基于DSP逆变式等离子切割电源的研制

逆变式等离子切割是一种新型的热切割技术，由于它使用方便，切割成本低，能够适应多种金属材料的切割，因此很快得到了普及应用。

在现阶段，逆变式等离子切割电源的研制受到广泛的关注，其设备多是由模拟器件构成，受噪声、温度、器件老化等因素影响较大，而且使用元件多，控制电路复杂。随着高性能数字信号处理器DSP）的面世，实现脉冲序列控制、自动相移修正、多机并联、谐波控制、功率因数调节和实时监测显示等功能的数字化控制己成为可能。同时，利用DSP强大的编程能力，可不断根据市场要求进行功能扩展，提升智能化程度。因此，数字化控制技术是逆变式等离子切割电源的必然发展方向。

目前，国内外均有数字化控制切割电源产品。所设计的数字化控制切割电源，将原有的模拟控制方式改变为数字式控制，引入拥有强大数据处理能力基金项目：哈尔滨市优秀学科带头人研宄专项基金资助宄生，研宄方向为数字化逆变切割电源。

的DSP，再配合单片机，实现了智能化、人性化的高性能系统。

2硬件平台技术方案系统使用双芯结构，DSP与P89C54单片机作为系统控制器，充分结合DSP的强处理能力与单片机的强控制能力，使系统在实现实时处理的同时满足低成本的要求。通过实现串口DSP与单片机的数据交流。系统采用型号为TMS320F2407的DSP，这种型号的DSP芯片具有如下优点：强大的数据处理能力，16位DSP可提供40MIPS*高运算速度。四级指令执行流水线；丰富的片内资源，如高速RAM等，极大地提高了其数据处理速度；的单口RAM；544>46bit的双口RAM；优化过的2个独立的事件管理器；16路10位模数转换器ADC）转换速度达到375ns；5种不同的片上标准通信端口可作为主机；丰富的片上资源极大地降低了板级空间及系统成本，可使设计更简单、更高效、更经济；采用静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3V，减小了控制器的功耗，并且在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器，可以并行执行多个操作。2.1电路设计交互电路及逻辑控制电路等。

2.2敏感参数系统对IGBT的导通时间、关断时间、死区时间及变压参数较为敏感，因此对其选型时要求比较高，若选择不当，易造成系统性能下降或系统成本上升。

在高频开关状态下，由于开关管频繁地开通关断，在此期间，IGBT管会产生很大的开关损耗，造成资源浪费、系统效率下降及降低系统寿命等后果。

控制器所产生的PWM波的死区时间对系统也有着重要影响。死区时间太长易造成系统效率就降低；反之易出现逆变电路同一桥臂两IGBT管同时导通的情况，这样会对系统产生破坏；而且死区时间对输出电压波形造成影响。因此，这里采用DSP编程，并通过多次试验来确定死区时间及选择针对实际系统的参数。变压参数的设计主要包括变压器磁性材料选择、气隙的设计、绕组排列方式的设计。主要目的是尽量消除磁滞回环、磁饱和及漏感等降低系统效率的因素。鉴于价格、节能及可行性等理由，系统中采用了铁基非晶合金铁心变压器。

2.3关键电路逆变式等离子切割电源电路中，IGBT的保护电路和DSP的契合是影响系统性能的关键电路。

在高频的驱动下，由于IGBT产生了损耗，会使开关管急剧升温，导致IGBT性能下降，甚至击穿。因此，为其设计了温度反馈控制，以使系统正常工作。在电路设计中，采用了LM35系列精密温度传感器。通过反馈控制，实时、精确地将温度转换能识别的电压信号，以及时在IGBT过温度反馈电路热时对系统进行保护。示出温度反馈电路。

可直接利用TMS320LF2407的A/D转换模块。要注意，电压设置为UreW=3.3V和UKSo=0V，模拟电压的输入ADCIN）不能超过3.3V.DSP自带内置采样/保持S/H）的10位模数转换模块ADC.如果输入电压超过3.3V，必须要经过电平转换电路。

示出一种简单实用的IGBT保护电路，该电路分为栅极电压箝位和RC网络吸收两部分。前者用于在驱动电压过高时提供栅极保护，后者则用于吸收浪涌信号带来的多余的能量。实践表明，该保护电路可以在浪涌电压或IGBT电流电压保护电路浪涌电流到来时对及吸收网络IGBT起到很好的保护作用。无感电阻R9，Ri0，Rn，Ri2和无感电容CCwCCn的作用是减小吸收网络回路中的电感。

3软件平台技术方案3.1软件的实现系统设计中使用DSP与单片机同时进行处理与控制。根据这两种控制器各自的特点，实际使用时DSP用于数据的采集和处理、PWM控制和预测PI控制算法等需要实时处理的运算。单片机用于人机交互、逻辑控制等处理。对DSP系统与单片机系统均进行了适当的扩展。

3.1.1DSP软件流程DSP负责系统主要数据的处理和PWM输出。

由于系统的实时性要求较高，所以在DSP中尽量不处理其他辅助功能，而把辅助功能交给单片机完成。DSP系统实现温度和电流电压的实时采集、预测PI电流控制、温度保护、PWM波输出、RS232通信等功3.1.2单片机软件流程单片机主要负责系统的辅助工作，以便更好地实现系统的智能化、人性化。

单片机系统实现键盘处理、显示指示、串口、EEPROM数据非易失存储、系统逻辑控制等功能。

其中系统逻辑控制对系统来说是至关紧要的，其逻辑顺序不可颠倒，但每一个逻辑步骤所要求的时间不是特别严格，因此给实现带来很大方便。系统中使用定时中断设置逻辑步骤进行标志，根据标志再在主程序中实现该逻辑。示出单片机程序流程。

3.1.3双机通信由于数据传输量小，单片机、DSP与PC机之间的相互通信采用常用的全双工异步串行方式进行数据传输，这样便于快速实现，可靠性高，完全可以满足系统要求。

系统使用按字节查表的快速CRC算法校验串口数据，以降低系统串口通信的误码率。串口传输的主要数据有预测PI控制算法的计算参数、温度及限值、电流电压及限值、PWM参数、逻辑状态等数据。3.2控制算法逆变式等离子切割电源系统具有时变性和非线性的特征，因此建立该系统的精确数学模型是不可能的，工程上常用的PI控制器理论是其控制算法的**。鉴于系统的滞后性，而又需要实时的精确控制，因此选择预测PI作为其控制算法，离散化公式为：upik）=ek-1）- 4电磁兼容设计逆变式等离子切割电源是一种高频的电力电子系统，因此其本身会有相当程度的电磁辐射，其工作环境也相对比较恶劣，所以合理的电磁兼容性设计非常重要。

4.1主要的干扰由于电力系统本身是众多一次系统设备和二次系统设备的集合体，因此电力系统自动化设备作为二次系统设备的一部分，其电磁干扰的来源十分复杂：系统包含有以DSP、单片机系统为核心的大规模数字电路和模拟电路，其中应用*多的是集成运放电路块、A/D转换电路等，它们既是干扰源，又是对干扰敏感的器件；控制系统之间的内部传输线有延时、波形畸变、受外界干扰等方面问题；对电源影响比较敏感。电源对电子系统的影响有电源波动影响和系统作用影响两个方面。

4.2硬件抗干扰逆变式等离子切割电源的硬件抗干扰主要是对不同干扰源采用相应的滤波、隔离、接地、屏蔽等措施。因此，为IGBT等重要器件专门设计一套如所示的吸收网络。对IGBT驱动等需要高频且对波形要求严格的部分加6N136高速光电耦合器作为隔离器件，以确保硬件的干扰旁路与隔离；长线传输数字信号时利用双绞线，对噪声干扰有较好的抑制效果。另外，设计了硬件过电压复位，以确保系统正常运行。

4.3软件抗干扰采用加权平均值滤波的数字滤波方法来消除温度反馈和电流反馈引入的干扰；在关键程序中加入空指令NOP冗余，有效防止系统跑飞；TMS320LF2407片内高达32k字的FLASH程序存储器在一般测控系统中存在着大量未用的空间，在这些未用的程序区设置一段引导程序，当程序受到干扰跳到该区域时，引导程序将强行捕获程序并将其引向一个指定的地址，在那里以一段专门程序对出现的错误进行处理。

5实验结果逆变式等离子切割电源的DSP数字化主要在PWM波、数据检测及逻辑控制等模块中实施，因此表1数字化等离子切割工艺参数表PWM的驱动波形是数字化后参数调整的参照。

为使用DS5102M数字示波器测得的系统波形数据。

（a）模拟控制（b）数字控制实验波形a为模拟控制系统IGBT驱动波形，其参数受元件误差及环境影响较大，且系统死区时间不好实现；b为数字控制IGBT驱动波形，谐波明显减少，可控性好，调试方便。

利用所研制的数字化切割电源对低碳钢、不锈钢和铝进行了切割实验，切割电流为100A.以切割面倾斜度6结论配以各种专用芯片进行控制，并在整个电路的各个环节中采取了多种抗干扰与保护措施。实验证明，该系统电路简洁，操作方便，工作稳定；专用的保护电路使系统可以稳定工作在比较恶劣的环境；IGBT的驱动波形由DSP软件实现，抗干扰能力强，控制精度高，切割质量好，参数修改及系统升级方便；X寸DSP进行数字化改造后，系统得到明显优化，系统效率达到了90°%，暂载率85°%.