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山东大学硕士学位论文 关键字:脉冲m i g 焊;嵌入式实时操作系统;主电路;1 1c o s - i i ;a r m 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t ,w i t ht h ea p p l i c a t i o no fn e wm a t e r i a l ,a d v a n c e dr e q u i r e m e n ti sp u t f o r w a r dt ot h ew e l d i n ge q u i p m e n tf o rm e e t i n gh i g h e rw e l d i n gq u a l i t y d i g i t i z e d p m i gw e l d i n gi sp l a y i n ga ni m p o r t a n tr o l ei nw e l d i n gf i e l df o ri t sa d v a n t a g e s ,s u c h a sg o o dd i r e c t i o nt r a n s i t i o n ,l e s ss p l a s h e dm a t e r i a l ,n i c ef i g u r ea n dw i d ew e l d i n g c u r r e n te x t e n t t h eh i s t o r y , a c t u a l i t ya n df o r e g r o u n do fw e l d i n g e q u i p m e n t a r e f i r s t l y i n t r o d u c e di nt h i sp a p e r , f o l l o w e d 、析t ht h es p e c i a l i t i e so fp m i g w e l d i n g ( p u l s e d m e t a li n e r tg a s w e l d i n g ) a n dt h ef a r - r e a c h i n ge f f e c t so fd i g i t a l t e c h n o l o g y e o m b i n e dw i t hi n v e r t e rt e c h n i q u e a l s o ,t h er e a s o n sa n dn e c e s s i t i e sw h yt h et a s k s h o u l db es t u d i e da r eg i v e n ,a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fi n t e r n a la n di n t e r n a t i o n a l s i t u m i o n t h ep a p e ri n t r o d u c e ds e v e r a lc o n t r o lm e t h o d ss u i t e dt op m i gw e l d i n g t e c h n i q u e m a i nc i r c u i ta n dc o n t r o ls y s t e mm a d eu po f “a r m + d s p + f p g a ” i n c l u d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ,a r ed e s i g n e d t h em a i nc i r c u i tt a k e si g b t 嬲 p o w e rd e v i c e sc o r ew h i l et h ec o n t r o ls y s t e mt a k e sa r m a sc o n t r o lc o r e ,c h a r g i n g p r o c e s sc o n t r o l ,w i t hr t o s ( r e a lt i m eo p e r m i n gs y s t e m ) e m b e d d e d t h ec e n t r a l f u n c t i o no fd s p ,t h eo p e r a t i o nc o r e ,i sc a r r y i n go u tf e e d b a c kc a l c u l a t i o no f w e l d i n g p a r a m e t e r s v a r i o u sn o i s e st h a tm a yd i s t u r bt h en o r m a lw o r ko fw e l d i n ge q u i p m e n ta n d t h e i rc a u s a t i o n sa r ea n a l y z e d i no r d e rt or e d u c et h e i rb a di n f e c t i o n s ,s o m em e a s u r e s b o t hi nm a i nc i r c u i td e s i g na n dc o n t r o ls y s t e md e s i g na r ea d o p t e d t h ea n a l y s i so fe x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w st h a tt h ep m i gw e l d i n ge q u i p m e n t c a nr e a l i z et h en o r m a lw e l d i n gf u n c t i o n s ,s u c ha sa r c s t a r t ,a r c o f fa n da r cl e n g t h a d j u s t i n g t h ed e s i g nr e a c h e dt h et a r g e ta n dc a m ei n t oc o n f o r m i t yw i t ht e c h n i q u e g u i d e l i n e s f i n a l l y , t h ep a p e ra n a l y z e dt h ed e f i c i e n c yo ft h i sd e s i g na n dp r o p o s e df u r t h e r w o r kd i r e c t i o n i i i 山东大学硕士学位论文 i v k e yw o r d s :p m i g ;e m b e d d e dr t o s ;m a i nc i r c u i t ;i xc o s i i ;a r m 原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名:圣二匕 e t期:迎【= 互= 17 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷 件和电子版,允许论文被查阅和借阅;本人授权山东大学可以将 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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名:虿乏毪二导师签名:磁杰盔日 期: 塑& 、妄7 7 山东大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着我国我国钢铁产业的增长,电焊机持续旺销,生产、销售额涨幅较大, 劳动生产率大大提高,焊接设备行业总体经济情况运行良好。 近几年受到中国焊接设备领域利润的吸引,外资大量进入我国,这些企业 主要是来自日本、美国、欧洲、韩国等国家和中国台湾地区的制造商【l j 。如日 本松下和o t c 、美国的林肯和米勒、瑞典的伊萨、德国的宾采尔、台湾的锦泰 和天泰等公司。在产量方面,中外合资和外商独资企业占总产量的5 0 ,国内 企业只占5 0 ,销售额合资与外商独资企业占4 0 左右,国内企业约占6 0 。 外资企业在高端市场上无限风光,而国产焊机的销售仍然集中在中低端产品上, 技术成为中国企业发展的短板,研发高性能先进焊机已成为国内企业的当务之 急。 1 2 焊接设备发展趋势 无论是从目前焊接设备产量构成比的发展趋势,还是从焊接设备的技术发 展方向上看,我国焊接设备今后将向高效、节能、机电一体化焊接设备和成套 焊接设备方面发展【2 】。 1 2 1 逆变式焊接电源所占比重将越来越大 对我国逆变电源的生产和销售情况进行的调查结果表明,逆变焊机产量每 年以近3 0 的速度增长,今后,焊接电源的发展方向是:( 1 ) 加强逆变电源, 特别是i b g t 逆变器用于自动、半自动焊机,特别是熔化极气体保护焊机方面 的研究,改善性能,扩大其使用范围,提高可靠性。( 2 ) 从电子元器件的选用 入手,研究解决逆变电源的可靠性问题。 山东大学硕士学位论文 1 2 2 自动、半自动焊接设备,将得到快速的发展 自动、半自动焊接设备的技术发展方向: ( 1 ) 高组合化和多功能化,即以标准型多功能的焊接电源为主体,配以各 种功能装置,实现一机多用。 ( 2 ) 在气体保护焊机中,脉冲焊接进一步向同步脉冲最佳控制方向发展, 将先进控制芯片、逆变技术用于m i g m a g c 0 2 焊机,通过精确控制输出脉冲, 减少飞溅,改善焊接成形。 ( 3 ) 应用微机实现焊机自适应控制,利用微机控制弧焊机电源的动态、静 态特性,自动调节焊接规范和焊接参数,改善焊接性能,保证焊缝一致性,获 得高质量焊缝。 ( 4 ) 逆变式气体保护焊机将得到更大的发展。为实现更可靠的引弧和更理 想的波形控制,要求电源具有更好的动态响应能力,所以逆变电源焊接将有更 广泛的前途。 1 2 3 成套、专用焊接设备的发展趋势 今后,成套焊接设备的开发重点有: ( 1 ) 焊接机械化自动化的关键技术和部件的研究开发 研究高性能的焊接电源,标准化积木化的焊机部件,焊接参数检测及控制 技术,焊接过程自适应控制技术,生产线标准传输单元,装焊夹具的标准构件 等,都是当前应立即着手开展研究的课题。 ( 2 ) 继续开发国民经济各行业急需的成套焊接设备 如汽车总装焊接生产线、电站锅炉、压力容器行业的重型容器焊接中心、 集箱焊接生产线、大型三通的马鞍形接头的全自动焊接装置。 ( 3 ) 开发、研制高科技含量的特种专用焊接设备 如大功率电子束焊机、大功率激光焊机等。 ( 4 ) 为国家重大项目研制高起点,高水平的成套焊接设备,提供交钥匙工 程,保证焊接质量和可靠性。 2 山东大学硕士学位论文 1 3 数字化焊机研发现状和趋势 1 3 1 国外的数字化焊机的研究现状 国外数字化焊接电源产品已广泛应用,欧洲是数字化弧焊电源的技术中心。 数字化焊机的概念于1 9 9 8 年由奥地利的f r o n i u s 公司提出,并以“数字化 革命”的口号推介其产品。奥地利f r o n i u s 公司的t p s 系列焊机为全数字化焊 机的代表【3 1 ,其控制采用“m c u + d s p ,相结合的控制技术,实现了焊机程序 的软件升级、焊接工艺规范优化、多功能、多种焊接材料的适用性以及焊接工 艺参数的离线处理等功能。 日本o t c 公司新研制的g m a 脉冲焊电源【4 j ,采用i g b t 作为功率控制器 件来提高功率主电路的控制性和可靠性。 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【5 】,数字处理系统 处理所有焊接数据,控制整个焊接过程,同样具有专家系统、一机多用、计算 机或网络通讯、模块化设计、焊接数据的存储和分析系统等功能 1 3 2 国内的数字化焊机的研究现状 在国内,数字化焊接电源研究已经起步,某些高校和科研机构己在这方面 开展了工作,一些企业也有产品问世。 高校的研究主要有北京工业大学、上海交通大学、浙江大学、华南理工大 学和哈尔滨工业大学等单位【6 - 8 】。上海交通大学焊接研究所1 9 9 9 年提出了“数 字化焊接电源 的研究课题,他们使用单机控制系统采用d s p 芯片作为控制系 统的核心,主要应用于熔化极气体保护焊接电源系统的研究;北京工业大学分 析了数字化焊接电源的特征,提出了“全数字化控制焊接电源的方案”,他们重 点开发“m c u + d s p ”双处理器控制系统,由单片机( m c u ) 根据不同的送丝速度 按照一定的规则计算出相应的焊接电弧电压及电流参数等,同时负责系统的总 体管理,驱动p w m 以可编程逻辑器件c p l d 为载体实现,控制算法如p i 控制 以及非线性接口算法等均由d s p 实现。华南理工大学提出基于d s p 的弧焊逆 变电源数字化控制系统,并讨论了应用前景。 山东大学硕士学位论文 企业研究中较早的是北京时代集团,而山东大学校办企业奥太电气有限公 司也在数字化焊接设备的研发和销售中取得了不俗的成绩,在国内的焊接设备 市场中占有一席之地。 总体上看,国内数字化弧焊电源的研究水平与国外顶尖技术还有一定差距, 应借鉴国外的成功经验,根据工艺需要,通过提高控制系统设计水平,进一步 提高焊接性能。 1 4 课题研究的理论意义和应用价值 高速、高效、优质和自动化、智能化是现代焊接技术的主要发展方向,研 发和推广应用数字化焊机是它的基础,也是实现现代化焊接工艺的重要标志。 由于采用了基于嵌入式的数字化控制技术,焊接电源已不再是单纯的焊接 能量提供源,还具有数字操作系统平台、多特性适应调整、外设及接口、焊接 参数自动设置、过程稳定质量评定、保护及自动诊断提示等功能,焊接电源的 概念实际上已拓宽为焊接电源系统,在使用价值方面具有重要意义。 1 5 课题的主要研究内容 ( 1 ) 主电路的数字化:即以i g b t 逆变器为核心,设计开关式焊接电源。 ( 2 ) 控制电路的数字化;数字化焊接电源的控制部分由a i 蝴+ d s p + f p g a 共同构成,以满足实时、动态和高效的焊接要求。 ( 3 ) 人机接口数字化:通过在a r m 中嵌入式实时操作系统,操作者可以 方便的向焊接设备输入信息、发出指令、设置并观察现场参数,可以实现多任 务实时处理功能,并可以便捷的通过外部设备( 如u 盘) 与焊接设备通讯,实 现对数字化焊接电源功能的升级。 4 山东大学硕士学位论文 第2 章焊接工艺及控制方法 2 1m i g 焊接原理介绍 根据保护气体的种类,熔化极气体保护焊大体分为两种:m a g ( m e t a l a c t i v eg a sw e l d i n g ) 活性气体保护焊接和m i g ( m e t a li n e r tg a sw e l d i n g ) 惰性 气体保护焊接。m a g 焊接使用c 0 2 或在其中混和少量活性气体:m i g 焊接使 用a r 、h e ( 这些称为惰性气体) ,有时在惰性气体中混合有其他少量的0 2 、c 0 2 或h 2 。 被绕成线圈状的细径( 西o 6 - 1 6 r a m ) 焊丝通过送丝电机被自动送往焊枪, 该焊丝经过焊枪端部的导电嘴被通电,并在母材间产生电弧,在气体的保护作 用下,该电弧热使母材与焊丝连续熔融,使母材金属接合。 2 2 脉冲m i g 焊接实现方式 通常情况下的m i g 焊接是以喷射过渡为主要过渡形式,这样可以避免飞溅 多,但焊接电流必须在大于喷射过渡的临界电流值时,才能实现稳定的焊接, 电流范围较窄,因此出现了脉冲m i g 焊。 脉冲m i g 焊( p u l s e d m i g ) 是为了扩大喷射过渡焊接电流的范围而采用一 种改进方法。它的原理是:采取脉冲控制的方法,利用基值电流稳定电弧,峰 值电流产生脉冲电弧,以熔化金属并控制熔滴过渡。通过改变电流脉冲频率就 可以改变焊丝的熔化速度。 脉冲m i g 焊扩大了喷射过渡电流的使用范围,在平均电流小于喷射过渡临 界电流值的情况下可以稳定焊接过程,通过脉冲能量的控制可以有效控制过渡 熔滴的大小和熔池尺寸,有效地控制热输入量,改善接头性能,控制参数如图 2 1 所示。 图中所示脉冲参数含义分别为:i p 脉冲电流幅值,i b 基值电流幅值,i 。为平 均电流幅值,t d 是脉冲电流时间,t b 是基值电流时间,通过正确设置上述参数, 就可实现稳定的熔滴过渡。 山东大学硕士学位论文 p 亿 b :弘彬: 图2 - 1 脉冲m i g 焊脉冲参数图 2 2 1m i g 焊的熔滴过渡形式 脉冲m i g 的过渡形式有三种,分为多脉一滴,一脉多滴和一脉一滴,不同 的过渡形式如图2 - 2 所示,其中最佳过渡形式是一脉一滴【9 1 。 图2 - 2 脉冲电流、时间与熔滴过渡的关系 图2 - 2 为被两条双曲线划分的三个区域,一脉一滴工作在中间区域,它的 峰值电流和持续时间之间的关系如公式2 - 1 来表达,式中l 是峰值电流,t 是持 续时间,n 、c 是常数,由焊丝材料,焊丝直径和保护气体决定。 6 i :c = t ( 2 1 ) 山东大学硕士学位论文 从图2 2 横轴来看,随着持续时间的增加,一脉一滴的峰值电流范围调节 逐渐变窄。当电流峰值脉冲时间大于临界值2 0 m s 时,调节范围变为0 ,对应 的电流值就是临界喷射过渡电流值,因此为了扩大峰值电流调节范围,选择脉 冲时间较窄,一般为小于2 m s 。 一脉一滴的过渡过程就是控制单个脉冲的能量的过程,由于焊接电流与脉 冲频率基本是线性关系,平均能量输入采用调节脉冲电流频率的方式来控制, 用于稳弧的基值电流相对脉冲电流很小,在5 0 a 以下。 2 2 2 弧长调节方法 电弧长度的稳定是焊接过程的稳定的主要标志,要保证电弧长度稳定也就 是要使焊丝熔化速度和送丝速度相等,在脉冲m i g 焊中送丝速度一般是恒定 的,所以主要的调节过程是通过调节脉冲单元能量来调节熔化速度。 脉冲单元能量调节模式主要采用两种模式,脉冲电流与基值电流模式i i 和脉冲电压与基值电流模式u i 。在i i 模式中,基值时间t b 为调节量,在u i 模式中,脉冲的电流值i p 是调节量,分别如图2 - 3 ( a ) 、( b ) 所示。 ( a ) i i 模式 图2 - 3 两种弧长调节模式 ( b ) u i 模式 i i 模式特点:焊接脉冲电流i p ,t p 基本不变,电弧长度的调节通过改变 t p 即脉冲频率来完成,优点是脉冲单元能量的一致性好,但调节速度较慢。 7 山东大学硕士学位论文 u i 模式特点:脉冲单元采用恒压控制,频率基本不变,优点是电弧长度 调节能力强,缺点是脉冲单元的能量一致性较差。 脉冲单元所需要的能量和焊丝直径、材料以及保护气体有关,因此可以直 接由上述条件来决定脉冲单元的参数。此外,焊丝干伸长的变化也对熔滴过渡 有影响,当干伸长变长时,焊丝电阻热变大,过渡一滴需要的脉冲能量变低, 可采用调节基值电流的方法来进行补偿。 2 2 3 控制方法的实现 常久以来大量学者对脉冲m i g 焊的控制方法进行了研究,主要有:门限控 制法、协同控制法、弧长同步脉冲控制法等。 ( 1 ) f - j 限控制法 门限控制法,顾名思义就是设立电弧电压的上下限值来实现弧长稳定【l 。 焊丝的熔化或送进等因素使电弧工作点移动时,电弧电压也随之变化,通过使 电弧电压不超过门限值使弧长稳定。如图2 4 所示,当电弧电压达到设置的上 限a 点时,焊接电流由峰值i p 变为基值i b ;当焊接电压达到下限b 点时,焊 接电流由基值i b 变为峰值i p ,正常工作时,工作点就在i b 或i p 两条恒流外特 性上。只要合理的确定a ,b 点就可以实现稳定地焊接。 u 图2 ,4 门限控制法原理示意图 山东大学硕士学位论文 门限控制法的缺点是:在脉冲峰值阶段停留时间不确定,可能过长或过短, 所以熔滴过渡不能确保一脉一滴。为此产生一种改进的门限控制法,控制框图 如图2 5 所示。 图2 - 5 改进门限控制法的控制框图 改进的核心是:当电弧电压低于设定门限值时,则输出一个完整的峰值脉 冲电流,当电弧电压高于设定值时,输出基值电流,这样可保证一脉一滴的工 作状态。 ( 2 ) 协同控制法( s y n e r g i c ) 门限控制法速度响应很快,但属于开关控制,脉冲频率变化相对剧烈,即 平均电流幅度变化相对较大。为了使焊接电源平稳工作,需对脉冲频率进行连 续调节,出现了s y n e r g i c ( 协同) 控制法【l l 】,它是由英国焊接研究所发明的一 中弧长控制方法,解决了众多脉冲参数调节的不便,实现了脉冲m i g 焊的单旋 钮控制。早期的协同控制法也为开环式,经过发展出现了闭环式的协同控制, 其原理主要可分为以下几个过程: 1 ) 参数自动匹配:根据设定送丝速度的大小,以及采用的焊接材料,保护 气体等,峰值电流、峰值时间、基值电流等脉冲参数将自动匹配好。 9 山东大学硕士学位论文 l _ _ _ - i - - _ _ l - _ _ _ _ l _ - _ _ i - _ _ _ i i _ l _ i l l _ _ l - - _ 2 ) 平衡熔化速度:根据送丝速度确定基值电流和峰值脉冲电流频率,使熔 化速度与送丝速度相等。 3 ) 弧长的稳定:利用电弧电压闭环反馈控制脉冲的基值时间,调节焊丝熔 化速度而保持弧长的稳定,实现对脉冲m i g m a g 焊的控制。 控制框图如图2 - 6 所示。 图2 - 6 协同控制的框图 协同控制的缺点是:当前脉冲的基值时间采用前一个脉冲的平均电压作为 弧压来计算,不能由当前脉冲的电弧电压变化来进行调整,这样整个控制系统 被延时了一个脉冲周期,降低了控制过程的及时性。 ( 3 ) 弧长同步脉冲控制法 弧长同步脉冲控制法是基于协同控制,并借鉴了门限控制法快速性的优点, 控制原理框图如图2 7 所示,由于在当前脉冲周期内进行调节,因此其备更好 的控制性能。 1 0 山东大学硕士学位论文 图2 7同步脉冲控制法控制框图 它的原理是:从当前脉冲的前沿开始,对电弧电压进行采样,计算出采样 时间内的平均值。峰值电流期间的平均值与峰值电压相等;在基值电流期间, 电弧电压的平均值随着时间的增加逐渐降低。计算的平均值不断地与给定值进 行比较,平均值小于给定值时,产生峰值电流,结束当前脉冲周期。 焊接电压在熔滴过渡过程中存在很多干扰,短路时形成的比正常燃弧电压 低的短路电压,正常燃弧过程中存在的瞬间电压尖峰,这些干扰都会使同步脉 冲弧长控制脉冲频率产生剧烈变化。对电弧电压进行数字滤波,除去电压尖峰 和短路电压,分别以正常燃弧电压来取代,可以很好的抑制这些干扰。 2 2 4 熔滴过渡状态的检测 一脉一滴是脉冲m i g 焊中最佳过度形式,但一脉一滴的焊接参数范围较 窄,根据不同材料、气体来定出脉冲电流峰值和脉宽,属于开环控制,易受外 界干扰如果要保证大范围稳定的一脉一滴的焊接过程,应当采用熔滴过渡的闭 环反馈,现在采用的保证一脉一滴的控制过程最直接的方法是直接检测熔滴的 过渡状态。 通过研究发现,国内外都提出了一种弧光传感的检测方法,可以动态即时 的检测熔滴状态。哈尔滨工业大学在国内较早提出熔滴过渡时与光谱的跃变有 很好的对应关系【1 2 - 13 1 。当燃弧电流大于临界电流时,熔滴长大、缩颈,并在缩 颈处拉断,在这一过程中,伴随着弧光辐射量的变化,这种光强变化的信息可 作为熔滴过渡的检测信息。只要采用先进的弧光强度接受装置,即可将光信号 山东大学硕士学位论文 转换为电信号,也就可以采集到熔滴过渡状态的信息。熔滴过渡与弧光信号的 关系如图2 8 所示。 图2 8 钢的熔滴过渡与光通量的关系 在熔滴脱离焊丝头瞬时t 2 时刻,弧光强度信号突然下降,在熔滴下落,新 的熔滴生成期间,对应t 3 时刻,电弧强度又开始上升,弧光强度信息与熔滴过 渡的状态准确对应。 应用中,将电弧强度设定一个阈值, 低大于设定阈值时,认为熔滴脱离焊丝, 脉一滴的工作方式。 2 3 新的m i g 焊控制系统 2 3 1 双丝脉冲m i g 焊 在熔滴形成过程中,当弧光强度的降 立即对峰值电流进行调节,以保证一 为了提高m i g 焊接的效率,出现了双丝焊方法,双丝焊具有高效、高速和 变形小的优点。常见的形式有t w i na r c 式和t a n d e m 式 1 4 】,前一种方式两根焊 丝公用一个导电嘴,系统相对简单,但很难对两个电弧的熔滴实现精确控制; 后一种两个脉冲电源供电,而两个导电嘴之间是绝缘的,电源间可以采用协同 1 2 山东大学硕士学位论文 控制,相互干扰较少。基于协同控制的t a n d e m 式双丝焊设备i :作方式如图2 - 9 所示。 送丝装置 毋赌 图2 - 9 双丝焊设备1 :作图 为了保证双电弧都能稳定燃烧,减小相互问的干扰,两个电弧均为脉冲电 弧。两个电源的脉冲电流相位可以有i 种纽合形式:第一种是相位相差1 8 0 。; 第二种是电流相位完全一致;第三种是相位随机。其中第一种干h f 涉相差1 8 0 。 r j 最人限度降低 r 7 瓜i h j 干扰。儿种脉冲相位差的电流波形如图2 1 0 ( a ) ( b ) ( c ) 所 不。 ( a ) 相f 秒相差1 8 0 。型 ( b ) 相依相同耍!( c ) 相何随机五! 图2 1 0 脉冲f 乜流相位类型 两个焊丝的角度和焊丝i h j t t j 对焊缝成型都有较大影响,现在有商业化的双 丝焊枪。具体控制实现时,两个焊接电源采用主从模式,个焊机作为主机, 主要为母材提供热黾,保证焊缝熔深,其采用协同脉冲控制,脉冲电流的频率 根据本身电弧进行反馈,并输出i 司步信号给从机;从机按照此频率工作,其脉 冲单元的能量足根据从机焊丝来设置,单元能量模式一般设为电压模式,主要 起弧长调节和填充熔池的作用。 山东大学硕士学位论文 2 3 2 交流脉冲m i g 焊 交流脉冲m i g 焊接电流是交流方波,主要通过调节正负半波比例来调整焊 丝与母材之间的能量分配,控制波形如图2 1 1 所示: 电流 图2 1 1 交流脉冲m i g 的控制模式 l 时间 它的可控参数为:脉冲持续时间和幅值,正负极性基值电流值,正负基值 电流的导通比。 它的优点为:同直流脉冲m i g 焊相比,增加了正负半波导通比例调节以及 负电流值的调节,由于电流负时焊丝熔化量增加,母材熔化量降低,通过调节 正负电流比例,可有效控制焊丝熔化量和焊缝的熔深,控制焊缝成型,扩展焊 接工件的范围,同时可克服直流电弧的磁偏吹,降低了对焊接工件的装配间隙 的要求。 2 3 3c m t 熔滴过渡焊 m i g 焊接过程中有持续不断的热量输入,并存在飞溅,一些工件会在焊接 过程中严重变形甚至产生穿透,为拓宽其应用领域,就必须降低热输入量,而 c m t ( c o l dm e l a lt r a n s f e r l 冷金属过渡技术实现了这种可能【1 5 】。 c m t 冷金属过渡技术的核心思想是:将送丝与熔滴过渡过程进行数字化协 调控制。当焊机的处理器监测到一个短路信号,就会反馈给送丝机,送丝机作 出回应回抽焊丝,从而使得焊丝与熔滴分离,数字化电源输出电流几乎为零, 从而使得熔滴过渡无飞溅。其工作示意图如2 1 2 所示。 1 4 山东大学硕士学位论文 图2 1 2 冷金属过渡焊接过程 在a 阶段,电弧引燃,熔滴向熔池过渡。在b 阶段,熔滴进入熔池,电弧 熄灭,电流减小;在c 阶段,焊丝回抽,运动方向改变,熔滴脱落,电源输出 电流极小;在d 阶段,焊丝运动方向再次改变,重复熔滴过程。 采用c m t 技术:短路发生时,电弧即熄灭,热输入量迅速地减少,焊丝 回抽熔滴分离,电弧在小电流下引燃,整个焊接过程即在冷热交替中循环往复。 通过c m t 技术可以很轻松的实现无飞溅、低热量焊接,可以实现o 3 m m 超薄 板的焊接,而采用c m t 技术的脉冲m i g 焊在c 阶段焊丝回抽后,通过增加一 个或两个电流脉冲可增加熔深,扩大电流范围,能适合打底焊、全位置焊接以 及其他应用领域。 2 3 4 双频率脉冲m i g 焊 铝合金焊接过程中,为了降低焊缝中气体含量改善焊缝成型而提出双频脉 冲焊。双频脉冲焊与双丝脉冲焊不同,仍旧使用一根焊丝,它的原理是用一个 低频信号对脉冲m i g 焊的脉冲再进行调制,得到周期性变化的强弱脉冲群,使 电弧力和热输入随低频调制频率而变化。 实现双频脉冲的方法有两种:一种是采用电流波形调制,送丝速度不变; 另一种是电流波形调制,配合送丝速度作脉动调整,其电流脉冲调制的控制原 理如图2 1 3 所示。焊接电流的平均值被低频调制,其平均电流发生周期性变化, 低频调制的频率约0 5 h z 3 0 h z ,占空比一般为5 0 。 山东大学硕士学位论文 脉冲电 平均电冀厂厂 图2 。1 3 双频脉冲电流波形图 第一种方式送丝速度保持恒定,电弧长度会发生周期的变化,如果脉冲电 流调制过大,电弧长度会发生剧烈变化,易发生短路;第二种脉动送丝的控制 方式中,送丝速度随着低频脉冲进行调制,电弧长度基本保持不变,控制原理 波形如图2 一1 4 所示。 送丝速鏖厂 电流岫0f11 删f 1 几 图2 。1 4 脉动送丝控制原理波形 双频脉冲m i g 焊: 优点:减少气孔发生率,焊缝成型美观。 镍占j 关幺幺桑缔的调制婶寐- l :i j i 厌i 而榨制婶每杂 2 4 本章小结 本章介绍了m i g 焊接的原理、熔滴过渡形式以及焊接的控制方法,为数字 化m i g 焊机的设计提供了理论基础。 1 6 山东大学硕士学位论文 3 1 主电路结构 第3 章m i g 焊机主电路设计 脉冲m i g 焊的峰值电流较高,主电路功率较大,i g b t 逆变器一般选用桥 式电路或两个以上的电路单元并联串联结构【1 每1 剐,本设计采用桥式结构,以满 足5 0 0 a 输出电流要求,主电路结构设计如图3 - 1 所示。 图3 1 逆变脉冲m i g 主电路图 该电路采用a c d c a c d c 逆变模式,其工作过程为:输入的三相3 8 0v 交流电,首先经过整流桥整流为约5 4 0v 的脉动直流电,滤波后变成平滑的直 流电,再经由功率逆变器逆变为交流,经过变压器降压和二次侧的全波整流电 路整流后输出。 焊接控制要求输出的脉冲电流基值电流较低,峰值电流较大,峰值电流上 升率较高,要求焊机电源动特性要好,输出电抗器要小。但是过小的输出电抗 器会影响基值电流的稳定性,容易发生断弧,因而主电路的逆变频率较高,本 设计为2 0 k h z 。 3 2 主要功率器件的设计 从主电路图中可以看出,焊机主要是由整流、逆变、降压和输出四大部分 构成,整流部分采用现成模块较简单,下面主要介绍其余三部分的设计。 1 7 山东大学硕士学位论文 3 2 1i g b t 逆变器设计 现在大部分焊机尤其是工业用焊机首选i g b t 作功率开关器件,常用的有 三种形式:单管i g b t ,单桥臂i g b t 模块和h 桥i g b t 模块。本设计为满足功 率要求和提高稳定性采用h 桥i g b t 模块,其实物图如3 2 所示。 漂黪“ ;雾燃 篪滋荔象豢巍鹑。豁。? i 鍪誊黧 缓缓甏霪耄鍪鎏! 差i i ;:鬻。: 图3 2h 桥i g b t 模块实物图 选择i g b t 一件很复杂的任务,主要应考虑它的静态电气参数、开关时间、 开关损耗、热阻和耐压值几个方面。 1 静态电气参数 i g b t 的静态电器参数主要有8 个:k 删弼、( 蚺) 、跏,、l 、l 材、c 螂、 c 。和c 删,一般指在壳温疋雠= 2 5 c 的情况下,含义分别如下: ( 1 ) 集一发极击穿电压k 歙) :栅极一发射极回路为短路时,集电极与 发射极之间的击穿电压。 ( 2 ) 开启电压:当栅极一发射极电压大于该值时,集电极电流有明 显的流动迹象。 ( 3 ) 集一发极饱和电压屹跏,:在给定集电极电流的情况下,集电极与发 射极电压的饱和值。 ( 4 ) 电流定额l :连续电流定额,在某一温度下,连续电流的能力。 ( 5 ) 脉冲电流定额七m :在某一脉宽下,某一温度下可重复的电流脉冲值。 ( 6 ) 输出电容c 。:在栅极一发射极电压为零( - - 0 ) 的情况下,集电 极一发射极之间的电容。 ( 7 ) 反馈电容( 米勒电容) c 。,c 。,:集电极与栅极之间的电容。 2 开关时间 开关时间是表征功率器件开关过程特性的,属于动特性参数。i g b t 的开 山东大学硕士学位论文 关时间与以下因素有关:测量电路、工作电压、驱动电压、工作电流t 、 驱动回路的开通和关断电阻r 锄、( 即栅极串联电阻) 和芯片温度。开关 时间的定义有标准的测量电路,如图3 3 所示。 图3 - 3 标准测量电路 i g b t 工作在电阻电感负载条件下的开关时间的定义如图3 4 所示。 驱动电压 集电极电 管压降 图3 4 阻感负载条件下i g b t 的开关时间定义 开关时间特性参数也有8 个,分别为f d ( 州、t ,、f 鲫、t d ( 够) 、t f 、t o f f 、和 1 9 山东大学硕士学位论文 f ,它们的含义如下: ( 1 ) f d ( 州:开通延迟时间。当栅极和发射极之间加上阶跃式的正向驱动电 压后,栅极一发射极电压有一个逐渐上升的过程,一旦栅极一发射极电压达到 开启电压( 历) 后,集电极电流i 则开始上升。从栅极驱动电压达到其最终值 的1 0 开始,直到集电极电流,上升至负载电流的1 0 的这段段时间就定义 为开通延迟时间。 ( 2 ) f ,:上升时间。集电极电流,。由负载电流的1 0 上升到9 0 的时间 定义为f ,。上升过程中,当集电极电流,。小于负载电流l 时,这部分负载电流 由续流二极管来维持,从而使得集电极一发射极电压在此期间内没有明显的下 降,这一段时间构成了开通损耗的主要部分。 ( 3 ) t o :开通时间。为开通延迟时间0 ( 。) 与上升时间t ,之和。 ( 4 ) 乙( 够) :关断延迟时间a 当栅极驱动信号端被加上负驱动电压后,栅极 的驱动电压便开始下降过程,与此同时开始上升,在小于时续流二 极管仍处于截止状态,所以集电极电流,在此期间没有明显的下降,i g b t 也 不是瞬间关断。从栅极驱动电压降落到其开通值的9 0 开始,直到集电极电流 l 下降至负载电流的9 0 为止,这一段时间定义为关断延迟时间。 ( 5 ) ,:下降时间。当上升的超过工作电压时,续流二极管便处于 正向偏置的状态下开始导通,负载电流换流至二极管,集电极电流也因此下降。 下降时间f ,为集电极电流i 。由负载电流,l 的9 0 下降到1 0 的时间。 ( 6 ) t 够:关断时间。为关断延迟时间岛( 够) 和下降时间之和。 ( 7 ) ,:拖尾电流。当发射极电流在,z 一漂移区被关断后,区内还存在着大 量的、由集电极区注入的p 载流子,这些载流子通过再结合或反注入的方式被 清除的过程导致了集电极拖尾电流t 。 2 0 山东大学硕士学位论文 ( 8 ) :拖尾时间。集电极电流l 由负载电流l 的l o t 陷i u1 的时间 为拖尾时间。 3 开关损耗 在逆变焊机中,功率器件最大的损耗是逆变器的开关损耗。开关损耗包括 开通损耗瓦和关断损耗。 ( 1 ) 开通损耗计算:单脉冲的开通能耗吃是通过将开通过程的功率曲 线匕对时间进行积分得到的,时间为从上电到电压达到工作电压的3 的一段时间。 ( 2 ) 关断损耗计算:它包括了在关断时间。期间对应的损耗和在拖尾时 间内的拖尾电流损耗。 ( 3 ) 开关功率损耗计算:将如和与开关频率相乘,便可得到相应 的开关功率损耗巳和,两者之和即位开关功率损耗噜关,如公式3 - 1 所示。 4 热阻 热阻的物理定义为沿着功率耗散路径的温度差异,越大意味着散热能力越 差。i g b t 的热阻主要有芯片热阻r 止和接触热阻如,含义如下: ( 1 ) 芯片热阻r 缸:描述的是i g b t 芯片( 下标j ) 和模块底板( 下标c ) 之间的传热界面,表征了i g b t 芯片的散热能力。 在功耗一定时,芯片和外壳底板之间的温差靠可以由公式3 2 得出: 2 l 笔心 讲 ,冲, = = 产。 搿一 山东大学硕士学位论文 t i c = 乃一t c a $ 。= 尸r 弦 ( 3 2 ) 式中p 为模块耗散功率,巧为芯片温度,乙为i g b t 壳体温度。 ( 2 ) 接触热阻如:描述的是模块底板( 下标c ) 和散热器( 下标h ) 之间 的传热界面,表征了i g b t 模块的静态散热能力。 在功耗一定时,外壳底板与散热器之间的温差乙可以由式3 3 得出: 瓦= t c a $ 。一毛= 只如 ( 3 3 ) 式中瓦为散热器温度,如的大小取决于模块的大小、模块底板和散热器 的表面状况、模块与散热器之间的导热层( 导热脂、导热膜、压印) 的厚度与 性能以及模块与散热器接触的紧密程度。 5 i g b t 模块的耐压选择 国内的电网等级一般有两种,输入单相2 2 0 v 或输入三相3 8 0 v ,分别采用 6 0 0 v 和1 2 0 0 v 二种电压等级的模块,本设计应用在3 8 0 v 的条件下,选耐压值 为1 2 0 0 v 。 6 硬开关、软开关中i g b t 应用的区别 i g b t 的许多动态参数的定义是在硬开关模式下的,因而其动态参数值将 无法直接用于软开关模式。软开关主要分为两类【1 9 】,一类是零电压型z v s ,一 类是零电流型z c s ,它们对i g b t 的要求是: ( 1 ) i g b t 载流子的寿命短,拖尾电荷和载流子的寿命对结温的依赖性小。 ( 2 ) 在零电压开通和外加a i d t 的条件下的电导调制期内,开通过电压低。 ( 3 ) z c s 软开关中要求i g b t 内部集成的二极管反向恢复电荷低。 7 逆变焊机中采用的i g b t 总体来说,在选择i g b t 模块时需要考虑:无论在静态或动态运行过程中, 参数表中给出的最大定额均不得被超过,例如截止电压、峰值电流、结温或允 许的安全工作区;还有模块封装的最大定额,例如绝缘电压、允许振动、气候 条件、安装规定等。 另外,设计时应该给i g b t 结温留有设计余量,以便应付理论上无法预计 山东大学硕士学位论文 到的运行状况,并且保证这些情况出现后,半导体的静态和动态参数仍然能够安 全地回到半导体制造商所保证的在正常温度下所测定的数值,有关i g b t 热保 护的设计将在本章第四节介绍。 国内的i g b t 逆变焊机大部分基本上采用德国西门子或s e m i k r o n 的 i g b t ,以5 0 g b l 2 3 d 1 5 0 g b l 2 3 d 的i g b t 较多,表3 1 ,3 2 为本设计采用的 用于5 0 0 a 输出的赛米控( 又译西门康) s k m l 5 0 g b l 2 3 d 参数图表【2 0 1 。 表3 - 1 赛米控i g b ts k m l 5 0 g b l 2 3 d 极限参数图表 a b s o l u t em a x i mu mr a t i n g s t c = 2 5 。c u n l e s so t h e r w i s es p e c 萨i e d s y m b o l l c o n d i t i o n s| v a l u e s | u n i t s b b t v c 鸱 t 22 5 1 2 0 0v i ct l2 1 , 5 0 1 。2z 5 e 1 5 口a l 。= 8 0 。c 1 1 0a l c m 聃i c m = 2 翻c m n 2 0 0 ! i , 2 a v 弋。 v c c = 8 0 0 v :v 穗扛置2 0 v : l = 1 2 5 。c 1o i j s v e 燃1 2 0 0v 表3 - 2 赛米控i g b ts k m l 5 0 g b l 2 3 d 特性参数图表 c h a m c t e ri s l t i c st c =2 5 。c ,u n l e s so t h e r w i g es p , = 。c i f i e d s y m b o l c o n d 啦0 1 1 1 r a i n t y p m a 0 ( i u n i t s - g b t v 馘帅v 龇= v c p i 。24 m a 4 j5 56 jv i 。毫藏v 能= 0 v v c 毫= v e 妊毒t i = 2 5 c 0 1 o jm t j21 2 5 m ; v c 鼬t t 22 5 1 41 j v i 21 2 5 c 1 s1 j v r c v = 1 5vt i2 2 5 。c1 11 4m n t 1 21 2 5 。c 151 9m n v 。 - 靠i 。= 1 0 0 a v t # 2 1 5vt l2 。h p 。 2 53v 6 58 5 n f c q 。v c 酝= 2 5 v 雠;0 v f = 1m h k11 jn f c h - 0 50 胄n f q 。v c 二t = _ 8 v + 2 0 v 1 0 0 0n c 民。 t = c 2 5 n 气,。 1 6 03 2 01 1 4 = 气r 跏= 6 曩nv c c = g o o v 盘o1 e on s e 。k 。f1

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