丢失阶段,其电阻值与输入电压、输出电流,占空比都没有关系,只与物理参数有关,那么就可以得到移相全桥ZVS通用模型。占空比丢失电压为:(4-10)式中,为变压器副原边匝比,,和分别为输入电压和占空比丢失电压,为开关周期,为占空比丢失时间,为一个周期中丢失的占空比。占空比丢失期,变压器副边短路,原边电压全部降在等效谐振电感上,所以:(4-11)式中,为变压器副边两边漏感并联后折算到

7、原边再串联原边漏感以及串联外加谐振电感之和,为占空比丢失期间变压器原边电流变化量,为输出滤波电感电流。根据式(4-10)、(4-11)可以得出:(4-12)式中,为开关频率。则占空比丢失等效电阻为,其与输入电压、输出电流以及占空比均无关,只与开关频率、等效谐振电感、变压器副原边变比有关,而移相全桥电路通常是恒频控制,别的物理参数一旦设计好就不变,所以虚拟等效电阻在电路运行时就不会改变。电流增大时占空比丢失严重的解释是:由于输出电流变大时,在此虚拟等效电阻上面的压降变大,也就是丢失在此电阻上面的电压变大,输出电压就变低,表示占空比丢失严重。所以可以

8、得出移相全桥通用模型如图4.2所示。图4.2移相全桥ZVS通用等效模型其中为占空比,为负载电阻。由图4.2同样可以推倒出移相全桥的各传递

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