弧焊逆变器输出电流本脉冲反馈控制都东韩赞东张前张人豪（北京清华大学）摘要提出了基于输出电 流瞬态信息处理的逆变器脉宽调制方法（即本脉冲ＰＷＭ控制），可在整个电弧负载变化范围内实 现焊接电流的无超调快速控制，既满足了各种焊接工艺要求，又保证了逆变器的运行可靠性。本文 阐述了其反馈控制基本原理及系统静、动态性能的数学分析和试验研究结果。关键词：电弧焊接逆 变电源反馈控制０序言弧焊逆变器输出电流控制是满足焊接工艺需求和保证电源运行可靠的关键， “
逆变电源－焊接电弧”是一个具有时变非线性且包含开关控制量的混合系统，其合理的控制方式 应基于瞬态信息处理原则，而非传统的输出平均量反馈。１本脉冲ＰＷＭ控制原理弧焊逆变器输出 电流“本脉冲ＰＷＭ控制”的基本原理如图１ａ所示。即在逆变器每一脉冲输出期间，对输出电流 ｉｆ的瞬态信息（而非平均值）进行处理，根据给定值Ｉｇ（可先进行函数变换），即刻决定逆变 器控制单元当前输出量ｕ０的脉冲宽度Ｔｏｎ（Ｔｏｎ≤Ｗｍａｘ）。反馈信号处理环节只对电流 瞬态信息进行整形以调节灵敏度并改善系统稳定性，不存在滤波滞后。电流信号的采样点选择在主 变压器原边中频逆变回路中，因而从根本上避免了功率开关元件的过流损坏。图１ｂ给出了本脉冲 控制的一种简单形式，即给定值Ｉｇ为一常数。图１ｃ是在本脉冲控制作用下逆变器输出脉冲宽度 随系统给定值而逐个变化的实际波形（以单端正激式逆变器为例）。２系统稳态指标的数学分析和 实验测试给定值为一常数时，在本脉冲控制作用下，电源系统输出电流平均值基本恒定。数学证明 如下：设焊接输出回路感抗为Ｌ，焊接电流瞬态等效阻抗为Ｒ，主变压器输出电压正向峰值为Ｅ２ 。在ｔ１－ｔ２期间，ｉ（ｔ）＝Ｅ２Ｒ＋（ｉｔ１－Ｅ２Ｒ）ｅ－ｔ／τ（τ＝ＬＲ）考虑到： ｔτ＜Ｔｏｎτ１，上式可近似为：ｉ（ｔ）＝ｔτ·Ｅ２Ｒ＋（１－ｔτ）ｉｔ１ｉ（Ｔｏｎ ）＝ｉｔ２＝Ｔｏｎτ·Ｅ２Ｒ＋（１－Ｔｏｎτ）ｉｔ１在ｔ２－ｔ３期间，ｉ（ｔ）＝ｉｔ２ （１－ｔτ）（τ＝ＬＲ）得：ｉ（Ｔｏｆ）＝ｉｔ３＝［Ｔｏｎτ·Ｅ２Ｒ＋（１－Ｔｏｎτ） ·ｉｔ１］·（１－Ｔｏｆτ）由于输出处于平衡状态，所以ｉｔ１＝ｉｔ３，即：［Ｔｏｎτ· Ｅ２Ｒ＋（１－Ｔｏｎτ）·ｉｔ１］·（１－Ｔｏｆτ）＝ｉｔ（ａ）Ｆｕｎｄａｍｅｔａｌｓ ｏｆｃｏｎｔｒｏｌｃｉｒｃｕｉｔ（ｂ）Ｃｏｎｔｒｏｌｗａｖｅｆｏｒｍｓ（ｃ）Ｉｎｐｕｔ ａｎｄｏｕｔｐｕｔｗａｖｅｆｏｒｍｓｏｆｉｎｖｅｒｔｅｒ图１本脉冲ＰＷＭ控制的基本原理 Ｆｉｇ．１ＦｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓｏｆＰＷＭｍｅｔｈｏｄｎａｍｅｄｐｒｅｓｅｎｔｐｕｌ ｓｅｃｏｎｔｒｏ解之得：ｉｔ１＝τ·Ｔｏｎ－Ｔｏｎ·Ｔｏｆτ·Ｔ－Ｔｏｎ·Ｔｏｆ×Ｅ２ Ｒｉｔ２＝τ·Ｔｏｎτ·Ｔ－Ｔｏｎ·Ｔｏｆ×Ｅ２Ｒ由于输出电流波形的上升和下降段都可近 似为直线，所以输出电流的平均值：Ｉ＝１２（ｉｔ１＋ｉｔ２）＝（１－１２·Ｔｏｆτ）·ｉ ｔ２考虑到：（１－１２·Ｔｏｆτ≈１），ｉｔ２恒定时，输出电流基本恒定。图２分别给出了 电源系统输出的三条稳态恒流特性实际测试结果拟合曲线。数学分析和试验研究都表明，尽管本脉 冲控制是直接对瞬态信息进行处理，亦可达到对平均输出量的控制效果，以满足焊接工艺需求。图 ２恒流外特性实测曲线Ｆｉｇ．２Ｍｅａｓｕｒｅｄｃｕｒｖｅｏｆｃｏｎｓｔａｎｔｃｕｒｅｎ ｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ３系统动态过程的数字仿真和试验研究系统给定值阶跃时，ＴＩ Ｇ焊电流和电弧电压响应过程的实测波形如图３所示。图３电流给定阶跃时焊接电流和电弧电压响 应过程的实测波形Ｆｉｇ．３Ｒｅａｌｒｅｓｐｏｎｓｅｗａｖｅｆｏｒｍｓｏｆｗｅｌｄｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔａｎｄａｒｃｖｏｌｔａｇｅｗｈｉｌｅａｓｔｅｐｓｉｇｎａｌｉｓｉｎｐｕｔ ｅｄ对于包含时变性非线性的连续电弧负载和逆变器开关控制变量的混合系统，尚难以直接采用现 代控制理论的解析方法研究其动态性能，而运用计算机技术的数字仿真方法则可方便地对其进行研 究。根据现代电力电子技术和电弧物理基本理论［１］，建立“逆变器－焊接电弧”系统离散化模 型，对等弧长情况下焊接电流阶跃变化的动态过程进行仿真，其一例如图４所示，可看出与图３实 测结果基本相符。利用上述模型和方法，对本脉冲控制的逆变电源系统在电弧负载变化全范围内的 性能进行仿真分析，结果表明其具有优良的动态响应指标。①Ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｗｅｌ ｄｉｎｇｃｕｒｅｎｔｉ（ｔ）（Ａ）②Ａｖｅｒａｇｅｗｅｌｄｉｎｇｃｕｒｅｎｔｉ（ｔ）（ Ａ）③Ａｖｅｒａｇｅａｒｃｖｏｌｔａｇｅｕ（ｔ）（×０．５Ｖ）④Ｏｕｔｐｕｔｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈｗ（ｔ）（×１０－１μｓ）图４电流给定阶跃时焊接电流和电弧电压响应过程的仿真 结果Ｆｉｇ．４Ｓｉｍｕｌａｔｅｄｒｅｓｐｏｎｓｅｗａｖｅｆｏｒｍｓｏｆｗｅｌｄｉｎｇｃ ｕｒｒｅｎｔａｎｄａｒｃｖｏｌｔａｇｅｗｈｉｌｅａｓｔｅｐｓｉｇｎａｌｉｓｉｎｐｕｔｅ ｄ４结论基于瞬态信息处理原则的本脉冲ＰＷＭ控制方法，适用于单端正激、全桥等型式的弧焊逆 变器，可在整个电弧负载变化范围内实现焊接电流的无超调快速反馈控制，使系统具有优良的静、
动态性能。既保证了逆变电源的运行可靠性，又满足了ＭＭＡ、ＴＩＧ、ＣＯ２、ＭＩＧ等各种焊 接工艺要求。（１９９７－０５－０５收到初稿，１９９７－０６－１１收到修改稿）参考文献１ 安藤弘平等．焊接电弧现象．北京：机械工业出版社，１９８５．ＦｅｅｄｂａｃｋＣｏｎｔｒｏ ｌｆｏｒＷｅｌｄｉｎｇＣｕｒｒｅｎｔｉｎＰｒｅｓｅｎｔＯｕｔｐｕｔＰｕｌｓｅｏｆＩｎｖ ｅｒｔｅｒＤｕＤｏｎｇ，ＨａｎＺａｎｄｏｎｇ，ＺｈａｎｇＱｉａｎ，ＺｈａｎｇＲｅｎｈａ ｏ（ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）ＡｂｓｔｒａｃｔＡＰＷＭｍｅｔｈｏｄｎａｍｅ ｄｐｒｅｓｅｎｔｐｕｌｓｅｃｏｎｔｒｏｌｆｏｒｉｎｖｅｒｔｅｒ，ｗｈｉｃｈｉｓｂａｓｅ ｄｏｎｔｈｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｆｏｒｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｓｉｇｎａｌｏｆｗｅｌｄ ｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔ，ｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｒａｐｉｄｒｅｇｕ ｌａｔｉｏｎｗｉｔｈｏｕｔｏｖｅｒｓｈｏｏｔｏｆｗｅｌｄｉｎｇｃｕｒｅｎｔｃａｎｂｅ ｒｅａｌｉｚｅｄｉｎｔｈｅｗｈｏｌｅｒａｎｇｅｏｆａｒｃｌｏａｄ．Ｉｔｍｅｅｔｓｒｅｑ ｕｉｒｍｅｎｔｓｏｆｖａｒｉｅｄｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｅｓａｎｄｅｎｓｕｒｅｓｔ ｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｉｎｖｅｒｔｅｒ．Ｔｈｅｂａｓｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｆｅｅｄｂａｃｋｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌａｎ ａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｓｔａｔｉｃａｎｄｄｙｎａｍｉｃｐｒｏｐｅｒｔｙ，ａｓｗｅｌａｓ ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｗｅｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅ ｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓａｒｃｗｅｌｄｉｎｇ，ｉｎｖｅｒｔｅｒｐｏｗｅｒｓｏｕｒｃｅ，ｆｅ ｅｄｂａｃｋｃｏｎｔｒｏｌ弧焊逆变器输出电流本脉冲反馈控制@都东@韩赞东@张前@张人豪 $北京清华大学电弧焊接,逆变电源,反馈控制提出了基于输出电流瞬态信息处理的逆变器脉宽调 制方法（即本脉冲ＰＷＭ控制），可在整个电弧负载变化范围内实现焊接电流的无超调快速控制， 既满足了各种焊接工艺要求，又保证了逆变器的运行可靠性。本文阐述了其反馈控制基本原理及系 统静、动态性能的数学分析和试验研究结果。１安藤弘平等．焊接电弧现象．北京：机械工业出版 社，１９８５．ｉｌｅａｓｔｅｐｓｉｇｎａｌｉｓｉｎｐｕｔｅｄ４结论基于瞬态信息处理原则 的本脉冲ＰＷＭ控制方法，适用于单端正激、全桥等型式的弧焊逆变器，可在整个电弧负载变化范 围内实现焊接电流的无超调快速反馈控制，使系统具有优良的静、动态性能。既保证了逆变电源的 运行可靠性，又满足了ＭＭＡ、ＴＩＧ、ＣＯ２、ＭＩＧ等各种焊接工艺要求。（１９９７－０５ －０５收到初稿，１９９７－０６－１１收到修改稿）参考文献１安藤弘平等．焊接电弧现象．北 京：机械工业出版社，１９８５．ＦｅｅｄｂａｃｋＣｏｎｔｒｏｌｆｏｒＷｅｌｄｉｎｇＣｕｒ ｒｅｎｔｉｎＰｒｅｓｅｎｔＯｕｔｐｕｔＰｕｌｓｅｏｆＩｎｖｅｒｔｅｒＤｕＤｏｎｇ，Ｈａ ｎＺａｎｄｏｎｇ，ＺｈａｎｇＱｉａｎ，ＺｈａｎｇＲｅｎｈａｏ（ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖ ｅｒｓｉｔｙ）ＡｂｓｔｒａｃｔＡＰＷＭｍｅｔｈｏｄｎａｍｅｄｐｒｅｓｅｎｔｐｕｌｓｅｃ ｏｎｔｒｏｌｆｏｒｉｎｖｅｒｔｅｒ，ｗｈｉｃｈｉｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｔｒｅａｔｍｅｎ ｔｆｏｒｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｓｉｇｎａｌｏｆｗｅｌｄｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔ，ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｒａｐｉｄｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｗｉｔｈｏｕｔｏ ｖｅｒｓｈｏｏｔｏｆｗｅｌｄｉｎｇｃｕｒｅｎｔｃａｎｂｅｒｅａｌｉｚｅｄｉｎｔｈｅｗ ｈｏｌｅｒａｎｇｅｏｆａｒｃｌｏａｄ．Ｉｔｍｅｅｔｓｒｅｑｕｉｒｍｅｎｔｓｏｆｖａｒｉ ｅｄｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｅｓａｎｄｅｎｓｕｒｅｓｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｒ ｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｉｎｖｅｒｔｅｒ．Ｔｈｅｂａｓｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｆｅｅ ｄｂａｃｋｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｓｔａ ｔｉｃａｎｄｄｙｎａｍｉｃｐｒｏｐｅｒｔｙ，ａｓｗｅｌａｓｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒ ｅｓｕｌｔｓｗｅｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓａｒｃｗｅｌｄｉｎｇ，ｉｎｖｅｒｔｅｒｐｏｗｅｒｓｏｕｒｃｅ，ｆｅｅｄｂａｃｋｃｏｎｔｒｏｌ弧焊逆变器输出电流本脉冲反馈控制@都东@韩赞东@张前@张人豪$北京清华大学电弧焊接,逆变电源,反馈控制提出了基于输出电流瞬态信息处理的逆变器脉宽调制方法（即本脉冲ＰＷＭ控制）