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1、逆变弧焊电源峰值电流模式双闭环控制系统的研究逆变弧焊电源峰值电流模式双闭环控制系统的研究方臣富方臣富1, 2 殷树言殷树言2 侯润石侯润石3 于明于明1 王进成王进成4(1.江苏科技大学材料学院，江苏 镇江 212003； 2. 北京工业大学机电学院，北京 100022； 3.清华大学机械工程系，北京 100084； 4. 凯尔达电焊机有限公司，浙江 杭州 310018)摘要：摘要：采用电压模式单闭环控制系统的逆变弧焊电源，系统动态响应速度慢，不能对主电路功率器件进行实时电流控制，中频变压器无抗偏磁能力，因此可靠性较差。本文研制的逆变弧焊电源采用双闭环控制系统,内环实现了在每个开关周期对功率器
2、件的峰值电流进行实时控制，提高了系统动态响应速度，消除了中频变压器偏磁现象；外环控制输出的平均电流，提高了输出电流的精度和系统的可靠性。关键词：关键词：逆变，弧焊电源，峰值电流模式，双闭环控制1引言引言逆变式弧焊电源 DC-DC 功率变换器的控制方式可分为电压模式和电流模式两大类1。电压模式是指控制电压直接控制变换器的占空比(变换器输出电压与占空比成比例)；电流模式是指控制电压直接控制变换器输出的平均电流或峰值电流（变换器输出平均电流或峰值电流不与占空比成比例） 。目前，逆变弧焊电源多采用电压模式控制，系统动态响应速度慢，不能对主电路功率器件进行实时电流控制，无抗偏磁能力。本文研制的逆变弧焊电
3、源采用双闭环控制系统，内环在每个开关周期对功率器件的峰值电流进行实时控制，从而提高系统动态响应速度，消除中频变压器偏磁现象；外环控制输出的平均电流，保证输出电流的精度和系统的可靠性。2电压模式单闭环控制系统存在的问题电压模式单闭环控制系统存在的问题电压模式控制原理框图如图 1 所示。uin为电网交流电经整流滤波后的直流电压。uref(给定电压)，uo（反馈电压，正比于输出电压或输出电流） ，经误差放大器 E/A 进行 PI 调节后得到了控制电压ue，它与振荡器输出电压uosc经比较器比较后得到 PWM 信号，该信号经驱动电路后控制功率器件的开关。电压模式控制系统只有一个闭环，当有网压波动或受其
4、它干扰时，要等到输出电压或输出电流有变化后控制器才能进行调节，故动态响应时间较长，不能对功率器件的电流实时检测，应用在全桥逆变电路时，需要其它辅助电路实现抗磁芯偏磁和对功率器件进行过流保护。图 1 电压模式控制原理图 Fig.1 Control principle diagram in voltage mode 图 2 电压模式控制的恒流输出特性全桥逆变弧焊电源原理框图 Fig.2 Principle diagram of full-bridge arc welding inverter with constant current output characteristic in voltag
5、e mode图 2 为电压模式控制的恒流输出特性全桥逆变弧焊电源原理框图。采用拉氏变换和自控理论可得图 2 各环节的传递函数。误差放大及补偿电路环节（采用 PI 调节器时）传递函数： （1）ssKsGiip ) 1()(1PWM 及驱动电路环节传递函数：（2） kTvdsGe12其中，k 为振荡器锯齿波上升率，T 为振荡器周期。取样环节传递函数：（3） nR sIsUsGcof)()(4其中，n 为霍尔电流传感器（LEM）内部线圈匝数，Rc为内阻。滤波环节传递函数：（4） 11 5TssG变换器环节（虚线框部分所示功率电路和电弧负载）传递函数：（5） RLsusGs 3（6） RLsDsG6其
6、中，为输出电流 I0对整流滤波后的直流电压uin的传递函数，)(3sG为输出电流 I0对占空比 D 的传递函数。)(6sG根据自控理论，利用 Matlab 对国内某品牌电压模式闭环控制式 ZX7-400 弧焊电源进行分析（其中kp=1，i=0.0007，T=0.0001，us=540/8=67.5V，L=50H，负载电阻值为0.24，D=0.355 时） ，得到如图 3 所示的开环幅频特性和相频特性。其中，曲线 1 为控制到输出的特性（即 G2G3G4） ，曲线 2 为校正环节的特性（即G1G5） ，曲线 3 为校正后的特性（即 G1G2G3G4G5） 。图 4 为电源在不同负载下系统的阶跃响
7、应仿真波形。由图可知：随着负载电阻值的减小，响应速度显著加快，当负载电阻很小时，系统有超调。MMAW 和 CO2逆变弧焊电源输出经常短路（负载电阻很小） ，故输出电流超调会很大，主电路功率器件可能出现过流现象，从而降低逆变弧焊电源的可靠性。图 3 电压模式控制的恒流输出特性全桥逆变弧焊电源的开环 bode 图 Fig.3 Open loop bode graph of full-bridge arc welding inverter with constant current output characteristic in voltage mode图 4 电压模式控制的恒流输出特性全桥逆变弧
8、焊电源开关的闭环阶跃响应Fig.4 Close loop step response graph of full-bridge arc welding inverter with constant current output characteristic in voltage mode3峰值电流模式控制的逆变弧焊电源峰值电流模式控制的逆变弧焊电源3.1 峰值电流模式双闭环控制系统的控制原理峰值电流模式双闭环控制系统的控制原理峰值电流模式控制原理如图 5 所示。内环控制功率器件的峰值电流（等于输出电感的峰值电流除以变压器变比） ，外环控制逆变弧焊电源输出的平均电压（恒压特性逆变弧焊电源）或平均
9、电流（恒流特性逆变弧焊电源） 。ue的获得与电压模式相同，ui为中频变压器原边桥臂 IGBT 电流瞬时值转换得到的电压值。当时钟信号到来时，Q 输出高电平，输出电感电流开始上升，内环的峰值电流采样值ui比例增加。当ui达到ue时，PWM 比较器输出电平翻转，触发器R 端为高电平，输出端为低电平，电感电流开始下降，直到下一个时钟信号的来临。图 5 峰值电流模式控制原理图 Fig.5 The control diagram in peak current mode峰值电流模式双闭环控制系统通过内环电流反馈，实现了对功率器件电流逐个周期控制，使功率器件不会出现过流现象。由于ue的值相对变化较慢，所以
10、相邻两个电流脉冲的峰值相同（脉冲宽度不一定相同） ，这一特性使得双向磁化工作的变压器磁芯不会偏磁；当负载变化或网压波动时，IGBT电流瞬时值的电流上升速度在当前脉冲内立即变化，脉冲宽度也就立刻变化，因此系统响应速度很快。当输出的平均值偏离给定值时，误差放大器将调整ue值，改变峰值电流，以保证输出平均电压或电流值的精度2。3.23.2 峰值电流模式控制系统分析峰值电流模式控制系统分析图 6 为峰值电流模式控制的恒流输出特性全桥逆变弧焊电源原理框图。图 6 峰值电流模式控制的恒流输出特性全桥逆变弧焊电源原理框图 Fig.6 Principle diagram of full-bridge arc
11、welding inverter with constant current output characteristic in peak current mode由于全桥逆变电路可等效为 BUCK 电路，因此分析时峰值电流反馈可由电感电流获得（电感电流峰值与 IGBT 集电极电流峰值之比为变压器的变比） ，设ia为电感电流瞬时值经传感器变换而得的电流值，并设电流变换系数为 Ni，即：uin（8）aiLoiNiiia对控制信号ue的电流内环闭环传递函数3：（9）22211)( sssea issQuisGs是电感电流交流成分的频率，Qs为阻尼系数，其表达式为：（10） 2121 22 mmmmm
12、Qs其中，m1为电感电流上升率，m2为电感电流下降率，m 为补偿斜率。（11） LNudmis11（12）LNdumis2把（8） 、 （10） 、 （11）和（12）代入（9）可得，输出电流 io对控制信号ue的电流内环闭环传递函数：（13） 272222211)( sssisieoss uLmNudN uisGio对输入电压us的开环传递函数为：（14） mTNLRLudTRumNLdudT uisGsssso 2212)(8利用 Matlab 对所设计的峰值电流模式恒流输出特性全桥弧焊电源分析(其中 kp=1，i=0.00005，T=0.000015，us=540/8=67.5V，L=5
13、0H。取负载电阻值为 0.24，D=0.355，m1=0.0087A/s，m2=0.0048A/s，取 m=0.0135A/s)，得到如图 7 所示系统开环幅频特性和相频特性，其中，曲线 1 为控制到输出的特性（即 G7G4） ，曲线 2 为校正环节的特性（即 G1G5） ，曲线 3 为校正后的特性（即 G1G7G4G5） 。从曲线 1 可以看出从控制到输出的特性在变换器频率的一半以下近似为比例特性，这是由于内环“吸收”了电感的作用（系统惯性显著降低） ，控制到输出的特性的转折频率在变换器频率的一半处，不受负载的影响，图 7(峰值电流模式控制) 曲线 1 比图 3(电压模式控制)曲线 1 的转
14、折频率高得多。图 8 所示是峰值电流模式恒流输出特性全桥弧焊电源系统在上述参数下不同负载的阶跃响应仿真波形。由图 8 可知，系统响应的速度比电压模式控制快得多，而且负载电阻很小时没有超调。图 9 和图 10 所示是电压模式单闭环控制系统和峰值电流模式双闭环控制系统弧焊电源在实验条件和测试条件相同的条件下，负载突变时（输出电流为150A，负载电阻从 0.2 突变到 0.05）输出电流波形。由图可知：峰值电流模式控制下，输出电流波动比电压模式控制下的波动显著减小。图 7 峰值电流模式控制的恒流输出特性全桥逆变弧焊电源的开环 bode 图Fig.7 Open loop bode graph of f
15、ull-bridge arc welding inverter with constant current output characteristic in peak current mode图 8 峰值电流模式控制的恒流输出特性全桥逆变弧焊电源的闭环阶跃响应Fig.8 Close loop step response graph of full-bridge arc welding inverter with constant current output characteristic in peak current mode(0.5ms/格) 图 9 电压模式单闭环控制的弧焊电源在负载突变
16、时输出电流波形 Fig.9 The waveform of current on the load changing suddenly in arc welding supply adopting one close loop control in voltage mode (0.5ms/格) 图 10 峰值电流模式双闭环控制的弧焊电源在负载突变时输出电流波形 Fig.10 The waveform of current on the load changing suddenly in arc welding supply adopting two close loops control in perk current mode5.5.结论结论（1）电压
