（材料学专业论文）基于80c196kb单片机控制mmatig焊机的研制.pdf

i l t h er e s e a r c ho nm m a t i gw e l d i n gm a c h i n eb a s e do n8 0 c 1 9 6 k b m c u b y z h a n gs h i q i n b e ( h e i l o n g j i a n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n m a t e r i a l o g y i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rc h e nk e x u a n a p r i l ，2 0 1 1 7川5删3 58舢8川i-y - - 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：欷世 勤 日期：柳，年 彳月7 e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 苏馊荔 刷磁名：似 日期：刎年占月7 日 日期：7 , , 0 1 1 年6 月7 日 i - i - l 。 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论。1 1 1 课题研究的背景及来源1 1 2 国内外m m a 厂】g 焊机的发展现状。2 1 2 1 国内m m a t i g 焊机的研究现状2 1 3 本课题设计方案与目标3 第2 章基于8 0 c 1 9 6 k b 单片机控制m m a t l g 焊机主电路设计6 2 1 逆变电路拓扑结构选择。6 2 2 逆变频率的确定7 2 3 逆变器前输入电路的设计。7 2 3 1e m i 滤波电路8 2 3 2 浪涌电压抑制电路8 2 3 3 输入滤波电容的选择9 2 4 开关元器件选择。9 2 4 1i g b t 的特性1 1 2 4 2i g b t 的参数选择1 3 2 4 3 使用中的注意事项1 3 2 5 中频变压器的设计1 4 2 5 1 中频变压器的瞬态饱和。1 4 2 5 2 中频变压器瞬态饱和的防止措施1 5 2 5 3 中频变压器设计要点1 5 2 5 4 中频变压器参数选择。1 6 2 6 开关器件的尖峰电压与尖峰电流吸收电路设计1 7 2 7 输出整流电路设计1 8 2 7 输出滤波电感设计1 8 2 8 高频吸收回路的设计1 9 2 9 主电路结构1 9 2 1 0 本章小结。2 0 ， 一 基于8 0 c 1 9 6 k b 单片机控制m m a z r l g 焊机的研制 第3 章基于8 0 c 1 9 6 k b 单片机控制m m a t i g 焊机控制电路设计2 1 3 1 控制系统的工作原理2 1 3 2 控制系统的设计要求2 2 3 3 控制系统的硬件组成2 3 3 3 1 单片机最小系统2 4 3 3 2 数模转换电路2 6 3 3 3 脉宽调制电路2 7 3 3 4i g b t 驱动电路2 9 3 3 5 数据采集电路3 0 3 3 6 参数预置与显示电路3 1 3 3 7 保护电路3 3 3 3 8 高频引弧器的控制电路设计3 5 3 5 本章小结3 6 第4 章控制系统软件结构及程序设计3 7 4 1 主程序设计3 7 4 2 控制系统子程序的设计。3 8 4 2 1 脉冲t i g 焊控制子程序设计3 8 4 2 2 直流t i g 焊控制子程序设计3 9 4 2 3 手工电弧焊控制子程序设计4 0 4 2 4p i 控制及其子程序4 1 4 2 5 参数预置与显示子程序4 3 4 2 6 电流缓升与电流缓降子程序4 6 4 2 7 熄弧控制子程序。4 7 4 2 8 故障处理子程序4 8 4 3 本章小结4 9 第5 章系统抗干扰设计5 0 5 1 电磁干扰的来源与抑制电磁干扰的原则5 0 5 2 硬件抗干扰设计5 1 5 2 1 主机单元配置抗干扰。5 1 5 2 1 电源抗干扰的措施一5 1 5 2 2 加通道抗干扰措施5 2 5 2 3 空间抗干扰措施。5 4 5 2 4 变压器的屏蔽层接地5 5 一 硕士学位论文 5 2 5 印制电路板抗干扰的措施5 5 5 3 软件抗干扰设计5 7 5 3 1 监视定时器( w d t ) 。5 7 5 3 2 冗余指令5 7 5 3 3 数字滤波5 8 5 4 本章小结5 9 第6 章系统调试6 0 6 1 脱机调试6 0 6 1 1 系统调试6 0 6 1 2 驱动输出波形调试6 0 6 1 3 保护电路调试6 2 6 2 联机调试6 3 6 2 1 空载联机调试。6 3 6 2 2 负载联机调试6 3 6 2 3 焊接实验6 4 6 3 对系统进一步完善的建议6 5 6 4 本章小结6 5 j 吉论f ；6 参考文献6 7 致谢7 0 附录a 攻读学位期间发表的论文7 1 硕士学位论文 摘要 逆变焊接电源由于具有节能、节材，控制性能好，动态响应快，易于实时控 制等显著特点，目前已受到国内外焊接界的高度重视。现代电力电子技术的发展 和大功率逆变技术的不断成熟，促进了逆变焊接电源的更新换代。m m a 厂r i g 焊 机是一种集手工电弧焊、直流t i g 焊和脉冲t i g 焊为一体的多功能焊机，该型号 焊机已广泛地应用于汽车、机车车辆、化工、船舶等工业领域的焊接。本文是在 综合国内外关于m m a t i g 弧焊电源的研究现状和发展趋势的基础上，研究设计 基于8 0 c 1 9 6 k b 单片机的m m a 仍g 焊机，实验表明所设计的硬件完全满足w s m 焊机的要求，同时具有体积小、控制电路简单、成本低、使用可靠、控制精度高 等一系列优点。 本文首先介绍了m m a 御g 焊机的主电路结构及工作原理。主电路主要由整 流电路、逆变电路，中频变压器和整流输出电路四部分组成。逆变电路选用单端 正激式逆变拓扑结构，逆变频率选为2 5 k h z ，并以i g b t 作为主电路的开关功率 元件。 然后详细介绍了m m a 御g 焊机的控制电路。以8 0 c 1 9 6 k b 为核心的控制电 路包括：单片机最小系统、参数预置与显示电路、脉宽调制电路、数据采集电路、 驱动电路及保护电路。采用脉宽调制型控制方法，对采集到的电流信号进行负反 馈，通过p i 调节控制脉宽调制专用芯片s g 3 5 2 5 的输出，以达到控制焊机外特性 的目的。 其次介绍了控制系统的软件设计及程序结构。根据m m a 厂r i g 焊机在不同焊 接方法的时序要求，设计了控制系统的软件，重点介绍了主程序和中断服务程序。 在程序设计中采取几种常用的软件抗干扰措施，如监视定时器、冗余指令、数字 滤波，给出了程序流程图及部分关键程序。 最后，对焊机进行了脱机和联机调试，并给出了相关的波形图。试验结果表 明：所设计的m m a 门阻g 焊机能够实现脉冲t i g ，直流t i g 和手工焊的要求。 关键词：m m a t i g 焊机：8 0 c 1 9 6 k b ：弧焊电源 i 基于8 0 c 1 9 6 k b 单片机控制m m a t i g 焊机的研制 a b s t r a c t a tp r e s e n tt h ei n v e r t i n gw e l d i n gs o u r c eh a sr e c e i v e ds e r i o u sa t t e n t i o ni nw e l d i n g s e s s i o na th o m ea n da b r o a db e c a u s ei th a st h ee n e r g yc o n s e r v a t i o n ，m a t e r i a ls a v i n g , g o o dc o n t r o lp e r f o r m a n c e ，q u i c kd y n a m i cr e s p o n s e ，e a s yr e a l - t i m ec o n t r o la n d s oo n t h ed e v e l o p m e n to fm o d e r np o w e re l e c t r o n i c sa n dh i g h p o w e ri n v e r t e rt e c h n o l o g y c o n t i n u e st om a t u r e ，w h i c hp r o m o tt h er e n o v a t i o no ft h ei n v e r s i o nw e l d i n gs o u r c e t h e m m a t i gw e l d i n gm a c h i n ei sam u l t i p u r p o s ew e l d i n gm a c h i n ew h i c hi n c l u d e st h e m a n u a la r cw e l d i n g ，d ct i gw e l d i n ga n dp u l s et i gw e l d i n g , t h i sm o d e lw e l d i n g m a c h i n eh a sw i d e l ya p p l i e di ni n d u s t r i a lf i e l d ，a u t o m o b i l e ，r o l l i n gs t o c k , c h e m i c a l i n d u s t r y , s h i p sw e l d i n g sa n ds o o n b a s e do nt h er e s e a r c ha n dt h ed e v e l o p m e n t t e n d e n c yo fm m a t i gw e l d i n gp o w e rs o u r c e ，am m a t i gw e l d i n gm a c h i n eb y 8 0 c 1 9 6 k bm c uw a sr e s e a r c h e da n dd e s i g n e d e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h eh a r d w a r e c o m p l e t e l ys a t i s f yt h er e q u e s to ft h em m a t i gw e l d i n gm a c h i n e s ，s i m u l t a n e o u s l y i t h a sas e r i e so fm e r i t ss u c ha ss m a l lv o l u m e ，s i m p l ec o n t r o lc i r c u i t ，l o wc o s t ，r e l i a b l e u s ea n dh i g h e rc o n t r o lp r e c i s i o n f i r s t l y , t h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fm a i nc i r c u i tw i t hm m a t i gw e l d i n gw e r e i n t r o d u c e di n t h i sp a p e r t h em a i nc i r c u i ti n c l u d e sr e c t i f i e r , i n v e r t e r , h i g h f r e q u e n c y t r a n s f o r m e ra n dt h el a t e rr e c t i f i e r t h ei n v e r t i n gc i r c u i ti st h es i n g l e - e n df o r w a r d i n v e r t e rt o p o l o g y , t h ei n v e r t i n gf r e q u e n c yw a s2 5 k h za n dt h es w i t c h i n gp o w e ru n i t s a r ei g b t s e c o n d l y , t h ec o n t r o lc i r c u i to fm m a t i gw e l d e rw a si n t r o d u c e di nd e t a i l t h e c o n t r o lc i r c u i ti n c l u d e sm i n i m u ms y s t e mo fs i n g l ec h i p ，p a r a m e t e r sp r e s e ta n dd i s p l a y c i r c u i t ，p w mc i r c u i t ，d a t aa c q u i s i t i o nc i r c u i t ，d r i v ec i r c u i t ，p r o t e c tc i r c u i t a c q u i r e d c u r r e n ts i g n a lw e r ei n v e r s ef e e db a c k e dw i t hp w m ，t h e n ，o u t p u to ft h ec h i ps g 3 5 2 5 w e r ec o n t r o l l e dt h r o u g hp ir e g u l a t o na sar e s u l t ，t h ee x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i cw a s c o n t r o l l e d t h e n ，t h ed e s i g no fs o f t w a r ea n dt h ep r o g r a ms t r u c t u r ef o rc o n t r o ls y s t e mw e r e a n a l y z e d t h es o f t w a r ef o rc o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e da c c o r d i n gt o t h et i m i n g r e q u i r e m e n t s ，t h em a i np r o g r a ma n dt h ei n t e r r u p ts e r v i c ep r o g r a mw e r eh i g h l i g h t e d s e v e r a ls o f t w a r ea n t i i n t e r f e r e n c em e a s u r e sw e r et a k e n ，s u c ha sw d t , r e d u n d a n c y d i r e c t i v e ，d i g i t a lf i l t e r i n g t h ep r o g r a mf l o wc h a r ta n ds o m eo ft h ek e yp r o g r a mw e r e a l s os h o w e d h ， 硕士学位论文 f i n a l l y , t h eo f f i i n ea n do n l i n ed e b u g g i n gw e r ed o n ef o rt h i sp o w e rs o u r c e ，a n dt h e r e l e v a n to s c i l l o g r a p ht r a c e sw e r eg i v e n t h ee x p e d m e n ts h o w e dt h a tt h ew s m - t i g w e l d i n gm a c h i n ec a nr e a l i z ep u l s e ，丌gd i r e c tt i ga n dt h em a n u a lw e l d i n gr e q u e s t a f t e rt h ed e b u g g i n g , s p e c i m e n sw e r ew e l d e dt ot e s tt h i sp o w e rs o u r c e ，i ti sp r o v e dt h a t t h i sp o w e rs o u r c ei ss u i t a b l e k e yw o r d s ：m m a f h gw e l d e r ；8 0 c 1 9 6 k b ；w e l d i n gp o w e rs o u r c e i r 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及来源 钨极惰性气体保护焊( g t a w ) 是利用钨极( 非熔化极) 与熔池之间的电弧进 行焊接的一种电弧焊方法，该方法使用保护气体，但不施加任何压力。可使用填充 金属，也可不使用填充金属。该方法是2 0 世纪3 0 年代后期发明的，在国际上简称 为t i g 焊。在欧洲，该方法还称为w i g 焊i l j ( w i g 是钨极惰性气体保护焊的德文首 字母简写) 。在工业生产中，这种传统的弧焊方法早在上世纪4 0 年代已得到实际的 应用。t i g 焊被公认为一种优质的焊接方法，它几乎可以焊接所有的金属，但由于 其工艺方法本身及早期t i g 焊机技术特性的不够完善，应用范围受到了很大的限 制。近2 0 年来，为充分挖掘t i g 焊的潜在优势，有关单位进行了广泛深人的探索性 研究，特别是逆变技术、微电子控制器件、微处理机、数字信号处理器和计算机软 件技术在t i g 焊机中的成功应用，全面提升了t i g 焊方法和t i g 焊机的技术特性， 不仅大大提高了焊接参数的控制精度，扩展了t i g 焊机的工艺适应性，而且还赋予 了各种特殊的功能，使传统的直流t i g 焊工艺方法演变成诸如低频直流焊、高频直 流焊、工频交流方波焊和热丝焊等先进的焊接方法，从而使这种焊接方法成为各重 要制造工业部门焊接高质量、精密部件、不锈钢、铝及其合金等材料不可缺少的 现代加工手段【2 j l 引。手工焊条电弧焊m m a ( m a n u a lm e t a la r cw e l d i n g ) 是利用涂药 焊条和熔池之间的电弧进行焊接的一种熔化极电弧焊，又称涂药焊条熔化极电弧 焊，是目前应用最广泛的焊接方法之一【1j 【3 】。它具有非常大的灵活性，可焊接大多 数金属，适用于各种焊接位置，而且既可焊薄板也可焊厚板。另外，这中焊接设 备的投入相对较低。因此，广泛应用于制造业，建筑业和维修行业中。 7 0 年代末开发的逆变式弧焊电源以其体积小，质量轻，性能好，高效，节能 而受到世界的瞩目，目前已成为弧焊电源的发展主导趋势【4 】【5 】【6 】。现在许多i g b t 逆变手弧焊电源兼有t i g 焊的功能i l 引。如z x 7 一xx s t 型号的逆变整流弧焊电源 就兼有手弧焊和t i g 焊的功能。这样设计一方面考虑用户的需要，在一些场合要用 t i g 焊打底，手弧焊盖面，用一台这样的焊机就能解决问题。另一方面是因为手弧 焊工艺和t i g 焊工艺都要求恒流外特性，区别在于手弧焊电源需要的是恒流加外拖 的特性，t i g 焊仅需要恒流外特性即可。 本课题受公司委托，采用较为成熟的微机控制技术和逆变技术，研制一台兼 有手工焊，直流t i g 和直流脉冲t i g 焊的弧焊逆变电源。 基于8 0 c 1 9 6 k b 单片机控制m m a t i g 焊机的研制 1 2 国内外m m a t l g 焊机的发展现状 1 2 1 国内m m a t i g 焊机的研究现状 从国内的研究来看，逆变弧焊电源的研制主要集中在北京工业大学、山东大 学、哈尔滨工业大学、上海交通大学、华南理工大学、兰州理工大学等几所院校【1 1 j 。 华东船舶工业学院的赖忠明等人，长沙矿山研究院的廖国华等对w s m 焊机的电 路结构也作了一定的研究。目前，国内具有代表性的是山东奥太的w s m 系列焊 机【4 1 。 山东奥太采用a t m e g a l 6 单片机控制，研制了w s m ( 即m m a t i g ) 系列具 有脉冲输出功能的数字化焊接。主要有w s m 1 6 0 、2 0 0 、3 1 5 、4 0 0 等规格，其主 要特点是1 4 j ： 1 ) 主电路采用软开关逆变电路，输入采用c b b 滤波电容，可靠性高： 2 ) 采用单片机控制，触摸开关操作，显示直观； 3 ) 焊机具有焊条电弧焊接，直流脉冲t i g 焊接方式，两步，四步操作方式； 4 ) 焊接参数采用两个旋转编码器进行状态选择和参数调整，先用状态选择旋 钮旋转编码选定状态值，再用参数选择旋钮编码器设置参数值。 奥太w s m 4 0 0 焊机外观如图1 1 所示，另外，国内的系列厂家如，佳士，三 九焊机，北京时代，无锡时代等都推出了各自系列的w s m 焊机，但是没有具体 资料介绍。三九的w s m 4 0 0 焊机外观如图1 2 所示【1 0 l ，从焊机的面板看，各个参 数是通过电位器调节，对于脉冲t i g 焊来说，需要调节的参数较多，显得繁琐。 图1 1 奥太w s m 4 0 0 焊机外观图1 2 三九w s m 4 0 0 焊机外观 1 2 2 国外m m a t i g 焊机的研究现状 在最近的德国埃森国际焊接与切割博览会上，展出了各种规格和用途的弧焊 2 硕十学位论文 逆变器，其应用范围包括手工电弧焊、t i g 焊、m i g m a g 焊、c 0 2 焊等【副。容 量在1 3 0 一 6 3 0 a 之间，逆变频率为2 - - 2 0 k h z 。其中m m a 厂r i g 焊机以德国e w m 公司生产的i n t e g r a l 系列数字化焊接电源为代表，其操作面板如图1 3 所示， 数字处理系统处理所有焊接数据，控制整个焊接过程，焊机的整体外观如图1 4 所示，焊机具有如下特点【1 2 】： 1 ) m m t i g 全位置焊接； 2 ) 采用带专家参数的一元化操作系统，操作极其方便，自带2 5 6 个焊接程 ( j o b ) ，全数字化控制方式，完美的焊接效果； 3 ) t i g 直流焊可以选择高频引弧或接触引弧方式； 4 ) 2 5 6 个j o b 和1 6 个焊接操作点，可由焊枪直接控制，同时可直接支持自动 焊接或机器人应用； 5 ) 两步方式，四步方式，单击切换基值模式，t i g 脉冲焊以及t i g 直流特殊 模式； 6 ) t i g 焊接方式下可调参数：引弧电流，焊接电流，基值电流，和收弧电流， 预送气时间和滞后气时间，上升和下降时间，脉冲峰值和脉冲基值时间等； 7 ) m m a 焊接方式下可调参数：预熔电流和时间，电弧推力，防粘结功能； 8 ) 焊接电压，焊接电流和其它参数的数字显示； 9 ) 使用离心水泵的强力冷却水箱，具有流量检测功能，温度控制式风扇； 1 0 ) 可配接各种接口：线控器，u p d o w n 焊枪和r e t o x 焊枪，自动焊接口，焊 接参数记录接口板以及p c 串口。 w 翻m n gm a 栩l 糯；g 器捌 图1 3e w m 的t i g - 2 0 0 d c 的面板图 图1 4e w m 的t i g - 2 0 0 d c 的外观图 1 3 本课题设计方案与目标 本课题采用8 0 c 1 9 6 k b 单片机控制，低频脉冲调制的方法获得电流输出，单 3 基于8 0 c 1 9 6 k b 单片机控制m m a t i g 焊机的研制 片机给出控制信号，经驱动放大之后，为功率开关管提供固定频率为2 5 k h z 的中 频脉冲开关信号。 选择脉冲t i g 焊时，在峰值电流期间，采样峰值电流，经d 转换后送入单 片机与给定的峰值电流进行比较，单片机根据两者之间的偏差进行离散p i 运算， 得到一个控制参量，利用该控制参量实时调整脉冲的宽度，使输出峰值电流与给 定峰值电流相等；在基值电流期间，采用同样的方法，使输出基值电流与给定基 值电流相等。峰值电流和基值电流之间的切换通过单片机内部定时器来完成。 选择直流t i g 焊时，恒流输出特性的获得采用p i 控制实现，即电流给定值由 面板上的编码器旋钮给定，在焊接过程中采样电流值，经d 转换后送入单片机 与给定值进行比较，单片机根据两者之间的偏差进行离散p i 运算，得到一个控制 参量，利用控制参量实时调整2 5 k h z 高频控制脉冲的宽度，使输出值与给定值相 等，得到恒流电源输出特性。 选择手工电弧焊时，手工电弧焊要求电源输出恒流加外拖特性。其恒流特性 控制与直流t i g 焊控制方式相同，但是还需进行电压实时检测，当电压小于一定 值时( 一般为1 0 v ) ，通过检测到的电流和电压进行p i 调节，得到一个控制参量， 利用此时的控制参量实时调整单片机脉冲输出的宽度，从而得到恒流带外拖的外 特性。 本课题完成以下几点设计任务( 目标) ： 1 ) 设计以功率开关管i g b t 和中频变压器为核心的逆变式m m a t i g 焊机的 主电路系统，绘制出电路图； 2 ) 设计以单片机8 0 c 1 9 6 k b 为核心的控制电路系统，绘制出电路原理图与 p c b ，加工出印刷电路板，并安装调试； 3 ) 在主电路和控制电路中设计多种保护措施，以保证i g b t 的安全工作： 4 ) 设计多种抗干扰措施，保证控制系统能够在复杂的干扰环境中正常工作； 5 ) 绘制该焊机的控制系统软件流程图，编写汇编语言代码程序实现脉冲t i g 、 直流t i g 和手工电弧焊，并使焊机具有二步、四步焊接控制方式； 6 ) 对所设计的焊机进行脱机与联机、空载与负载调试，测试各种静特性、动 特性以及调节特性。 按照合同要求，焊机基本参数如下： 手工焊电源基本参数： 输入额定电压： 2 2 0 _ _ 1 0 5 0 h z 空载电压： 7 0 v 负载持续率： 6 0 额定焊接电流： 1 6 0 a 逆变频率： 2 5k h z 4 - 硕十学位论文 t i g 焊电源基本参数： 输入额定电压： 空载电压： 输出脉冲频率： 占空比： 负载持续率： 额定焊接电流t 逆变频率： 2 2 0 + _ 1 0 5 0 h z 1 0 0 v o 5 2 5 h z 1 0 9 0 8 0 2 0 0 a 2 5k h z 5 基于8 0 c 1 9 6 k b 单片机控制m m a t i g 焊机的研制 第2 章基于8 0 c 19 6 k b 单片机控制m m a t ig 焊机主电路 设计 焊机主电路的功能是完成能量的传输和功率转换，通过控制主电路中开关管 的开通与关断，实现电流波形转换，获得所需要的焊接电流、电压波形，以满足 各种焊接工艺的需要。所以，主电路是否合理，设计是否可靠关系着整个焊机的 质量，关系着能否完成所要求的能量传输和电流电压的波形转换。 2 1 逆变电路拓扑结构选择 逆变焊机发展到今天，基本功率转换主回路的电路拓扑有推挽型、全桥、半 桥以及单端式等，如表2 1 所示【”】 1 6 1 。 表2 1 逆变电路的比较 由上表可以看出，要获得中小容量的输出，宜选用半桥式或者单端式拓扑结 构，但是半桥式逆变电路容易产生直通现象，一旦发生直通，则输入电源通过上 下开关管短路，而不经过中频变压器一次绕组，导致开关管损坏逆变失败，这给 电路设计与调试带来了困难。所以本系统采用了单端式逆变结构，在单端式结构 中，虽然单端反激式逆变电路简单，所用元器件数量少，但是反激式逆变电路多 用于小功率和多路输出的场合。因而根据本焊接设计的具体情况与经济性，本系 6 硕十学位论文 统采用单端正激式的逆变结构，在单端正激式的逆变结构中，由于中频变压器磁 芯仅工作在磁滞回线的一侧( 第一象限) ，它不会发生像推挽，全桥式电路那样的 单向偏磁。但单端正激式的中频变压器工作也必须满足磁通“复位”条件，若在 工作结束时，磁通没有回到开始时的出发点，那么，中频变压器磁芯内的磁通将 随周期的重复而逐次增加，导致磁芯的饱和。从而使开关管损坏，逆变失败，因 此为了使逆变电路可靠地工作，需在主电路中设计去磁电路，这样不仅使得主电 路结构复杂，而且增加焊机成本。为了解决以上问题，本系统采用了双管箝位单 端正激的逆变式拓扑结构，它不但可以解决变压器磁饱和的问题，而且使得i g b t 的耐压值为单管的一半，从而在器件选择上可有更大的选择空间i l5 1 。 2 2 逆变频率的确定 选择逆变频率时应考虑： 1 ) 能有效地减少焊接变压器的体积和重量； 2 ) 所采用的开关元器件的频率特性； 3 ) 使焊机的效率尽可能高； 4 ) 对焊接性能的影响； 5 ) 经济性。 。 按照正弦波分析，变压器有以下的基本公式【”1 ： v = 4 4 4 归m ( 2 1 ) 船。二 即 4 4 声 式中，s 为铁心截面积；b 为磁感应强度的最大值。显然，当b 一定时，提 高逆变频率不仅可降低变压器的体积和重量，而且使控制精度提高。因此，通常 认为最佳逆变频率是在考虑到电路固有频率( 电路的l 、r 、c 决定电流衰减 速度) 的基础上，应选用功率开关器件所能接受的最高频率【2 4 】( 常以次级整流管 的开关特性为参考基准) 。但是经过实际调试发现，随着逆变工作频率提高，管子 的功耗也增大，相应的散热器体积总量增大，不利于电源整机体积的缩小，而且 还会导致变压器漏抗恶化，从而影响电源的正常工作。综合以上因数，结合参考 国内外的研究水平和使用情况，本研究中的电源逆变工作频率选为2 5 k h z 。 2 3 逆变器前输入电路的设计 逆变器前输入电路主要有：e m i 滤波电路、浪涌抑制电路、整流电路和输入 滤波电容。其电路图如图2 1 所示。 7 基丁8 0 c 1 9 6 k b 单片机控制m m a t i g 焊机的研制 2 3 1e m i 滤波电路 图2 1 输入整流滤波电路 电磁干扰( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) 是指自然干扰源或人为干扰源对有用 电磁信号的损害【”j 。随着电力电子技术和微电子技术在电子设备中的应用，电磁 干扰和抑制越来越受到人们的重视。在电子产品设计过程中，如何实现抑制来自 外界的电磁干扰和控制设备间的相互干扰，已成为电子产品设计的关键技术之一。 为此，为了提高焊接设备的抗干扰能力及系统的可靠性，抑制电网噪声对焊 机的干扰，在主电路中设计了相应的抗电磁干扰电路，也叫电磁干扰滤波器。电 路中主要包括共模扼流圈( 亦称共模电感) l 、滤波电容，如图2 1 所示。这个电 感流过的是相对较大的电流，当出现共模干扰时，由于两个线圈的磁通方向相同， 经过耦合后总电感量迅速增大，因此对共模信号呈现很大的感抗，使之不易通过， 故称作共模扼流圈，可防止高频开关噪声进入输入电源端，但是对串模干扰不起 作用1 2 0 1 。需要指出的是共模扼流圈的两个线圈分别绕在低损耗、高导磁率的铁氧 体磁坏上，当有电流通过时，两个线圈上的磁场就会互相加强。它的电感量与e m i 流过的额定电流i 有关，当额定电流较大时，共模扼流圈的线径也要相应增大， 以便能承受较大的电流。此外，适当增加电感量，可改善低频衰减特性。滤波电 容采用薄膜电容器，容量范围大致是o 0 1 u f , - - - 0 4 7 比f , 主要用来滤除串模干扰。为 减小漏电流，电容量不得超过0 1 f ，并且电容器中点应与大地接通。滤波电容的 耐压值为2 8 0 v a c 。还有e m i 滤波电路要尽可能靠近电源的供电线输入端。在本 设计中，e m i 滤波电路的主要作用是滤除开关噪声和由交流电源输入线引起的谐 波。 2 3 2 浪涌电压抑制电路 浪涌电压抑制基本上可以分为两大类。一类为箝位保护器，即保护器件在击 穿后，其两端电压维持在击穿电压上不再上升，以箝位的方式起到保护作用。常 用的箝位保护器是氧化锌压敏电阻m o v ，瞬态电压抑制器( t v s ) 等。另一种方 式是采用硬件软启动技术。在本文中，选择的是软启动技术，即上电时，在输入 回路中串入限流电阻r 将合闸浪涌电流限制在设定范围内，待输入电容充满电后， 继电器吸合，将该电阻短接，主电路启动。这样可以有效地抑制上电时浪涌电压 8 硕十学位论文 的冲击。但是限流电阻的选择要适当，过大，主回路电压降损失大；过小，起不 到限流作用【13 1 。 本焊机设计用的是a c2 2 0 v ，对于交流整流后所得的平均电压为3 1 1 v ，故输 入电流平均有效值为： i i = p d e = 5 k v a 31 1v = 18 a ( 2 2 ) 要求合闸浪涌电流i p = i i ，故有： r ，u i x 4 2 u i x 4 2 ，2 2 0 x x 2 。1 7 3 印 1 8 ( 2 3 ) 设计中选r 为2 0q 1 0 w 大功率电阻( 图2 1 中r 7 ) 。 上电后，延时一段时间( 即滤波电容c 1 ，c 2 ，c 1 ，c 2 上充满电后，其时间 常数为t = r c = 2 0q 5 6 0uf = 1 2 m s ) 继电器k 1 吸合，把r 短接。 2 3 3 输入滤波电容的选择 滤波电容接在整流器与逆变电路之间。它除了能将整流器输出的脉动直流滤 波成为平滑直流外，还可抑制高频干扰。滤波电容最好采用等效串联电阻低且电 容量大的电解电容。 工频整流滤波后的直流电压u d 为3 1 1 v ，所设计的焊机额定功率5 k v a ，效率 8 5 ，则要求整流器的输出功率： p d = 5 0 8 5 = 5 8 8k v a ( 2 4 ) 所以整流器的输出电流： i d = p d u d = 5 8 8 1 0 3 1 1 = 1 8 a ( 2 5 ) 若为单相整流，一般要求滤波电路的时间常数 f = 尺d c 矗芑( 3 5 ) 吾 ( 2 6 ) c d c a 苫三鱼：堕旦；堕旦：1 7 。2 8 l o 一， 苫一= 一墨一= 1 ，z 芍王u 。， 即 1 0 0 r d1 0 0u d1 0 03 1 1 由于工频整流电路为不控整流，故滤波电容c 1 ，c 2 ，c 3 ，c 4 为c d 值的1 3 1 4 。整流滤波电路的最大输出电压( 考虑1 0 的网压波动) 为： v m a x = 3 1 1 x ( 1 + 1 0 ) = 3 4 2 v ( 2 7 ) 故根据设计参数选用的是5 6 0l af 4 0 0 v 的电解电容。 2 4 开关元器件选择 功率开关元件是逆变器中的一个关键器件。当前，功率开关元件正朝着高压 9 基于8 0 c 1 9 6 k b 单片机控制m m a j t i g 焊机的研制 r o l l 大容量化、集成化、全控化、高频化及多功能化方向发展。从可控性来分，大致 分为半控型和全控型器件。半控型器件，如普通晶闸管( s c r ) 、逆导晶闸管( r c t ) 、 非对称晶闸管( a s c r ) 和双向晶闸管( t r i a c ) ，半控型器件存在着开关速度较 慢的缺点。全控型器件，如可关断晶闸管( g t o ) 、电力晶体管( g t r ) 、功率场 效应管( m o s f e t ) 、绝缘栅双极性晶体管( i g b t ) 等，如表2 2 所示。全控型器 件的开通和关断是由栅极控制，具有导通电阻小、正向压降低、开关速度快、开 关损耗低、d i d t 及d v d t 耐量大的优点，全控型器件是今后电力半导体发展的方向 【2 2 l o 在焊接逆变电源中，对功率半导体器件( 尤其是开关管) 有如下基本要求： 1 ) 耐电压值高； 2 ) 开关速度快，开关损耗低； 3 ) 动态特性d i d t 及d v d t 耐量要高； 4 ) 耐冲击电流大，可靠工作范围大； 5 ) 热稳定