（材料加工工程专业论文）基于单片机控制的水下脉动送丝焊接电源的研究.pdf

华南理上人学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hh u m a ne x p l o i t i n ga n du t i l i z i n go c e a nr e s o u r c e ，l o t so fo c e a np r o j e c t sb r i n g f o r w a r dn e wr e q u i r e m e n tt ou n d e r w a t e rw e l d i n gt e c h n o l o g y t h e s er e q u i r e m e n tm a k e s u n d e r w a t e rw e l d i n gt e c h n o l o g ye n t e ran e wd e v e l o p i n gp e r i o da n dt t l e r ea p p e a r st w o m a i nd e v e l o p i n gc h a r a c t e r i s t i c s ：f i r s t ， l a r g en u m b e r so fs i m p l ea n de c o n o m i c a l u n d e r w a t e rw e l d i n gt e c h n o l o g ya f ed e v e l o p e db e c a u s eo f s o c i a la n de c o n o m i c r e q u i r e m e n t ，f o re x a m p l e ，t h ew e tu n d e r w a t e rw e l d i n gt e c h n o l o g yi sa p p l i e di nm o r e b r o a ds i t u a t i o n ；s e c o n d ，w i mt h ed e v e l o p m e n to fa d v a n c e ds d e n c ea n dt e c h n o l o g y ， e s p e c i a l l ys e n s o ft e c h n o l o g ya n da r t i f i c i a li n t e l l i g e n c et e c h n o l o g y ，t h eu n d e r w a t e r w e l d i n gt e c h n o l o g yt u m st or e s e a r c hl o wc o s t ，s i m p l ea n dh i g hq u a l i t yw e t u n d e r w a t e r w e l d i n gt e c h n o l o g y ，a n d m a n u f a c t u r e h i g h e f f l c i e n c y ， h i g hi n t e u i g e n c e a n d a u t o m a t i z a t i o nu n d e r w a t e tw e l d i n ge q u i p m e n t i nr e c e n ty e a r s ，i ti so n eo fi m p o r t a n td e v e l o p i gd i r e c t i o no fw e l d i n gt e c h n o l o g y f o rr e s e a r c h i n ga n dm a n u f a c t u r i n gn e ww e l d i n gm a c h i n ew i t hm i c r o c o m p u t e rc o n t r o l t c c h n o l o g ya n di n v e r t e rw e l d i n gp o w e r a c c o r d i n gt 0t h ed e v e l o p i n gr e q u i r e m e n ta n d c h a r a c t e r i s t i co fu n d e r w a t e rw e l d i n gt e c h n o l o g y ，i no f d e ft of u l f i l l i n gt h ea i mo f a c h i e v i n gh i g hq u a l i t y u n d e r ) l r a t e r w e l d i n gs e 锄 a n dw e l lu n d e r w a t e rw e l d i n g p r o c e s s ，t h i sa r t i d eh a sr e s e a r c h e da n dm a n u f a c t u r e dan e w m u l t i f u n c t i o nu n d e r w a t e r w e l d i n gp o w e rs y s t e m ，i n d u d i n gc o n s t a n tc h a r a c t e “s t i cw e i d i n ga n dp u l s ew e i d i n g ， b a s e d0 nm i c r o c o m p u t e rc o n t m lt e c h n o l o g ya n di n v e r t e rw e l d i n gp o w e r ，s 0s o m e r e s e a r c h e sa r el i s t e db e l o w ： 1 、au n d e r w a t e rw e l d i n gp o w e rh a s b e e nm a n u f a c t u r e dw i t h8 0 c 1 9 6 k c m i c r o c o m d u t e fa n di n v e r t e rm a i nc i r c u i t ，i ti n c l u d e st w of u n c t i o n s ，w h i c ha r ep u l s e w e l d i n ga n dc o n s t a n tc h a r a c t e f i s t i cw e l d i n g ，t h et w of u n c t i o n sc o u l db es e l e c t e dt ou s e n e x i b l y a st op u l s ew e l d i n g ，t h ew o r l d n gt i m eo fp e a k v a l u ev o l t a g ea n db a s a lv a l u e v o l t a g eo fw e l d i n gp u l s ec o u l d b ea d j u s t e da c c o r d i n gt ot h ef a c t u a lr e q u e s t 2 ) ap u l s e dw i r ed e l i v e r i n gs y s t e mi sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e dw i 恤s t e p p i n g m o t o r ，w h i c hh a s “r u n s t o p r u n n i n gc h a r a c t e r i s t i c t h es t e p p i n gm o t o ro ft h ep u l s e d w i f ed e l i v e r i n gs y s t e m n n e c t st h ei d l e rw h e e lo fw i r ed e l i v e r i n gd i r e c t l y ，s ot h e s p e e d d o w nm a c h i n ei ng e n e r a lw i r ed e l i v e r i n gs y s t e m i sc a n c e l e da i l dt h i sp u l s e dw i r e d e l i v e r i n gs y s t e mi sm o r es i m p l ea n dm o r ee a s yt om a i n t a i n m e a n w h i l e ，t h es t e p p i n g m o t o rc o n t r o lc i r c u i ti s f o r m e db y p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e )c h i p a n d s t e p p i n gm o t o rd r i v e rt o g e t h e r i tc o u l df i n i s ha l lk i n d so fr u n n i n gr e q u i r e m e n to f p u l s e dw i r ed e l i v e r i n g h 摘要 3 ) t h i sa r t i c l eb u i l d saw e l d i n gm e a n st h a tp u l s ew e l d i n gc o m b i n e sw i t hp u l s e d w i r ed e l i v e r i n g ，a n dm a k e su s eo ft h i sw e l d i n gm e a st ow e l dn u x c o r e dw i r ei na i r a n di nu n d e r w a t er t h ew e l d i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h i sw e l d i n gm e a n sc a nc o n t r o it h e f r e q u e n c yo fs h o r t c i r c u i t i n gt r a n s f e r ，a n do b t a i nap r o c e s so fl i t t l es p a t t e ra n dw e l l q u a l i t yw e l d i n gs e a m i no r d e rt 0d e s i g n i n gt h es p e c i a lu n d e r w a t e rw e l d i n gp o w e r ，t h i sa r t i c l ei sa g r o p i n gr e s e a r c ha n da c q u i r e ss o m ev a l u a b l er e s u l t s ，i nt h eo t h e rs i d e ，i ti saa c t i v ea n d u s e f u l a t t e m p tf o ri m p r o v i n gu n d e r w a t e r w e l dq u a l i t yt h r o u g hr e s e a r c h i n ga n d m a n u f a c t u r i n gw e l de q u i p m e t k e yw o r d s ： u n d e r w a t e rw e l d i n g ； p u l s ew e l d i n g ； p u l s e dw i r ed e l i v e r i n g ； n u x c o r e dw i r e 华南理工大学 学位论文原创性声明 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：量秀碾日期：哆年石月f ，日 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， 同意学校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。本人授权华南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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 奉学位论文属于 小保密口。 ( 请在以上千目应方框内打“”) 作者签名：熏秀琉 铷签名：w i 吃 日期：善一r 年6 月卢日 同期：b 序6 月f 日 华南理上大学硕士学位论文 们要求弧焊电源不仅具有良好的动特性，灵活的外特性，而且需具备一定程度的 自动化、智能化，以满足焊接工艺自动化、柔性化、智能化的发展趋势。单片机 由于具有高速、高精度、控制实时性强及性能价格比高等优点，成为传统工业技 术改造和新产品更新换代的理想选择。在焊接电源领域，对单片机控制弧焊电源 的研究在不断地深入，国内外均出现了许多以单片机作为控制系统核心的弧焊电 源。 1 2 1 单片机控制弧焊电源的结构 单片机控制的弧焊电源主要由单片机控制系统、电压反馈采集电路、电流反 馈采集电路以及逆变主电路组成，见图卜1 。其中单片机控制系统又由单片机、键 盘输入、显示电路、外接r a m 、外接r o m 、数模转换器、模数转换器及时钟复位电 路等构成。 3 8 0 v 图1 1 单片机控制的弧焊电源结构图 f i g 1 一lc o n 栅c t u r e o fm i c 唧t e r c o n 州觚w c l d i n g p o w e r 单片枫控制的弧焊电源以单片机为控制系统的核心，把采集的焊接电流、电 压反馈通过模数转换反馈数据，然后执行控制算法等程序对反馈数据进行处理， 得出数字控制量，数字控制量经数模转换得到模拟控制量，模拟控制量通过控制 p w m 电路去控制i g b t 功率开关管，从而实现所要求的电压电流输出特性，实现实 时控制。 1 2 2 单片机控制弧焊电源的基本特点 在弧焊电源中，控制部分对整机性能的优劣影响重大。一般以集成运放为核 心组成的电源控制系统很难实现像波形控制这样控制要求很高的情况，而单片机 控制的弧焊电源由于具有记忆功能强、控制灵活、操作性强等优点，能够实现如 下的功能： 1 ) 外特性摔制。通过采取不同的反馈信号，采用相应的控制算法，可以获得 2 第一章绪论 恒流、恒压、斜率不同等任意要求的外特性，从而满足不同的电弧要求。 2 ) 动特性控制。借助于运放p i 调节器组成的电子电抗器对焊接过程的短路 过渡电流上升率( d i d t ) 进行控制，从而得到d j d t 的一个优化范围，使熔滴有 节奏地过渡，减少飞溅，改变焊接电源的动态响应性能。 3 ) 预置主要参数。根据不同的焊丝直径、保护气体成分进行预置主要参数， 再现记忆；监控各组焊接参数，根据不同要求更换参数。 4 ) 实现“单旋钮”调节功能。即根据工件厚度不同，同时按所需的电弧电压、 电弧电流( 送丝速度) ，甚至电感量一元化调节，不必逐个调节这些焊接参数。 5 ) 对焊接电流波形的控制。通过软件设计，可以获得各种各样适合焊接的脉 冲电流波形、脉冲频率、脉冲电流、基值电流、脉冲宽度、占空比以及脉冲前后 沿斜率的任意控制，以便使电弧功率实现精确控制。 6 ) 对焊接工艺程序和焊接故障的控制。如先通气后通电，电流的递增和衰减， 以及在焊接工程中可能产生的粘丝、灭弧、过电流、过电压等故障进行诊断和报 警。 单片机控制弧焊弧焊电源的研究重点一方面集中在设计制造简单、通用性强、 抗干扰能力强、可靠性高的硬件系统；另一方面努力寻求满足弧焊逆变电源性能 要求的控制算法，实现各种静、动特性的控制，并同时使系统具有良好的动态品 质。 1 2 3 单片机控制弧焊电源的控制种类 先进的逆变电源配上单片机控制，不仅能很好地实现传统焊机的恒压、恒流、 恒流外拖、双阶梯等外特性，而且还能够实现实时性很强、控制精度要求很高的 电压电流波形控制。目前，单片机控制的弧焊电源常用于如下几个方面： 12 3 1 双阶梯外特性控制 在稳定状态下，电源输出电压u 和 输出的电流i 之间的关系曲线称为电源 的外特性。双阶梯外特性由恒雎外特性 u i 、恒流外特性i l 、恒压外特性u 2 、。| _ 口_ 流外特性tz 组成。如图卜2 所示。 实现烈阶梯外特性的关键存于如何 把这9 q 段外特性联接起来，使之能够根 据焊接的不l _ j 阶段实现外特性之间的快 速自动切换，并使各段特性之间过渡连 续不发生振荡，没有死区。 幽1 2 烈阶梯外特性 f i g i 一2d u a 卜s t e pe x t e 巾a ic h a r a c t e r i s t i c s 华南理t 大学硕士学能论文 1 2 3 2 表面张力过渡控制 表面张力过渡的基本思想由前苏联乌拉尔大学宾丘克在2 0 世纪8 0 年代提出。 美国林肯公司在1 9 9 3 年率先推出应用该理论的弧焊电源，这种技术称为s t t ( t h e s u r f a c et e n s i o nt r a n s f e r ) 。如图卜3 ，它的基本原理是将短路过渡过程细分为 基值电流段( t o t 1 ) ，液桥形成段( t 1 t 2 ) 、颈缩段( t 2 t 3 ) 、能量减少段( t 3 t 4 ) 、熔滴断落段( t 4 t 5 ) 、再燃弧段( t 5 t 6 ) 、燃弧后期段( t 6 t 7 ) 等几个 阶段进行控制。控制过程为：在熔滴颈缩形成小桥的前后时间段，将电流迅速减 小( 以微秒计) ，使熔滴靠自身的表面张力从焊丝向熔池过渡，而小桥段内以大电 流快速使小桥颈缩，以实现无飞溅。s t t 技术的另一个重要而全新的特点是焊接电 流与送丝速度无关，因而可以在大幅度减少飞溅和烟尘的同时更好地控制热量的 输入，得到合适的熔深和完整的背面成形。 i 心- - _ _ _ _ - _ 一 一 t 弋 。 图1 3s t t 法电流电压波形图 f i g 1 3c u r r e n ta n dv o l t a g ew a v e f o r mo fs t t 1 2 3 3 能量控制 能量控制法的出发点是以熔滴能量 为对象，通过控制调节熔滴的能量来达 到减小飞溅的目的。在熔滴刚短路的一 小段时间内将电流调到某值，使焊丝可 靠捅入熔池，接着发出高能脉冲电流， 彤成颈缩分离，再用较高电流维持段 时间以增加重燃电弧的能量，之后电流 i u j 到筚值，完成一次熔滴过渡的能量榨 制，能量控制波形如图1 4 。 4 t i j 图1 4 能量控制波形图 t f i g 1 - 4 w 新e f o r m o f p o w c r c o n 订o i 第一章绪论 1 23 4 并联式电流波形控制 并联式电流波形控制法是短路期间在原有的电源输出波形的任意一点上叠加 负脉冲，实现电流波形的实时控制，以改善熔滴过渡状况。 一般来说，负脉冲叠加在熔滴短路过渡之前的某一时刻。因为短路过渡时产 生电爆炸的能量不仅来自短路期间的电阻热，短路前熔滴中所积累的过剩能量也 是导致电爆炸的重要原因，所以在熔滴过渡之前的某一时刻，应将焊接电流降低 到仅能维持电弧燃烧的最低程度直到熔滴发生短路。由于这段时间的电弧功率大 大降低，熔滴会释放掉大量积蓄的能量，因此，不会出现电爆炸现象，熔滴过渡 平稳，同时短路过渡前所旋加的负脉冲也减少了电弧力，可促使熔滴下垂，促进 熔滴过渡，使熔滴成为受控过渡。 随着计算机技术和控制技术的发展，单片机控制的弧焊电源能够灵活地根据 不同条件不同场合下的焊接工艺要求而采用相应的控制。 1 2 4 单片机控制弧焊电源的控制算法 在单片机控制的弧焊电源中，达到所要求的外特性控制基本上由执行软件实 现，针对不同的控制要求使用合适的控制算法非常重要。目前，在弧焊电源采用 的控制算法有以下几种： 1 2 4 1 比例一积分算法( 简称p l 控制) 比例一积分算法用公式表示如下： n u n = uo + k p e + k i 罗e k 一 式中，un 一一第n 次控制循环算出的新控制值 e n 一一第n 次控制循环的比例控制 2 e k 一一到k = n 为止的积分控制偏差 u o 一一补偿值，它是偏差为零时的控制值 k p 、k i 一一分别为比例系数和积分系数 此算法容易实现静特性控制，但动态品质较差。 1 2 4 2 分离式比例一积分算法 分离式比例一积分算法用公式表示如下： u t c n ，= u ，。冀盈。， 兰三烹； 第一章绪论 1 3 本课题研究背景、意义和主要研究内容 1 3 1 研究背景 伴随着人类对海洋资源的开发利用，大量的海洋工程施工对水下焊接技术提 出了新的要求，使得水下焊接技术在先进科学技术的推动下进入了新的发展时期， 并呈现出两个主要特点：第一是基于社会经济发展的需求，大量简单、经济的水 下焊接技术得到发展，主要表现在湿法水下焊接技术的扩大使用；第二是基于先 进科学技术特别是多信息融合技术、传感技术和人工智能技术的发展，开发低成 本、简单、高质量的水下焊接技术，研制高效率、智能化、自动化的水下焊接设 备。 本人所在的华南理工大学水下焊接实验室，多年来一直致力于水下焊接技术 的研究。在水下电弧物理现象、水下焊缝跟踪、引入微型排水罩变湿法焊接为局 部干法焊接、使用药芯焊丝进行水下自动焊、水下电弧控制系统等等方面都进行 了深入而有效的探讨。 刘桑博士对水下电弧理论作了较深入的研究，其论文药芯焊丝水下焊接电 弧信息的研究认为，礁珀；? ! 魏嘎曦渤肾适嘎塌灌堤澎胤啊沛况夕j 璀制庵衙删 螨磅 j ：与鹿强硐唏：爿刚哦戮掣引掣占毹譬鸶副磐型鬣i 摧缁涮训。蓓暑静 隹囊蓿等馕稚j 角时间酾苌；毯嚣鞋醒黧竖靼鲤”，“隧摊骘蒯群j 碡灞玎琏； 羟殴錾锄嚣魏嚣j 礴滔两澎；型殍曼电路的核心是8 2 7 9 键盘、显示控制芯片。8 2 7 9 通过键盘 扫描，来确定哪个键被按下；通过显示r a m 分时扫描，来控制八 x 华南理丁大学硕士学位论文 丝返烧逐渐形成熔滴；在送丝阶段，电源施加低电压，熔滴在低电压和送丝动量 作用下向熔滴过渡，从而实现了。个电压脉冲一个熔滴过渡的控制。 论文获得国家自然科学基金( 编号5 0 1 7 5 0 2 7 ) ，广东省自然科学基金( 编号 0 l3 0 0 2 ) ，广东省科技合作计划( 编号2 0 0 1 1 6 5 4 ) 的共同资助。 b 第? n 葛萝 i ，薹囊萋甏薹耋二霎。薹茎萋蠹萎羹珀羹蒌 | l 蚕。 錾薹錾薹 霪督囊蓁雾囊薹霾羲薹萋耋窆黧薹! 鍪蠢鋈萋萋意踅鬻谭接蠹型鞘瓢翻剖嚣 爱懿嚣蘸藏；琵嚣登瑟早厄供拦刭印丕上堡磐猩臻巴弼明总体霸昔崭剞曼稍茜 馥蓬颔嘻娄鲫贬蔓彰矧t 瓣藩替稳鳓轻强剧曼鲢墅动墨；孵弹驰独，雎弼蝌勰 够州蹬彰幕猢群鹫剜i 甄拍鞘姓韩矗k 班瓢驰醒鞍酿攀影篓掣莹! 孚剖基引堂括 魁由赢剥判当盂鬯豆繁拄晕制瓤卧二型茔_ 剥刑氛苑m 复菲界甬靖酮两；飘矧耐沛 f ；斡主j 狷醚鲥掣拍醐骘丑舔髂；掣熹丽瑞翼。躯鞫蟾；鬟出动垂晌醣兽痨辑 强i 新南路用于将脉裔循翻甜最豁硝崩豁辅群；辩挂瑶一静籍各# 华筑裂嚣翟娃 毫翁掣；翌由甜翼秽绎牲臻塌。甭芏占该辅搽；箱占菇萝简酾甬气隔磷再瑚毒嚣 醋萨# 戮酗j 削e 倒副隧溪啧浑癞档篓烂缓。俗塘莲酉慕醢盟船纠经蛐捎蚓始螈 薹蟹剖默制烈翟； 型爱型竺烈蟛矧剽臻型琅唪摹嘛稻轻娟繇潲；下讯辚i 蟛蒜裂必影彰髫匿三 两豁著 引划! 洲器。礁珀；? ! 魏嘎曦渤肾适嘎塌灌堤澎胤啊沛况! i ! 璀制庵衙删 螨磅i i l 鹿强硐唏：爿刚哦戮掣引掣占毹譬鸶副磐型鬣i 摧缁涮训。蓓暑静 隹囊蓿等馕稚j 角时间酾苌；毯嚣鞋醒黧竖靼鲤”l l “隧摊骘蒯群j 碡灞玎琏； 羟殴錾锄嚣魏嚣j 礴滔两澎；型殍曼电路的核心是8 2 7 9 键盘、显示控制芯片 。8279通过键盘扫描，来确定哪个键被按下；通过显示r妻分时扫描，来控制八 x 第一二章水下焊接电源硬件设计 第二章水下焊接电源硬件设计 2 1 焊接电源硬件系统总体设计 3 8 0 图2 1 焊接电源系统总体框图 f i e 2 一lc o n s t 兀l c t u r eo f w e l d i n gp o w e rs y s t e m 单片机控制的水下逆变焊接电源的总体框图照蠢e ”j 鼻雌i 驵醣驰靼羹再鞫 销棚荫。女喜j 奔蝻后茚! 理巢锩蕊。甲赤妊嚣南镧淄藤研萌舞= 丰外辖酾甬 卷蜃祁电阻鞭姥大 小决定于外接 的电容c t 和电阻r t 以及死区电阻r d 的值。其中锯齿波上升边对应c t 充电，允 电时间决定于c t r t ，而锯齿波下降边对应ct 放电，放电时间决定卡c t r d 。因 此，调节外接电阻和电容值，不但可以获得所需的逆变频率，而且可以调节死区 时问，在死区时间内，功率变换器两组开关管上的驱动脉冲均为低电平，其作用 是防止功率变换器中桥臂上下管出现直通现象而造成过流损坏，误差放大器是一 个两级差分放大器，用于进行反向输入信号与同相输入信号之间的比较和误差放 大，根据系统的动态、静态特性要求，可外接适当的反馈网络；误差放大器的输 出信号v e 加至p w m 比较器的反向端，振荡器输出的锯齿波v s 加至同相端，比较 器输出一个p w m 脉冲信号，该脉冲信号绎锁存器，以保证在锯齿波的一个周期内 只输出一个p w m 脉冲信号；经分相器后分配为两路频率为锯齿波频率的l 2 、相位 相差1 8 0 的方波信号，由两路输出级输出。 幽2 3 s g 3 5 2 5 内部结构幽 f 培2 - 3c o n 咖c t u r eo f s g 3 5 2 5l n s i d ec i r c u n s g3 5 2 5 芯片除了能实现脉宽调制功能外，还能利用s g 3 5 2 5 的引脚1 0 关断功 能实现出现过流、过热、过欠压等意外情况时关断控制脉冲的输出的功能。可以 通过在引脚8 外接软起动电容实现p w m 控制的软起动，即在起动时控制p w m 脉冲 的占空比逐渐增大，而不受反馈调节的影响，从而可以防止输入浪涌电流无穷大、 华南理上大学硕士学位论文 5 ) 脉动送丝控制电路 “一送一停”的脉动送丝方式通过控制步进电机来实现。控制步进电机和实 现脉动送丝的摔制电路由1 6 v 8 通用p l d 芯片和步进电机驱动器构成，以5 5 5 芯片 电路为脉冲信号发生源。 2 2 焊接电源逆变主电路 焊接电源主回路采用全桥式逆变结构，绝缘栅双极晶体管i g b t 为主要功率开 关器件，其主电路如图2 2 所示。 图2 - 2 逆变主电路原理国 f g 2 2as c h e m a t i cv i e wo f i n v e r t e rm a i nc i r c u n 由图2 2 可见，焊接主电路遵循一般逆变的a c d c a c d c 形式，3 8 0 v 三相 工频交流电经三相整流桥的全波整流，直接把交流电变成直流电，高压直流电施 加到功率开关管i g b t 和中频变压器组成的逆变器卜。功率开关管v l 、v 2 、v 3 、v 4 组成桥的四臂，中频变压器t 1 连接在它们中间，相对桥臂上的一对功率开关管v 1 、 v 4 和v 2 、v 3 由栅极驱动电路以脉冲方式激励而交替地通断，将直流电变换为2 0 k h z 的中频交变电压，同时经过中频变压器t l 降压，再经过快速二极管整流、电感和 电容滤波变为低电压大电流的直流电提供给焊接电弧负载。 2 3p w m 控制、驱动电路设计 p w m ( 脉宽调制) 控制电路的基本作用是通过驱动电路向功率开关管提供两路 前、后沿陡峭、相位差为1 8 0 。、对称和宽度呵变的矩形脉冲列，以激励i g b t 进行 通断工作。由p w m 控制电路提供的脉冲控制信号，往往不能直接用以激励大功率 开关管i g b t ，需要经过驱动电路进行功率放大、变换、隔离( 在桥式逆变电路中， 位于高电位端和低电位端的开关管，彼此的驱动信号需可靠的隔离) 。本焊接电源 的p w m 控制电路采用s g 3 5 2 5 集成电路作为脉宽调制电路的核心，驱动电路由 t l p 2 5 0 光耦合器集成块及其外围电路来构成 1 0 华南理工大学硕士学位论文 图2 - 4p w m 控制电路图 f i g 2 - 4p w m c o n t f o lc i 嘲i t 从图2 4 中可以看到，s g 3 5 2 5 芯片的外围电路包括恒压、恒流控制信号输入， 使s g 3 5 2 5 开始工作( 即有脉冲输出) 或停止工作的开关控制，控制系统的保护电 路，s g 3 5 2 5 引脚1 和引脚9 与外接电阻电容构成的补偿电路，引脚5 、6 、7 与外 接电阻电容构成的选频电路，引脚8 外接电容构成软起动电路。 2 3 2 驱动电路 驱动电路的作用主要是对p w m 电路输出的脉冲信号进行功率放大，并保证一 定的脉冲前沿、后沿陡度，使其有足够的能力使i g b t 饱和导通。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功率开关管i g b t 的保护作用。 2 3 2 1ig b t 类开关管对驱动电路的要求 r g b t 是电压控制型开关器件，它的输入阻抗极大，一般为1 0 ，。1 0 ，q ，故只需 极微小的电流，但要求足够高的电压来驱动，因此控制i g 盯的栅极电压就可以控 制其导通和关断。当在i g b t 两端加正电压时，若栅极电压超过阈值，i g b t 就导通 并保持较低的通态电压；去除栅极电压，则i g b t 关断。在大电流和感性负载情况 下，为了可靠地关断i g b t 还需要施加反向偏置电压。一般而言，对驱动电路的要 求有以下几点： 1 ) 向栅极提供适当的正向和反向电压，保证驱动脉冲的幅度，使i g b t 可靠 地开通和关断。 2 ) 提供足够大的瞬时功率或瞬时电流，使i g b t 能及时建立栅控电场而导通。 1 2 第二章水下焊接电源硬件设计 3 ) 减少驱动电路的输出电阻以提高充放电速度，从而提高i g b t 的开关速度， 提高工作的效率。 4 )具有较好的输入输出电气隔离性能，使逆变主电路与驱动电路有很好的 隔离。 5 ) 具有较强的抗干扰能力。 2 3 2 2 光耦合器t l p 2 5 0 构成的驱动电路 孔p 2 5 0 是专用的集成功率驱动模块，它包含一个g a a l a s 光发射二极管和一个 集成光探测器，8 脚双列封装，适合于i g b t 或功率m o s f e t 栅极驱动电路。 t l p 2 5 0 驱动主要具有以下特征：输入阈值电流i f = 5 m a ( m a x ) ；电源电流 i c c = 1 l m a ( m a x ) ：电源电压v c c = 1 0 3 5 v ；输出电流i = 0 5 a ( m i n ) ；开关时间 t p l h t p h l = o 5us ( m a x ) 。t l p 2 5 0 构成的驱动器可以直接驱动5 0 a 1 2 0 0 v 以内的 i g b t 外加推挽放大晶体管后，可驱动电流容量更大的i g b t 。由t l p 2 5 0 构成的驱 动器体积小，价格便宜，是不带过流保护的i g b t 驱动器中较理想的选择。 图2 5t l p 2 5 0 驱动电路图 f i g 2 5t h ed r i v e rc i r c u i tb a s e do nt l p 2 5 0 如浏2 5 所示，t p 2 与s g 3 5 2 5 的脉冲输出引脚l l 或1 4 相连，每个，i l p 2 5 0 使用独立的2 4 v 电源供电，其中v c c 接2 4 v 电源，l o l 接i g b t 的门极，1 0 2 接i g b t 的栅极。 2 4 单片机控制系统 单片机控制系统由以下几部分组成：8 0 c 1 9 6 最小系统、反馈信号隔离采集电 路、焊接电压脉冲实现电路、显示及键盘输入电路、焊接方式选择电路。 图2 6 为单片机控制电路的结构框陶。该电路以8 0 c 1 9 6 k c 单片机为核心，焊 接选择开关电路用于选择脉冲焊或者平特性焊；键盘用于输入焊接参数，数码显 示电路用于显示输入的参数或者显示焊接过程中的电压电流值；硬件看门狗选用 m a x 8 1 3 芯片，从硬件着手保证单片机在焊接过程中不进入死循环或死机；隔离电 华南理工大学硕士学位论文 路包括对焊接电压电流反 馈信号的保持、光耦隔离： 焊接电压脉冲实现电路以 单片机的p l _ o 、p 1 1 两个 i o 口作为选择开关，通过 对阶梯形外特性电路选择 不同比例的反馈信号而使 焊接电源输出电压脉冲。 荐储嚣扩展卜 i 数码显示 一 茁m | 健盘输入卜 单片机 p l o 1 硬特藿1 匏卜 b o c i 9 6 k cp 1 1 i 时钟电路卜 h 。2 i 鬟位电路卜 电鹾反馈 电流反璇 圈2 6 单片机控制系统框图 f i g ，2 - 6c o n s 劬c t 呲o fm i c r o c o n 叩u t e rc o n t r 0 1s y s t 哪 2 4 1 单片机最小系统 单片机的发展速度是惊人的。目前，主流的8 位单片机依然是i n t e l 公司的 5 1 系列以及由5 l 系列派生的8 位单片机，而主流的1 6 位单片机是9 6 系列。本电 源单片机控制系统采用的是9 6 系列8 0 c 1 9 6 k c 单片机。 最小系统由c p u ( 8 0 c 1 9 6 k c ) 、锁存器( 7 4 l s 3 7 3 ) 、程序存储器以及时钟电路、 复位电路组成，见图2 7 。 匝 x m i n 口 蔼位i i 址 最片垮嘎 一 泄掰。p 鼍哉从p 3 口 、一 e 豇恻 臣 8 孵1 9 6 五c 踟 n d r 赶 耵 越 r 上 ? 图2 7 单片机最小系统图 f t g 2 7m cs m a i l 锱tm i c f o c o m p u t e rs y s t e m 最小系统采用8 位数据总线宽度，扩展的程序存储器使用存储空间为1 6 k 的 光可擦除存储器2 7 c 1 2 8 。由于8 0 c 1 9 6 k c 内部已经具有5 1 2 字节数据( r a m ) 存储 器，在本次设计所编写的处理程序中已够用，因而不需要扩展。时钟电路采用8 m h z 晶振。复位电路可以采用图2 7 中的复位电路，也可以采用专用的复位芯片来构 成复位电路。 2 4 2 键盘输入及数码显示电路 键盘输入及数码显示电路采用8 2 7 9 可编程键盘显示控制芯片。8 2 7 9 是i n t e l 公司生产的一种专用于键盘和显示器的接口芯片，它的最大特点是自身能提供扫 1 4 第二章水下焊接电源硬件设计 描信号，可代替c p u 完成对键盘和显示器的控制、管理，减少相应的程序量，从 而能够减少c p u 的负担，提高工作效率。 8 2 7 9 的内部电路包括键盘 输入和显示输出两个部分。键盘 部分提供的扫描方式，能够和具 有6 4 个按键或传感器的阵列相 连，能自动消除开关抖动并能对 多键同时按下提供保护。显示部 分按扫描方式工作，它为l e d 等 显示块提供多路复用信号，可以 显示多达1 6 位的字符和数字。 8 2 7 9 与键盘、显示器的连接 原理如图2 8 。在实际连线时， s l 0 s l 3 作为键盘的列扫描线 及显示器动态显示的位选线。内 部译码输出时，s l 0 s l 3 在每一 时刻只有一位为低电平输出，此 图2 88 2 7 9 与键盘、显示器的连线原理框图 f i g 2 - 8 血ec i r c i l np r i | 1 c i p l eo fk e y b o a r d 柚dd i s p l a yw n h8 2 7 9 时8 2 7 9 只能外接4 8 键盘和4 位显示器。当外部译码输出时，外接3 8 译码器 可按8 8 键盘，外接4 1 6 译码器可接1 6 位显示器。 根据参数输入及数据显示的需要，设计了一个2 0 键的键盘和8 位l e d 显示。 键盘输入和数据显示的工作过程是：8 2 7 9 初始化之后，键盘的行值经返回线r l o r l 7 进入8 2 7 9 并缓冲锁存。8 2 7 9 芯片内部的逻辑电路对返回线进行扫描检查，查 找此时选中的列线( 即扫描线) 内被按下的键。如果检测到某键被按下，则去抖 动电路延时约1 0 m s ，然后电路重新检测此时键是否仍然闭合，如果确有键闭合， 便将该键在键阵列中的位置号、换档键( s h i f t ) 和控制键( c o n t r o l ) 的状态送 入8 2 7 9f i f or a m 之中。当c p u 检测到f i f or a m 中有数据，就可以执行读取数据。 读取一个数据之后，若f i f o 中仍有数据，c p u 再次读取数据，直到f i f or a m 变空 为止。o u t a 0 3 和o u t b 0 3 为显示器的段选代码输出，经驱动器送至l e d 的各段， 对于l e d 而言，o l j t a 3 为最高位，o u t b o 为最低位。s l o 2 为位选输出，经译码驱 动后送至各位l e d 。当需要显示某个字符时，只需向8 2 7 9 写入显示命令后再向其 数据口输出显示代码即可。 2 4 3 硬件看门狗电路 硬件看门狗的原理是利用一个定时器，来监控主程序的运行，也就是在主程 序的运行过程中，必须在定时时间到之前对定时器进行复位，如果单片机程序出 华南理j 二大学硕士学位论文 现死循环，或者p c 指针不能回来， 甚至死机，那么定时时间到后就会 使单片机复位。 焊接过程是一个各种干扰非常 严重的过程，使用弱电的单片机系 统极其容易遭受干扰而不能j 下常工 作。为了增强单片机控制系统的抗 干扰能力，防止系统在工作过程中 死机，有必要在系统中安装硬件看 门狗电路。在本设计中，选用具有 上电复位、电源监控、硬件看门狗 图2 9m a x 8 1 3 使用连线图 f i g ，2 - 9m e a p p l 硼c o n n c c t o f m a x 8 1 3 的m a x 8 1 3 芯片，其连线使用如图2 9 。 m a x 8 1 3 的主要功能如下：系统上电、掉电以及供电电压降低时，第7 脚产 生复位输出，高电平有效；看门狗电路输出，如果在1 6 秒内没有触发该电路( 即 第6 脚无脉冲输入) 则第8 脚输出一个低电平；手动复位输入，低有效，即第1 脚输入一个低电平，则第7 脚产生复位输出， 实际应用时，将第7 脚接c p u 的复位脚，第1 脚与第8 脚相连，第6 脚与c p u 的p 1 7 相连。在软件设计中，p 1 7 不断输出脉冲信号，如果系统死机导致p 1 7 无脉冲信号输出，则1 6 秒后在m a x 8 1 3 的第8 脚输出低电平。该低电平加到第1 脚，使m a x 8 1 3 产生复位输出，使c p u 复位，摆脱死循环。 2 4 4 焊接方式选择电路 因为本电源将具有两种焊接方式：脉冲焊 和平特性焊，因此需要一个焊接方式选择电 路。焊接选择电路由电阻和开关串联构成，从 电阻的一端引线与单片机的p 1 ，3 引脚相连， 如图2 1 0 所示。若开关是断开的，高电平加 到p 1 3 引脚，单片机检测到p 1 3 引脚的电平 为高，就选择脉冲焊接方式；若开关合上，p 1 3 引脚上的电平为低，单片机检测到p 1 3 引脚 为低电平时，则选择平特性焊接方式。 7 图2 1 0 焊接方式选择电路 f 垃2 1 0m e s e l e 咖e da r c u i to f 、e l d i n gm o d e 2 4 5 反馈信号采集隔离电路 在焊接过程中，必须有反馈信号采集电路准确、实时采集焊接电压电流反馈 信号，并且该电路还要把单片机电路与焊机电路隔离。 华南理工大学硕士学位论文 之增大，由于1 2 = k 4 i l ，1 3 = k 3 i l ，1 2 、i3 也增大，最终调节的结果是u b = u a = u i ， 又因为1 2 = 1 3 ，因此输出电压u o 与输入电压u i 相等，u o 随着u i 的增大而线性增 大。反之，当输入电压u i 降低时，运放输出端电压降低，通过发光二极管的电流 i l 也随之减小，与上类似，输出电压u o = r 2 1 2 也随输入电压u i 的降低成比例地减 小。 从上述的工作原理分析可知，光耦的选择对电路的影响非常大，要爆量选用 特性一致的光耦。在设计中，光耦合器采用包括两个光耦的t l p 5 2 1 2 。在实际使 用中，要通过实际测试挑选出特性一致的t l p 5 2 1 2 光耦合器。表2 1 中数据为 实际测试得到的采样隔离电路传输特性。 表2 1 实测的采样隔离电路传输特性 1 砌e 2 _ 1t h e1 栅s f c rc h a r 砸e r i s 缸0 fs 锄p 1 吨c i i c i l n 序号输入电压( v ) 输出电压( v )比例( 输出输入) 10 6 2 1 0 6 2 41 0 3 4 21 0 5 3 1 0 8 41 0 3 0 31 _ 9 7 62