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峰值电流模式控制逆变焊机控制电路的设计
摘要:讨论了峰值电流模式的原理及优缺点,并针对UC3846设计了斜坡补偿电路及焊机保护电路。 前言: 逆变焊机的最主要组成部分是逆变弧焊电源,它的功能是把工频交流电整流,再通过功率晶体管的开关逆变成高频交流方波,然后通过变压器降压,整流二极管整流,通过焊枪和工件产生焊接电弧,包括恒压,恒流外特性。逆变弧焊电源一般采用脉宽调制(PWM)方式,通过调节直流电平来调节输出电压或电流,逆变电源PWM控制方式有电压型和电流型两种,电压型只通过将输出电压反馈和给定电压反馈比较来控制PWM脉冲变化从而控制逆变开关和电源的输出。电流型PWM控制是用一个电流传感器去检测变压器原边的电流,反馈到PWM芯片,参与PWM调节,形成电压电流双闭环控制系统。 1.电流型控制有许多的优点: 1.1逐个脉冲控制,动态响应快,调节性能好:因为检测的是原边电流,所以不会出现电压型控制电路中由于滤波电感的存在而导致响应速度慢的问题,因此电流型控制有输出精度高,稳定性好的优点。 1.2具有瞬态的保护能力,能迅速对电力电子器件进行保护:因为内环逐个脉冲控制,当变压器原边电流过流时,能迅速对电力电子器件进行保护。 1.3能防止高频变压器偏磁的发生:高频变压器发生偏磁时,励磁电流增加,容易烧毁变压器,电流型控制中采用检测原边电流的方法,能自动对称变压器的动态磁平衡。 1.4有利于并联均流:在多个电源模块并联时可提供自动均流功能 2.控制电路的设计 2.1 UC3846电流控制芯片的工作原理 电流模式控制分为峰值电流模式控制和平均电流模式控制。UC3846采用的是峰值电流模式控制法,即将实际的电感电流和电压外环设定的电流值分别接收到PWM比较器的两段进行比较,如图: 变压器一次侧电流采样信号被放大三倍后与电压误差放大信号比较,然后去控制PWM脉宽调制信号的脉宽。电流内环和电压外环同时起作用调节PWM脉宽,如果内环变压器一次侧出现过流,而外环电压信号由于存在输出电感响应速度比内环慢,这个电流信号被霍尔传感器检测到后经过放大与外环电压误差放大信号比较后会迅速调节PWM脉宽,因此UC3846比电压型PWM控制芯片响应速度更快,在变压器磁芯偏磁时,能同时调节变压器一次侧和二次侧的电流。但是同时,UC3846同时拥有电流内环和电压外环,因此从控制上来说更为复杂,在占空比大于50%时容易造成工作电流扰动,尖峰电流值和平均值误差大,并且在二分之一开关频率处容易发生次谐波振荡,为了提高电路的稳定性有必要进行斜坡补偿。 2.2斜坡补偿电路设计 UC3846自身提供了良好的斜率补偿实现平台,因为在定时电容CT上恰好有一个正的与振荡器同步、同频率的斜坡电压,只要将该电压信号分压之后与峰值电流信号进行叠加就可以实现补偿。从UC3846的脉宽调制原理来看斜坡补偿有两种实现办法,一种是将斜坡补偿信号加到电流检测信号中,另一种是将斜坡补偿信号从误差电压信号中减去,第一种办法在实现电流限制功能时易产生误差,第二种方法中,必须电压放大器的增益,实现起来比较麻烦。因此采用改进后的第一种办法,如图3接入射极跟随器减小晶振端的输出阻抗。射极电阻取R2的十分之一,为减少补偿电路对CT上的斜坡电压线性度和稳定性的影响,R2的阻值要足够大。 图3 下面计算R2参数值: 1. 计算输出电感电流斜坡下降斜率: 式中 2. 把输出滤波电感电流下降斜率折算到变压器一次侧 式中 3. 计算折算到一次侧的电流检测信号电压值 4. 计算振荡锯齿波斜坡电压的斜率 5. 导出斜坡公式 运用叠加法 2.3峰值电流限制电路设计 电流模式控制中最有吸引力的地方就是它的电流限制能力,通过把误差电压放大器的输出限制在一个最大值的办法,简单的实现了限制峰值电流的目的。如图4,最大电流由 图4 2.4快速关断电路设计 UC3846的shutdown主要用于快速关断保护功能,是对前面峰值电流限制等保护功能的一个补充,关断电路输入部分是一个比较器,如图5。如果比较器的同相输入端大于350mv,比较器输出高电平,小晶闸管导通,软启动电容放电,使得pin1电位下降 图5 本电源采用的是富士EXB841驱动电路,当驱动电路检测到IGBT过流时会产生一个过流信号,利用UC3846的shutdown的快速关断功能,这个过流信号被送到shutdown来实现IGBT的快速过流关断保护。因为动作电压比较小,如果UC3846用于大功率焊机容易受到干扰,所以有必要设计一中可靠的辅助关断电路,保证关断电路不容易受到干扰。如图6 图6 如果过流信号为是低电平,模拟开关4066C导通,shutdown和负电压接通,保证shutdown不被干扰电压误导通,如果过流信号是高电平shutdown和正电压接通,模拟开关4066D开通,shutdown出现高电平,将UC3846可靠关断输出脉冲,保护开关管。 2.5 实验结果 通过主电路和控制电路的设计制作,本文设计了基于全桥主电路的峰值电流模式控制 图7 焊机工作时的变压器一次侧通过霍尔传感器检测到的电流波形转换成电压信号加上斜坡补偿后如图7所示,斜坡补偿电路增加了电路的稳定性和抗干扰性能,弥补了峰值电流模式控制的不足,输出电压稳定。 2.6 结论 峰值电流模式控制有很多优点,特别在用于全桥式逆变焊机时,有利于防止主变压器的偏磁,但是峰值电流模式也有抗干扰性能不好,且容易发生亚谐波振荡的缺点,但是通过控制电路的合理设计,尤其是斜坡补偿电路,充分利用UC3846的内部资源,可以克服这些不足。 1.7 参考文献 张占松 开关电源的原理与设计[M] 北京:电子工业出版社 周乃军 胡立峰 弧焊电源用全桥逆变电路的偏磁控制及仿真[J] 电焊机:1998(5)21~23 杜中义 弧焊逆变器磁芯偏磁及控制的研究[J] 电焊机:1995(3)12~14 李宪正等 电流型PWM控制器UC2846及其在逆变弧焊电源中的应用 焊接技术:1996(3)22~24 |
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