CN102554409B - 一种具有良好焊接波形的数字化焊机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有良好焊接波形的数字化焊机，包括逆变主电路单元，用于控制焊机输出电路开启/关闭；和信号检测单元，用于检测焊机输出电路的电流信号和电压信号；及PWM控制单元，与所述逆变主电路单元连接，根据控制器发出的控制器信号控制该逆变主电路导通/关闭；和状态检测单元，根据所述信号检测单元检测的信号判断当前焊机输出电路的输出状态；以及控制器，接收信号检测单元的检测信号以及所述状态检测单元的状态判断，对所述PWM控制单元进行控制。相对于现有技术，本发明通过及时对当前焊接状态进行检测和对输出电流大小进行控制，有效地防止焊接过程中产生飞溅现象，改善了焊缝成形。

Description

一种具有良好焊接波形的数字化焊机

技术领域

本发明涉及一种电焊机控制系统，尤其是一种能够具有良好焊接波形的数字化电焊机。

背景技术

目前的气体保护焊焊机一般采用模拟电路进行控制，请参阅图1，通过IGBT等开关器件控制焊机的输出。焊机的输出反馈的检测的一般为输出电压、输出电流或者二者的综合，通过与参考给定输入信号的形式获得误差信号。对该误差信号进行比例积分(PI)控制方法得到具有稳态精度和抗高频和抗干扰能力的控制信号来对IGBT的导通情况进行控制。

由于模拟焊机的控制元件数量众多，对焊接电流、电压的控制能力有限，难以满足人们对焊接加工的高性能要求。由于模拟控制系统的参数由独立的电阻、电容等分立元件决定，导致焊接控制系统调试复杂；同时电阻、电容的参数分布影响导致焊机的控制系统参数调节各异，稳定性能差，影响控制系统的稳定性。

基于以上原因，在气体保护焊的实际操作的关键技术是在对焊机的焊接参数匹配、调试以及焊接工艺的配合掌握，只有各种焊接参数匹配得当时才能焊出好的工艺效果，降低焊接过程中的飞溅现象，改善焊缝成形。由于这些参数都是一个相对值，很不精确，要靠焊接作业人员熟练掌握。作业人员根据焊材的特性和工艺要求调整各种焊接参数，而调整的途径则是听声音、看现象、看效果，焊接效果的好坏全凭操作工的焊接水平。传统焊机在使用过程中对焊接操作人员的技术依赖性强，但培养一个熟练的气体保护焊的操作人员需要两个月的时间，这要靠师傅言传身教，耗费许多焊接材料以作练习。

在气体保护焊中，飞溅主要产生在由燃弧转向短路和由短路转向燃弧的两个短路过渡区内。短路初期，电流过大会导致熔滴过分长大而脱落，在CO2气体冲击下产生飞溅；当熔滴和熔池接触时，熔滴成为焊丝和熔池的连接桥梁，形成液体小桥，并通过该小桥使电路短路。短路之后电流逐渐增加，小桥处的液体金属在电磁收缩力的作用下急剧收缩，形成很细的缩颈。随着电流的增加和缩颈的减小，小桥处的电流密度很快增加，对小桥急剧加热，造成过剩能量的积聚，最后导致小桥发生气化爆炸，同时引起金属飞溅。在这两个过渡区都存在电流密度过于集中的问题，因而降低短路初期和液桥破断瞬时的电流，减少小桥电爆炸能量，软化状态转换过程成为降低飞溅的主要方法。

改善焊缝成形主要方法是控制输入给焊缝和焊丝的热量，即控制焊接电流的有效值。在燃弧期，施加固定燃弧脉冲电流来控制熔滴大小的均匀。调节焊接电流的衰减时间，调整输入给焊缝的热量。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是要提供一种能够防止焊接过程产生飞溅、并且具有良好焊接波形的数字化焊机。

为实现上述目的，本发明所述的一种具有良好焊接波形的数字化焊机采用的技术方案如下：

一种具有良好焊接波形的数字化焊机，包括：

逆变主电路单元，用于控制焊机输出电路开启/关闭；和

信号检测单元，用于检测焊机输出电路的电流信号和电压信号；及

PWM控制单元，与所述逆变主电路单元连接，根据控制器发出的控制器信号控制该逆变主电路导通/关闭；和

状态检测单元，根据所述信号检测单元检测的信号判断当前焊机输出电路的输出状态；以及

控制器，接收信号检测单元的检测信号以及所述状态检测单元的状态判断，对所述PWM控制单元进行控制。

具体的，所述逆变主电路单元包括两个并联的桥臂、一电容和一变压器，其中每个桥臂上串联有两个开关器件，该开关器件的控制端与所述PWM控制单元连接；所述变压器的原边串联在该两桥臂之间，所述电容与所述该变压器原边串联，该变压器的副边连接到焊机的输出端。

进一步，所述开关器件为包括IGBT开关器件。

具体的，所述PWM控制单元包括PWM控制器、误差放大器、零电压比较器和输出锁存器以及驱动器，该PWM控制器根据所述控制器的控制器信号发出的信号经所述误差放大器放大、零电压比较器和输出锁存器进行锁存后输出给驱动器，驱动该逆变主电路单元的开关器件，控制逆变主电路单元导通/关闭。

具体的，所述信号检测单元检测的电流信号传送至所述PWM控制单元的PWM控制器，所述PWM控制器根据该电流信号进行延时。

优选的，所述PWM控制器为PWM专用芯片UC3846。

具体的，所述信号检测单元包括电压检测模块和电流检测模块，所述电压检测模块包括一霍尔电压传感器和至少一放大器，所述霍尔传感器检测的输出电压信号经放大器放大后输出至所述状态检测单元和控制器；所述电流检测模块包括一霍尔电流传感器和至少一放大器，该霍尔电流传感器检测的电流信号经放大器放大后输出给所述PWM控制单元和控制器。

具体的，所述状态检测单元包括短路检测单元和燃弧检测单元，所述短路检测单元包括一短路比较器，该短路比较器根据信号检测单元输出的电压信号与一短路阈值进行比较得出短路信号，并将该短路信号传送至所述控制器；所述燃弧检测单元包括一燃弧比较器，该燃弧比较器根据信号检测单元输出的电压信号与一燃弧阈值进行比较得出燃弧信号，并将燃弧信号传送至控制器。

进一步，所述控制器接收所述信号检测单元输出的电流信号，并将该电流信号与一输入的电流阈值信号进行PID运算，根据该运算结果输出一控制器信号，控制所述PWM控制单元。

上述优选实施方式中，还包括一送丝装置和上位系统，所述送丝装置与所述控制器连接，根据控制器的指令传送焊丝；所述上位系统与所述控制器交互，用于通讯和人机交互。

相对于现有技术，本发明所述的数字化焊机的控制器通过PWM控制单元控制逆变主电路导通/关闭，有效的对输出电流大小进行控制，改善了焊缝成形；并且通过及时当前检测焊接状态有效地防止焊接过程中产生飞溅现象；更重要的是，由于整个控制系统采用数字化控制，焊机控制系统稳定致使焊接参数容易调整、匹配，使得焊接作业人员能够及时掌握焊接技巧，克服现有焊机使用过程中对焊接操作人员操作经验的依赖。

为了充分地了解本发明的目的、特征和效果，以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明。

附图说明

图1是现有技术中焊机控制系统的功能结构示意图；

图2是本发明所述数字化焊机的控制系统的结构示意图；

图3是逆变器主电路单元的结构示意图；

图4是PWM控制单元与逆变器主电路单元的结构示意图；

图5是状态检测单元的结构示意图；

图6是控制器与PWM检测单元的连接关系示意图；

图中：

1-逆变主电路单元；2-PWM控制单元；3-控制器；4-信号检测单元；41-电流检测模块；42-电压检测模块；5-状态检测单元；51-短路检测模块；52-燃弧检测模块；6-输出电路；7-送丝装置；8-上位系统。

具体实施方式

如图2至图6所示，一种具有良好焊接波形的数字化焊机，包括逆变主电路单元1、PWM控制单元2、控制器3、信号检测单元4和状态检测单元5。请参阅图2，图2所示为本发明所述数字化焊机的控制系统的结构示意图，逆变器主电路单元1用于控制输出电路6的开启/关闭，控制器3根据信号检测单元4的检测信号和状态检测单元4的状态信号控制PWM控制单元2发出控制信号，控制逆变主电路单元1开启/关闭。通过控制逆变主电路单元1开启时间在开启时间和关闭时间之和的比值，即占空比，调整输出电流的有效值。

请参阅图3，图3所示为逆变器主电路单元1的结构示意图。该逆变器主电路单元1具有两条并联连接的桥臂、电容和一变压器。每条桥臂上串接有两个开关器件，该开关器件的控制端与PWM控制单元2连接，该开关器件可以根据PWM控制单元2的控制信号导通/关闭。变压器的原边串联于该两桥臂的开关器件之间，副边与焊机的输出端连接。作为一种优选的实施方式，开关器件可以采用绝缘栅双极性晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)，其集电极和发射极为开关器件的连接端，栅极为开关器件的控制端。

在现有的焊机中采用常规的PWM逆变器，一般使用硬开关器件进行控制。在需要高速开启/关闭的电路中，使用硬开关器件会导致硬开关损耗、容性开通问题。由于开关器件不是一个理想器件，在开通时，开关管的电压不是立即下降到零，而是通过一个下降时间下降到零。同时，经过开关器件的电流也不是立即上升到负载电流，也必须经历一段上升时间才达到负载电流。在这段时间中，由于电流和电压有一个交叠区，因此会产生损耗，称该损耗为开通损耗。同理，在开关器件关断的时候，也会有一个关断损耗。在开关器件工作的时候，产生的开通损耗和关断损耗统称为开关损耗。由于硬开关在开关过程中电压和电流均不为零而重叠，导致出现开关噪声和电压和电流变化很快，波形出现明显的过冲。

本实施例中逆变主电路单元1由于变压器原边为感性负载，使负载电流电流滞后于电压，当逆变主电路单元1变换电流方向后，电流的流向并不马上发生该表，使电流继续按照原有方向流动抽走开关器件的结电容上的电荷。当开关器件上的电荷完全抽走后，电压降为零电压，然后再使逆变主电路单元1进行反方向开通，有效地降低了开关器件的开关损耗和电流过冲现象。

请参阅图4，图4所示为PWM控制单元与逆变主电路单元的结构示意图。PWM控制单元2包括PWM控制器21，误差放大器22、零电压比较器23、输出锁存器24和驱动器25。PWM控制器21根据控制器3的控制发出PWM触发信号，经误差放大器22和零电压比较器23放大后，输出锁存器24进行锁存并传送至驱动器25，驱动逆变主电路单元1的IGBT开关，轮流触发桥臂的IGBT器件。作为一种优选的实施方式，PWM控制器1可以采用UC3846作为PWM集成控制电路。为了防止逆变主电路单元中出现电压信号与电流信号重叠，导致电流和电压信号变化过快而出现开关噪声现象，PWM控制器21还接收信号检测单元4检测的电流信号。当逆变主电路单元1的电流从负半波到正半波过零时，零电压比较器23输出高电平，UC3846控制器的外部同步端输出驱动频率跟踪谐振频率，触发逆变器主电路的开关器件Q1、Q4导通。当逆变主电路1中的电流从正半波到负半波过零时，零电压比较器23则输出低电平触发Q2、Q3导通。UC3846和驱动电路使得开关器件Q1和Q4的导通转换到开关器件Q2、Q3的导通存在一定的延迟时间，保证驱动信号的开关时刻正好在逆变主电路单元1的过零点。

请参阅图5，所述信号检测单元4包括电流检测模块41和电压检测模块42。电流检测模块41包括一霍尔电流传感器和至少一放大器，霍尔电流传感器可以采用CS-800FA/4V的规格，该霍尔电流传感器的线性范围是0～800A，额定输出0～4V，精确度为±1％，响应时间小于1us，满足焊接回路电流反馈信号采集的需要。霍尔电流传感器得到的电流信号经放大器适当放大后，传送至PWM控制单元2和控制器3。电压检测模块42包括霍尔电压传感器和至少一放大器，霍尔电压传感器可以采用型号为VSM025A的霍尔电压传感器，经放大器进行适当放大后，将其输出限定在0～3.3V，传送至控制器3和状态检测单元5中。

请参阅图5，状态检测单元5包括短路检测模块51和燃弧检测模块52。短路检测模块51包括一短路比较器，该短路比较器将接收的电压信号与一短路阈值电压进行比较，当电压信号小于短路阈值电压时，说明进入短路状态，短路检测模块51向控制器3发出短路信号。短路阈值电压可以根据多次试验结果进行确定，作为一有效的经验值，短路阈值电压可以选择13V左右。燃弧检测模块52包括一燃弧比较器，该燃弧比较器根据接收的电压信号与燃弧阈值电压进行比较，如果电压信号大于燃弧阈值电压，说明进入燃弧状态，燃弧检测模块52向控制器3发出燃弧信号。燃弧阈值电压也可以通过对焊机进行有限次实验得到。

控制器3接收信号检测单元4的检测的电压信号和电流信号，以及所述状态检测单元5的短路信号和燃弧信号。该控制器3根据接收的电流信号与一内部或者外部输入的电流阈值信号进行PID运算，并根据该运算结果输出一控制信号，控制该PWM控制单元的开启/关闭频率，改变逆变主电路1输出电流的有效值。

本实施例的数字化焊机还包括一送丝装置7和上位系统8。送丝装置7与控制器3交互，与控制器3配合，控制传送焊丝的长度和速度；上位系统8与控制器3交互，用于与外部通讯或者用于操作面板的显示。

以下详细描述该数字化焊机的工作过程：

当焊机控制系统启动后，操作人员开始作业。由于焊机输出电路6的输出端开始短路，信号检测单元4的电压检测模块42检测到电压信号传送至状态检测模块5。该状态检测模块5的短路检测模块51检测到当前焊机输出的电压低于短路阈值电压，因此，该状态检测模块5向控制器3发出短路信号。控制器3根据该短路信号的触发，将信号检测单元4检测的电压信号和电流信号与一电流阈值进行PID运算，控制PWM控制单元2输出具有大占空比的PWM波形，使得逆变主电路1控制输出电路6输出恒定的小电流。随后控制器3控制PWM控制单元2减小其输出的PWM波的占空比，增加逆变主电路1的输出电流的有效值。

随着输出电路6输出电流的增加，输出电路6输出电压也在增加。当状态检测单元5检测到电压信号高于燃弧阈值电压时，状态检测单元5向控制器3发出燃弧信号，控制器3根据一小电流的电流预设值进行PID运算，控制PWM控制单元2输出大的占空比的PWM波形，使得逆变主电路1输出恒定的小电流，直到完成燃弧操作的焊接过程。

相对于现有技术，本发明所述的数字化焊机能够通过信号检测单元4实时检测输出的电流信号和电压信号，并通过状态检测单元5根据电压信号检测当前焊接的状态，使得控制器3可以根据当前焊接状态来控制PWM控制单元2输出的PWM波形的占空比来实时调节逆变主电路单元1输出电流的有效值，达到具有良好焊接波形、改善了焊缝成形的目的。

由于控制器3能够及时或者当前焊接处于短路或者燃弧状态，因此在状态转换的过程中能够通过PID运算，及时降低输出电流，防止飞溅现象的产生。

本发明另外一个改进点在于，在主逆变电路单元1中采用软开关技术，能够使开关器件在零电压或者零电流状态下导通或者关断，有效的降低了开关器件在开关过程中损耗过大、减少了电磁干扰，突破了硬开关对工作频率的限制。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例，应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明构思在现有技术基础上通过逻辑分析、推理或者根据有限的实验可以得到的技术方案，均应该在由本权利要求书所确定的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种具有良好焊接波形的数字化焊机，其特征在于，包括：

逆变主电路单元，用于控制焊机输出电路开启/关闭；

信号检测单元，用于检测焊机输出电路的电流信号和电压信号；

PWM控制单元，与所述逆变主电路单元连接，根据控制器发出的控制器信号控制该逆变主电路单元导通/关闭；

状态检测单元，根据所述信号检测单元检测的信号判断当前焊机输出电路的输出状态；以及

控制器，接收信号检测单元的检测信号以及所述状态检测单元的状态判断，对所述PWM控制单元进行控制；

所述逆变主电路单元包括两个并联的桥臂、一电容和一变压器，其中每个桥臂上串联有两个开关器件，每个开关器件的控制端与所述PWM控制单元连接；所述变压器的原边串联在该两桥臂之间，所述电容与所述变压器原边串联，该变压器的副边连接到焊机的输出端；

所述开关器件为IGBT开关器件；

所述PWM控制单元包括PWM控制器、误差放大器、零电压比较器和输出锁存器以及驱动器，该PWM控制器根据所述控制器的控制器信号发出的信号经所述误差放大器放大、零电压比较器和输出锁存器进行锁存后输出给驱动器，驱动该逆变主电路单元的开关器件，控制逆变主电路单元导通/关闭；

所述信号检测单元检测的电流信号传送至所述PWM控制单元的PWM控制器，所述PWM控制器根据该电流信号进行延时。

2.如权利要求1所述的数字化焊机，其特征在于，所述PWM控制器为PWM专用芯片UC3846。

3.如权利要求2所述的数字化焊机，其特征在于，所述信号检测单元包括电压检测模块和电流检测模块，所述电压检测模块包括一霍尔电压传感器和至少一放大器，所述霍尔电压传感器检测的输出电压信号经放大器放大后输出至所述状态检测单元和控制器；所述电流检测模块包括一霍尔电流传感器和至少一放大器，该霍尔电流传感器检测的电流信号经放大器放大后输出给所述PWM控制单元和控制器。

4.如权利要求3所述的数字化焊机，其特征在于，所述状态检测单元包括短路检测单元和燃弧检测单元，所述短路检测单元包括一短路比较器，该短路比较器根据信号检测单元输出的电压信号与一短路阈值进行比较得出短路信号，并将该短路信号传送至所述控制器；所述燃弧检测单元包括一燃弧比较器，该燃弧比较器根据信号检测单元输出的电压信号与一燃弧阈值进行比较得出燃弧信号，并将燃弧信号传送至控制器。

5.如权利要求4所述的数字化焊机，其特征在于，所述控制器接收所述信号检测单元输出的电流信号，并将该电流信号与一输入的电流阈值信号进行PID运算，根据该运算结果输出一控制器信号，控制所述PWM控制单元。

6.如权利要求1至5任一项所述的数字化焊机，其特征在于，还包括一送丝装置和上位系统，所述送丝装置与所述控制器连接，根据控制器的指令传送焊丝；所述上位系统与所述控制器交互，用于通讯和人机交互。