闪光对焊机电源主电路仿真及控制系统设计

1、！试验与研究文章编号：（）闪光对焊机电源主电路仿真及控制系统设计王宏文，邢久高，王永伟（河北工业大学电气与自动化学院，天津）摘要：介绍了一种全敷字化的剪切一闪光对焊机的研究与开发，具体讨论了焊机电源主电路的仿真，重最介绍了剪切一闪光对焊机电源教字同步和触发电路、保护，电流电压的采样电路等。提出了剪切一闪光对焊机电源的全数字化控制思想，建立了焊机电源数字化、信息化、柔挂化的平台。经试验验，谊焊机电潭能满足闪光对焊机低电压大电流的工艺要求，实现了剪切一闪光对焊机电源的全数字化控制。关键词：全教字化；闪光对焊机；主电路仿真；控制系统中图分类号：文献标志码：靠性、高性能全数字化剪切一闪光对焊机的焊机电

2、前言将闪光焊用于无头连续轧制技术。首先是由意大利达涅利公司开发。并在马来西亚钢厂投人实际生产。无头连续轧制技术主要应用于棒材及线材生产线。经加热炉加热后的连铸坯通过夹送辊送入除鳞机除去氧化铁皮。当前一根钢坯的尾部和后一根钢坯的头部达到焊接区时。闪光对焊机启动并与钢材速度同步，直至在它们的端面形成熔融区，随后用强力将两端挤压在一起，完成焊接，去除毛刺之后。进入轧机轧制实现无头连续轧制。该技术处于国际领先水平。利用闪光焊技术来保证板（带）材、棒材和管材的连续生产以达到较高产品质量和生产效率。这是目前国际冶金行业最先进的加工工艺。但由于设备昂贵，除了国有特大型企业，很难在众多中小型金属加工企业中应用

3、。将闪光焊技术用于高频焊管生产线的剪切、对焊工艺在我国还是空白。针对上述问题，将闪光焊技术应用到焊管生产领域。研制具有自主知识产权，机电液气一体化、集计算机控制技术、现代控源，对促使国技术国产化，提高经济效益等都具有十分重要的意义。本课题主要对焊机电源的主电路进行电路仿真，验证其可行性，并对焊机电源的一些基本电路进行了设计。焊机电源主回路的选择闪光焊机电源多数采用初级调压次级整流结构。次级整流的核心是大容量的整流器。由于次级为直流回路，功率因数高达。所以与其他结构的交流焊机电源相比具有明显的优点。本课题中闪光对焊机的主回路采用三相次级整流电路。其主回路电气原理如图所示。由图可以看出，它是一个不

4、接相间变压器的六相整流系统，它由个单相变压器按单相全波形式组合起来。每相变压器完全独立。分别以电源相位差顺序供电给焊机的次级回路，次级侧为中心抽头式的全波整流。该系统由个简单的单相系统组合而成，使供电结构大为简化并使结构通用化。制理论应用和电力电子技术于一身的“剪切一闪光对焊机”高科技产品，占领国内、外市场，为企业发展提供后劲是一项十分重要、有意义而又可行的工作。由于此项技术采用专用焊机电源。因此研究高可。书卜一收稿日期：田焊机电叠主回路结构圈万方数据试验与研究在闪光焊的闪光阶段。闪光接触电阻起主要作用其值总是大于焊件电阻。钢焊件的闪光接触电阻一般在斗之间。只有在顶锻阶段焊件电阻才起主要作用。

5、所以在闪光过程中。整个焊接次级回路的电抗相对就比较大。本文以相电压零点为计算控制角的起点。在相电压相角为时线电压乩最大，首先触发导通晶闸管。晶闸管导通后线电压最大，此时触发导通晶闸管，晶闸管导通顺序为，。主电路仿真本文选用对主电路进行仿真。是一款功能十分强大的电路辅助设计工具。是由美国公司推出的电路仿真软件它有十分丰富的元件库。收录了许多常用的电子元件符号及其对应模型。它具有强大的电路仿真分析能力。可以对电路元器件的参数进行统计仿真分析和对电路进行优化仿真。本文的电路仿真原理如图所示。马丌、。卜一“：一厂！”、”一耵上矾虻麟弋一），广一南一一亨”、孑瞄。（，秒分，圈主电路仿原理圈本文中分别对控

6、制角为。，。，。时进行了仿真，仿真波形如图所示。（）控制角为。时负载电压波形图万方数据焊接技术第卷第期年月（）控制角为。时负筑电压波形图田仿真波形圈从仿真结果可以看出。主电路负载的电压仿真波形与理论计算结果非常的相近，同时，仿真结果也比较理想。控制系统设计控制系统中控制的主要目的是控制晶闸管的导通。从而获得焊接所需的低电压大电流。本课题中采用公司的芯片做为主控芯片。来控制晶闸管触发角的大小。芯片以其稳定性、可重复性、可集成性、柔性化编程和易于实现实时控制等特点成为很好的焊接电源控制芯片。砣芯片是位，单周期指令执行时间为。具有双十位路转换。路比较输出和个位通用定时器能够很好地满足焊接电源的实时控

7、制。在控制系统中，次级电压电流通过霍尔元件来检测，经转换处理后进行反馈，同时通过进行显示。此外还设计了保护电路，参数预置电路等。系统方框图如图所示。黜卜医匦习匦同步电路光电隔离触发器电流采样篓一溯电压采样上电复位与启动电路参数预置与显示电路田控制系统硬件方框田同步电路及触发电路本文中同步信号直接取主晶闸管的阳极电压。电压过零点时光耦合截止，呈现高电平，控制器的捕获引脚对同步信号的过零点进行捕捉产生中断请求。经施密特反相器整形。即得到在电压过零点时的正跳变的同步脉冲。内核立即响应中断，转到中断服务程序。触发电路由光激晶闸管来触发主晶闸管，其阴极与主晶闸管的控制极相连，故两者的阳极电压相同。触发脉

8、冲经电流放大触发导通继而触发主晶闸管主晶闸管导通后迫使关断。参数预置、采样和保护电路集成了模拟数字放大器构成参数预置电路，进行焊接电压、电流的预置和调节。本系统采用电位器通过帅转换通道输入的方法。并通过数码管显示实现人机对话将给定值直接显示出来。闪光对焊控制过程中需要对焊接电流和焊接电压进行实时监控和采集。线性霍尔元件体积小外围电路简单，频带宽，动态性好，寿命长，并且具有电磁隔离功能，因此被用于闪光焊机电源的采样中。本文设计的采样调理电路如图所示。田采样调理电路闪光对焊是一种低电压、大电流的焊接方式。为了保证焊机和人身安全。在焊接过程中必须采取保护本系统的方法，设计了三相四线制的缺相、过压、欠

9、压和过热保护。当出现以上种故障的任意一种时。首先判断是否真的出现了故障。以排除故障误报警，如果真的有以上的种故障之一发生。将关闭的功率驱动保护中断引脚的输出。结束焊接过程，除非手工复位，从而达到保护芯片和焊机的作用。以上不同的故障采用不同的发光二极管显万方数据试验与研究示，再关闭焊接电源，便于维修。保护电路的原理图如图所示。结论（）该闪光焊机电源控制系统能够很好地满足剪切一对焊机电源的技术要求：实现了剪切一闪光对焊机电源的全数字化、柔性化和信息化控制。（）利用软件对焊机电源主电路进行了仿真，结果表明该设计方案切实可行，符合理论要求。（）的和电路控制的晶闸管同步捕捉触发电路可以精确、快速的控制各

10、种单相和三相整流电路的输出。的转换速度快并且具有个位输出串行外设模块能够实时准确地显示焊接电流和焊接电压等外特性的变化。结构简单，编程方便。参考文献：王宏文，王俊彪，李志刚。等基于的闪光焊机电源的数字化设计及电路仿真制造业自动化，（）：李鹤歧李春旭，高忠林，等基于实现焊机电源系统数字化控制的设计焊接学报，（）：罗胜金，杜井雄，周雒维高频焊接设备的谐波分析与治理】重庆大学学报（自然科学版），（）：，）科，（）：王兆安，黄俊电力电子技术北京：机械工业出版社晒作者简介：王宏文（一）男辽宁新民。教授，年毕业于东北大学工业自动化专业主要从事现代传动控制理论与智能化工程装备方面的研究，发表相关论文篇闪光对

11、焊机电源主电路仿真及控制系统设计作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：王宏文， 邢久高， 王永伟， WANG Hong-wen， XING Jiu-gao， WANG Yong-wei河北工业大学,电气与自动化学院,天津,300130焊接技术WELDING TECHNOLOGY2009，38(5)0次参考文献(5条)4.SYREK G J.DOANTM Development of flash butt welding monitor for improvement of quality control inproduction of steel car wheels 20

12、02(04)相似文献(10条)1.学位论文 李效华 基于DSP的全数字化超声波电源的研究 2007超声冲击机自诞生以来，因其执行机构轻巧、并且可控性好、适用于多种接头等优点，受到了广泛的好评。但由于其模拟电路本身固有的缺点，超声冲击机内部控制电路频率跟踪系统的速度和精度以及稳定性均达不到要求，从而造成系统失谐，机器不能正常运转。解决的办法是要找到一种工作频率高、反应速度快、控制灵活、工作稳定的替代系统，这就是本文讨论的核心DSP嵌入系统反馈控制。本文首先对控制芯片的选用做了详细介绍，并设计了信号采集系统的硬件电路，包括DSP最小系统的硬件电路，MAXIM信号采集系统、外围电路等。以及翔实介绍了

13、有关傅立叶变换的原理，发展和应用的基本方法，通过深入学习DSP集成开发环境，对控制芯片进行开发利用。在软件编程中，采用DSP中FFT模块，解决了在高频采集信号受到干扰时选择主频信号滤波选择的问题，以此来调整PWM波形的频率，实现了控制目的。并且利用DSP的CAN总线连接液晶显示系统，从而实现对电压电流信号值的实时监控，以便利于实现人机的实时交换控制。实验结果表明，利用MAXIM高速采集信号并由DSP进行主频选择可以实现对工作电流信号的反馈控制，可以实现超声波冲击机的工作频率的稳定。设计了以TMS320F240为核心的控制系统,为了控制焊机的输出功率和焊机的输出外特性,设计采用了脉宽调制型控制方

14、式.结合TMS320F240输出的PWM波形,设计了专门的分频电路.利用霍尔传感器设计了电流、电压反馈系统,形成了闭环控制系统.针对焊接过程中可能出现的过流、过热、过/欠压等故障,设计了相应的保护电路和报警电路.分析了系统软件的功能,采用模块化软件设计方法,设计了控制系统主程序、中断服务程序以及子程序.系统经调试后,输出的波形理想、控制可靠,实现了全数字化PMAG的控制.3.学位论文 叶剑波 全数字化交流伺服系统的研究 1999该文主要提出了一种全数字化交流伺服系统的控制方法,设计完成了基于DSP TMS320F240的主控制电路.同时对电流环的不同控制方法进行了仿真研究和比较,选择了交流电流

15、比较控制方案完成了电流环的数字化,并通过实验验证.此外,该文还提出了一种滑模变结构观测器,用于观测伺服系统负载扰动及瞬时转速.仿真和实验研究证明,采用滑模观测器能显著减少传统速度计算方法造成的延迟,提高伺服系统的速度控制精度和响应速度.此方案不仅可以用在交流伺服系统上,还可用在直流伺服系统上,具有较大的应用前景.为了控制焊机的输出功率和焊机的输出外特性,采用脉宽调制型控制方式,设计了以TMS320F240为核心的控制系统.结合TMS320F240输出的PWM波形,设计了专门的分频电路;利用霍尔传感器设计了电流、电压反馈系统,形成了闭环控制系统;针对焊接过程中可能出现的过电流、过热、过/欠电压等

16、故障,设计了相应的保护电路和报警电路.采用模块化软件设计方法,设计了控制系统 主程序、中断服务程序以及子程序.系统经脱机联机调试后,输出的波形理想、控制可靠,实现了全数字化PMAG的控制.5.学位论文 徐运燕 基于DSP的全数字化声发射及故障源识别技术研究 2002直接转矩控制作为一种比较新型的交流调速方法,使系统得到良好的动静态特性.该文对异步电动机直接转矩控制的数学模型、磁链模型及基本结构进行了理论分析和研究,提出了电压矢量的概念实现直接转矩控制的方案,完成了基于数字信号处理器(DSP)TMS320F240型芯片的全数字化直接转矩控制系本文主要介绍了基于DSP的全数字化SVPWM（Spac

17、e Vector PWM）三相逆变器闭环系统的总体设计方案，其中包括逆变器主电路的设计和逆变器数字控制系统的软硬件设计。逆变器主电路的设计包括四个部分，第一是能抑制输入浪涌电流的整流电路的设计，第二是具有无损吸收电路且适用于高开关频率的三相逆变器开关电路的设计，第三是变压器的设计，最后是LC输出滤波器的设计。逆变器控制系统在控制策略上采用电压型PWM逆变控制，并用TI公司的DSP芯片 TMS320LF2407A、相应的驱动电路和高速数据采集电路等实现这种全数字化闭环控制。在进行数字控制系统软件设计时，特别对应用于本系统中的空间矢量PWM（SVPWM）控制算法、数字PI算法，复数快速傅立叶变换（

18、CFFT）算法和FIR数字滤波算法等几种重要的数字信号处理算法作了详细地推导和分析，并在这些算法的基础上给出了控制系统主程序流程图和实验结果。最后对适用于高电压大功率的三电平逆变器作了初步的探讨，并给出了三电平逆变器的Matlab模型及其仿真结果。设计了以TMS320F240为核心的控制系统,为了控制焊机的输出特性,采用脉宽调制型控制方式,结合TMS320F240输出的PWM波形,设计了专门的分频电路.利用霍尔传感器设计了电流、电压反馈闭环控制系统.针对焊接过程中可能出现的过流、过热、过/欠压等故障,设计了相应的保护电路和报警电路.研制了数字化送丝系统,送丝稳定.说明了DSP开发环境和CCS的使用,以及如何进行DSP软件的开发.分析了系统软件的功能,采用模块化软件设计方法,设计了控制系统主程序、中断服务程序以及子程序.系统经脱机联机调试后,输出的波形理想、控制可靠,体现了数字化控制的优越性.10.学位论文 白玉成 基于DSP的高压巡线机器人全数字化伺服控制系统的研制 2005本课题是在分析和研究高压巡线机器人原控制器的基础上，设计了一种基于DSP的全数字化控制系统，该系统采用主从式多处理器工作模式，以TMS320LF2407DSP为核心器件，通过调用它的两个事件管理器(EVA和EVB)实现对两个无刷直流电机的