数字控制电源特性

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：外特性是弧焊电源的基本特性，外特性控制的基本原理是采用电流、电压负反馈控制。在弧焊电源数字控制中使用的是数字PI控制，也就是说用PI控制运算程序取代PI模拟电路。根据电源外特性控制原理，DSP对电弧电压、电流的给定信号和反馈信号，按照一定控制算法进行数值运算，得到数字控制量u。

外特性是弧焊电源的基本特性，外特性控制的基本原理是采用电流、电压负反馈控制。在数字化弧焊电源中，就是要将给定信号与反馈信号的数字量按照外特性控制原理和规则进行计算，并把计算结果转变为PWM控制中所需要的数字量，然后将得到的数字量赋予比较寄存器，以控制PWM脉冲的占空比，从而控制逆变器的输出。

在数字控制中，采用软件程序控制外特性的形状比较容易，利用电流、电压反馈的不同组合，以及各种控制策略、控制方法的组合，可以得到任意形状的电源外特性。

1.数字PI控制

在弧焊电源外特性控制中经常采用PI控制，比例控制是对偏差瞬间做出快速反应，积分控制可以消除静态误差。在弧焊电源数字控制中使用的是数字PI控制，也就是说用PI控制运算程序取代PI模拟电路。目前数字PI控制运算大多采用增量式数字PI控制算法：

式中 k——采样序号，k=0，1，2，…；

u（k）——第k采样时刻控制器输出值；

e（k）——第k采样时刻输入的偏差值，e（k）=U_g（k）-U_f（k）；

K_P——比例系数；

K_I——积分系数。

采用式（7-6）和式（7-7）通过有限次的乘法和加法运算就可以快速计算出PI控制器的输出u。图7-24所示为电压控制的数字PI运算程序流程图。

2.弧焊电源外特性数字控制

在数字化弧焊电源外特性控制中，焊接电流、电压的给定量（数字信号）放置在DSP的寄存器中，利用电流、电压传感器对实际焊接过程中的电流、电压进行检测，并通过信号处理电路，对检测信号进行处理后，送入DSP，经A/D处理，将模拟信号转换为数字信号。根据电源外特性控制原理，DSP对电弧电压、电流的给定信号和反馈信号，按照一定控制算法进行数值运算，得到数字控制量u。该数字控制量u为PWM波形控制中的脉冲占空比值，将其送入PWM控制中比较寄存器CMPR4、CMPR5中（采用7.4.1节所述产生相位相差180°的PWM脉冲信号的系统），从而控制逆变器的输出，得到所需要的弧焊电源外特性。

图7-21所示为恒压外特性控制子程序流程图，该程序中调用了图7-22所示的电压控制的PI运算，在图7-22中进行了有关偏差量的计算与PI控制规则计算。

图7-21 恒压外特性控制子程序流程图

图7-22 电压控制的数字PI运算程序流程图

3.弧焊电源动特性数字控制

在弧焊电源的动特性控制中，仍然可以采用数字控制。例如，在CO₂焊接中，改变电抗器的感抗值可以改变其焊接电流的增长速率，在电子控制型弧焊电源中可以采用电子电抗器电路控制焊接电流的增长速率，而数字控制中则可以用数字电抗器来取代。所谓的数字电抗器，就是利用数字PI控制，可以根据需要设定PI控制器中的比例系数K_P和积分时间常数T_i，尤其是T_i，在这里积分环节具有消除静态误差的功能，而T_i的大小可以改变电流的增长速率。

图7-23所示为PI控制参数选择程序流程图。该图表示了在CO₂焊接中，引弧阶段、焊接过程中的燃弧阶段与短路阶段都可以选用不同的K_P和K_I，具有不同动态控制特性，从而满足实际焊接工艺和焊接质量控制的要求。

由于采用了数字控制，使弧焊电源中的波形控制、弧长控制等更加容易实现，因此，利用数字控制可以更方便、更精确地实现弧焊电源的动特性控制。

图7-23 PI控制参数选择程序流程图

数字控制电源特性

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