一种弧焊电源电流双闭环控制方法技术

本发明专利技术提供一种弧焊电源电流双闭环控制方法，属于弧焊电源和电流控制相关技术领域。弧焊电源工作时，电流内环在每个开关周期对变压器原边峰值电流采样，对主电路电流实时调节。带电流前馈控制的电流外环对弧焊电源的输出电流控制，在弧焊电源稳定工作时，前馈补偿环节不起作用，只有PI调节器参与调节；当电弧负载变化时，前馈补偿环节作用从而提高输出电流的响应速度。本发明专利技术中的控制方法不仅避免了主电路过电流对变压器和功率器件的破坏，而且带有电流前馈环节的电流外环控制能更快适应电弧负载的变化。本发明专利技术适用于对电流速度和准确性要求较高的弧焊电源。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于弧焊电源和电流控制相关
，涉及一种弧焊电源的电流双闭环控制方法的设计。
技术介绍
逆变焊机按照焊接方法分为熔焊、压焊和钎焊三大类。电弧焊作为熔焊方法的一种，是指利用电弧作为焊接热源的一种焊接方法，由于电弧能简便而有效地将电能转换成工作过程中需要的热能和机械能，因而电弧焊焊接方法在国民生活和生产实践中占据着主要地位，在发达国家的焊接生产总量中比率高达60％。弧焊逆变电源是电弧焊的核心组成部分，给电弧提供电能，并满足电弧焊机工作时所需的电气特性，因此，弧焊逆变电源的性能好坏直接影响电弧焊的焊接质量。弧焊逆变电源工作时，当主电路受到电网电压波动或变压器偏磁等扰动时，电流波动增大，对于单闭环的电流调节，只有当输出电流有变化时，控制系统才能开始调节，故动态响应速度慢，不能对主电路电流快速调节，特别是主电路过电流时，易烧坏变压器和功率器件。且弧焊电源工作时，电弧负载经常处于变化中，提高电流响应速度有助于提高系统可靠性。针对此，国内外学者进行了相关研究，提出了多种解决办法，包括电容滤波、保护控制、恒峰值电流控制及其他改进方式。电容滤波利用电容的隔直性滤除直流分量，不利于大功率工作场合。保护控制即主电路过电流时，切断电路，未从根本上防止过电流发生。恒峰值电流控制通过原边峰值电流反馈实现对功率器件电流实时控制，但只有峰值电流反馈，对输出电流不能很准确调节。
技术实现思路
本专利技术提供一种数字化弧焊逆变电源电流双闭环控制方法的设计，电流内环在每个开关周期对变压器原边峰值电流进行采样，对主电路电流实时调节，避免过电流；带电流前馈控制的电流外环对弧焊电源的输出电流控制，能够提高输出电流的响应速度和对负载的适应性，为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：一种弧焊逆变电源的带电流前馈控制的电流双闭环控制方法，由电流采样调理电路、电流控制模块、电流驱动电路组成，电流双闭环分别为带电流前馈控制的电流外环和实现主电路电流调节的电流内环。弧焊逆变电源工作时，输出电感电流Io与电流给定值Ig的差值进行带有电流前馈环节的PI调节，实现输出电流的闭环调节，之后外环电流调节值Ig1与主电路中变压器原边峰值电流瞬时采样值Ii比较，差值进行比例调节，之后内环电流调节值与系统三角波比较生成占空比可调的PWM波形，驱动全桥逆变器中开关管的开通或关断。所述的“输出电感电流Io与电流给定值Ig的差值进行带有电流前馈环节的PI调节，实现输出电流的闭环调节”，其具体实施步骤为：(1)弧焊电源稳定工作带电流前馈控制的电流外环，在弧焊电源稳定工作时，前馈补偿环节不起作用，输出电感电流Io与电流给定值Ig的差值只进行PI调节，其等式满足：Ig1=Ig1′=Ii≈1NIf]]>式中，Ig1为输出电流调节值，I'g1为PI调节器后输出值，Ii为变压器原边峰值电流采样值，If为输出电流采样值，N为变压器匝数比；(2)弧焊电源负载变化，输出不稳定带电流前馈控制的电流外环，在弧焊电源稳定负载变化时，前馈补偿系数K2＞0，前馈补偿环节作用从而提高输出电流的响应速度，此时输出电流调节值Ig1的计算公式如下：Ig1＝IgK2+I′g1式中，Ig为输出电流给定值，K2为前馈补偿系数。前馈补偿系数K2求取步骤为：1)当弧焊电源从开路开始工作时，占空比D由0迅速增大，不等式满足Ig1<Ii，即IgK2-KPIg<IgN]]>2)弧焊电源短路瞬间时，占空比D迅速减小，而增加电流前馈环节IgK2有助于增大Ig1，此时不等式满足Ig1＞Ii,即IgK2+1NIf+(KP+KIT)(Ig-Ifmax)>1NIfmax]]>式中：KP为PI调节器的比例调节系数，KI为积分调节系数，T为采样周期，Ifmax为短路瞬间输出电流采样值。3)满足步骤1)和2)不等式前提下，K2取不同值时，由系统阶跃响应曲线确定前馈补偿系数值K2。本专利技术的控制方法，电流双闭环分别为带电流前馈控制的电流外环和实现主电路电流调节的电流内环，本专利技术考虑到弧焊逆变电源工作过程中对电流的要求，通过对电流外环的PI调节进行优化，加入前馈补偿环节，当电弧负载变化时，带有电流前馈环节的电流外环控制能更快的适应电弧负载的变化，提高输出电流的响应速度和对负载的适应性。同时通过主电路电流实时参与调节，避免了因主电路过电流对变压器和功率器件的破坏。本专利技术提供了一种弧焊逆变电源的电流双闭环控制方法，在对电流速度和准确性要求较高的弧焊逆变电源上有较大优势。附图说明图1是弧焊逆变电源的拓扑简图。图2是带前馈补偿的电流双闭环控制原理框图。图3是K2取不同值时系统的阶跃响应曲线。图4是无前馈补偿时输出电流仿真波形。横坐标表示仿真时间，纵坐标表示输出电流值。图5是有前馈补偿时输出电流仿真波形。横坐标表示仿真时间，纵坐标表示输出电流值。具体实施方式下面结合附图对本专利技术专利的具体实施方式进行描述。如图1所示的弧焊逆变电源的拓扑见图，主电路可看作DC-DC转变过程，电流控制系统主要有以下部分组成：电流采样调理电路、电流控制模块、电流驱动电路，电流双闭环分别为带电流前馈控制的电流外环和实现主电路电流调节的电流内环。本专利技术的弧焊逆变电源遵照ZX7-400型标准，系统的主要参数如表1所示。表1系统的主要参数参数数值输入电压Ui/V540开关频率fs/kHz20变压器匝数比N8输出电流调节Io/A20-40短路电流Iomax/A500负载持续率d60％图2是带前馈补偿的电流双闭环控制原理框图，弧焊逆变电源工作时，输出电感电流Io与电流给定值Ig的差值进行带有电流前馈环节的PI调节，实现输出电流的闭环调节，之后外环电流调节值Ig1与主电路中变压器原边峰值电流瞬时采样值Ii比较，差值进行比例调节，之后内环电流调节值与系统三角波比较生成占空比可调的PWM波形，驱动全桥逆变器中开关管的开通或关断。带电流前馈控制的电流外环，在弧焊电源稳定工作时，前馈补偿环节不起作用。当弧焊电源负载变化时，前馈补偿环节作用从而提高输出电流的响应速度，前馈补偿系数K2求取步骤为：(1)当弧焊电源从开路开始工作时，输出电流由0开始增大，为使输出电流迅速增加，占空比D由0迅速增大，此时不等式满足Ig1<Ii，即IgK2-KPI本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种弧焊电源电流双闭环控制方法，其特征在于，由电流采样调理电路、电流控制模块、电流驱动电路组成，电流双闭环分别为带电流前馈控制的电流外环和实现主电路电流调节的电流内环。弧焊逆变电源工作时，输出电感电流Io与电流给定值Ig的差值进行带有电流前馈环节的PI调节，实现输出电流的闭环调节，之后外环电流调节值Ig1与主电路中变压器原边峰值电流瞬时采样值Ii比较，差值进行比例调节，之后内环电流调节值与系统三角波比较生成占空比可调的PWM波形，驱动全桥逆变器中开关管的开通或关断；所述的“输出电感电流Io与电流给定值Ig的差值进行带有电流前馈环节的PI调节，实现输出电流的闭环调节”，具体步骤为：(1)弧焊电源稳定工作带电流前馈控制的电流外环，在弧焊电源稳定工作时，前馈补偿环节不起作用，输出电感电流Io与电流给定值Ig的差值只进行PI调节，其等式满足：Ig1=Ig1′=Ii≈1NIf]]>式中，Ig1为输出电流调节值，I'g1为PI调节器后输出值，Ii为变压器原边峰值电流采样值，If为输出电流采样值，N为变压器匝数比；(2)弧焊电源负载变化，输出不稳定带电流前馈控制的电流外环，在弧焊电源稳定负载变化时，前馈补偿系数K2>0，前馈补偿环节作用从而提高输出电流的响应速度，此时输出电流调节值Ig1的计算公式如下：Ig1＝IgK2+I'g1式中，Ig为输出电流给定值，K2为前馈补偿系数。其中，前馈补偿系数K2求取步骤为：1)当弧焊电源从开路开始工作时，占空比D由0迅速增大，此时不等式满足Ig1<Ii，即2)弧焊电源短路瞬间时，占空比D迅速减小，而增加电流前馈环节IgK2有助于增大Ig1，此时不等式满足Ig1>Ii,即式中，KP为PI调节器的比例调节系数，KI为积分调节系数，Ifmax为短路瞬间输出电流采样值；3)满足步骤1)和2)不等式前提下，K2取不同值时，由系统阶跃响应曲线确定前馈补偿系数值K2。...

【技术特征摘要】
1.一种弧焊电源电流双闭环控制方法，其特征在于，由电流采样调理电路、电流
控制模块、电流驱动电路组成，电流双闭环分别为带电流前馈控制的电流外环
和实现主电路电流调节的电流内环。弧焊逆变电源工作时，输出电感电流Io与电
流给定值Ig的差值进行带有电流前馈环节的PI调节，实现输出电流的闭环调节，
之后外环电流调节值Ig1与主电路中变压器原边峰值电流瞬时采样值Ii比较，差值
进行比例调节，之后内环电流调节值与系统三角波比较生成占空比可调的PWM
波形，驱动全桥逆变器中开关管的开通或关断；
所述的“输出电感电流Io与电流给定值Ig的差值进行带有电流前馈环节的
PI调节，实现输出电流的闭环调节”，具体步骤为：
(1)弧焊电源稳定工作
带电流前馈控制的电流外环，在弧焊电源稳定工作时，前馈补偿环节不起
作用，输出电感电流Io与电流给定值Ig的差值只进行PI调节，其等式满足：
Ig1=Ig1′=Ii≈1NIf]]>式中，Ig1为输...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国锋，杨玉甜，王志强，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21