基于FPGA的数字化逆变直流焊接电源系统的研究

发布时间：2017-10-07 02:40

  本文关键词：基于FPGA的数字化逆变直流焊接电源系统的研究

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【摘要】：焊接电源是工业上通过一些技术方法把电能转化成可控热能的焊接工具。在焊接电源领域中,就其体积、能耗、控制精度等方面而言,传统焊接电源由于其自身架构、器件性能以及相关的技术问题早已经被淘汰,如今的焊接行业中,具备功率因数高、输出波形多样、稳定且动态响应快的焊接电源已经成为主流。本课题所研究的数字化逆变焊接电源是基于系统二级控制的思想设计的,应用FPGA (Field-Programmable Gate Array)为电源系统的主控芯片,完成系统各个模块的驱动、控制、采样以及杂项保护等任务。数字化逆变焊接电源的控制系统是一个多参数影响的复杂多变的系统,焊接电源系统为焊接过程中提供所需要的能量,其电特性将直接影响到电弧燃烧的稳定性与焊接质量。基于本课题的研究,设计了前级逆变机芯,同时,在此基础上设计了后级控制电路,选用了UCC28061作为PFC (Power Factor Correction)电路的主控制器,设计了功率因数校正电路系统,为后端提供稳定的能量,实现高质量的绿色焊接电源,根据二级控制方式设计了以FPGA为主控制器的数字化逆变焊接电源系统,比较传统波形发生方式,创新性的设计了特定的电流波形给定模块,实现了可控波形的发生。针对本系统选用合适的被控元件与对应的调控方式,这样主要目的是实现焊接的过程控制与对输出需求的快速响应,使输出电压,电流得到快速调节。同时,建立完整的焊接电源智能控制系统,以焊接电流、焊接电压等有关的变量为基础,应用智能程度和实时性都较优的模糊控制算法,利用设计的智能控制算法进行数据修正,由此最终确定最佳的控制参数,在专业的焊接平台上进行了实际实验验证。在本课题研究的最后实验阶段,测试了电源工作中输出量波形,分析试验结果可知,本文所研究的数字化焊接电源系统性能合乎标准,通过对波形变化的详细分析,掌握控制波形规律,加深对系统的研究,促使系统性能进一步稳定可靠。
【关键词】：焊接电源 二级控制 FPGA PFC
【学位授予单位】：长春工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG431
【目录】：

• 摘要2-3
• Abstract3-6
• 第一章 绪论6-10
• 1.1 课题背景6
• 1.2 焊接电源的发展状况和特点6-8
• 1.2.1 焊接电源的国内外发展现状6-7
• 1.2.2 数字化逆变焊接电源的发展状态及特点7-8
• 1.3 课题的意义及研究内容8-10
• 1.3.1 课题的意义8-9
• 1.3.2 本课题主要研究内容9-10
• 第二章 基于FPGA的数字化焊接电源系统方案设计10-28
• 2.1 系统总体方案10-16
• 2.1.1 线性调整型焊接电源10-13
• 2.1.2 开关调整型焊接电源13-14
• 2.1.3 本课题研究的电源系统分析14-16
• 2.2 系统的方案研究设计16-23
• 2.2.1 系统主要模块的选择与分析17-20
• 2.2.2 前级供电电源主电路拓扑结构的研究20-21
• 2.2.3 开关元件的选择与软开关技术的引用21-22
• 2.2.4 功率IGBT控制方案的选择22-23
• 2.3 功率因数校正方案的选择23-25
• 2.3.1 功率因数的定义23-24
• 2.3.2 功率因数校正技术的选择24-25
• 2.4 系统后端控制回路的方案分析25-26
• 2.4.1 基于软件与硬件调节方式的讨论25-26
• 2.4.2 系统控制方法的研究与选择26
• 2.5 本章小结26-28
• 第三章 基于FPGA的焊接电源系统硬件设计28-43
• 3.1 FPGA的相关电路设计28-30
• 3.1.1 FPGA最小系统电路设计28-29
• 3.1.2 FPGA串口电路设计29-30
• 3.2 前级电源系统电路设计30-36
• 3.2.1 前级供电电源控制系统30-31
• 3.2.2 基于UCC28061的功率因数校正电路设计31-35
• 3.2.3 基于SG3525的IGBT驱动电路设计35-36
• 3.3 后级控制主回路的电路设计36-40
• 3.3.1 焊接波形发生电路的设计36-37
• 3.3.2 功率放大电路的设计37-38
• 3.3.3 焊接电源采样电路设计38-40
• 3.4 保护电路与晶体管基本电路设计40-42
• 3.4.1 电源系统保护电路设计40-41
• 3.4.2 功率晶体管组基本电路设计41-42
• 3.5 本章小结42-43
• 第四章 基于FPGA的焊接电源系统的功能实现43-62
• 4.1 主控系统相关技术的研究与总体设计43-47
• 4.1.1 焊接电流波形调控技术43-46
• 4.1.2 基于FPGA主控系统的总体设计46-47
• 4.2 系统算法研究与主要功能实现47-57
• 4.2.1 系统主要算法研究47-50
• 4.2.2 基于FPGA的算法设计50-51
• 4.2.3 可调控电流波形发生系统51-57
• 4.3 系统软件设计57-60
• 4.3.1 系统主程序设计57-58
• 4.3.2 A/D采样子程序流程图58-59
• 4.3.3 电源系统管理子程序59-60
• 4.4 系统的抗干扰实现60-61
• 4.5 本章小结61-62
• 第五章 系统测试与结果分析62-69
• 5.1 系统实验平台介绍62
• 5.2 逆变机芯主要波形测试62-64
• 5.3 系统输出波形测试与试验分析64-68
• 5.4 本章小结68-69
• 第六章 总结和展望69-70
• 致谢70-71
• 参考文献71-73
• 作者简介73
• 攻读硕士学位期间研究成果73-74

【参考文献】

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本文编号：986482