字控制弧焊逆变电源系统的MATLAB仿真研究.pdf

第3期卢振洋等：数字控制弧焊逆变电源系统的MATLAB仿真研究265工作频率为20kz,其工作所需的PWM脉冲信号由数字控制回路中的数字PWM发生单元提供，数字控制电路主要由3个功能模块组成：微控制器(MCU)部分负责弧焊逆变电源系统的通讯与事件管理，通讯包括主控制板、前面板和送丝机控制器的通讯；事件管理包括数字信号处理单元的程序载人，启动和停止等，以及焊接状态查询和过流、过热、欠压等异常现象发生时的保护处理.数字信号处理单元是进行弧焊工艺过程控制的核心，由数字信号处理器(DSP)、AD转换器、信号的低通滤波器等组成。数字PWM发生单元，负责接收数字信号处理单元的指令并产生相应占空比的pWM信号)1.2弧焊逆变器仿真模型的建立本文在Simulink环境下采用电源系统模块集(simpowersystems)建立了全桥式弧焊逆变器的仿真模型，如图2所示.图2中“d”为常数，代表PWM信号发生单元所接收到的占空比指令，PWM在接收到该指令后会产生两路频率为20kz,相位相差180的PWM信号来驱动全桥式逆变器(bridge)工作.在bridge子系统中包含了一个540V的直流电压源和一个由4个IGBT构成的全桥电路.bridge有3个信号输出端：m为IGBT上的电流与电压信号的测量输出端，输出到示波器；A和B分别接于全桥两个桥臂的中点，输出到主变压器MainTR的原边.MainTR为中频变压器模型，在系统模型中的作用是传输能量，变比为8：1；MainTR的副边接有两个二极管D,和D2,构成一全波整流器，整流器的输出经过电感L和电容C输出到负载电阻R和R1；电流测量单元和电压测量单元的测量结果分别输出到示波器1和示波器2，在进行闭环控制系统仿真时也可以输出到控制系统的信号采样环节，模型中负载电阻R和凡：通过一理想开关Ideal Switch并联，R用来表示正常焊接时电弧的等效电阻，R!则用来仿真焊接短路时的回路等效电阻.Ideal Switch受控于阶跃信号发生器，仿真过程中可以设定阶跃信号发生器在某一时刻发出0到1的阶跃变化.Ideal Switch导通，回路的阻性负载由R跳变到R、RL并联全桥式逆变器g14A示波器1电流测量单元BTDg23MainTR目DT示波器2nR电压测量单元d 0.5示波器g阶跃信号发生器Ideal Switch1D3图2弧焊逆变电源主电路Simulink模型图2中采用了由阻性负载R、Ru:和理想开关Ideal Switch构成一个最简单的电阻网络，可以模拟焊接短路过程.在实际的弧焊工艺中电弧负载的变化要复杂的多，显然图2给出的负载模型是很难模拟这一过程的，但是可以按照本文的模式，通过开关和电阻构成一个等效阻抗可控的网络，这样就可以在本文的基础上仿真研究弧焊工艺及其控制过程了，1.3数字控制器仿真模型的建立与理想的离散系统分析不同，实际的数字控制器在各种微控制器硬件上运行时采用的二进制数据的长度有限，其所能表示的数据范围也是有限的，通常在数字控制器上运行的是定点运算，数据长度、小数点的位置、舍人方式以及运算中数据溢出的处理方式等对于系统的控制效果影响重大，为此，作者采用Simulink环境下的定点模块集建立了弧焊逆变电源数字控制器的仿真模型，如图3所示.nOutOutOutZOHA2DControllerD2A图3数字控制器Simulink仿真模型268北京工业大学学报2003年表2恒流外特性实验结果物理量12345678911A0.028.082.097.897.897.997.997.997.9V1V67.554.450.142.429.626.119.415.59.5图7恒流控制时电流从50150A过渡过程的实测曲线4结论作者应用电源系统模块集和定点模块集在MATLAB环境下进行了数字控制弧焊逆变电源系统的建模，首次实现了主电路和数字控制器在同一环境的仿真研究，仿真结果与实验结果的对比表明：1)本文的建模和仿真研究，模型准确，仿真结果可靠，有效地预测了数字控制弧焊逆变电源的工作过程，对数字控制弧焊逆变电源设计与开发可以起到指导作用.2)应用MATLAB电源系统模块集建立的弧焊逆变器模型仿真再现了其实际工作过程，对于研究主电路参数与电源系统性能的关系及主电路参数优化有重要的指导意义，3)应用建立的数字控制定点模型模拟了DSP中控制软件的执行过程，在数据类型选择、数据范围选择、溢出处理和进位方式等方面为控制软件的编写提供了参考依据。通过该仿真加快了控制算法的设计和控制软件的编写进程.参考文献：1丁京柱，王伟明，刘嘉，等，数字弧焊逆变电源PWM芯片的VHDL语言设计U.焊接学报，2002,23(6)：47-50.2吴敏源，金伟正，胡志雄，等.ADSP系列数字信号处理器原理M.北京：电子工业出版社，2002.3陈桂明，张明照，戚红鱼，等.应用MATLAB建模与仿真M.北京：科学出版社，2001.Simulation of Digital Controlled Arc WeldingInverter System With MATLABLU Zhen-yang,LIU Jia,WANG Wei-ming,FENG Yue-hai,YIN Shu-yanCollege of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology,Beijing University of Technology,Beijing 100022,ChinaAbstract:A design of digital controlled arc welding inverter system is presented on the basis ofstudying inverter technique and DSP application technique,in addition,the MATLAB sim-powersystems and fix-point blockset are used to build the simulink model of the power supply system.The simulation system studies the work process of arc welding inverter,the operation process of thealgorithm executive system of fix-point controller and the integral characteristics of power supplysystem.The experimental results have validated the developed simulation model,and this simulationstudy can accelerate the process of design and development in the coming days.Key words:full digital control;DSP;digital fix-point model;MATLAB simulation;arc weldinginverter