CN101712092B - 复合交变磁场的镁合金方波mig高效化焊机 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种复合交变磁场的镁合金方波MIG高效化焊机，输入和输出分别连接三相交流输入电源和电弧负载，其包括主电路、数字化控制系统、交变磁控电弧发生装置、送丝机及焊枪；其中，三相交流输入电源与主电路和电弧负载依次连接；主电路与送丝机连接；三相交流输入电源与数字化控制系统连接；数字化控制系统与交变磁控电弧发生装置相互连接；数字化控制系统与送丝机相互连接；送丝机与焊枪相互连接；焊枪与电弧负载连接。本发明确保电弧在镁合金高速焊接中能够保持良好的清洁作用及足够的稳定性和穿透能力，同时实现对熔池金属的电磁搅拌，细化晶粒，抑制裂纹倾向，改善热应力分布，全面改善和提高镁合金焊接接头的强度和质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种高效化逆变焊机，特别涉及一种复合交变磁场的镁合金方波MIG高效化焊机。
背景技术
随着国内经济和社会的快速发展，节能、减排、增效、资源化利用已经成为目前社会发展中的关键问题。在这一背景下，新型轻合金材料的研发受到各国的高度重视，镁合金凭借其优良的性能，受到了国内外的广泛关注。以汽车制造业为例，为了降低对环境的污染，汽车设计者和生产商在提高燃料的利用率和减少CO2的排放量方面开展了大量的研究，如寻找新的无污染燃料、提高发动机性能和减轻汽车质量等。其中，减轻汽车质量是最有效的一种方法。镁合金以其低密度和高比强度、高比刚度和可再回收利用等优点成为人们关注的焦点。有关专家预计，镁合金在汽车工业应用的年增长率达到20％，国外在汽车上大规模应用镁合金生产的零部件已超过60种，罩，车顶板、门框和轮毂等焊件也将用镁合金大批量生产，每辆汽车中镁合金的质量将增加到40～80kg。2006年北美、欧洲、日本等地的汽车工业对镁合金的需求量超过20万吨。这些国家和地区由汽车工业拉动的镁合金的需求量还将继续增长。
由于镁合金的物理性能以及自身的冶金特点，决定了镁合金的焊接性能较差，很难实现可靠连接，焊接时容易产生变形、烧穿、热裂纹和气孔等缺陷，其中，最主要的是热裂纹和气孔。镁合金结构件以及镁合金与其它材料结构件之间的连接，已成为制约镁合金应用的技术瓶颈和急待解决的关键技术之一。国内外对镁合金焊接的研究也越来越多，应用的焊接方法包括TIG焊、MIG、搅拌摩擦焊(FSW)、摩擦焊(FW)、激光焊(LBW)、电子束焊(EBW)和电阻点焊(RSW)等。从设备投入以及实际生产应用情况来看，MIG焊是一种非常有前景的镁合金高效化焊接方法，但是它的调节范围非常窄。采用交流方波MIG焊工艺，电流过零点快，电弧比普通交流正弦波焊机更稳定，自动化程度高，但由于镁合金焊接导热性好，需要高能量密度的输入，要将送丝速度、正负半 波波形与熔滴过渡形态紧密配合，通过良好的波形控制以及其他措施来获得较宽的工艺规范，防止晶粒粗化、热裂纹以及气孔等；此外，由于目前使用的镁合金焊丝在焊接性能、力学性能、表面处理状态等方面还不够理想，对送丝系统的推拉送丝方式、送丝软管、送丝轮等方面都有比较高的要求。在国外，镁合金M IG焊接设备一般采用晶闸管或者逆变式结构的交流焊机或者直流脉冲MIG焊机来完成。对于厚大件镁、钛、铝等高性能合金材料的焊接，则采用等离子弧、激光焊、搅拌摩擦焊或氦弧焊设备等，价格昂贵。在国内，情况也大同小异。因此，为满足高性能镁合金材料高效化焊接的需要，研究开发新型的高效化焊机和工艺具有重要的现实意义，高频逆变技术、现代电磁搅拌技术以及嵌入式数字化控制技术的出现和快速发展为该种高效化焊机的研制提供了可能。
采用高频逆变技术，大幅度提高了电源的电能变换频率，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，极大地提高了工艺控制性能。
数字化控制易于采用先进的控制方法和智能控制算法，使得逆变焊机的智能化程度更高，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，缩短设计周期，集成度高，控制电路元器件少，控制板体积小巧，系统的抗干扰能力和稳定性高，可靠性好，改善了系统一致性，生产制造方便。
逆变焊机对时间响应要求比较苛刻，需要采用高性能的微处理器芯片。ARM微处理器具有高性能、低功耗、低成本的优势，在嵌入式系统中应用广泛。为追求更快的响应速度，运行于微处理器上的实时内核非常重要。RTX-Kernel同时支持时间片轮转调度法和优先级占先调试法，并可以动态改变任务的优先级，调试功能十分强大。在任务同步和通信机制方面，RTX-Kernel支持事件标志、信号量、互斥量和信箱等方法，完全可以满足应用程序的需求。
在焊接过程中引入磁场控制成为一种正在发展的先进焊接技术，这种技 术被称作磁控电弧焊接技术。采用外加磁场促使焊接电弧和熔池金属有规律地周期运动，对焊接中熔滴的过渡、熔池金属的流动、熔池的结晶形核及结晶生长等过程进行有效地干预，改变焊缝金属的结晶条件，提高焊缝金属的塑性和韧性，降低结晶裂纹和气孔的敏感性，从而全面改善焊接接头的质量。
但是据检索，目前还未有将融合上述技术，即以32位ARM嵌入式微处理器作为控制核心、以RTX-Kernel为控制系统实时内核，同时还复合交变磁场的软开关方波MIG逆变焊机技术和产品的相关报道，属于空白。
据检索，目前还未有以32位ARM嵌入式微处理器作为控制核心、以RTX-Kernel为控制系统实时内核，同时还复合交变磁场的软开关方波MIG逆变焊机技术和产品的相关报道，属于空白。
发明内容
本发明的目的在于针对目前镁合金高效化焊接存在的问题以及相关技术的发展趋势，提供一种复合交变磁场的嵌入式数字化高频软开关方波MIG焊机。该焊机以32位ARM嵌入式微处理器为核心，以RTX-Kernel为控制系统实时内核实现全数字化控制；结合软开关高频逆变技术，使焊机电源具备优异的一致性、可靠性和动态响应能力；采用交变磁控电弧发生装置，对焊接中熔滴的过渡、熔池金属的流动、熔池的结晶形核及结晶生长等过程进行有效地干预，进一步改善焊缝质量和焊接效果，实现多参数匹配和调节，提高工艺适应性。
为实现本发明的目的采用如下技术方案：一种复合交变磁场的镁合金方波MIG高效化焊机，输入和输出分别连接三相交流输入电源和电弧负载，其特征是，包括主电路、数字化控制系统、交变磁控电弧发生装置、送丝机以及焊枪；其中，所述主电路由整流滤波模块、一次高频逆变模块、二次输出波形调制模块依次连接组成；所述三相交流输入电源与主电路的整流滤波模块相连接，主电路的二次输出波形调制模块与电弧负载相连接；所述数字化控制系统包括MCU最小系统、数字化面板、IGBT驱动电路、反馈采样电路、异常状态检测电路、CAN总线接口电路、串行通信接口电路以及电源模块；其中，三相交流输入电源与电源模块相连接，电源模块与所述数字化控制系统中的其他模块相连接，用于为其他模块供电；所述MCU最小系统分别与CAN总线 接口电路和串行通信接口电路相互连接；所述串行通信接口电路还与数字化面板相互连接；所述MCU最小系统与IGBT驱动电路和主电路中的一次高频逆变模块依次连接；所述MCU最小系统与IGBT驱动电路和主电路中的二次输出波形调制模块依次连接；所述三相交流输入电源通过异常状态检测电路与MCU最小系统相连接；所述主电路中的二次输出波形调制模块通过反馈采样电路和MCU最小系统连接；所述交变磁控电弧发生装置由ARM控制系统、功率调节电路和电感线圈相互连接组成，其中，ARM控制系统与功率调节电路相互连接，功率调节电路与电感线圈相连接，单相交流输入电源与电感线圈相连接，单相交流输入电源与功率调节电路相互连接；所述数字化控制系统中的串行通信接口电路还与ARM控制系统相互连接，进行数字通信和交互；主电路中的二次输出波形调制模块的输出连接送丝机；送丝机与焊枪相互连接；焊枪与电弧负载相连接。
为了更好地实现本发明，所述复合交变磁场的镁合金方波MIG高效化焊机中的数字化控制系统还包括以太网接口电路和送丝驱动电路；所述MCU最小系统与送丝驱动电路相互连接，送丝驱动电路还与送丝机连接；所述MCU最小系统与以太网接口电路相互连接。
所述主电路中的一次高频逆变模块采用了移相全桥软开关拓扑结构；所述二次输出波形调制模块采用了双半桥并联型拓扑结构。
所述数字化控制系统中MCU最小系统由具备Cortex-M3内核、固化有RTX-Kernel实时内核、以及能够同时产生6路数字PWM信号的32位ARM嵌入式微处理器芯片LM3S8971及其外围电路相互连接组成。
所述数字化控制系统中数字化面板由具备Cortex-M3内核、固化有RTX-Kernel实时内核以及具备可编程UART和IAP功能的32位ARM嵌入式微处理器芯片LM3S818、低功耗的复杂可编程逻辑器件EPM240T100、串行通信接口电路、数码管、数字编码器、LED管及其外围电路相互连接组成。
所述数字化控制系统中IGBT驱动电路由能够实现6路数字量PWM信号隔离与放大的隔离电路、正负偏压电路和功率管异常状态检波电路相互连接组成；所述隔离电路由光耦器件及其外围电路相互连接组成；所述正负偏压电路由稳压二极管、三极管及其外围电路相互连接组成；所述功率管异常状态检波电路由二极管、稳压二极管和三极管相互连接组成。
所述交变磁控电弧发生装置的ARM控制系统由具备Cortex-M3内核、固化有RTX-Kernel实时内核、具备可编程UART和IAP特性，以及能够产生6路数字PWM信号的32位ARM嵌入式微处理器芯片LM3S818及其外围电路相互连接组成。
所述交变磁控电弧发生装置的功率调节电路由单相整流滤波电路、一次逆变器以及二次逆变器相互连接组成；其中，所述功一次逆变器采用具有LC谐振的移相全桥软开关拓扑结构，所述二次逆变器采用全桥硬开关拓扑结构；所述交变磁控电弧发生装置的电感线圈由碳钢管、多股漆包线以及固定支架连接构成。
所述数字化控制系统中CAN总线接口电路由芯片CT8251T及其外围电路相互连接组成。
所述异常状态检测电路由包含桥式检测电路以及与非门及其外围电路的过压欠压检测电路、温度检测电路、过流检测电路相互连接组成。
本发明的原理是这样的：复合交变磁场的镁合金方波MIG高效化焊机，主电路的一次高频逆变模块为全桥拓扑结构，功率开关器件工作于移相软开关模式，而二次输出波形调制模块采用双半桥并联的拓扑结构提高功率输出能力，功率开关器件工作于硬开关模式；在MCU最小系统中的基于RTX-Kernel实时内核的嵌入式软件对焊机的数字化面板给定信号和反馈采样电路的反馈信号进行比较和运算，通过编程的方式输出6路数字PWM信号，其中四路数字PWM信号为移相调制信号，经过IGBT驱动电路之后直接控制一次高频逆变模块的四个功率开关管，实现恒流控制，另外2路数字PWM信号为互为推挽的PWM信号，经过IGBT驱动电路之后变成4路PWM信号，直接控制二次输出波形调制模块的双半桥并联拓扑结构的4个功率开关管，控制功率开关管导通与关闭，实现直流/直流脉冲/交流方波/脉冲交流方波波形输出。在电弧负载电流输出端用霍尔元件检测输出电流，通过电阻分压的方式检测输出电压，得到采样信号，经过放大、比较，再输送到MCU最小系统，来改变一次高频逆变模块功率管的导通与截止时间，实现占空比的调节以达到二次输出波形调制模块的输入电流为恒流特性的目的；根据数字化面板设定的脉冲频率、正负半波脉宽、占空比等参数，MCU最小系统直接调节2路推挽的数字PWM信号的频率、脉宽以及占空比，从而直接控制二次输出波形调制模块功率开关管的开通和关断时 间，实现输出电流波形的调制。交变磁控电弧发生装置的功率调节电路的功率开关管全部采用高频MOSFET管，一次逆变器的高频逆变电路为移相全桥结构，而二次逆变器的逆变电路采用硬开关全桥拓扑结构；交变磁控电弧发生装置的ARM控制系统通过串行通信接口电路接收到数字化控制系统的数字化面板的参数之后，通过软件编程产生4路移相的数字PWM信号和2路推挽的数字PWM信号，其中，4路移相的PWM信号控制一次逆变器的高频逆变电路的4个功率MOSFET，实现一次逆变器高频逆变电路功率管的软开关换流和恒流特性控制，而2路推挽的PWM信号经过隔离放大之后变成4路PWM信号，直接控制二次逆变器电路的四个功率MOSFET，硬开关换流，实现交流方波输出；输出的波形直接加载于电感线圈上，由电感线圈产生交变的磁场。MCU最小系统、数字化面板和交变磁控电弧发生装置之间的通信均通过串行通信接口电路进行。多台复合交变磁场的方波MIG高效化焊机可以通过数字化控制系统的CAN总线接口电路进行连接，通过CAN总线进行双机或者多机的数字通信和协同工作。
本发明与现有的技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明复合交变磁场的镁合金方波MIG高效化焊机实现了对逆变焊机参数设置、过程控制以及主电路调制的全数字化，使焊机具有更好的一致性、动态响应性能和可靠性。
2、本发明复合交变磁场的镁合金方波MIG高效化焊机实现了对镁合金焊接过程能量的精细控制，由于能够实现直流/直流脉冲/交流方波/脉冲交流方波波形输出，各种波形的输出顺序可以自由组合，既能获得良好的电弧刚性和清洁作用，又能保证电弧能量的分布适合镁合金MIG焊接的特点。
3、本发明复合交变磁场的镁合金方波MIG高效化焊机复合了交变磁控电弧装置，产生的交变脉冲磁场具有电磁搅拌作用，能够对焊接中熔滴的过渡、熔池金属的流动、熔池的结晶形核及结晶生长等过程进行有效地干预，提高焊缝金属的性能，能够全面改善焊接接头的质量。
4、本发明复合交变磁场的镁合金方波MIG高效化焊机能够将镁合金焊接过程中的电弧能量大小和分布进行精细调节和控制，同时交变磁场还能够对电弧进行压缩，促进熔滴的过渡和熔池的成形，能够进一步提高镁合金焊接的速度和效率。
5、本发明复合交变磁场的镁合金方波MIG高效化焊机采用高频软开关逆变技术和双半桥并联拓扑结构，在进一步提高输出能力、效率和逆变频率、节省制造材料的同时，也极大的改善了器件的工作环境，提高了逆变焊机的电磁兼容能力和可靠性。
附图说明
图1是本发明复合交变磁场的镁合金方波MIG高效化焊机的总体结构方框图；
图2是本发明复合交变磁场的镁合金方波MIG高效化焊机的主电路的电路原理图；
图3是本发明复合交变磁场的镁合金方波MIG高效化焊机的数字化控制系统的结构方框图；
图4是本发明复合交变磁场的镁合金方波MIG高效化焊机的数字化面板的结构方框图；
图5是本发明复合交变磁场的镁合金方波MIG高效化焊机的交变磁控电弧发生装置的结构方框图；
图6是本发明复合交变磁场的镁合金方波MIG高效化焊机的交变磁控电弧发生装置的功率调节电路原理图；
图7是本发明复合交变磁场的镁合金方波MIG高效化焊机的交变磁控电弧发生装置的ARM控制系统与功率调节电路的连接方框图；
图8是本发明复合交变磁场的镁合金方波MIG高效化焊机的交变磁控电弧发生装置的IGBT驱动电路原理图；图9为本发明复合交变磁场的镁合金方波MIG高效化焊机的交变磁控电弧发生装置的CAN总线接口电路的原理图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1、图3和图5所示，本发明复合交变磁场的镁合金方波MIG高效化焊机由主电路100、数字化控制系统200、交变磁控电弧发生装置300、送丝机400和焊枪500相互连接组成。数字化控制系统200与交变磁控电弧发生 装置300通过串行通信接口电路相互连接进行数字通信，实现协同工作。主电路100分别与三相交流输入电源和电弧负载相连接。焊枪500一端与电弧负载连接，一端与送丝机400相互连接。送丝机400与主电路100和数字化控制系统200相连接。本发明的复合交变磁场的镁合金方波MIG高效化焊机，输入和输出分别连接三相交流输入电源和电弧负载，其中，主电路由整流滤波模块101、一次高频逆变模块102、二次输出波形调制模块103依次连接组成；三相交流输入电源与主电路的整流滤波模块101相连接，主电路的二次输出波形调制模块103与电弧负载相连接；数字化控制系统包括MCU最小系统201、数字化面板202、IGBT驱动电路203、反馈采样电路204、异常状态检测电路205、CAN总线接口电路206、串行通信接口电路210以及电源模块207；其中，三相交流输入电源与电源模块207相连接，电源模块207与所述数字化控制系统200中的其他模块相连接，用于为其他模块供电；MCU最小系统201分别与CAN总线接口电路206和串行通信接口电路210相互连接；串行通信接口电路210还与数字化面板202相互连接；MCU最小系统201与IGBT驱动电路203和主电路中的一次高频逆变模块102依次连接；MCU最小系统201与IGBT驱动电路203和主电路中的二次输出波形调制模块103依次连接；三相交流输入电源通过异常状态检测电路205与MCU最小系统201相连接；主电路中的二次输出波形调制模块103通过反馈采样电路204和MCU最小系统201连接；交变磁控电弧发生装置由ARM控制系统301、功率调节电路302和电感线圈303相互连接组成，其中，ARM控制系统301与功率调节电路302相互连接，功率调节电路302与电感线圈303相连接，单相交流输入电源与电感线圈303相连接，单相交流输入电源与功率调节电路302相互连接；数字化控制系统中的串行通信接口电路210还与ARM控制系统301相互连接，进行数字通信和交互；主电路中的二次输出波形调制模块103的输出连接送丝机400；送丝机400与焊枪500相互连接；焊枪500与电弧负载相连接。复合交变磁场的镁合金方波MIG高效化焊机中的数字化控制系统还可以包括以太网接口电路208和送丝驱动电路209；MCU最小系统201与送丝驱动电路209相互连接，送丝驱动电路209还与送丝机400连接；MCU最小系统201与以太网接口电路208相互连接。
如图2，本发明复合交变磁场的镁合金方波MIG高效化焊机的主电路100 由整流滤波模块101、一次高频逆变模块102、二次输出波形调制模块103依次连接组成，所述整流滤波模块101与三相交流输入电源相连接，所述二次输出波形调制模块103与电弧负载相连接；三相交流输入电源连接整流滤波模块101的谐波吸收电容C2～C4，整流桥BR1，然后连接滤波环节L1、C5～C8，R3～R4，再连接一次高频逆变模块102的逆变桥TR1～2、C11～C14，R5～R8，其中，C11～C14为外接的谐振电容，R5～R8为零电阻，经过高频逆变之后获得高频方波交流电，接入高频功率变压器T1初级，变压器T1的次级通过高频全波整流电路D1～D4、滤波环节L2后输出直流电。该直流电接入到二次输出波形调制模块103，经过二次输出波形调制模块103中的逆变桥TR3～4以及相应的吸收保护电路之后输出到电弧负载，以上环节构成焊机的主电路。一次高频逆变模块102包括TR1和TR2两个逆变桥臂(分别为超前桥臂TR1和滞后桥臂TR2)，二次输出波形调制模块103也包含了两个逆变桥(TR3～4)，每个桥臂包含两个单元的功率开关管。
如图3，本发明复合交变磁场的镁合金方波MIG高效化焊机的数字化控制系统200由MCU最小系统201、数字化面板202、IGBT驱动电路203、反馈采样电路204、异常状态检测电路205、CAN总线接口电路206、电源模块207、以太网接口电路208、送丝驱动电路209和串行通信接口电路210等相互连接组成。电源模块207给MCU最小系统201、数字化面板202、IGBT驱动电路203、反馈采样电路204、异常状态检测电路205、CAN总线接口电路206、以太网接口电路208、送丝驱动电路209和串行通信接口电路210等供电；所述MCU最小系统由具备Cortex-M3内核、固化有RTX-Kernel实时内核、以及能够同时产生6路数字PWM信号的32位ARM嵌入式微处理器芯片LM3S8971及其外围电路相互连接组成，它与数字化面板202通过串行通信接口电路210进行串行通信，接收设定的工艺参数，然后与反馈采样电路204采集到的实际焊接电流和焊接电压信号进行比较，经过运算之后产生6路数字PWM信号，经过IGBT驱动电路203隔离放大，主电路100的一次高频逆变模块102的逆变桥TR1-2、二次输出波形调制模块103的逆变桥TR3-4的功率开关管的开通和关断过程，使本发明的焊机实现期望的输出；所述异常状态检测电路205对三相输入电源的过压欠压检情况、IGBT功率开关管以及主功率变压器温度、主变压器原边线圈过流的情况等进行检测，并将该检测结果输入到MCU最小系统201，一旦 发生异常，MCU最小系统201一方面立刻关断数字PWM输出，同时通过串行通信接口电路210与数字化面板202进行通信，将异常情况的信息在数字化面板202上显示出来。所述送丝驱动电路209一方面根据MCU最小系统的指令输出相应的电枢电压，驱动送丝机400的电机运动，同时将实际的电枢电压反馈回MCU最小系统201，保证送丝平稳；所述以太网接口电路208主要用于与上位计算机进行通信，实现远程综合管理和系统更新；所述CAN总线接口电路主要用于多台复合交变磁场的方波MIG高效化焊机之间的连接，通过CAN总线进行双机或者多机的数字通信和协同工作，提高系统在复杂焊接环境下的数据通信的可靠性和效率。
如图4，本发明复合交变磁场的镁合金方波MIG高效化焊机的数字化面板202由具备Cortex-M3内核、固化有RTX-Kernel实时内核以及具备IAP功能的32位ARM嵌入式微处理器芯片LM3S818，低功耗的复杂可编程逻辑器件(CPLD)EPM240T100，以及串行通信接口电路、键盘、数码管、正交编码器、LED管及其他外围电路相互连接组成。MCU与CPLD之间采用SPI总线进行通信。数码管和LED连接到CPLD的通用I/O引脚(GPIO)，由CPLD进行控制，键盘连接到MCU的I/O口(GPIO)，正交编码器则通过CPLD进行信号去毛刺处理后连接到MCU的正交编码器(QEI)接口。数字化面板的MCU芯片LM3S818通过串行通信接口电路210与数字化控制系统的MCU最小系统201进行数据通信。
如图5，本发明复合交变磁场的镁合金方波MIG高效化焊机的交变磁控电弧发生装置300由ARM控制系统301、功率调节电路302和电感线圈303构成。ARM控制系统301以32位ARM嵌入式微处理器芯片LM3S818为控制核心，通过串行通信接口电路210与数字化控制系统200进行串行数据通信，实现工艺参数的设定和协同工作；
如图6，本发明复合交变磁场的镁合金方波MIG高效化焊机的交变磁控电弧发生装置的功率调节电路302由单相整流滤波电路、一次逆变器以及二次逆变器构成。一次逆变器采用的是零电压移相控制全桥变换器，利用变压器漏感或者原边串联电感和功率开关管的寄生电容谐振来实现零电压开关，一次逆变器由全桥开关管S1-4和高频变压器TR组成。二次逆变器采用推挽带死区PWM控制全桥变换器，由S5-8和负载线圈LO组成。单相交流电源经过单相整流滤 波电路之后变成高压平滑直流电VIN，经一次逆变器的S1-4逆变桥后变成高频交流方波电压，然后经高频变压器TR降压和DR1-R2、Lf、Cf整流滤波后，变为低压平滑直流电，经二次逆变器S5-8逆变为低频方波交流电，二次全桥逆变电路的输出接负载线圈LO。由于二次逆变是硬开关，需要在每个开关管上并联吸收电路。
如图7，本发明复合交变磁场的镁合金方波MIG高效化焊机的交变磁控电弧发生装置的ARM控制系统301由具备Cortex-M3内核、固化有RTX-Kernel实时内核的32位ARM嵌入式微处理器芯片LM3S818以及欠过压、过流、采样反馈等外围电路相互连接组成。LM3S818拥有多达6路的控制PWM单元，能够产生6路数字PWM信号，经过驱动电路的隔离放大之后，可以直接控制一次逆变器以及二次逆变器的功率开关管的工作状态。ARM芯片LM3S818具有2路完全可编程的16C550型UART，ARM控制系统301通过其可编程的16C550型UART与串行通信接口电路相连接，然后与数字化控制系统200的串行通信接口电路210连接，实现数字通信，从数字化面板202获得相关的频率设置、占空比设置以及交流电流值设置等工艺参数；通过与采样反馈信号的比较，进行数字PID运算，获得相应的数字PWM信号输出，以控制功率调节电路302获得期望的输出特性。
如图8所示为本发明复合交变磁场的镁合金方波MIG高效化焊机的交变磁控电弧发生装置的IGBT驱动电路203的原理图。由于逆变桥的功率开关管工作于大电流状态，需采用电流承载能力较高的功率开关管，因此，IGBT驱动电路203需要较强的驱动能力。图8中，IGBT驱动电路203的输入与MCU最小系统中ARM嵌入式微处理器芯片LM3S8971的PWM端口连接，采用光耦器件U19实现数字PWM信号与主电路的隔离，然后利用稳压二极管ZD19～20产生+15V，ZD16产生-7.5V的偏压，由快速三极管Q30～32组成时序开关控制电路，使得驱动电路的信号输出跟随数字PWM信号的高低电平而输出正负偏压，驱动逆变桥中的功率开关管Q1～4的开通和关断。另外，利用二极管D20～21、稳压管ZD17～18以及三极管Q25～28以及外围电路构造了一个检波电路，检测功率开关的C/E极开通和关断时间的电压降，判断功率开关管是否工作在正常状态，一旦该电压降超过预设的阀值电压，该检波电路通过三极管Q29控制时序开关电路，迅速关断功率开关管，保证主电路安全。
如图9所示为本发明复合交变磁场的镁合金方波MIG高效化焊机的交变磁控电弧发生装置的CAN总线接口电路206的原理图。利用MCU最小系统的ARM芯片LM3S8971的CAN总线外设，通过CANTXD和CANRXD将ARM芯片产生的TTL电平输出，采用双路隔离CAN收发器CTM8251T作为电平转换装置，将该TTL电平转换为CAN总线的差分电平，该接口电路具有高达2500V的隔离能力，提高了控制电路的安全性。
本发明是这样工作的：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，进入一次高频逆变模块102，数字化控制系统200的MCU最小系统201通过串行通信接口电路210从数字化面板202处获得设定值，然后与从反馈采样电路204检测到的电弧负载的电流电压值进行高速数据运算和处理，经过MCU最小系统201中的PWM模块输出6路数字PWM控制信号，其中四路数字PWM信号为移相调制信号，经过IGBT驱动电路203之后直接控制一次高频逆变模块102的四个功率开关管，功率开关管处于软开关换流状态，经过高频变压器变压以及整流滤波之后变成平滑的直流电，作为二次输出波形调制模块的输入，另外2路数字PWM信号为互为推挽的PWM信号，经过IGBT驱动电路203之后变成4路PWM信号，直接控制二次输出波形调制模块103的双半桥并联拓扑结构的4个功率开关管，控制功率开关管导通与关闭，通过脉宽调制的方式实现直流/直流脉冲/交流方波/脉冲交流方波波形输出，满足镁合金焊接工艺的要求。在焊接过程中，ARM控制系统301通过其可编程的16C550型UART与串行通信接口电路相连接，然后与数字化控制系统200的串行通信接口电路210连接，实现数字通信，从数字化面板202获得相关的频率设置、占空比设置以及交流电流值设置等工艺参数；通过与采样反馈信号的比较，进行数字PID运算，获得相应的数字PWM信号输出，以控制功率调节电路302获得期望的输出特性，实现焊接电弧能量控制与电磁场作用的协同。在焊接过程中，MCU最小系统201给送丝驱动电路209一个控制给定信号，控制送丝驱动电路209的输出电枢电压值的大小，从而控制送丝机的送丝速度，同时将实际输出的电枢电压值反馈回MCU最小系统201，形成一个闭环反馈回路，保证送丝速度均匀一致。这就是复合交变磁场的方波MIG焊机的整个控制过程。在复合交变磁场的镁合金方波MIG高效化焊机的工作过程里，异常状态检测电路205检测整流滤波模块101、一次高频逆变模块102、二次输出波形调制模块103的温 度以及过压、欠压和过流等异常情况，一旦发生异常，异常状态检测电路205将该信息发送到MCU最小系统201，MCU最小系统201迅速关断6路数字PWM的输出，保障逆变焊机的工作安全，并且通过串行通信接口电路210发送相关的故障信息给数字化面板202，在面板上显示相关故障类型并发出相关的警示，同时通过串行通信接口电路210发送相应的指令给ARM控制系统301，使得交变磁控电弧发生装置停止工作。数字化控制系统200通过以太网接口电路208与上位计算机连接，实现远程的综合管理和更新维护。
本发明的上述实施例具有以下特点：
1、全数字化：本实施例首次以具备Cortex-M3内核、以及能够同时产生6路数字PWM信号的32位ARM嵌入式微处理器芯片LM3S8971为核心，以RTX-Kernel为实时内核，构建了逆变焊机的数字化控制平台，采用模块化、可移植的设计方法，通过软件编程实现PWM控制信号的数字化输出；以具备Cortex-M3内核、固化有RTX-Kernel实时内核以及具备CAN总线接口.UART总线接口和IAP功能的32位ARM嵌入式微处理器芯片LM3S818为控制核心，结合低功耗的复杂可编程逻辑器件(CPLD)EPM240T100，构建了数字化面板，实现了参数设定和人机交互的数字化；由具备Cortex-M3内核、固化有RTX-Kernel实时内核、具备UART总线接口，以及能够产生6路数字PWM信号的32位ARM嵌入式微处理器芯片LM3S818为核心，构建了变磁控电弧发生装置的数字化控制系统；MCU最小系统、数字化面板和交变磁控电弧发生装置之间通过串行通信接口电路进行数字通信，从而实现了逆变焊机的全数字化，使整个焊机系统具有更好的一致性、动态响应性能和可扩展性。
2、能量控制精细：本实施例充分利用了全数字化控制的优势，能够柔性的实现直流/直流脉冲/交流方波/脉冲交流方波波形输出，并且各种波形的输出顺序可以自由组合，既能获得良好的电弧刚性和清洁作用，又能保证电弧能量的分布适合镁合金MIG焊接的特点，能量的控制非常精确和灵活；
3、工艺性能好：本实施例采用了软开关高频技术，提高了能量转换效率和电磁兼容能力，动态性能好；各种波形的柔性组合，使得电弧的能量控制精细；在复合交变磁场的作用下，电弧形态的可控性更好；在这几个因素的综合作用下，能够保证在镁合金高速焊接过程具有更好的工艺适应性，焊缝透而不塌，焊缝晶粒细化，成形美观，接头强度高。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种复合交变磁场的镁合金方波MIG高效化焊机，输入和输出分别连接三相交流输入电源和电弧负载，其特征是，包括主电路、数字化控制系统、交变磁控电弧发生装置、送丝机以及焊枪；其中，所述主电路由整流滤波模块、一次高频逆变模块、二次输出波形调制模块依次连接组成；所述三相交流输入电源与主电路的整流滤波模块相连接，主电路的二次输出波形调制模块与电弧负载相连接；所述数字化控制系统包括MCU最小系统、数字化面板、IGBT驱动电路、反馈采样电路、异常状态检测电路、CAN总线接口电路、串行通信接口电路以及电源模块；其中，三相交流输入电源与电源模块相连接，电源模块与所述数字化控制系统中的其他模块相连接，用于为其他模块供电；所述MCU最小系统分别与CAN总线接口电路和串行通信接口电路相互连接；所述串行通信接口电路还与数字化面板相互连接；所述MCU最小系统与IGBT驱动电路和主电路中的一次高频逆变模块依次连接；所述MCU最小系统与IGBT驱动电路和主电路中的二次输出波形调制模块依次连接；所述三相交流输入电源通过异常状态检测电路与MCU最小系统相连接；所述主电路中的二次输出波形调制模块通过反馈采样电路和MCU最小系统连接；所述交变磁控电弧发生装置由ARM控制系统、功率调节电路和电感线圈相互连接组成，其中，ARM控制系统与功率调节电路相互连接，功率调节电路与电感线圈相连接，单相交流输入电源与电感线圈相连接，单相交流输入电源与功率调节电路相互连接；所述数字化控制系统中的串行通信接口电路还与ARM控制系统相互连接，进行数字通信和交互；主电路中的二次输出波形调制模块的输出连接送丝机；送丝机与焊枪相互连接；焊枪与电弧负载相连接。
2.根据权利要求1所述的复合交变磁场的镁合金方波MIG高效化焊机，其特征是，所述复合交变磁场的镁合金方波MIG高效化焊机中的数字化控制系统还包括以太网接口电路和送丝驱动电路；所述MCU最小系统与送丝驱动电路相互连接，送丝驱动电路还与送丝机连接；所述MCU最小系统与以太网接口电路相互连接。
3.根据权利要求1或2所述的复合交变磁场的镁合金方波MIG高效化焊机，其特征是，所述主电路中的一次高频逆变模块采用了移相全桥软开关拓扑结构；所述二次输出波形调制模块采用了双半桥并联型拓扑结构。
4.根据权利要求1或2所述的复合交变磁场的镁合金方波MIG高效化焊机，其特征是，所述数字化控制系统中MCU最小系统由具备Cortex-M3内核、固化有RTX-Kernel实时内核、以及能够同时产生6路数字PWM信号的32位ARM嵌入式微处理器芯片LM3S8971及其外围电路相互连接组成。
5.根据权利要求1或2所述的复合交变磁场的镁合金方波MIG高效化焊机，其特征是，所述数字化控制系统中IGBT驱动电路由能够实现6路数字量PWM信号隔离与放大的隔离电路、正负偏压电路和功率管异常状态检波电路相互连接组成；所述隔离电路由光耦器件及其外围电路相互连接组成；所述正负偏压电路由稳压二极管、三极管及其外围电路相互连接组成；所述功率管异常状态检波电路由二极管、稳压二极管和三极管相互连接组成。
6.根据权利要求1或2所述的复合交变磁场的镁合金方波MIG高效化焊机，其特征是，所述交变磁控电弧发生装置的ARM控制系统由具备Cortex-M3内核、固化有RTX-Kernel实时内核、具备可编程UART和IAP特性，以及能够产生6路数字PWM信号的32位ARM嵌入式微处理器芯片LM3S818及其外围电路相互连接组成。
7.根据权利要求1或2所述的复合交变磁场的镁合金方波MIG高效化焊机，其特征是，所述数字化控制系统中CAN总线接口电路由芯片CT8251T及其外围电路相互连接组成。
8.根据权利要求1或2所述的复合交变磁场的镁合金方波MIG高效化焊机，其特征是，所述异常状态检测电路由包含桥式检测电路以及与非门及其外围电路的过压欠压检测电路、温度检测电路、过流检测电路相互连接组成。
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