CN100586631C - 基于arm的嵌入式数字化多功能逆变式软开关弧焊电源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于ARM的嵌入式数字化多功能逆变式软开关弧焊电源，包括主电路、控制电路以及高频引弧电路；主电路包括整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块、整流平滑和稳弧模块组成，控制电路包括过压欠压保护检测模块、电流电压采样检测与反馈模块、ARM微控制器和高频驱动模块组成。本发明实现了全数字化控制；对焊接电弧的瞬态能量进行实时精细化控制，使焊接过程的控制更精确和柔性化；采用软开关高频IGBT逆变技术，在进一步提高效率和逆变频率、节省制造材料的同时，提高了逆变焊机的电磁兼容能力和可靠性；能够提供手工焊/直流氩弧焊/脉冲氩弧焊等多功能的应用，同时还预留了网络化管理的接口功能。
Description
技术领域
本发明涉及光机电一体化技术领域，还涉及电力电子技术、高频逆变技术、数字化控制技术以及自动控制理论与技术，具体是指一种基于ARM的嵌入式数字化多功能逆变式软开关弧焊电源。
背景技术
目前，在焊接电源领域，由于其工艺所需要的大电流、大功率，传统的焊接电源主要以硅整流和晶闸管整流式为主，体积庞大、笨重、能耗低、效率低，且由于其结构原因，动、静态特性均不够理想。采用逆变技术是解决这些问题的最好办法。首先，逆变技术大幅度提高电源的频率使得电源主变压器的体积、质量大幅度的减小；同时，由于电子功率器件工作于开关状态，变压器等可以采用铁损很小的磁芯材料，效率得到极大提高；由于主电路中存在电容，功率因数得到提高，节能效果明显；此外，由于工作频率很高，主电路中滤波电感值小，电磁惯性小，易于获得良好的动特性，因此可控性好。
弧焊逆变电源的数字化控制是大势所趋。弧焊逆变电源的数字化控制技术，使逆变电源更可靠，性能更好，功能更全，一致性更好。弧焊逆变电源的数字化控制技术主要有两个目的：一是使用数字化技术迅速解决弧焊逆变电源自身问题；二是用数字化技术提升弧焊逆变电源的功能，满足先进制造技术的需求。数字化控制易于采用先进的控制方法和智能控制算法，使得弧焊电源的智能化程度更高，性能更加完美；控制系统灵活，系统升级方便，易于实现多参数的协同控制，甚至可以在线修改控制算法及控制参数，而不必改动硬件线路，大大缩短了设计周期；控制电路的元器件数量明显减少，因此缩小了控制板体积，提高了系统的抗干扰能力和系统稳定性；控制系统的可靠性提高，易于标准化；系统的一致性较好，生产制造方便；由于控制方法灵活，便于多个逆变电源并联运行控制，从而实现更大功率输出。
目前，严重制约弧焊逆变电源发展的问题之一就是其对环境的污染问题，“电磁污染”已经继“水、气、渣、声”之后被确定为第五大环境污染源。
为进一步提高我国电气电子产品的安全性和可靠性，电气电子产品的电磁兼容性要求将纳入国家强制性产品认证范围。在出口方面，由于受欧盟指令的限制，我国逆变焊机产品很难进入欧洲市场。中国已经加入世界贸易组织，随着世界经济一体化进程的加快，焊机行业如不加快逆变电源的“绿色化”改造进程，国产的逆变焊机很可能被挤出国际甚至国内市场。采用软开关高频逆变技术，不仅可以有效改善功率器件工作环境、提高系统可靠性，还可以有效地降低逆变焊机电磁干扰，提高逆变焊机的电磁兼容性，实现“绿色化”设计，对国产逆变焊机占领国内外市场，推动焊机行业技术进步具有重要意义。
数字化焊接电源是一个典型的对时间要求比较苛刻的嵌入式系统。对每一个异步事件，系统都必须在规定的有限时间内给出响应。例如，对焊枪手动开关的响应，对起弧和收弧是否成功的信号的响应，对过流、过热信号的响应等。在这种系统中，响应时间短、速度快是关系到焊接过程的正确性和焊接质量的重要因素。对异步事件的处理，不仅要输出正确的结果，而且还要看它的处理时间是否在指定的时间范围内，否则难以达到预期的焊接效果，甚至会出现焊接时序混乱的情况。为追求更快的响应速度，除了在控制电路上采用性能更好、速度更快的微处理器外，运行于微处理器上的操作系统的采用和选择也是一个十分重要的环节。要达到强实时控制下的稳定性和安全性，这是是否采用嵌入式操作系统以及嵌入式系统是否符合应用要求的评价标准。
据统计，目前全世界嵌入式控制领域，ARM微处理器凭借其高性能、低功耗、低成本的优势，应用最为广泛，占有近70％的市场。在逆变焊机的嵌入式数字化控制方面，ARM具有丰富的控制接口，较强大的运算能力，综合性能好；μC/OS-II嵌入式实时操作系统得到了美国联邦航空管理局的稳定性与安全性标准的认证，是一个完整的、可移植、固化、裁剪的占先式实时多任务内核，它的函数调用和服务执行的时间具有确定性，是可知的。该时间不依赖于用户应用程序任务数目的多少；除此之外，它是完全剥夺型的实时内核，总是运行就绪条件下优先级最高的任务，因此特别适合于焊接电源这种多任务、对时间要求比较苛刻的场合。据检索，目前还未有以32位ARM嵌入式微处理器作为数字化核心的软开关逆变焊机相关技术成果，市场上更没有相关的产品；在将μC/OS-II嵌入式实时操作系统与ARM相结合，利用模块化、可移植的设计方法，实现对软开关逆变焊机的实时精密化控制方面，还没有相关的报道，均属于空白。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述现有技术中存在的不足之处，针对目前弧焊电源存在的问题以及相关技术的发展趋势，提供一种基于ARM的嵌入式数字化多功能逆变式软开关弧焊电源。该电源以32位ARM嵌入式微处理器为核心，将μC/OS-II嵌入式实时操作系统移植到焊机的控制中，结合软开关高频逆变技术，使焊机具备优异的一致性、可靠性和动态响应能力，实现手工焊/氩弧焊/脉冲氩弧焊等三种焊接功能，基于电弧瞬态能量的精细化控制技术，优化利用焊接电弧能量，提高热效率，保证良好的电弧稳定性，以获得优质的焊缝性能。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
本发明所述基于ARM的嵌入式数字化多功能逆变式软开关弧焊电源，包括主电路、控制电路以及高频引弧电路相互连接组成；所述主电路包括整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块、整流平滑和稳弧模块依次连接组成，所述整流滤波模块与三相交流输入电源相连接，所述整流平滑和稳弧模块与负载相连接；所述控制电路包括过压欠压保护检测模块、电流电压采样检测与反馈模块、ARM微控制器和高频驱动模块相互连接组成，所述ARM微控制器分别与高频驱动模块、电流电压采样检测与反馈模块、过压欠压保护检测模块相连接，所述电流电压采样检测与反馈模块的另一端还与负载相连接，所述过压欠压保护检测模块的另一端还与三相交流输入端相连接，所述高频驱动模块还与高频逆变模块相连接；所述高频引弧电路分别与ARM微控制器、负载相连接。
为了更好地实现本发明，所述ARM微控制器分别连接有人机对话模块、温度检测模块、网络化管理扩展模块；所述高频驱动模块包括两个由高频场效应管、脉冲变压器构成的高频驱动单元SC7024M以及外围电路相互连接组成；所述ARM微控制器采用32位高速ARM嵌入式微处理器，包括固化有μC/OS-II嵌入式实时操作系统的ARM芯片、ULN2003A以及外围电路相互连接组成；所述整流平滑和稳弧模块包括电容C3-5、C6-8以及整流桥B1相互连接组成；所述高频引弧电路包括芯片IC1555、脉冲变压器T1及外围电路相互连接组成。
本发明为基于ARM微控制器的数字化IGBT软开关逆变式多功能焊接电源，主电路全桥逆变式拓扑，在非手工焊时采用高频引弧。脉宽调制是通过在μC/OS-II嵌入式实时操作系统中进行软件编程，来实现给定信号与反馈信号的比较运算，并通过ARM微控制器的PWM模块输出两组四路相位差可调节的推挽驱动信号，来控制功率开关管IGBT按照一定的时序导通与关闭，实现高频交直流转变。电流反馈是在负载电流输出端用霍尔元件检测输出电流，得到采样信号，经过放大、比较，再输送到ARM微控制器，来改变功率管IGBT的导通与截止时间，实现占空比的调节以达到功率调节的目的，使电弧的瞬时输出能量保持稳定，达到焊接过程精细化控制的目的。
本发明与现有的技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明实现了全数字化控制，使焊机具有更好的一致性、动态响应性能和可扩展性。
2、本发明对焊接电弧的瞬态能量进行实时精细化控制，使焊接过程的控制更精确和柔性化，优化利用焊接电弧能量，提高热效率，保证良好的电弧稳定性，以获得优质的焊接质量。
3、本发明采用软开关高频IGBT逆变技术，在进一步提高效率和逆变频率、节省制造材料的同时，改善器件工作环境，提高了逆变焊机的电磁兼容能力和可靠性。
4、本发明能够提供手工焊/直流氩弧焊/脉冲氩弧焊等多功能的应用，同时还预留了网络化管理的接口功能。
附图说明
图1是本发明的电路方框图；
图2是本发明的主电路的电路原理图；
图3是本发明的高频驱动模块的电路原理图；
图4是本发明的高频驱动模块中高频驱动单元SC7024M的电路原理图；
图5是本发明的ARM微控制器的电路原理图；
图6是本发明的高频引弧电路的电路原理图；
图7是本发明的整流平滑和稳弧模块的电路原理图；
图8是本发明的焊机基本工作(手工焊/直流氩弧焊/脉冲氩弧焊)流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的详细说明，但本发明的实施方式并不局限于此。
如图1所示，本发明所述基于ARM的嵌入式数字化多功能逆变式软开关弧焊电源包括主电路、控制电路以及高频引弧电路相互连接组成。主电路包括整流滤波模块101、高频逆变模块102、功率变压模块103、整流平滑和稳弧模块104依次连接组成，整流滤波模块101与三相交流输入电源相连接，整流平滑和稳弧模块104与负载相连接。控制电路包括过压欠压保护检测模块109、电流电压采样检测与反馈模块107、ARM微控制器105和高频驱动模块106相互连接组成，ARM微控制器105分别与高频驱动模块106、电流电压采样检测与反馈模块107、过压欠压保护检测模块109相连接，电流电压采样检测与反馈模块107的另一端还与负载相连接，过压欠压保护检测模块109的另一端还与三相交流输入端相连接，高频驱动模块106还与高频逆变模块102相连接。高频引弧电路111分别与ARM微控制器105、负载相连接。ARM微控制器105还分别连接有人机对话模块108、温度检测模块110、网络化管理扩展模块112，其中，温度检测模块110包括过热检测电路与过热故障分析电路，其一端与散热器和功率变压器上的温度传感器相连接，另一端与ARM微处理器105的中断输入引脚相连；人机对话模块108包括对给定信号、输出信号的处理以及显示电路；网络化管理扩展模块112主要包括基于TCP/IP、CAN等通信扩展应用电路。
如图2所示，在主电路中，三相交流输入电源连接整流滤波模块101的整流桥，然后连接滤波环节L1、C5-8，再连接高频逆变模块102的逆变桥VT1-4、C11-14、R5-8，其中，R5-8在实际电路当中用零电阻线代替，C11-14为外接的谐振电容。高频逆变模块102的输出连接功率变压模块103的高频功率变压器T1初级，变压器次级通过高频全波整流电路D1～4、滤波环节L2、C9-10、C15- 16、R1-2、R9后输出直流电，以上环节构成功率主电路。高频逆变模块102包括TR1和TR2两个逆变桥臂(分别为超前桥臂和滞后桥臂)，每个桥臂包含了两个单元的IGBT。
如图3、4所示，高频驱动模块106主要起到数模隔离以及功率放大作用，包括两个由高频场效应管、脉冲变压器等构成的高频驱动单元SC7024M以及外围电路。由ARM微控制器105输出的四路相位差可调、死区时间可调的PWM信号，通过高频驱动模块106之后变成能够驱动IGBT功率器件得四路驱动信号，分别驱动超前和滞后逆变桥臂TR1、TR2的四个IGBT模块。由ARM微控制器105提供的PWM信号经过高频驱动模块106隔离放大之后，转变为正半波最高幅值+15V，负半波最低幅值-15V的交流脉冲信号，可以满足大功率IGBT可靠开启和关断的需要。通过控制超前桥臂和滞后桥臂的相位差异，也即控制PWM信号的移相角，逆变主回路中的外接谐振电容、寄生电容和功率变压器的寄生电感、漏感等构成了一个LC谐振回路，在功率开关器件开关过程中实现零电压谐振换流，开关损耗低，器件的电磁应力大幅度降低。
如图5所示，ARM微控制器105采用32位高速ARM嵌入式微处理器，以固化于ARM芯片内的μC/OS-II嵌入式实时操作系统为逆变焊机的操作系统平台，由ARM芯片、ULN2003A以及辅助电路相互连接组成。根据电流电压采样检测与反馈模块107检测到负载的电流电压与给定的参数进行比较，并在μC/OS-II嵌入式实时操作系统上完成数据运算和处理，再经过ARM微控制器105的PWM引脚输出四路相位差可调节的PWM信号，并通过高频驱动模块106隔离和放大后去控制高频逆变模块102的开关管开通和关断。ARM芯片主要实现电源的输出特性控制、焊接过程的时序控制、外部监控与人机对话的功能。外部监控信号如电源指示、故障指示、欠过压指示等都是通过ARM芯片来控制的，焊接模式的选择、脉冲焊接时的脉冲频率、电流上升下降时间、焊接电流、高频引弧、电流电压显示信号的控制也都是通过ARM芯片来完成的。其中，欠压保护、过压保护、过热保护等输出信号接入ULN2003A，然后与ARM微控制器相连接。利用ARM芯片控制外部监控与人机对话使得本焊接电源的多参数调节与控制更方便，使用更简易，易于推广。
如图6所示，高频引弧电路111采用弱电流高频高压引弧技术。脉冲变压器T1的一端通过电阻R6与输入供电整流部分相连接，另一端与高频场效应管Q1相连，由IC1555芯片构成的脉冲发生电路控制高频场效应管Q1的开通和关断，来控制脉冲变压器的工作状态，实现脉冲转换功能；火花放电器(P1、P2)、电容C6、脉冲变压器T1构成了高频震荡回路。高频引弧电路111通过芯片IC1555触发器控制高频开关场效应管Q1快速开通与关闭，实现脉冲变压器T1的原边产生高频信号，通过与负载电路耦合的变压器，使输出端得到高频信号。引弧时，让钨极末端与焊接表面之间保持一定的小间隙，然后接通高频振荡器脉冲引弧电路，使间隙击穿放电而引燃电弧，实现可靠的非接触引弧，还可防止焊缝产生夹钨缺陷。
如图7所示，整流平滑和稳弧模块104主要由电容63-5、C6-8以及整流桥B1构成，利用电容吸收回路中的能量，由ARM微控制器105根据电弧瞬态能量的实时变化情况，控制整流平滑和稳弧模块104导通时刻和导通持续时间，保证电弧能量的稳定，使得电弧能够稳定燃烧。
如图8所示，本发明的基本控制流程包括初始化流程(a)、手工焊控制流程、直流氩弧焊(b)和脉冲氩弧焊的控制流程(c)。应用本发明时，三相380V工频交流电经过整流滤波模块101后成为平滑直流电，进入高频逆变模块102，ARM微控制器105对电流电压采样检测与反馈模块107检测到负载的电流与设定值进行高速数据运算和处理，经过ARM微控制器105的PWM模块输出相位差可调、死区时间可调的四路PWM信号，这四路PWM信号通过高频驱动模块106进行数模隔离与功率放大后去控制高频逆变模块102，通过逆变回路的移相谐振换流，实现IGBT功率开关管的零电压开通和关断，并得到20～30KHz高频高压电，高频高压电再经过功率变压模块103转换成符合焊接工艺要求的大电流低电压的脉冲电流，再经过整流平滑和稳弧模块104得到更加平滑的直流电；通过脉宽调制的方式实现逆变焊机直流/脉冲输出，这就是整个的闭环控制过程。温度检测模块110检测散热片温度，送给ARM微控制器105从而控制高频逆变模块102，形成过热保护控制环节，以保证电源的安全工作；过压欠压保护检测模块109检测三相工频电压，把检测到的电压信号送给ARM微控制器105，用给定电压电流与采样电压电流信号进行比较，控制PWM输出信号的移相范围，如出现过压、欠压的现象，ARM微控制器105将关闭其PWM模块的输出，从而保障电源的安全。
本发明的上述实施例具有以下特点：
1、全数字化：本实施例首次以32位高速ARM嵌入式微处理器为核心，以μC/OS-II嵌入式实时操作系统为弧焊电源的数字化控制平台，充分利用ARM芯片在嵌入式控制方面的优越性能，采用模块化、可移植的设计方法，通过软件编程实现电源输出特性控制、焊接时序控制和外围监控与人机对话功能，两组移相PWM信号直接由ARM芯片通过编程方式输出，最终实现弧焊电源的全数字化控制，使焊机具有更好的一致性、动态响应性能和可扩展性。
2、精细化：本实施例充分利用了32位ARM嵌入式微处理器的高速运算和数据处理能力，对焊接电弧的瞬态能量(焊接电流与焊接电压)进行实时采集、计算、分析、推理以及综合智能判断，根据电弧状态实时自动控制焊接电源的输出特性，以达到对焊接电弧瞬态能量优化输出和调节的目的，跟踪电弧状态快速响应电弧变化和焊接电流的设定，同时通过稳弧吸收模块的能量调节作用，使焊接过程的控制更精确和柔性化，保证电弧即使在低电流情况下依然可以稳定的燃烧，以获得优质的焊接质量。
3、绿色化：本实施例采用软开关高频IGBT逆变技术，通过移相谐振换流的方式实现超前桥臂和滞后桥臂功率IGBT模块零电压开通和关断，使得IGBT在开关过程的电流和电压冲击小，开通和关断的损耗低，进一步提高逆变频率和能量转换效率、节省制造材料，降低逆变焊机电磁干扰，提高逆变焊机的电磁兼容性，实现“绿色化”设计，解决严重制约逆变焊机进一步发展所面临的瓶颈问题-电磁污染问题。与过流、过压、欠压、过热检测与保护等电路相结合，进一步提高了逆变焊机的安全性和可靠性。
4、多功能化：本实施例能够提供手工焊/直流氩弧焊/脉冲氩弧焊等多种功能，在氩弧焊接过程中可采用高频引弧模块控制引弧，实现非接触引弧，起弧容易；通过电流缓升缓降功能，使得起弧瞬间电流冲击小，飞溅小，而在收弧过程弧坑可以得到良好填充，焊缝成形美观；同时，还预留了网络化管理的接口功能。
如上所述，即可较好地实现本发明。
Claims (4)
1、一种基于ARM的嵌入式数字化多功能逆变式软开关弧焊电源，其特征是，包括主电路、控制电路以及高频引弧电路相互连接组成；所述主电路包括整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块、整流平滑和稳弧模块依次连接组成，所述整流滤波模块与三相交流输入电源相连接，所述整流平滑和稳弧模块与负载相连接；所述控制电路包括过压欠压保护检测模块、电流电压采样检测与反馈模块、ARM微控制器和高频驱动模块相互连接组成，所述ARM微控制器分别与高频驱动模块、电流电压采样检测与反馈模块、过压欠压保护检测模块相连接，所述电流电压采样检测与反馈模块的另一端还与负载相连接，所述过压欠压保护检测模块的另一端还与三相交流输入端相连接，所述高频驱动模块还与高频逆变模块相连接；所述高频引弧电路分别与ARM微控制器、负载相连接；
所述整流平滑和稳弧模块包括高频全波整流电路(D1～4)、滤波环节(L2、C9～10、C15～16、R1～2、R9)以及稳弧模块构成，所述稳弧模块包括电容(C3～ 5、C6～8)以及整流桥(B1)相互连接组成；所述高频引弧电路包括芯片IC1555、脉冲变压器(T1)及其外围电路相互连接组成。
2、根据权利要求1所述的基于ARM的嵌入式数字化多功能逆变式软开关弧焊电源，其特征是，所述ARM微控制器分别连接有人机对话模块、温度检测模块、网络化管理扩展模块。
3、根据权利要求1所述的基于ARM的嵌入式数字化多功能逆变式软开关弧焊电源，其特征是，所述高频驱动模块包括两个由高频场效应管、脉冲变压器构成的高频驱动单元(SC7024M)及其外围电路相互连接组成。
4、根据权利要求1所述的基于ARM的嵌入式数字化多功能逆变式软开关弧焊电源，其特征是，所述ARM微控制器采用32位高速ARM嵌入式微处理器，包括固化有μC/OS-II嵌入式实时操作系统的ARM芯片、ULN2003A及其外围电路相互连接组成。
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