（机械电子工程专业论文）单片机控制ii模式pmig逆变焊机的研究.pdf

摘要 摘要 脉冲m i g ( p m i g ) 焊以在很大的电流范围内获得射滴过渡、轴向性好、飞溅 小、适于全位置焊接、焊缝成形美观等优点，大大促进了高质量、高效率焊接工 艺的发展。 本课题研制了一台双单片机控制的i - i 模式p m i g 焊逆变电源。采用恒流特 性( i i 模式) ，以保证脉冲期间电流稳定，实现了稳定的和控制较为精确的熔 滴过渡，基值电流期闻电流稳定不易熄弧。i - i 模式的电源外特性在整个电流区 间内较平直，适合整个电流区间内进行稳定的焊接。 本课题选用d s p l c 3 0 f 6 0 1 i a 和a t 8 9 s 8 2 5 2 双单片机设计了p m i g 焊逆变电源 的控制系统，并通过编写控制程序初步实现了i - i 模式p m i g 焊逆变电源的功能。 其中，单片机d s p i c 3 0 f 6 0 1 1 a 负责电源的整体管理与控制，单片机a t 8 9 s 8 2 5 2 负 责人机接口交互系统的控制，双单片机采用r s 一4 8 5 通讯。 在采用i i 模式的p m i g 焊过程中，对电源的外特性和动特性有特殊的要求。 本课题在完成所设计的p m i g 焊逆变电源控制系统和人机接口交互系统的调试 后，首先编写软件实现了电源的恒流控制，然后研究了该电源的电流动态响应性 能，最后编写压频转换程序实现了p m i g 焊的恒压控制。 试验结果表明，所研制的i i 模式p m i g 焊逆变电源能够实现精确的恒压控 制，达到了最初的设定研究目标。且易于操作，使用灵活，抗干扰能力强，适合 焊接钢、铝等材料。 关键词p m i g 焊；逆变电源：单片机 北京工业大学t 学硕七学位论文 i a b s t r a c t p u l s e dm i g ( p m i g ) w e l d i n gi sah i g hq u a l i t yw e l d i n gm e t h o d i ti sw i d e l yu s e d f o ri t sg o o dd r o p l e tt r a n s f e rd i r e c t i o n , l e s ss p a r e ra n dn i c eb e a da p p e a r a n c e a ni - im o d ep m i gw e l d i n gi n v e r t e rb a s e do nt w om i c r o c o m p u t e r si sd e v e l o p e d u s i n gc o n s t a n tc u r r e n tc h a r a c t e r i s t i c ( i ir o o d c ) ，m a k e ss u r es t e a d yc u r r e n ti np e a k p e r i o d ，a n dt h ew e l lr e p e a t a b l ed r o p l e tt r a n s f e r w h i l es t a b l ea r ca n ds t e a d yc u r r e n t a r eo b t a i n e di nb a s ep e r i o d i ti se a s yt og e ti d e a la r cs e l f - a d j u s t i n gc h a r a c t e r i s t i ci n w i d ew e l d i n gc u r r e n tr a n g ef o ri t sc o n s t a n tv o l t a g ec h a r a c t e r i s t i c i nt h i s p a p e r , ap m i gw e l d i n g i n v e r t e rc o n t r o l s y s t e mb a s e d o i lt w o m i c r o c o m p u t e r sd s p i c 3 0 f 6 0 1 i aa n da t 8 9 s 8 2 5 2 a r ed e v e l o p e d b e s i d e s ，t h ep o w e l s y s t e n lh a st h ef u n c t i o no f p m i gw e l d i n gi n v e r t e r i nt h i ss y s t e m , d s p i c 3 0 f 6 0 1 1 a i s r e s p o n s i b l ef o rt h em a n a g e m e n ta n dc o n t r o lo fp o w e rs o u r c e , a n da t 8 9 s 8 2 5 2 i si n c h a r g eo ft h ec o n t r o lo ft h em a n - m a c h i n ei n t e r f a c es y s t e m t h ec o m m u n i c a t i o n b e t w l lt h e mi se s t a b l i s h e db yu s i n gr s - 4 8 5b u sp r o t o c 0 1 t h ep m i gw e l d i n gp r o c e s sn e e d st h es p e c i a lo u t p u tc h a r a c t e r i s t i ca n dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i co fp o w e rs o u r c e a f t e rd e b u g g i n gt h ep m i gc o n t r o ls y s t e ma n d m a n - m a c h i n ei n t e r f a c es y s t e m , w ep r o g r a m e dc o n s t a n tc u r r e n tc o n t r o ls o f t w a r ea n d r e s e a r c ho nt h ec u r r e n ts t e pr e s p o n s eo fp o w e rs o u r c e a tl a s t ，c o n s t a n tv o l t a g e c h a r a c t e r i s t i ci sr e a l i z e db yv o l t a g e f r e q u e n c yc o n v e r s i o n t h ee x p e r i m e n tp r o v e dt h a tt h ep m i gw e l d i n gi n v e r t e rc a l lm a k et h ea r ev o l t a g e c o n s t a n ta n dm e e tt h ed e s i g n e dr e q u i r e m e n t s t h ep m i gw e l d i n gi n v e r t e ri ss i m p l e o p e r a t i o n a l ，f l e x i b l eu s i n g , s t r o n ga n t i i n t e r f e r e n c ea n dc o u l db eu s e dt o w e l ds t e e l a n da l u m i n i u ma n ds oo n k e y w o r d sp m i gw e l d i n g ；i n v e r t e r ；m i c r o c o m p u t e r l i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成粟，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 焊接是制造业中非常重要的环节，焊接技术直接影响到产品的质量、可靠性、 寿命以及生产成本、效率等方面。但是，传统的弧焊工艺一般采用结构简单、功 能单一、开环控制或简单闭环控制的电源供电，焊接工艺稳定性差、适应能力弱、 对焊工操作技能依赖严重。 熔化极气体保护焊是一种高质量、高效率的焊接工艺，随着半自动焊与自动 焊的推广应用，在各种焊接方法中占有越来越重要的地位。然而，传统的焊接方 法已经不能满足日益增长的生产效率需要，迫切要求出现新的焊接方法或改进原 有焊接工艺以提高焊接效率从而提高生产率，也就是所谓的焊接高效化。自动化 技术、人工智能理论等相关学科的长足发展，为提高焊接生产效率提供了充足的 外部条件的同时，焊接方法自身效率的提高成为影响焊接生产效率提高的主要因 素“1 。因此人们就把重点转向高效化焊接工艺的研究和高效化焊接设备的开发。 近年来，全球制造工业的形势变得越来越严峻，竞争越来越激烈，为了提高 产品的竞争力，各公司坚持不懈地寻找降低生产成本、提高生产率的新技术，而 在大多数制造业中，焊接效率已经成为制约生产率提高的关键因素，进而使焊接 成本占总生产成本的比例加大。这样提高生产效率降低焊接生产成本就成了 降低产品成本的主要措施之一。 目前熔化极气体保护焊( m i g m g ) 的发展速度越来越快，应用越来越广泛， 它以高效、节能、操作简单方便、便于实现机械化和自动化等特点，在实际生产 中得到广泛的应用，并已经成为手工电弧焊的替代工艺。目前，西欧、美国和日 本等工业发达国家的m i g m a g 焊接工艺占所有焊接工作量的2 3 还要强“。从 单片机控制的角度对脉冲焊进行研究以提高逆变焊机控制性能，从而进一步提高 焊接工艺性能是焊接领域中的重要任务之一。 本课题的m i g 焊接工艺采用的是脉冲m i g 焊电源，这是由于：采用脉冲电流 焊接相比传统连续直流焊接方式。有着较多的优势，比如，可在平均电流小于临 界电流值的条件下获得射流过渡，因而同一种直径焊丝，能在高至几百安培，低 至几十安培的电流范围内稳定地进行焊接，还可以对热输入进行精确的控制，既 可使母材得到较大的熔深( 因脉冲电流幅值大) ，又可控制总的平均焊接电流在 较低的水平，适合焊接钢、铝等材料。 北京工业大学_ 学硕士学位论文 1 2 脉冲焊接技术的研究现状 1 9 7 8 年p d r e w s s c h u l l e f r i c l i n gh a n s 等提出了四种切换静态外特性获 得脉冲电弧的方案“1 。陡一平( i - u ) 外特性表示维弧电流采用恒流外特性，脉 冲电流采用恒压外特性，它的特点在于自身调节能力强，脉冲期弧压稳定，维弧 期间电流恒定，不会因弧压波动导致电流过小而熄弧。平一陡( u i ) 外特性即 维弧电流采用恒压外特性，脉冲电流采用恒流外特性，其特点在于能抗弧长干扰 而脉冲电流不变以进行较为稳定的喷射过渡，缺点在于自动调节能力差。平一平 ( u u ) 外特性即维弧与脉冲电流均采用恒压外特性，它的特点在于自身调节能 力强，缺点在于脉冲电流不稳定，必然影响熔滴过渡。陡一陡( i - i ) 外特性， 即脉冲、维弧电流均采用恒流外特性，其特点在于能得到稳定的熔滴过渡并且可 对熔滴过渡进行精确控制，在维弧期电流稳定不易熄弧，它的缺点在于弧压波动 大，维弧期间会因弧长波动造成短路。如果在这种方法的基础上加上一些特殊的 控制法来稳定弧长，则可以扬长避短。 1 2 1 脉冲焊的原理及工艺特点 脉冲m i g 焊是一种焊接电流周期性变化的熔化极气体保护焊。脉冲期间的峰 值电流大于产生喷射过渡的i f 缶界电流值，此时的电弧形态与一般喷射过渡的电弧 形态相似，对焊丝和工件进行强烈的加热使之熔化，促使熔滴处于射流过渡状态， 同时建立熔池：在脉冲间歇期间，由于基值电流很小，其主要作用是维护电弧的 导电状态，并对焊丝起一定的预热作用，但不产生熔滴过渡，如图卜1 所示。 因此，脉冲m i g m a g 焊能在焊接平均电流低于临界电流情况下，实现射滴过渡； 并且通过控制脉冲峰值电流大小和峰值电流时间，就能有效控制脉冲能量，在小 电流条件下，可以焊接薄板和空间焊缝。脉冲m i g 焊的熔滴过渡形式有一脉一 滴、一脉多滴、多脉一滴三种形式。其中一脉一滴是最理想的一种过渡形式，熔 滴大小均匀，过渡很有规则，方向性强，飞溅少，可以提高焊接质量。 图i - i 蹦i g 焊熔滴过渡示意图 f i g 卜is k e t c hm a po fp m i gd r o p l e tt r a n s f e r 由于熔化极脉冲气体保护焊的峰值电流及熔滴过渡是间歇而又可控的，因而 iio竽兰_ 第l 章绪论 与连续电流氩弧焊相比，在工艺上具有以下特点： 1 ) 有较宽的电流调节范围 普通的射流过渡和短路过渡焊接，因受熔滴形式的限制，它们所采用的焊接 电流范围都是有限的。采用脉冲电流后，由于可在平均电流小于临界电流值的条 件下获得射流过渡，因而同一种直径的焊丝，随着脉冲频率的变化，能在高至几 百安培，低至几十安培的电流范围内稳定地进行焊接。熔化极脉冲氩弧焊的工作 电流范围包括了从短路过渡到射流过渡所有的电流区域，可用于射流过渡和短路 过渡所能焊接的一切场合。既能焊接厚板，又能焊接薄板。焊接薄板时，熔透情 况较短路过渡焊接好。 2 ) 利于实现全位置焊 采用脉冲电流后，可用较小的平均电流进行焊接，因而熔池体积小。加上熔 滴过渡和熔池金属的加热是间歇的，所以不易发生流淌。此外由于熔滴的过渡力 与电流的平方成正比，在脉冲峰值电流作用下，熔滴的轴向性比较好，焊缝成形 好，飞溅损失小。进行全位置焊接时，在控制焊缝成形方面脉冲氩弧焊要比普通 氩弧焊有利。 3 ) 可有效的控制输入熟量，改善接头性能 在焊接高强度钢以及某些铝合金时，由于这些材料热敏感性大，因而对母材 输入的热量有一定的限制。若采用普通的焊接方法，只能采用小规范，其结果是 熔深较小，在厚板多层焊时容易产生熔合不良等缺陷。而采用脉冲电弧后，即可 使母材得到较大的熔深( 因脉冲电流幅值大) ，又可控制总的平均焊接电流在较 低的水平。焊缝金属和热影响区金属过热都比较小，从而使焊接接头具有良好的。 韧性，减少了产生裂纹的倾向”，。 1 2 2 脉冲焊控制方法的研究现状 传统的脉冲m i g 焊方法都是通过调制焊接电流和施加强迫脉冲的方法来控 制熔滴过渡，并通过调节一系列的脉冲规范参数来获得最佳的熔滴过渡和弧长。 这种控制方法的规范参数调整很复杂，脉冲参数( 乃、场、2 b 、劢、d 要靠人 工调整，使之与送丝速度、弧长和熔滴过渡相适应。当焊接条件和焊接规范改变 时，上述参数又需要新调整。这种方法的另一主要问题是抗干扰能力差，而在焊 接过程中各种各样的干扰是不可避免的，其中主要有弧长、焊丝干伸长以及送丝 速度的干扰。当这些干扰出现时，上述系统的弧长和熔滴过渡方式将发生变化， 电弧的稳定性和焊接质量将受到影响，甚至会破坏正常的焊接过程。 现代的脉冲m i g 焊电源的控制方法也在逐步的改进，其中有如下几种控制方 法“”1 ： 北京1 = 业大学t 学硕士学位论文 1 ) s y n e r g i c 控制法： m a m i n 在1 9 7 7 年首先提出了一种s y n e r g i c 脉冲m i g 焊电弧控制系统，他 是用一台测速发电机测量送丝速度，测出的信号送到专门设计的控制电路中，这 个电路依据这一信号自动完成脉冲参数的选择及配合。它是八十年代中期流行的 一种脉冲m i g 焊控制法，就是使脉冲m i g 焊控制系统的参数自动适应送丝速度及 其变化，以保证电弧的稳定，维持一定弧长。s y n e r g i c 控制法实际就是通过实 验，在保证一个脉冲过渡一个熔滴和弧长稳定的前提下，确定送丝速度和脉冲电 流的大小和时间、基值电流的大小和时间，获得关系曲线。依据这一关系曲线， 实时检测送丝速度来选取相应的参数。这样的参数可以认为是最佳参数，由此建 立稳定的电弧及熔滴过渡。对一种材料而言，要保证一个脉冲过渡一个熔滴，脉 冲峰值和时间要求恒定。因而在实时检测到送丝速度后，如其发生变化，依据关 系曲线只需改变脉冲基值大小和时间，或少量改变脉冲峰值大小和时间，就能保 证一脉一滴。一般多以只改变脉冲基值时间来实现。 2 ) 弧压反馈闭环控制法 这种控制法就是实时检测弧长，并与其给定值比较，得到差值。根据这一差 值再依据一定的算法，对脉冲参数进行调节，实时改变熔化速度以使弧长保持稳 定。由于调节的对象不同，如脉冲峰值或基值等，弧压反馈又可以分为多种具体 形式。使用这种控制法一般都要求获得稳定的一脉一滴的过渡形式，因而主要是 保持脉冲电流峰值和时间不变，而又以改变脉冲电流基值时间为多。如日本o t c 公司的m m - 3 5 0 焊机。该焊机中，脉冲电流峰值大小、时间、基值电流大小，是 根据不同的焊材，依据一脉一滴的前提而定的，送丝速度和脉冲频率按一定的函 数由单旋钮给定，频率当然还要受控于实时检测到的弧长。在这类焊机中一般以 检测电弧电压来代替电弧长度。焊接时，送丝速度保持恒定，电弧电压的变化由 反馈系统采样得到，依据一定的算法实时改变维弧时间即脉冲频率。这样就调节 了平均电流和熔化速度，从而调节了电弧长度。这种控制法抗弧长干扰的能力强， 送丝速度的扰动最终必然会引起弧长的变化，从而得到调节，因而它也具有一定 的抗送丝速度变化能力。但这种扰动是间接的，加强送丝机的力矩补偿能力，使 送丝保持稳定对这类焊机还是很重要的。 3 ) 综合控制法 日本的u e g u r i 在1 - 9 8 5 年发表了这种控制法，该法集s y n e r g i c 和弧压反 馈控制于一身，脉冲峰值和基值电流大小均为固定，电弧电压反馈控制脉冲电流 时间，送丝速度控制脉冲频率。该法较好的解决了弧长稳定性问题，但参数的变 化将影响到熔滴过渡，从而破坏系统的稳定性。所以调节能力也很有限。 一般认为一个脉冲过渡一个熔滴是脉冲焊熔滴过渡的较好形式“”，它具有过 程稳定，无飞溅，焊缝成形好和焊接质量高的特点：同时认为，只要保证峰值电 第l 覃绪论 流和峰值时间满足一定的匹配关系，就能实现一脉一滴。更进一步通过调节峰值 电流和基值电流的时间来克服干伸长对熔化速度和熔滴体积的影响，在保证一脉 一滴过渡的同时还保证每个熔滴的体积基本不变，从而使熔滴过渡更加均匀、稳 定。 1 3i _ i 模式p m i g 焊逆变电源的特点 为了保证良好的焊接稳定性，p m i g 焊的控制方式也在逐渐的改进，本课题采 用的是一种弧压反馈闭环控制法，这种方法根据调节不同的脉冲参数又可以分为 u - i 模式和i - i 模式，下面对这两种方式不同之处进行详细的说明： 1 ) u i 模式为在焊接过程中保证脉冲峰值电压助和脉冲基值电流肋恒定 的控制方式。其原理为：在脉冲峰值阶段，采取电压反馈信号，保证电压为一个 定值，若电弧受到干扰时，弧长恢复主要依靠峰值电流的变化引起乎均电流变化 来进行调节，系统的调节能力和电源的最大输出电流有关。这种方式在峰值阶段 实际上是一种平的电源外特性。如图i - 2 所示，当弧长变化时，这种外特性产生 的电流偏差厶将大于用下降电源外特性的电流偏差五，熔化速度也就变化 的快，亦即平的电源外特性的弧长恢复快，电源电弧系统的自身调节作用较强。 这种控制方式在一定脉宽时间范围内可以通过较宽峰值电流范围的调整达到一 脉一滴稳定的过渡过程。在脉冲基值阶段，采取电流反馈信号，即保证电流的恒 定，从而使电弧在此阶段保证电流稳定，保证电弧稳定燃烧而不熄弧“。 图卜2 不同电源外特性电弧变化时电流偏差 f i g 卜2d i f f e r e n t a io fd i f f e r e n to u t e rc h a r a c t e r i s t i c 2 ) i i 模式是在焊接过程中保证峰值电流助和基值电流肋恒定，通过检测 电弧长度( 弧压) ，按照一定的算法，改变脉冲频率只多数情况也就是改变基 值电流时间乃，从而改变平均电流大小，改变焊丝熔化速度，使得与送丝速度 协调控制电弧长度，保持焊接过程中电弧的一致性，并使熔滴过渡稳定，也就是 北京工业大学工学硕十学位论文 所说的以一脉一滴过渡方式。这种一脉一滴过渡方式需要满足的最基本条件就 是：j 矿劢= c 式中门是与焊丝直径和焊丝化学成分有关的常数：f 是熔滴过渡 常数：其值与焊丝过渡的熔滴体积和直径有关，为了计算峰值电流助和峰值时间 7 h 确定f 是非常必要的。 综合以上两种方式的特点，脉冲焊应保证焊接过程熔滴一脉一滴过渡，最主 要应保证脉冲幅值和宽度满足一定的关系，一般可以严格控制峰值时间，采用恒 流控制易保证一脉一滴。另外维弧时( 电流小) 为保证最低稳定电流，如果采用 恒压，电流变化大，易熄弧。由于叶i 模式的电源外特性为大电流区间平直而小 电流区间较陡，所以大电流区间内可以进行稳定焊接而小电流区间内无法进行稳 定焊接。i - i 模式的电源外特性在整个电流区间内较平直，适合整个电流区间内 进行稳定的焊接。此种方法一般采用弧压反馈闭环控制法来稳定弧长，以避免弧 压波动大，维弧期间因弧长波动造成短路。 因此本文采用恒流特性( i - i 模式) 脉冲焊电源，能得到稳定的熔滴过渡并 且可对熔滴过渡进行精确控制，在维弧期电流稳定不易熄弧。 1 4 本课题的研究内容 本课题主要是进行基于d s p i c 3 0 f 6 0 1 1 a 与a t 8 9 s 8 2 5 2 双单片机控制的i i 模 式f 1 4 1 g 焊逆变电源的研制工作。因此本课题的主要任务分为以下3 个部分： 1 硬件系统设计 设计系统硬件总体方案，以m i c r o c h i p 公司的单片机d s p i c 3 0 f 6 0 1 1 a 为核心 控制芯片构造p m i g 焊逆变焊机的电源控制系统；构造以单片机a t 8 9 s 8 2 5 2 和 s d 7 2 1 8 a 智能键盘显示驱动芯片为控制核心的人机接口交互系统，利用r s 一4 8 5 通讯接口实现两模块之间的数据传输。 2 软件系统设计 设计软件总体方案，在单片机d s p i c 3 0 f 6 0 1i a 为核心的电源控制系统上编写 控制软件，通过压频转换程序控制电源输出的恒压外特性；在单片机a t 8 9 s 8 2 5 2 为核心的人机接口交互系统上编写控制软件，实现p m i g 焊接参数的一元化调节； 完成双单片机系统之间通讯协议的确定及软件编写。 3 试验及调试 在所设计的控制系统的基础上调试全桥式i g b t 逆变电源，验证i i 模式p m i g 焊逆变电源的单环恒流外特性、动特性和双环恒压外特性。 第2 章p i f i g 焊机硬件系统设计 第2 章p m ig 焊机硬件系统设计 为了充分利用软件控制系统的实时准确和i g b t 逆变电源优异的动态响应性 能，本文以m i c r o c h i p 公司1 6 位单片机d s p i c 3 0 f 6 0 i i a 为核心设计了基于i g b t 的脉冲m i g 焊接逆变电源的控制系统，设计中采用模块化结构，把人机接口系统 和送丝机控制单元作为独立的部分，其申人机接口交互系统选用8 位单片机 a t 8 9 s 8 2 5 2 和智能键盘显示芯片s d 7 2 1 8 a 作为主控芯片，送丝机控制部分采用模 拟电路来实现。 2 1 电源的总体设计 为了在焊接过程中保证焊接能量的合理分配，必须对脉冲电流波形进行精确 控制。为了保证弧长稳定，又必须充分利用恒流特性电源的电弧自身调节作用， 所以本系统对电流和电压实现双闭环反馈控制。整个电源以电流闭环控制的恒流 源电路为内核。从而保证电流波形实时可控；以单片机控制系统为控制核心，实 现对焊接电弧的实时精确控制。也就是说，电流闭环控制恒流源系统作为执行机 构，保证电流按照控制系统发出的指令变化，而单片机控制系统作为指挥机构， 保证电流以合理的规律变化。 电源的总体结构框图如图2 1 所示，分为主电路和控制电路两大部分。从电 网将电能传递给负载的电路称为主电路，其余称为控制电路系统。主电路包括三 大部分，即输入整流滤波、逆变器、输出整流滤波，其最核心部分是逆变器。控 制电路系统包括电源控制系统和人机接口交互系统。 图2 - i 系统总体框图 f i g ，2 - 1b l o c kd i a g r a mo fw h o l ep r o j e c t 北京工业大学工学硕十学位论文 本课题所选用的主电路采用全桥逆变式结构形式，功率开关器件采用i g b t ( 绝缘栅双极型晶体管) ，中频变压器采用微晶磁心，核心脉宽调制电路采用 s g 3 5 2 6 集成电路。整体硬件电路的工作原理为：三相3 8 0 v 电网电压直接经整流、 滤波，得到大约5 4 0 v 的直流电压，全桥逆变器是由控制电路提供的矩形波电压 脉冲激励i g b t ，使其交替通断，将该直流电压变换成中频( 一般2 0 k h z 左右) 交流矩形波电压，然后经中频变压器、二级管整流、滤波，将大约5 4 0 v 电压降 为空载时7 0 v 左右的电压。为了达到一定要求的电源外特性，就要通过电流电压 给定电路以及反馈电路将电流电压信号送入脉宽调制电路和i g b t 驱动电路改变 驱动脉冲电压信号的占空比，并送入i g b t 的基极，改变i g b t 的通断时间，使全 桥逆变器输出多种占空比的交流矩形波电压，经过整流后就可以得到不同规范的 焊接电流电压。 2 2 电源主电路设计 图2 2 桥式i g b t 逆变电路 f i g 2 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ef u l lb r i d g ei g b ti n v e r t e r 逆变部分是逆变焊机的核心部分，其性能的优劣直接关系到整机的性能。根 据其电路结构不同，逆变电路主要有单端正激、推挽式、全桥式和半桥式四种结 构，根据其选用的功率开关管不同，又可分为晶闸管逆变、m o s 管逆变和i g b t 逆变电路。i g b t 是8 0 年代末新兴起的功率开关器件，具有m o s f e t 的驱动功率 小又有g t r 控制电流能力强的双重优点，是目前制作弧焊逆变电源的首选器件。 综合考虑各种因素，我们选用全桥式i g b t 逆变结构，其原理图如图2 - 2 所示。 逆变式焊接电源进行了两次a c - d c 的整流，一次d c a c 的逆变环节。 逆变焊机的主电路主要由三个部分组成：输入整流滤波电路，逆变转换电路， 输出整流滤波电路。输入整流滤波电路的作用是把输入的3 8 0 v 的交流电变为平 第2 覃p l f t g 焊机硬件系统设计 滑的5 4 0 v 的直流电。逆变转换电路的作用是通过v t l ，v t 4 和v t 2 ，v t 3 的交替 导通，使变压器的输入电压反向，从而实现了把5 4 0 v 的直流电转变为2 0 k h z 中 频方波交流电的目的。输出整流滤波电路的作用是将中频变压器二次方波电压整 流成单向脉动直流，并将其平滑成设计要求的低纹波直流电压。 2 3 电源控制系统硬件电路设计 本系统采用了m i c r o c h i p 公司1 6 位单片机d s p i c 3 0 f 6 0 i i a 。电源的控制电 路系统主要包括d s p i c 3 0 f 6 0 l l a 单片机的最小系统、脉宽调制电路、保护电路、 驱动电路和采样电路五大部分，控制系统的总体设计如图2 - 1 所示，各部分的工 作原理及设计将在以下章节中进行详细介绍。 2 3 1d s p l 0 3 0 f 6 0 11 a 单片机简介 m i c r o c h i p 公司推出的d s p i c 3 0 f 系列单片机是一种集1 6 位单片机控制特点 和d s p 功能于一身的新型芯片”1 。在某些应用场合，综合了1 6 位单片机和d s p 功能的d s p i c 3 0 f 系列器件要大大优于3 2 位单片机，而且可降低成本，同时，c 代码效率也降低了对存储器的需求，从而缓解了1 6 位单片机和低端数字信号处 理器d s p 存在的性能差。 d s p i c 3 0 f 6 0 1i a 数字信号控制器是m i c r o c h i p 公司最新推出运算速度可达3 0 n i p s 的1 6 位单片机，它具有精度高、速度快、集成度高等特点，为不同控制领 域提供了一种高性能解决方案。归纳起来，d s p i c 3 0 f 6 0 1 1 a 具有以下特点： 支持在线串行编程，支持分析和断点功能，硬件支持实时仿真功能； 1 7 1 7 位单周期硬件小数整数乘法器； 1 3 2 kf l a s h ，6 ks r 枷，2 ke e p r o m ： 支持动态改变锁相环的倍频系数，具有看门狗定时模块； 8 个用户可选择的中断优先级，5 个外部中断源，4 个处理器陷阱； 5 个1 6 位定时器计数器，可把1 6 位定时器配对形成3 2 位定时器模块； 1 2 8 位的密码保护，保护f l a s h o r r pr o m 和l o l is r a m 中的代码； 8 个1 6 位捕捉输入功能模块，8 个1 6 位比较p 嘲输出功能模块； 包括2 个串行外设接口模块( s p i ) ，2 个u a r t 接口模块( s c i ) ，2 个c a n 接口模块，2 个i 接口模块； 1 6 通道1 2 位模数转换模块，2 0 0 k s p s 转换速率； 6 4 引脚t q f p 封装。 9 北京工业大学工学硕士学位论文 2 3 2d s p l 0 3 0 f 6 0 1 1 a 单片机最小系统 单片机最小系统是逆变电源控制系统的核心组成部分，它不仅要完成电源的 整体管理，同时也直接参与电源的控制，其性能的好坏直接影响逆变电源的整体 性能。运用以单片机为核心的数字控制系统具有以下优点：第一，在调试电路过 程中运用比较灵活，在不改变硬件电路的前提下，可以随时增加一些控制方法： 第二，减少硬件电路复杂程度，减小了器件的损坏几率；第三，数字电路的控制 更加精确。 l n t 3 s s 2 i n t 4 s c k 2 o c is d 0 2 r f o r c 2 r f l a d li n t 0 a d 0r b 8 u a r t 2r g 0 u a r t l d s r i c 3 0 f 6 0 i l a 图2 - 3d s p i c 3 0 f 6 0 1 1 a 资源配置图 f i g 2 - 3d i s t r i b u t i o nd i a g r a mo fd s p i c 3 0 f 6 0 1 1 a sr e s o u r c e s d s p i c 3 0 f 6 0 1 1 a 具体硬件资源配置如图2 3 所示。在整个控制电路中，单片 机起到了很大的检测及控制作用： 1 ) 为了实现数字控制需要把焊机输出的电流、电压波形信号的模拟量转化 为数字量，并通过串口发送到人机交互界面实时显示。采用d s p i c 3 0 f 6 0 1 1 a 内部 集成的1 2 位a d 转换器来实现模拟量到数字量的转换。 2 ) 脉宽调制电路和送丝机控制电路只能接受模拟控制量，因此需要把单片 机输出的数字量转化为模拟量。其中脉宽调制电路通过扩展d a 转换芯片把 d s p i c 3 0 f 6 0 1 1 a 输出的数字量转化为其所需要的模拟量，其中d a 转换芯片采用 m c p 4 8 2 2 汹i ，它是一个1 2 位精度双通道的数模转换控制芯片，采用+ 5 v 供电， 内部+ 2 0 4 8 v 的参考电压，其输出模拟电压范围为o + 4 0 9 6 v ，它与 d s p i c 3 0 f 6 0 1 1 a 的连接如图2 - 3 所示。送丝机控制电路由单片机d s p i c 3 0 f 6 0 1 1 a 内部的p 喇输出单元模块给定脉冲信号，通过高速光耦隔离把单片机输出的p w m 脉宽信号转化为送丝机电路所需要的模拟量。 3 ) 对整个焊接过程时序的控制，包括利用单片机的i o 口接收焊枪开关、 电弧引燃信号以及实现对s g 3 5 2 6 使能端、气阀、送丝的控制。 第2 审p m i g 焊机硬件系统设计 2 3 3 脉宽调制电路( p w m ) 整个控制系统电路是以脉宽调制电路为核心。脉宽调制电路的工作原理是根 据给定电流信号和反馈电流信号的比较得到差值，经过误差放大器放大后的误差 电压，与特定的三角波比较，输出方波信号，此方波信号的占空比随着误差电压 变化，实现脉宽调制，得到的p w m 信号就可以作为控制功率晶体管的通断信号， 改变功率晶体管的通断时间，从而控制功率变换器的输出电流。 图2 4 闭环反馈控制系统原理图 f i g 2 - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fc l o s el o o pf e e d b a c kc o n t r o ls y s t e m 本系统采用了p v m 集成芯片s g 3 5 2 6 外加简单外围电路完成脉宽调制信号输 出的功能”。图2 4 所示是以s g 3 5 2 6 为核心的闭环反馈控制系统原理图。其中 给定电流信号居与反馈电流信号口进行比较，经放大器1 u 1 得到误差信号，并 送入s g 3 5 2 6 的1 脚，也就是s g 3 5 2 6 内部误差放大器的同相输入端，其反相输入 端由一个标准偏差输入，然后内部放大器输出端经3 脚连接电容l c 2 ，1 c 2 另一 端与2 脚相连，这样就连接成了一个比例积分调节器，通过调节电容1 c 2 和电阻 1 r 5 实现了p i 调节。调节器的输出用于控制p w m 比较器的比较电平，从而可以 调节逆变器的占空比，实现输出电流的控制。 另外，在此电路中设置了脉宽限制电路。在焊接过程中，如果电流太小，由 闭环调节系统决定的脉宽就极窄，易造成驱动电路失控，为此设计了最小脉宽限 制电路。s g 3 5 2 6 的3 脚，也就是p w m 比较器的输入端与电子开关1 u 2 相连，控 北京工业大学工学硕士学位论文 制端由反馈电流大小比较的输出控制，电流过小时，电子开关使$ g 3 5 2 6 的3 脚 与1 d 6 相连，调节电阻1 r 1 1 和i r l 2 的大小关系，就可以调节最小的脉冲宽度。 2 3 4 驱动电路 驱动电路主要是对驱动信号进行功率放大，并保证一定的脉冲前沿、后沿陡 度，使其看足够的能力使i g b t 饱和导通的，它是主电路与控制电路的接口。同 时，驱动电路还起到控制电路与主电路的电气隔离作用和故障信号的采集作用。 图2 - 5 驱动电路原理图 f i g 2 - 5s c h e m a t i co fd r i v ec i r c u i t 本文采用以富士公司的专用驱动集成电路芯片e x b 8 4 1 为核心外加简单外围 电路的i g b t 驱动电路，如图2 - 5 所示为其中一套驱动电路的原理图。由于逆变 器是全桥式的，用了四个i g b t ，因此需要四套驱动电路，其中两两一组，两组 驱动反相。e x b 8 4 1 模块可驱动3 0 0 a 1 2 0 0 v 的i g b t 。整个电路信号延迟时间不超 过l ，最高工作频率可达4 0 5 0 k h z ，它只需外部提供一个2 0 v 单电源，内部 自己产生一5 v 反偏压，模块采用高速光耦隔离，并有短路保护及慢速关断功能。 2 3 5 保护电路 保护电路是保证电源系统稳定、可靠、安全工作的关键。本系统有过压欠 压缺相、i g b t 过流及温度过热3 种的常见故障保护电路。 进线电压过高对开关电源造成的危害，主要表现i g b t 及其它器件因承受的 电压超出正常使用范围而损坏；供电缺相或电源网络故障导致电压过低，则会引 起控制电路和i g b t 工作不正常，因此对输入电压的上、下限要有所限制。电压 保护电路的电压值取自控制电路三相整流电路之后稳压电路之前，接线时需要注 意，要使输入的三相交流电同相端共地，这样三相交流电相位差依次相差1 2 0 。 第2 章p m i g 焊机硬件系统设计 才能较好地实现电压保护功能。 i g b t 过载能力较弱，即使时间很短也会产生极大的危害，因此需要尽快检 测出过流信号，在器件损坏之前使其可靠关断。过流信号来自于驱动板，当i g b t 过流时，其集射极电压会高于正常饱和导通时的集射极电压值，e x b 8 4 1 根据这 一原理检测i g b t 是否过流，因其自身具有过流检测及保护功能。如图2 - 5 所示， 在其过流检测e x b 8 4 1 驱动器件6 脚上接一超快恢复二极管，当i g b t 正常工作时， 该二级管处于正向导通状态，一旦i g b t 过流，则该二级管截止，于是，e x b 8 4 1 自动将驱动电压降低，以增加i g b t 过流能力，若在l o us 之内过流仍未消失， e x b 8 4 1 将关断i g b t ，同时在其5 脚输出低电平报警，通过在5 脚上接一高速光 耦，过流时，高速光耦导通，输出过流保护信号。一旦过流时间超过设定时间保 护电路动作，关闭$ g 3 5 2 6 的驱动脉冲输出，使逆变器停止工作。 功率器件工作在高频大电流工作状态，开关损耗不容忽视。随着设备工作时 间持续增加，接温将不断升高，虽然采取了有效的散热通风措施，仍无法完全避 免功率器件因超出其最高允许接温而损坏，因而系统中设置了温度过热保护电 路，它是通过装贴在散热片上的温度继电器产生过热信号，其作用是当散热片的 温度超过设定温度时，封锁驱动脉冲，使逆变器停止工作，防止散热片的温度进 一步升高。过热故障发生后，逆变器停止工作，但冷却风机仍然工作，使散热片 温度降低。散热片温度降低后，须关闭电源重新开机，才能将过热保护信号清除。 2 3 6 采样电路 电源控制部分采用基于电流、电压环的双闭环控制系统，所以需要获取电流 和电压两个信号，根据采样精度和采样时问要求，分别采用霍尔电流和霍尔电压 传感器进行采样。 闭环霍尔电流传感器有三个接线端子：正端：正电源输入端；负端：负电源 输入端；m 端：信号输出端。使用示意图如图2 6 所示。 霍尔电流传感器工作原理如下：被测电流血流过导体产生的磁场，由通过 霍尔元件输出信号控制的补偿电流扬流过次级线圈产生的磁场专b 偿，当原边与 副边的磁场达到平衡时，其补偿电流面即可精确反映原边电流面值。 霍尔电流传感器的使用比较简单方便，只需要外接正负直流电源，被测电流 母线从传感器中穿过，副边端子再做简单连接，即可完成主电路与控制电路的隔 离检测，该器件输出信号为电流形式，若需要取电压输出方式，只需在m 端与电 源地之间根据所取电压大小外接取样电阻( 手册中有推荐数值，一般为几十到几 百欧姆) 。 在本电源系统中，电源额定输出电流为5 0 0 a ，因此设计中选取型号c i i b - 5 0 0 匝i 匡 ；= = 一 图2 - 6 电流传感器示意图 f i g 2 - 6s c h e m a t i eo fc u r r e n ts e n s o r 霍尔电压传感器有五只接线端子。其中两只为原边端子：被测电压输入端+ 、 被测电压输入端一。另外三只为副边端子；正端+ ：电源+ 1 5 v ；负端一：电源一1 5 v ； m 端：信号输出端。其连接方法如图2 - 7 所示。 霍尔电压传感器工作原理如下：被测电压场流过r 1 的电流勘通过导体产 生的磁场，由霍尔元件输出信号控制的补偿电流励流过次级线圈产生的磁场补 偿，当原边与副边的磁场达到平衡时，其补偿电流砌即可精确反映原边电压值。 电压传感器的输出部分的设计与霍尔电流传感器相同，取额定输入电压等于 空载电压7 5 v ，根据上式计算可知，r i = 7 5 k q ，采样比例取1 0 ：1 ，即l v 的采 样电压对应实际电压为l o v ，由此可知，采样电阻尼r f 3 0 0q 。 图2 7 电压传感器示意图 f i g 2 - 7s c h e m a t i co fv o l t a g es e n s o r + 1 5 v 公共地 1 5 v 第2 章p m i c 焊机硬件系统设计 2 4 人机接口交互系统硬件设计 图2 - 8 人机接口外观图 f i g 2 - 8a p p e a r a n c eo fm a n m a c h i n ei n t e r f a c e 人机接口交互系统是单片机控制的逆变焊接电源的外在表现。人机接口交互 系统是人机最直接的操作界面，是操作者向c p u 输入信息、发出指令以及观察现 场参数和信息的窗口，因此，人机交互系统须具有友好性、灵活性、功能性、明 确性、可靠性等特点口灯。 - 人机接口交互系统主要是实现人机对话的功能，也就是焊接参数的输入以及 焊接过程电流电压的显示。如图2 8 所示，通过该界面可以调节脉冲电流峰值、 脉冲电流峰值时间、脉冲电流基值、平均电压给定值、脉冲电流上升速度等焊接 参数，也可以选择焊丝直径、焊接材料、保护气体、焊接模式、焊接拍数等。同 时可以将合适的参数进行数据存储和调用。 人机接口交互系统的功能与电源其它控制电路相对独立，因此本系统可作为 一个独立的部分，其总体框图如