基于DSP的数字化控制逆变式空气等离子切割电源研究

专题讨论一一等离子焊接与切割基于DSP的数字化控制逆变式空气等离子切割电源研宄王琳化，朱志明，周雪珍（清华大学机械工程系先进成形制造教育部重点。其功率变换电路主要由六部分构成：（1）EM滤波电路。采用在电源输入端串入磁扼流环的方式，以有效抑制电源输入的共模干扰，并滤除电源本身产生的高次谐波信号，防止其反向串入电网。（2）三相整流电路。将输入三相交流电转换为脉动频率为300Hz的直流电。（3）软起动电路。通电源的数字化控制系统以Mrtorola公司兼备DSP和MCU功能的混合型16位数字信号处理器DSP56F805为核心控制芯片，其实现功能包括：A/D转换、数字PID反馈控制、数字化PWM控制脉冲输出、时序控制、转移弧控制、软起动控制、故障信号的处理和显示等。过与继电器并联的热敏电阻限制开通瞬间电压和滤波电容短接在三相整流桥中产生的电流冲击，并在电容电压达到一定值后使继电器导通。（4）Boost有源功率因数校正电路。它一方面可以实现电源输入功率因数校正，减小电源设备对电网的谐波污染，另一方面能够为后续的逆变电路提供稳定的直流电压，便于电源的恒电流输出控制。（5）半桥逆变电路。由数字信号处理器DSP进行控制，电流霍尔传感器检测的切割电流经限压电路送入DSP，经A/D转换、数字滤波后，通过与给定信号比较和PID运算获得逆变电路的PWM控制脉冲，实现电源系统的恒电流输出。（6）转移弧控制电路。该切割电源系统通过钨极与喷嘴的接触引燃非转移弧，然后通过霍尔电流传感器检测电极与工件之间的电流，当割炬与工件距离足够近、电流达到设定的门槛值时，断开串联在钨极和喷嘴之间的IGBT，从而引燃钨极和工件间的转移弧。

2数字化控制系统与人机接口DSP56F805内部含有ADC模块，此模块包括八个输入通道和两个独立的采样保持电路。A/D采样通道分别用于采集：输出电流（用于PID反馈控制）；三相整流输出电压（用于软起动继电器通断控制）；电极与工件间电流（用于转移弧控制）；气路压强（用于专题讨等离子焊接与切割气压异常故障保护）；散热器温度（用于过热保护）；变压器温度（用于过热保护）；电流给定。上述各信号均通过限压滤波电路后再送入A/D变换器进行采样，以消除高频干扰和过电压对DSP的冲击。

部集成的PWM模块实现脉冲宽度的直接数字化调制和输出。DSP56F805包含有两个六通道15位精度的PWM模块，具有半周期参数重载能力。每个PWM模块的六个通道可以配置为互补通道对和独立通道，在互补通道方式下，可编程控制死区时间。此外，PWM模块还具有可编程出错保护功能，为电源在各种故障情况下通过快速关闭PWM控制脉冲对实施可靠保护提供了有效的途径。

系统工作电流与压强采用数码表显示。电流表由乒乓开关切换显示电源实际输出电流值或给定电流值，且当系统状态异常时能够实时锁存。而系统的运行状态则通过发光二极管显示，由DSP进行控制，一旦电源发生故障，能够清楚地了解故障原因。系统提供的电源运行状态显示有：电源；欠压强（低于切割压强65psig或者开槽压强40psig）；割炬喷嘴故障（必须关闭电源，正确安装后再重新起动电源）；电源过热（散热器或变压器）；缺相、过电压和欠电压；辅助电源。在故障发生的同时，系统禁止PWM控制脉冲输出。

为抑制高频扰动对DSP核心板工作稳定性的影响，系统在硬件和软件两方面采取了相应的抗干扰措施。硬件上，在DSP核心板与控制板之间的排线外套一磁环，同时在对干扰敏感的信号上并联高频电容进行LC滤波，高频电容值根据其等效时间常数确定。在模拟电源与数字电源之间串联磁珠进行高频滤波，以防止数字信号对模拟信号的干扰。此外，在所有集成芯片的电源与地之间并联去耦电容，以减少线路之间的耦合与高频串扰。

软件上，通过对按键状态多次读写后加以判断以消抖；对反馈电流信号的采样值进行平均化处理，以提高对干扰的抑制能力；并在程序的合适之处加入空操作指令NOP，利用该指令抵抗干扰。此外，DSP具有看门狗（Watchdog）模块，对此模块的计数器定时清零，便能在系统跑飞后自动复位。

3输出电流PID反馈控制在电源输出电流PID反馈控制回路中，反馈电流的检测采用闭环霍尔电流传感器LA-100T，测量信号经限幅电路后送入DSP进行A/D转换。A/D模块的两个通道对电流信号单次同时扫描并转换得到反馈电流的各两个采样值，并清除扫描结束标志位EOSI.DSP对采样获得的电流采样值进行平均滤波，然后与电流给定值进行比较，采用无积分饱和问题、具有良好鲁棒性和控制精度的增量式数字PID控制算法获得PWM脉冲宽度的控制量'电源输出电流反馈控制系统原理如所示，图中，E为BOOST变换器的输出直流电压，n为变压器的变压比。半桥逆变电路可等效为比例环节，输出电弧负载与滤波电感可等效为一阶惯性环节，并且数字PWM控制本身存在一个不可避免的PWM周期的延迟。因此，系统可等效为含有纯滞后的典型一阶惯性环节，可应用大林算法对滞后环节进行补偿控制。

4软件系统结构与流程软件系统采用典型的前后台结构，如所示。

后台（任务级）为死循环，主要实现电源的输出反馈控制。前台（中断级）主要为PWM重载中断以及故障保护中断。故障发生后程序进入中断，同时禁止PWM控制脉冲输出。

系统上电后，首先进行DSP的初始化，完成对I/O口、PWM模块以及A/D模块的设置。PWM的输出米用中心对齐方式，频率设置为15 kHz，同时设置初始脉冲占空比以及允许重载中断。A/D模块设置为单次同时扫描，时钟设置为5软件系统的控制流程如所示，当检测到三相整流输出电压达到设定的门槛值后，控制继电器导通，软起动结束。当割炬未正确安装或者割炬开关未按下时，PWM始终处于禁能状态；割炬正确安装且割炬开关按下时，PWM使能并维持较小占空比，电源获得较小的输出电流，同时送气，高压气体将电极弹离喷嘴，从而在钨极和喷嘴之间点燃非转移脉宽设置专题讨等离子焊接与切割软件系统结构弧。当割炬与工件的距离足够近，工件与电极之间的与工件的距离较远，工件与电极之间的电流小于门电流大于某门槛值时，则引燃转移弧。反之，当割炬槛值时，则重新引燃非转移弧。

5结论基于DSP建立的逆变式空气等离子切割电源数字化控制系统，功能丰富，工作稳定。

有源功率因数校正有效降低了系统对电网的谐波污染，提高了电源系统的功率因数，并为逆变电路提供了稳定的直流电源。

EM滤波、软硬件抗干扰措施等有效提高了数字化控制系统的抗干扰能力和工作可靠性，空气等离子切割质量得到了提高。

控制软件流程