CN101244479A - 多功能全数字化逆变焊机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种逆变焊机，具体是一种多功能全数字化逆变焊机。解决了现有逆变焊机仅能实现单一焊接方式的问题，该多功能全数字化逆变焊机的工作电路包括：含有由两块双IGBT功率管集成块M1、M2联接构成的IGBT逆变整流桥的主电路和控制IGBT逆变整流桥导通宽度的控制电路，所述控制电路包括DSP处理器、信号采样电路、高频脉冲起弧电路、送丝机控制电路、显示电路、键盘输入电路、IGBT逆变整流桥驱动电路、触发脉冲产生电路PCB2。本发明采用先进的DSP处理器，通过脉冲宽度调制技术在单台焊机上实现气保焊、氩弧焊、脉冲氩弧焊等多种不同的焊接方式，并能通过网络实现监控、升级、联网操作、诊断的功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种逆变焊机，具体是一种多功能全数字化逆变焊机。
背景技术
传统焊机根据焊接方式的不同，一般分为：手工焊机、氩弧焊机、脉冲氩弧焊机、氩弧点焊机、气保焊机、脉冲气保焊机、双脉冲气保焊机、碳弧气刨机等等，即单机只能实现一种焊接方式，焊接方式以其焊接电源的外工作特性表征；传统焊机的弧焊电源特性的描述方法采用静态外特性曲线，只能描述弧焊电源的静态性能，而具有相同静态特性曲线输出的弧焊电源在工作中并不能达到相同的焊接效果，主要由于动态特性不一致所造成的，影响动态特性的方面很多，包括工作场所的环境温度、焊工的技术水平等，因而对弧焊电源特性的描述应该从静态和动态两方面着手研究，但是对于动态特性的描述比较困难，同时，目前国际上尚没有统一的国际标准。而目前焊接方式采用交流变压器作为焊接电源，能比较方便的对电源的动态特性进行数学描述，但随着数字化逆变焊接技术的发展，焊接电源的动态特性应变越来越复杂，因此，仍无法突破单机单一焊接方式的状况。
发明内容
本发明为了解决现有逆变焊机仅能实现单一焊接方式的问题，提供了一种能实现多种焊接方式的多功能全数字化逆变焊机。
本发明是采用如下技术方案实现的：多功能全数字化逆变焊机，其工作电路包括：含有由两块双IGBT功率管集成块M1、M2联接构成的IGBT逆变整流桥的主电路和控制IGBT逆变整流桥导通宽度的控制电路，IGBT逆变整流桥的输入端经三相桥式整流电路BR1、抗干扰保护电路PCB6、断路器DUQ与三相电源相接，IGBT逆变整流桥的输出端并联有主变压器B1，主变压器B1的次极输出端串联有全桥整流电路DV；
所述控制电路包括DSP处理器、输出端与DSP处理器信号采集端口相连的信号采样电路、高频脉冲起弧电路、经全波整流电路PCB5与主变压器B1第三次极输出端相连的送丝机控制电路、连接于DSP处理器端口的显示电路、与DSP处理器控制信号输入端相连的键盘输入电路、与DSP处理器PWM信号输出端相连的IGBT逆变整流桥驱动电路、与IGBT逆变整流桥控制信号端相连的触发脉冲产生电路PCB2，触发脉冲产生电路PCB2的输入端与IGBT逆变整流桥驱动电路的输出端相连，DSP处理器配置有存储器EEPROM；
所述信号采样电路包括：并联于主变压器B1次极输出端的电压取样电路PCB4、串联于主变压器B1次极负输出端的霍尔电流互感器CGO、用于检测IGBT逆变整流桥工作温度的热敏电阻RT1、以及并接于IGBT逆变整流桥输出端的电压互感器B3；
所述高频脉冲起弧电路包括输入端与主变压器B1的第二次极输出端相连的高频放电电路PCB3、其次极线圈与主变压器B1的次极输出端串联的放电变压器B2，高频放电电路PCB3的输出端与放电变压器B2的初极输入端相连；所述高频放电电路PCB3包括高压包T1、以及串联于高压包T1和放电变压器B2之间的放电间隙F1 FLASH，高频放电电路PCB3的输入端与主变压器B1的第二次极输出端之间串联有继电器K1的常开触点，继电器K1串联于三极管Q5的集电极，三极管Q5的基极经电阻R70与DSP处理器的FDK信号输出端相连；
所述送丝机控制电路包括由电容C94、C97和稳压二极管Z11并联构成的滤波稳压电路、送丝机电流调整电路、送丝机电源开关电路、送丝机电流采样电路，滤波稳压电路的输入端与全波整流电路PCB5的输出端相连；所述送丝机电源开关电路包括三极管Q1、Q2和并联于送丝机电源输入端的P沟道场效应管Q12，三极管Q1、Q2的基极分别与DSP处理器SCKG、SSKG信号输出端相连，发射极经电阻与P沟道场效应管Q12的栅极相连；所述送丝机电流调整电路包括PWM脉冲宽度调制控制芯片UC3843、串联于滤波稳压电路正极输出端的N沟道场效应管Q13，DSP处理器SSDY信号输出端经由运算放大器LF353构成的跟随电路、加法器与PWM脉冲宽度调制控制芯片UC3843的输入端相连，PWM脉冲宽度调制控制芯片UC3843的输出端经电阻R5与N沟道场效应管Q13的栅极相连，N沟道场效应管Q13的栅极经稳压二极管Z10接地；送丝机电流采样电路包括输出端与DSP处理器送丝机电流信号采样端AIN4相连的运算放大器LF353和串联于N沟道场效应管Q13源极的电阻122、R124的并联支路，N沟道场效应管Q13源极经电阻R23、R72与运算放大器LF353的同相端相连，运算放大器LF353的反相端经电阻R73与其输出端相连，并经电阻R74接地，电阻R23、R72的连接节点经电容C51接地；
所述IGBT逆变整流桥驱动电路包括其控制信号输入端NI与DSP处理器PWM信号输出端相连的PWM脉冲宽度调制控制芯片U3、P沟道场效应管Q17、Q18和N沟道场效应管Q15、Q19，P沟道场效应管Q17的源极与P沟道场效应管Q18的源极串联并经电阻R128与电源+15V相连，N沟道场效应管Q15的源极和N沟道场效应管Q19的源极串联并接地，P沟道场效应管Q17、Q18的串联支路和N沟道场效应管Q15、Q19的串联支路并联；P沟道场效应管Q17、Q18的漏极与触发脉冲产生电路PCB2的输入端相连，栅极分别经电容C26、C28、电阻R35、R46与PWM脉冲宽度调制控制芯片U3的输出端OUTA、OUTB相连，源极与栅极之间分别串联有稳压二极管Z4、Z6；N沟道场效应管Q15、Q19的栅极分别经电阻R30、R50与PWM脉冲宽度调制控制芯片U3的输出端OUTA、OUTB相连，源极与栅极之间分别串联有电阻R32、R49；P沟道场效应管Q17的栅极和N沟道场效应管Q15的源极之间串联有电阻R41，P沟道场效应管Q18的栅极和N沟道场效应管Q19的源极之间串联有电阻R44；
所述显示电路包括液晶显示屏LCD模块和8段数码管显示电路PCB7；
全桥整流电路DV输入端连接有压敏保护电路PCB8。
焊机使用时，三相电源经断路器DUQ、抗干扰保护电路PCB6板接入三相桥式整流电路BR1，输出直流电压约为512V，经IGBT逆变整流桥输出为交流信号，该交流信号经主变压器B1、全桥整流电路DV，输出直流电压，作为焊机电源输出。其中，抗干扰保护电路PCB6包括抗干扰电感线圈、阻容滤波电路和压敏保护电路；压敏保护电路PCB8为全桥整流电路DV的保护电路；皆为电子技术领域常规电路，因此未在说明书中描述。
DSP处理器配置的存储器EEPROM内保存多种焊接方式的焊接数据，即与焊接方式对应的外特性曲线，由此通过键盘输入电路选定具体使用的焊接方式和用户设定的具体焊接参数，DSP处理器在相关软件支持下，由存储器EEPROM内选定相应的焊接数据，并根据信号采样电路采集到的焊机电源实时电压、电流，以及主电路中IGBT逆变整流桥的输出电压和工作温度进行内部程序运算，然后通过IGBT逆变整流桥驱动电路对IGBT逆变整流桥的导通宽度进行脉冲宽度调制，以满足相应焊接方式要求的电压/电流恒定输出(例如：手工焊、氩弧焊要求恒定的输出电流；气保焊要求电压恒定等等)，从而改变焊机的外部输出特性曲线，实现焊接方式的转换。
其中，IGBT逆变整流桥驱动电路的PWM脉冲宽度调制控制芯片U3在DSP处理器的PWM信号控制下，经由其输出端OUTA、OUTB输出两路脉宽调制信号，并经P沟道场效应管Q17、Q18和N沟道场效应管Q15、Q19反极性输出脉冲电压，该脉冲电压经触发脉冲产生电路PCB2分别控制双IGBT功率管集成块M1、M2的导通完成高频逆变过程。所述触发脉冲产生电路PCB2包括逆变变压器T1、连接于逆变变压器T1输出端和IGBT逆变整流桥控制信号端之间的整流电路，所述整流电路为电子技术领域常规电路，且电路变形很多，因此未在说明书中描述。
DSP处理器通过送丝机控制电路对送丝机电流输出大小进行调整，DSP处理器经由SSDY信号输出给定送丝机速度设定值，经过跟随电路，进入加法器，与反馈电压VPP比较，输出进入PWM脉冲宽度调制控制芯片UC3843，经稳压二极管Z10控制N沟道场效应管Q13的导通时间，从而完成对送丝机电流输出大小的调整；送丝机电流采样电路中的电阻R122与R124为电流采样电阻，取电流信号通过电阻R23、R72、R74和电容C51、运算放大器LF353调理后作为送丝机电流反馈信号送回DSP处理器；送丝机电源开关电路中SCKG、SSKG信号分别表征由DSP控制器输出的刹车控制信号和启停控制信号，当SCKG、SSKG信号为高电平时，三极管Q1、Q2导通，P沟道场效应管Q12导通，截断送丝机电流输出。
由于氩弧焊接时，焊丝不接触焊体，不易起弧，因此设置高频脉冲起弧电路，在DSP放电开关命令的控制下，即DSP处理器输出的FDK信号为高电平时，三极管Q5导通，继电器K1得电，其常开触点闭合，高频脉冲起弧电路的高频放电电路PCB3由主变压器B1取交流脉冲信号，经高频放电电路PCB3的高压包T1产生高压信号，由放电间隙F1 FLASH在放电变压器B2初极形成高频高压脉冲信号，耦合到放电变压器B2次极串联接入焊机直流电源输出回路，形成氩弧焊起弧高频高压脉冲。
另外，所述控制电路还设有包含485通信芯片SN75176的通信电路；可以与Internet互联网远程通信，方便用户对焊机焊接方式的升级换代，提高焊机性能和使用功能：进行网络监控、多台焊机连网工作、远程故障诊断等等。所述通信电路、以及电压取样电路PCB4、全波整流电路PCB5、8段数码管显示电路PCB7是电子技术领域常规电路，因此未在说明书中描述。
与现有技术相比，本发明采用先进的DSP处理器，通过脉冲宽度调制技术实现对动态特性的检测，真实准确地采集焊接过程中电弧的电压、电流作为反馈量，控制焊机电源输出、送丝速度、抑制弧长干扰，实现多种焊接方式下的外工作特性，最终在单台焊机上实现气保焊、氩弧焊、脉冲氩弧焊等多种不同的焊接方式。
附图说明
图1为本发明工作电路的电路原理图；
图2为控制电路一部分的电路原理图；
图3为控制电路另一部分的电路原理图；
图4为控制电路电源部分的电路原理图；
图5为控制电路中送丝机控制电路的电路原理图；
图6为触发脉冲产生电路的电路原理图；
图7为高频放电电路的电路原理图；
图8为电压取样电路的电路原理图；
图9为全波整流电路的电路原理图；
图10为抗干扰保护电路的电路原理图；
图11为压敏保护电路的电路原理图；
图12为8段数码管显示电路的电路原理图；
具体实施方式
多功能全数字化逆变焊机，其工作电路包括：含有由两块双IGBT功率管集成块M1、M2联接构成的IGBT逆变整流桥的主电路和控制IGBT逆变整流桥导通宽度的控制电路，IGBT逆变整流桥的输入端经三相桥式整流电路BR1、抗干扰保护电路PCB6、断路器DUQ与三相电源相接，IGBT逆变整流桥的输出端并联有主变压器B1，主变压器B1的次极输出端串联有全桥整流电路DV；
所述控制电路包括DSP处理器、输出端与DSP处理器信号采集端口相连的信号采样电路、高频脉冲起弧电路、经全波整流电路PCB5与主变压器B1第三次极输出端相连的送丝机控制电路、连接于DSP处理器端口的显示电路、与DSP处理器控制信号输入端相连的键盘输入电路、与DSP处理器PWM信号输出端相连的IGBT逆变整流桥驱动电路、与IGBT逆变整流桥控制信号端相连的触发脉冲产生电路PCB2，触发脉冲产生电路PCB2的输入端与IGBT逆变整流桥驱动电路的输出端相连，DSP处理器配置有存储器EEPROM；
所述信号采样电路包括：并联于主变压器B1次极输出端的电压取样电路PCB4、串联于主变压器B1次极负输出端的霍尔电流互感器CGO、用于检测IGBT逆变整流桥工作温度的热敏电阻RT1、以及并接于IGBT逆变整流桥输出端的电压互感器B3；
所述高频脉冲起弧电路包括输入端与主变压器B1的第二次极输出端相连的高频放电电路PCB3、其次极线圈与主变压器B1的次极输出端串联的放电变压器B2，高频放电电路PCB3的输出端与放电变压器B2的初极输入端相连；所述高频放电电路PCB3包括高压包T1、以及串联于高压包T1和放电变压器B2之间的放电间隙F1 FLASH，高频放电电路PCB3的输入端与主变压器B1的第二次极输出端之间串联有继电器K1的常开触点，继电器K1串联于三极管Q5的集电极，三极管Q5的基极经电阻R70与DSP处理器的FDK信号输出端相连；
所述送丝机控制电路包括由电容C94、C97和稳压二极管Z11并联构成的滤波稳压电路、送丝机电流调整电路、送丝机电源开关电路、送丝机电流采样电路，滤波稳压电路的输入端与全波整流电路PCB5的输出端相连；所述送丝机电源开关电路包括三极管Q1、Q2和并联于送丝机电源输入端的P沟道场效应管Q12，三极管Q1、Q2的基极分别与DSP处理器SCKG、SSKG信号输出端相连，发射极经电阻与P沟道场效应管Q12的栅极相连；所述送丝机电流调整电路包括PWM脉冲宽度调制控制芯片UC3843、串联于滤波稳压电路正极输出端的N沟道场效应管Q13，DSP处理器SSDY信号输出端经由运算放大器LF353构成的跟随电路、加法器与PWM脉冲宽度调制控制芯片UC3843的输入端相连，PWM脉冲宽度调制控制芯片UC3843的输出端经电阻R5与N沟道场效应管Q13的栅极相连，N沟道场效应管Q13的栅极经稳压二极管Z10接地；送丝机电流采样电路包括输出端与DSP处理器送丝机电流信号采样端AIN4相连的运算放大器LF353和串联于N沟道场效应管Q13源极的电阻122、R124的并联支路，N沟道场效应管Q13源极经电阻R23、R72与运算放大器LF353的同相端相连，运算放大器LF353的反相端经电阻R73与其输出端相连，并经电阻R74接地，电阻R23、R72的连接节点经电容C51接地；
所述IGBT逆变整流桥驱动电路包括其控制信号输入端NI与DSP处理器PWM信号输出端相连的PWM脉冲宽度调制控制芯片U3、P沟道场效应管Q17、Q18和N沟道场效应管Q15、Q19，P沟道场效应管Q17的源极与P沟道场效应管Q18的源极串联并经电阻R128与电源+15V相连，N沟道场效应管Q15的源极和N沟道场效应管Q19的源极串联并接地，P沟道场效应管Q17、Q18的串联支路和N沟道场效应管Q15、Q19的串联支路并联；P沟道场效应管Q17、Q18的漏极与触发脉冲产生电路PCB2的输入端相连，栅极分别经电容C26、C28、电阻R35、R46与PWM脉冲宽度调制控制芯片U3的输出端OUTA、OUTB相连，源极与栅极之间分别串联有稳压二极管Z4、Z6；N沟道场效应管Q15、Q19的栅极分别经电阻R30、R50与PWM脉冲宽度调制控制芯片U3的输出端OUTA、OUTB相连，源极与栅极之间分别串联有电阻R32、R49；P沟道场效应管Q17的栅极和N沟道场效应管Q15的源极之间串联有电阻R41，P沟道场效应管Q18的栅极和N沟道场效应管Q19的源极之间串联有电阻R44；
所述显示电路包括液晶显示屏LCD模块和8段数码管显示电路PCB7；
全桥整流电路DV输入端连接有压敏保护电路PCB8。
所述控制电路还设有包含485通信芯片SN75176的通信电路。
所述触发脉冲产生电路PCB2包括逆变变压器T1、连接于逆变变压器T1输出端和IGBT逆变整流桥控制信号端之间的整流电路。
具体实施时，存储器EEPROM采用AT24C16型存储器；键盘输入电路采用2×3矩阵电路；8段数码管显示电路PCB7采用芯片74HC164，来实现串并转换控制数码管显示，在DSP处理器控制下，与液晶显示屏LCD模块共同完成各种工作特性设置显示功能；另外，焊机的其它常规装置皆由DSP处理器控制，例如：风机的启闭控制、气阀控制等等，其控制连接对于电子技术领域的技术人员很容易实现，因此未在说明书中详细叙述。
Claims (3)
1、一种多功能全数字化逆变焊机，其工作电路包括：含有由两块双IGBT功率管集成块(M1、M2)联接构成的IGBT逆变整流桥的主电路和控制IGBT逆变整流桥导通宽度的控制电路，IGBT逆变整流桥的输入端经三相桥式整流电路(BR1)、抗干扰保护电路(PCB6)、断路器(DUQ)与三相电源相接，IGBT逆变整流桥的输出端并联有主变压器(B1)，主变压器(B1)的次极输出端串联有全桥整流电路(DV)；
其特征在于：所述控制电路包括DSP处理器、输出端与DSP处理器信号采集端口相连的信号采样电路、高频脉冲起弧电路、经全波整流电路(PCB5)与主变压器(B1)第三次极输出端相连的送丝机控制电路、连接于DSP处理器端口的显示电路、与DSP处理器控制信号输入端相连的键盘输入电路、与DSP处理器PWM信号输出端相连的IGBT逆变整流桥驱动电路、与IGBT逆变整流桥控制信号端相连的触发脉冲产生电路(PCB2)，触发脉冲产生电路(PCB2)的输入端与IGBT逆变整流桥驱动电路的输出端相连，DSP处理器配置有存储器EEPROM；
所述信号采样电路包括：并联于主变压器(B1)次极输出端的电压取样电路(PCB4)、串联于主变压器(B1)次极负输出端的霍尔电流互感器(CGO)、用于检测IGBT逆变整流桥工作温度的热敏电阻(RT1)、以及并接于IGBT逆变整流桥输出端的电压互感器(B3)；
所述高频脉冲起弧电路包括输入端与主变压器(B1)的第二次极输出端相连的高频放电电路(PCB3)、其次极线圈与主变压器(B1)的次极输出端串联的放电变压器(B2)，高频放电电路(PCB3)的输出端与放电变压器(B2)的初极输入端相连；所述高频放电电路(PCB3)包括高压包(T1)、以及串联于高压包(T1)和放电变压器(B2)之间的放电间隙(F1 FLASH)，高频放电电路(PCB3)的输入端与主变压器(B1)的第二次极输出端之间串联有继电器(K1)的常开触点，继电器(K1)串联于三极管(Q5)的集电极，三极管(Q5)的基极经电阻(R70)与DSP处理器的FDK信号输出端相连；
所述送丝机控制电路包括由电容(C94、C97)和稳压二极管(Z11)并联构成的滤波稳压电路、送丝机电流调整电路、送丝机电源开关电路、送丝机电流采样电路，滤波稳压电路的输入端与全波整流电路(PCB5)的输出端相连；所述送丝机电源开关电路包括三极管(Q1、Q2)和并联于送丝机电源输入端的P沟道场效应管(Q12)，三极管(Q1、Q2)的基极分别与DSP处理器SCKG、SSKG信号输出端相连，发射极经电阻与P沟道场效应管(Q12)的栅极相连；所述送丝机电流调整电路包括PWM脉冲宽度调制控制芯片UC3843、串联于滤波稳压电路正极输出端的N沟道场效应管(Q13)，DSP处理器SSDY信号输出端经由运算放大器LF353构成的跟随电路、加法器与PWM脉冲宽度调制控制芯片UC3843的输入端相连，PWM脉冲宽度调制控制芯片UC3843的输出端经电阻(R5)与N沟道场效应管(Q13)的栅极相连，N沟道场效应管(Q13)的栅极经稳压二极管(Z10)接地；送丝机电流采样电路包括输出端与DSP处理器送丝机电流信号采样端AIN4相连的运算放大器LF353和串联于N沟道场效应管(Q13)源极的电阻(R122、R124)的并联支路，N沟道场效应管(Q13)源极经电阻(R23、R72)与运算放大器LF353的同相端相连，运算放大器LF353的反相端经电阻(R73)与其输出端相连，并经电阻(R74)接地，电阻(R23、R72)的连接节点经电容(C51)接地；
所述IGBT逆变整流桥驱动电路包括其控制信号输入端NI与DSP处理器PWM信号输出端相连的PWM脉冲宽度调制控制芯片(U3)、P沟道场效应管(Q17、Q18)和N沟道场效应管(Q15、Q19)，P沟道场效应管(Q17)的源极与P沟道场效应管(Q18)的源极串联并经电阻(R128)与电源+15V相连，N沟道场效应管(Q15)的源极和N沟道场效应管(Q19)的源极串联并接地，P沟道场效应管(Q17、Q18)的串联支路和N沟道场效应管(Q15、Q19)的串联支路并联；P沟道场效应管(Q17、Q18)的漏极与触发脉冲产生电路(PCB2)的输入端相连，栅极分别经电容(C26、C28)、电阻(R35、R46)与PWM脉冲宽度调制控制芯片(U3)的输出端OUTA、OUTB相连，源极与栅极之间分别串联有稳压二极管(Z4、Z6)；N沟道场效应管(Q15、Q19)的栅极分别经电阻(R30、R50)与PWM脉冲宽度调制控制芯片(U3)的输出端OUTA、OUTB相连，源极与栅极之间分别串联有电阻(R32、R49)；P沟道场效应管(Q17)的栅极和N沟道场效应管(Q15)的源极之间串联有电阻(R41)，P沟道场效应管(Q18)的栅极和N沟道场效应管(Q19)的源极之间串联有电阻(R44)；
所述显示电路包括液晶显示屏LCD模块和8段数码管显示电路(PCB7)；
全桥整流电路(DV)输入端连接有压敏保护电路(PCB8)。
2、根据权利要求1所述的多功能全数字化逆变焊机，其特征在于所述控制电路还设有包含485通信芯片SN75176的通信电路。
3、根据权利要求1所述的多功能全数字化逆变焊机，其特征在于所述触发脉冲产生电路(PCB2)包括逆变变压器(T1)、连接于逆变变压器(T1)输出端和IGBT逆变整流桥控制信号端之间的整流电路。
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