????? 電阻焊是一種重要的焊接工藝，具有生產(chǎn)效率高、成本低、節(jié)省材料和易于自動化等特點，被廣泛應用于航空、航天、能源、電子、汽車、輕工等工業(yè)。近年來，隨著汽車和制罐等制造業(yè)的迅速發(fā)展，專用電阻焊機也得到了空前的發(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[1][2]。

????? 逆變控制型大功率直流電源，是一種節(jié)能，高效，結(jié)構(gòu)簡單的電源。但是，目前功率過小，焊接技術(shù)不是很好，焊接質(zhì)量得不到保證等問題[2]。其關(guān)鍵是功率開關(guān)管的開關(guān)損耗大。既浪費了電能，又影響了逆變電路工作的可靠性。因此，在大功率電阻點焊直流電源中如何克服和減小開關(guān)損耗成了一個重要問題[6]。當前國內(nèi)的逆變電源電阻焊機多用模擬控制,控制電路相當復雜,維修困難,且整機體積大[1]。而國外許多廠家研制的數(shù)字化電阻焊機,焊接自動化水平高,質(zhì)量可靠,但是價格非常昂貴。針對這個問題,本文將DSP（TMS320LF2407A）控制技術(shù)應用于逆變電阻焊機的研究中,以保證逆變電阻焊機的靜、動特性品質(zhì),同時進一步體現(xiàn)逆變電阻焊機的輕巧、節(jié)能，安全、可靠的保護等特點。本文介紹的基于DSP的大功率中頻逆變電阻焊電源設(shè)計是一個很好的問題解決方案。

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。

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圖1 中頻逆變電源主電路總體框圖

Fig.1 Medium Frequency Inverter Electrical Source Theory Frame

????? 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－變壓器有效導磁面積，Bm－磁芯最高工作磁密?？梢钥闯?，當變壓器輸入電壓及磁感應強度最大值一定時，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[1]。同時由于逆變頻率的提高使二次整流輸出的脈動頻率提高，可以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)，配合控制回路，就可以大大提高逆變電源的動態(tài)響應速度，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，因而成為逆變電源最具有發(fā)展前途的方向[1]。

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。電路M57962AL驅(qū)動器內(nèi)部設(shè)有電流保護電路。如圖2中，典型的應用電路，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（圖2中DZ16和DZ17）。

????? 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導通與關(guān)斷[6]。

????? 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,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。

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圖2 IGBT驅(qū)動電路圖

Fig.2 IGBT Driver Circuit Frame

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圖3 M57962AL內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

Fig.3 M57962AL Inside Construct Frame

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)試后下載到DSP外圍FLASH里面，運行良好，達到了預期目標，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進行相應操作。

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圖4 主程序流程圖和中斷流程圖

Fig.4 Main and Interrupt Program Flow Chart

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，最大值20V左右，關(guān)斷時間Tc<10us,保證了IGBT的安全性。

圖5 正常工作的波形????????????????? 圖6 短路情況波形????????????????????????????

Fig.5 The Waves of Work Situation?????? Fig.6 The Waves of Short Circuit Situation

????? 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。

????? 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)的控制精度。性能優(yōu)良，響應時間為微秒級，控制速度快，可方便的根據(jù)需要設(shè)計出合適的外特性。中頻逆變電源的發(fā)展是現(xiàn)代焊接領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向，高效節(jié)能、更高的能量輸入、精確的參數(shù)調(diào)整、能減少電極的熱量和機械壓力等優(yōu)點得到大家的青睞[1][2][5]。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。

????? 本文作者創(chuàng)新點：提出了一種新的基于數(shù)字信號處理器的中頻逆變電源總體設(shè)計方案，并具體分析了電路設(shè)計的硬件和軟件的實現(xiàn)。5年的經(jīng)濟效益為5000萬元，根據(jù)目前國內(nèi)市場需求和目前國外電阻焊機的價格得出的估計。