熊谷DPS-500P全數(shù)字多功能管道焊機(jī)誕生記

1、十年鑄劍，十年成長(zhǎng)熊谷DPS-500P全數(shù)字多功能管道焊機(jī)誕生記文：成都熊谷加世電器有限公司何亞寧十年，不過(guò)是時(shí)間長(zhǎng)河里的驚鴻一瞥，卻也是人生的一段重要旅程。十年，可以平平淡淡波瀾不驚的度過(guò)，也可以風(fēng)起云涌波瀾壯闊的度過(guò)。古人云，十年一覺(jué)揚(yáng)州夢(mèng)，十年離別故人稀，十年生死兩茫?；仡欁约旱倪@個(gè)十年，算是十年艱辛鑄一劍吧。不管如何，十年的流逝總免不了讓人感傷，十年霜鬢不禁秋，人生又能有幾個(gè)十年？2008年，不滿四十，帶著在晨星半導(dǎo)體公司學(xué)習(xí)的芯片設(shè)計(jì)技能回到家鄉(xiāng)。股票海外上市，已是設(shè)計(jì)經(jīng)理的自己，握有4倍于普通工程師的原始股，在當(dāng)時(shí)可以說(shuō)財(cái)務(wù)基本無(wú)憂。游山玩水，就這樣無(wú)憂無(wú)慮的過(guò)了大半年。但漸漸的，

2、我開(kāi)始倦怠這種平淡如水的日子，內(nèi)心有一種聲音越來(lái)越強(qiáng)烈，這么年輕，應(yīng)該運(yùn)用所學(xué)做點(diǎn)更有價(jià)值的事情！由于在熊谷初創(chuàng)時(shí)，我曾在公司從事過(guò)一段時(shí)間的技術(shù)工作，多年來(lái)與熊總一直保持著聯(lián)系，恰好在這個(gè)茫然期，熊總問(wèn)我有沒(méi)有興趣在弧焊電源領(lǐng)域施展一番。由于之前設(shè)計(jì)的都是小功率的電源芯片或應(yīng)用系統(tǒng)，我決定還是先學(xué)習(xí)了解一下弧焊電源領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識(shí)，調(diào)研一下技術(shù)、市場(chǎng)再說(shuō)。調(diào)研的結(jié)果令人沮喪，不僅過(guò)去專業(yè)上的知音沒(méi)有勇氣參與這項(xiàng)新事業(yè)，連遠(yuǎn)在浙江的忘年交朋友，電源學(xué)會(huì)的秘書(shū)長(zhǎng)楊工也告誡我搞弧焊電源吃力不討好，因?yàn)殡娀∈菚r(shí)變強(qiáng)非線性負(fù)載，小心把自己搞砸了。但在仔細(xì)閱讀了熊總大學(xué)時(shí)學(xué)習(xí)的焊接教科書(shū)，并查閱了大量國(guó)內(nèi)

3、外的相關(guān)文獻(xiàn)后，我感覺(jué)還是有超過(guò)50%的成功可能。在探索未知的強(qiáng)烈求知欲和興趣的推動(dòng)下，2009年5月，我正式接下了熊谷數(shù)字化脈沖焊機(jī)DPS-500研制的任務(wù)，并制定了階段項(xiàng)目設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)計(jì)劃書(shū)。得益于三年芯片正向設(shè)計(jì)的嚴(yán)格訓(xùn)練，在設(shè)計(jì)DPS-500的初期就采用了自上而下的設(shè)計(jì)流程。由焊接工藝對(duì)焊接電源的要求提出焊機(jī)的系統(tǒng)指標(biāo)，進(jìn)而得出具體的電路指標(biāo)。運(yùn)用模塊化的設(shè)計(jì)方法，把項(xiàng)目分為逆變電源設(shè)計(jì)和焊接工藝控制算法設(shè)計(jì)兩大部分。逆變電源設(shè)計(jì)又分為電路部分設(shè)計(jì)和磁性器件設(shè)計(jì)兩大模塊。充分運(yùn)用計(jì)算機(jī)EDA技術(shù)，使之在產(chǎn)品前期的功能實(shí)現(xiàn)，性能優(yōu)化，安全可靠性設(shè)計(jì)中發(fā)揮了巨大的作用，并提高了研發(fā)速度。足規(guī)

4、選魁P-GMAW焊接控制京蝕仙貞逆龍電跨功能段性施仿n電時(shí)拓?fù)渥藬秤圁?-捽制殲確設(shè)計(jì)電躋交流小信號(hào)模舉H1踣蹄態(tài)丈信號(hào)樓型器件選塑器件模型】：.變仏器縮出屯感諧振電感逆交電卅建橫P-GMAW悍轅抹制黨法紐按逆變電幽說(shuō)訃P-GMAW焊炊控制ffstmi-DPS-500樣ULtUliiJDPS500整機(jī)覘搭電路部分磁性血件研制開(kāi)關(guān)頻率更高的逆變焊機(jī)，提高焊接系統(tǒng)動(dòng)特性和控制精度，一直是逆變焊機(jī)的發(fā)展方向。但在十年前，受功率半導(dǎo)體器件及磁性元件的性能限制，選擇50KHZ的高開(kāi)關(guān)頻率卻需要很大的勇氣，面臨極大的技術(shù)挑戰(zhàn)，也具有相當(dāng)?shù)膽?zhàn)略風(fēng)險(xiǎn)。在前期調(diào)研中，我們了解到，當(dāng)時(shí)世界上性能最好的MIG/MA

5、G焊機(jī)FroniusTPS4000為70kHz，采用了MOSFET功率器件，而市場(chǎng)上采用IGBT的50kHz/500A成熟逆變焊機(jī)則完全是空白。在大家猶豫不決時(shí)，熊總一錘定音，大膽支持了創(chuàng)新與挑戰(zhàn)。通過(guò)優(yōu)選適合工藝的高速I(mǎi)GBT模塊、快恢復(fù)二極管模塊、變壓器磁芯、輸出電抗器磁芯、諧振電感磁芯，優(yōu)化設(shè)計(jì)PWM控制環(huán)路參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)了50kHz/500A的逆變器，大幅提高了當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)逆變焊機(jī)的動(dòng)特性和可控性水平，為滿足X80以上高強(qiáng)管線鋼的焊接打造了優(yōu)良的基礎(chǔ)平臺(tái)。2018年在中國(guó)電源學(xué)會(huì)的年會(huì)上，我與一位來(lái)自西安的電力電子老專家聊起此事，他說(shuō)即使在今天，用IGBT實(shí)現(xiàn)50kHz/500A的逆變電源

6、也不容易聽(tīng)到此話，我感到一切的努力都值了。DPS-500的研發(fā)大量采用了當(dāng)時(shí)前沿的計(jì)算機(jī)建模仿真技術(shù),建立了50kHz/500A逆變器的電路仿真模型和焊接工藝控制算法的仿真模型。而在十年前，將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用到焊接電源設(shè)計(jì)，還多停留在高校學(xué)術(shù)界的理論研究和論文上，工業(yè)界焊機(jī)制造企業(yè)真正付諸實(shí)踐的幾乎沒(méi)有，即使是今天也極罕見(jiàn)。我分別建立了DPS-500逆變電源的交流小信號(hào)模型和動(dòng)態(tài)大信號(hào)模型。小信號(hào)模型用來(lái)研究控制環(huán)路的穩(wěn)定性、快速性，指導(dǎo)斜率補(bǔ)償和頻率補(bǔ)償器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。后期實(shí)踐證明，依據(jù)小信號(hào)模型可以實(shí)現(xiàn)逆變弧焊電源的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)從最小輸出電流到最大輸出電流都實(shí)現(xiàn)了較好的穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)性

7、能以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，相關(guān)成果峰值電流模式逆變焊接電源的完整小信號(hào)模型及控制環(huán)路設(shè)計(jì)發(fā)表在國(guó)家一級(jí)學(xué)術(shù)期刊焊接學(xué)報(bào)201601期上，被美國(guó)EI收錄。這是熊谷公司的論文首次登上國(guó)家一級(jí)學(xué)術(shù)期刊。動(dòng)態(tài)大信號(hào)模型用來(lái)研究弧焊電源的時(shí)域特性，相當(dāng)于建立了一臺(tái)計(jì)算機(jī)虛擬的逆變弧焊電源。為此，基于平臺(tái)，我先后建立了移相全橋PWM控制芯片的行為模型，IGBT驅(qū)動(dòng)器模型，主變壓器的線性化模型，IGBT模塊及功率二極管的模型等。為使仿真能夠有效指導(dǎo)系統(tǒng)開(kāi)發(fā),IGBT模塊的精確建模成為最核心的問(wèn)題，也是最大的難點(diǎn)。IGBT模塊通常采用芯片并聯(lián)以達(dá)到較高的電流容量,精確的仿真模型由芯片的物理模型與采用3D電磁場(chǎng)仿真軟

8、件提取的封裝寄生參數(shù)模型組合而成。由于模型涉及芯片或模塊廠商的核心技術(shù)，我們很難獲得芯片的工藝及詳細(xì)的電特性參數(shù)，也不具備芯片級(jí)測(cè)試的條件。為解決這些問(wèn)題，我提出一種功率半導(dǎo)體模塊建模的高效方法：首先，把并聯(lián)的芯片組整體視為一個(gè)功率器件，利用廠家提供的模塊數(shù)據(jù)手冊(cè)或自行測(cè)試的數(shù)據(jù)建立器件模型。我們先后與宏微、斯達(dá)、西門(mén)康合作測(cè)試了IGBT模塊和二極管模塊的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性，我自己搭建了雙脈沖動(dòng)態(tài)測(cè)試平臺(tái)及功率器件非線性電容測(cè)試電路，利用這些測(cè)試數(shù)據(jù)，提取功率半導(dǎo)體器件的模型參數(shù)，分別建立了IGBT器件的行為模型，基于物理的功率二極管解析模型。接著，建立模塊封裝互聯(lián)寄生參數(shù)模型，運(yùn)用部分單元等效電

9、路PEEC原理，將模塊里封裝互連的各導(dǎo)體拆分為部分單元，篩選出幾何同構(gòu)的一個(gè)單元，運(yùn)用有限元電磁場(chǎng)數(shù)值分析軟件提取該單元的寄生電感電阻參數(shù)；個(gè)別簡(jiǎn)單規(guī)則的導(dǎo)體則采用解析法快速計(jì)算。然后，把各個(gè)部分單元的寄生電感電阻參數(shù)合并與約減。模型還整合了基于矩量法MoM提取的結(jié)構(gòu)寄生電容，滿足共模EMI的系統(tǒng)仿真。由于開(kāi)關(guān)頻率高，磁性器件的設(shè)計(jì)也面臨了諸多挑戰(zhàn)。我通過(guò)優(yōu)選磁性材料和精細(xì)計(jì)算，并參考了大量中外文獻(xiàn)，采用解析法評(píng)估磁性器件的溫升，最終設(shè)計(jì)出了合理的主變壓器、交流諧振電抗器及直流輸出電抗器。弧焊工藝的發(fā)展對(duì)弧焊電源的動(dòng)特性提出了越來(lái)越高的要求，弧焊電源動(dòng)特性的優(yōu)劣也直接影響著電弧傳感器的性能。采

10、用較高的開(kāi)關(guān)頻率，從而提高環(huán)路增益的過(guò)零交越頻率，顯著提高了逆變弧焊電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。然而，DPS-5OO更高的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致更高的電壓變化率du/dt和電流變化率di/dt，使雜散電感的影響變得更加顯著，不僅帶來(lái)嚴(yán)重的電磁干擾，甚至導(dǎo)致功率半導(dǎo)體器件過(guò)壓損壞。為解決這些問(wèn)題，基于高頻逆變弧焊電源主電路模塊化的思想，我們創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)了一體化的疊層母線，將母線直流電壓支撐電容，均壓電阻，專利的軟起動(dòng)電路，IGBT模塊，三相整流器模塊連接為一體，不僅獲得了更好的電特性和熱特性，也更便于生產(chǎn)和維護(hù)。同樣，我運(yùn)用有限元電磁場(chǎng)數(shù)值分析軟件，對(duì)疊層母線進(jìn)行了電磁場(chǎng)的三維數(shù)字仿真，提取包含電感L、電阻R、電容

11、C、電導(dǎo)G寄生參數(shù)的多端口電路模型。為驗(yàn)證模型的正確性，使用阻抗諧振測(cè)量法和雙脈沖動(dòng)態(tài)測(cè)試法，分別通過(guò)協(xié)仿真和實(shí)測(cè)獲取疊層母線寄生參數(shù)的作用效應(yīng)，提取疊層母線的雜散電感，從頻域和時(shí)域的不同角度相互印證疊層母線多端口電路模型的正確性。匯聚這些理論成果的最新論文高頻逆變弧焊電源的疊層母線的設(shè)計(jì)建模與驗(yàn)證也已被國(guó)家一級(jí)學(xué)術(shù)期刊焊接學(xué)報(bào)錄用，將在今年的期刊上公開(kāi)發(fā)表。我還設(shè)計(jì)了創(chuàng)新的峰值電流采樣及其信號(hào)處理電路，消除由于普通電流互感器的檢測(cè)誤差對(duì)峰值電流模式控制環(huán)路穩(wěn)定性的影響，減少普通電流互感器由于可能的偏磁和飽和，不能正確檢測(cè)電流信號(hào)的問(wèn)題；在信號(hào)處理方面，解決目前絕大多數(shù)電壓模式絕對(duì)值電路不能適

12、用于高頻中、大功率全橋開(kāi)關(guān)變換器開(kāi)關(guān)管瞬態(tài)電流采樣信號(hào)處理的問(wèn)題，同時(shí)使電流采樣電路與信號(hào)處理電路可以共地，且電路簡(jiǎn)單，成本低。該成果“用于全橋開(kāi)關(guān)變換器的峰值電流采樣及其信號(hào)處理電路”獲得發(fā)明專利授權(quán)（授權(quán)公告號(hào)：CN104242659B授權(quán)公告日：2017.02.15），同樣獲得發(fā)明專利授權(quán)還有“一種開(kāi)機(jī)浪涌電流抑制電路”（授權(quán)公告號(hào)：CN103762835B授權(quán)公告日：2016.01.20）。這兩項(xiàng)發(fā)明專利結(jié)束了熊谷公司沒(méi)有電路發(fā)明專利的歷史，在此后的項(xiàng)目申報(bào)及招投標(biāo)中發(fā)揮了積極的作用。在焊接工藝控制算法的設(shè)計(jì)上，同樣采用了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的建模仿真方法。2010年3月，隨著另一名能力出眾的軟

13、件工程師的加入，我們展開(kāi)了大量的焊接工藝控制算法研究工作。首先，建立描述熔化極氣保焊GMAW過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，主要包括電路模型（包含焊接電源、電纜、電極、電?。?、熔滴力學(xué)模型、電極的熔化率模型等，進(jìn)而建立焊接控制的數(shù)學(xué)模型，包括內(nèi)環(huán)電流電壓控制模型、弧長(zhǎng)控制模型、金屬過(guò)渡控制模型、波形發(fā)生模型。最后，通過(guò)仿真和實(shí)測(cè)相結(jié)合來(lái)驗(yàn)證、修正和優(yōu)化控制算法。仿真的介入減少了后期試焊次數(shù)，提高了試驗(yàn)的針對(duì)性。我們利用先進(jìn)的高速攝像系統(tǒng)，結(jié)合自主研制的高速數(shù)據(jù)采集裝置建立了焊接試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了大量試驗(yàn)，對(duì)各種不同控制和過(guò)渡方式下的熔滴、熔池和電弧的特性進(jìn)行了深入的研究，積累了大量數(shù)據(jù)，為建立并不斷豐富焊接專家

14、系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)。從2013年開(kāi)始，為配合金屬粉芯焊絲進(jìn)行X80管道根焊，我們自主開(kāi)發(fā)了PSTtM青確電弧控制技術(shù)，這是一種短路過(guò)渡控制方法，利用緊湊的dsp控制平臺(tái)的高精度采樣、低延時(shí)特性，獨(dú)有的控制算法，和經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)得到的專家?guī)?，由純軟件監(jiān)測(cè)和控制從短路到燃弧的整個(gè)過(guò)程，精確控制電流和電壓波形，將飛濺降至很低水平，得到大且可控的熔深和易于控制的熔池，并且由于軟件控制的靈活性可適應(yīng)不斷出現(xiàn)的新材料，在性能、適應(yīng)能力和成本方面都優(yōu)于國(guó)內(nèi)外已有的類似功能的產(chǎn)品，在各個(gè)位置都非常易于操作并實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的背面成型。為配合DPS-500在管道雙槍自動(dòng)焊的應(yīng)用，我們又開(kāi)展了低電壓脈沖技術(shù)及DPS-500內(nèi)置

15、電弧跟蹤傳感器的相關(guān)研究，并取得了一定的成果。傳統(tǒng)脈沖焊機(jī)在進(jìn)行全位置焊接時(shí)往往存在熱輸入量過(guò)大，焊接速度慢，成型差等問(wèn)題，如果要保證較快的焊接速度和合適的熱輸入量，需要快速的熔滴過(guò)渡頻率，較小的溶滴尺寸，和較短的電弧。DPS-500焊機(jī)針對(duì)全位置焊接，采用了獨(dú)特的脈沖控制方式，利用高速DSP采集和監(jiān)測(cè)短路和燃弧過(guò)程中的電信號(hào)，并通過(guò)自主研發(fā)的控制算法實(shí)時(shí)調(diào)整脈沖參數(shù)，可以得到電壓低，熔深大，電弧穩(wěn)定，飛濺小的脈沖焊接，搭配內(nèi)置的一元化專家數(shù)據(jù)庫(kù)及自動(dòng)焊桿伸高度跟蹤，可以輕松控制熱輸入量，熔深及焊縫成型，實(shí)現(xiàn)良好的全位置焊接效果。目前能在長(zhǎng)輸管道上應(yīng)用的全自動(dòng)焊接廠家所搭配的焊接電源品牌有Fr

16、onius，miller，熊谷。只有熊谷公司實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)焊接系統(tǒng)+全數(shù)字化焊接電源的自主國(guó)產(chǎn)化，且焊接成型和電弧性能不亞于進(jìn)口品牌電源，在泰國(guó)5線嚴(yán)格的檢測(cè)環(huán)境下，合格率始終保持在98.6%以上，創(chuàng)造了全位置自動(dòng)焊合格率新高。截止目前，DPS-500P全數(shù)字化焊接電源已成功服役中俄東線，陜京四線，鄂安滄線，新氣線，泰國(guó)五線等重大長(zhǎng)輸管線，性能和可靠性得到了業(yè)界的高度認(rèn)可。隨著DPS-500在管道雙槍自動(dòng)焊的大量應(yīng)用，開(kāi)始出現(xiàn)一些野外施工的工程適應(yīng)性方面的特殊問(wèn)題，特別是電網(wǎng)電壓超過(guò)設(shè)計(jì)規(guī)范（+20%，-15%），發(fā)電機(jī)的最大輸入視在功率遠(yuǎn)低于DPS-500的需求等問(wèn)題引發(fā)的故障。此時(shí)，熊谷年輕的工程師開(kāi)始挑起責(zé)任，在指導(dǎo)下大膽的進(jìn)行試驗(yàn)，解決了如空載損耗大，高網(wǎng)壓適應(yīng)性等工程技術(shù)問(wèn)題，使DPS-500進(jìn)一步走向完善。十年鑄劍十年成長(zhǎng)，十年心