CN102794547A - 一种维弧斩波控制电路及切割机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种维弧斩波控制电路及切割机，该控制电路包括有依次导通连接的一用于在低电网输入条件下产生脉冲宽度调节驱动信号并限制功率开关管电流的功率开关器件驱动电路、一用于对低电网输入的电流进行取样放大的差分放大取样电路、一用于根据放大后的电流信号来调节脉冲宽度调节驱动信号脉宽的电流反馈环控制电路，以及一用于当功率开关管关断且输出负端为正时将电流续流回至主回路中输送至切割机喷嘴处的维弧电流续流电路。既避免了超微晶主变偏磁和出现维弧过流保护，又提高了起弧成功率，维弧电流稳定，不断弧，实现小电流恒流控制，解决了在低电网电压输入下起弧断弧问题；同时减小了维弧和喷嘴维弧损耗，使用寿命长，耐用、可靠。

Description

一种维弧斩波控制电路及切割机

【技术领域】

本发明属于维弧控制技术和切割机技术领域，尤其涉及一种维弧斩波控制电路及切割机。

【背景技术】

目前，在非高频斩波维弧控制电路中,维弧电流大约设定在18-20A,维弧电路一般用铁铬电阻线圈电压来判断维弧状态,开通副排气阀,减少维弧阶段气压量,并用继电器来通断维弧电路.此方案维弧电阻发热严重,对安装工艺和散热要求较高,长时间使用产品存在安全隐患,与本发明最相似的实现方案采用无固定频率调节,电路工作使用枪开关控制,输出电流采用电流闭环控制方式,当输出电流大于定电流数值时驱动关闭,无PI环路调节,采用三极管驱动IGBT,IGBT开关频率同时受电极与喷嘴之间的电弧电压和给定电压值影响, IGBT开关频率超过主电路工作频率,会对超微晶主变产生偏磁影响，维弧阶段易出现过流保护现象,降低了产品可靠性。这种非高频斩波维弧控制电路存在如下缺点:

（1）斩波功开关管IGBT工作无固定频率,维弧阶段主变易偏磁,出现过流保护现象；

（2）低电网输入情况下,维弧电弧易断弧；

（3）枪电极与喷嘴损耗严重,存在烧损情况。

【发明内容】

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种可有效防止主变偏磁和维弧过流保护，维弧电流稳定、不断弧，起弧成功率高，工作可靠稳定，性能优良，使用寿命长的维弧斩波控制电路及切割机。

本发明解决现有技术问题所采用的技术方案为：

一种维弧斩波控制电路，包括有一用于在低电网输入条件下产生脉冲宽度调节驱动信号并限制功率开关管电流的功率开关器件驱动电路、一用于对低电网输入的电流进行取样放大的差分放大取样电路、一用于根据放大后的电流信号来调节脉冲宽度调节驱动信号脉宽的电流反馈环控制电路，以及一用于当功率开关管关断且输出负端为正时将电流续流回至主回路中输送至切割机喷嘴处的维弧电流续流电路；且所述功率开关器件驱动电路、差分放大取样电路、电流反馈环控制电路和维弧电流续流电路依次导通连接。

进一步地，所述功率开关器件驱动电路包括有一电压型控制芯片，两个二极管D1和D2，三个开关管Q1～Q3，三个电容C2、C3、C4和C10，以及六个电阻R2、R4、R5、R6、R10和R14；其中，所述电压型控制芯与输入电源连接，且连接处外接有电容C4，且所述电阻R4、R5、R10和电容C3、C10，以及二极管D1、D2均与电压型控制芯片导通连接；所述开关管Q2和Q3相互并联，串联在所述电阻R6和开关管Q1之间，且所述电阻R6与所述二极管D1、D2导通连接；所述电阻R14两端分别与所述二极管D1和D2、开关管Q3导通连接;所述电阻R2与电容C2串联一起，并与所述开关管Q1并联。

进一步地，所述电压型控制芯片为SG3525芯片，其引脚13导通连接有用于内部输出三极管限流所述电阻R10，引脚5和引脚6分别导通连接有用于确定工作频率的所述电容C3和电阻R4，引脚5和引脚7之间还导通连接有用于确定工作死区时间的所述电阻R5，引脚8外接有用于为电路开始工作提供慢启动控制的电容C10，且引脚12为接地端，引脚11和引脚14为脉冲输出端，引脚16为基准电压输出端，引脚15为所述电压型控制芯片提供正常工作电压的供电脚,外接用于高频滤波的电容C4。

进一步地，所述引脚11和引脚14以共用形成单端输出方式连接，所述电阻R2和电容C2组成构成用于减小开关管Q1损耗的RC吸收电路。

进一步地，所述差分放大取样电路包括有一双差分运算放大器U3A，四个电阻R1、R12、R15、R24，四个电容C1、C8、C9和C12；其中，所述双差分运算放大器采用双电源供电，且其输入端导通连接有用于滤波的所述电容C1和电容C12，并且还导通连接有用于电源滤波的所述电容C8和电容C9；所述双差分运算放大器的输出端导通连接有用于电流信号取样并转换成电压信号进行放大的所述电阻R12，所述电阻R12导通连接有用于确定其两端差分电压放大比例的电阻R1和电阻R15，所述电阻R15导通连接有用于将负电压信号进行输出的所述电阻R13，所述电阻R24两端分别连接电阻R12和电容C12。

进一步地，所述电流反馈环控制电路包括有一用于产生正给定信号的可调电阻RV1，两个电容C6和C7，六个电阻R16、R17、R18、R20、R28和R29，以及一双差分运算放大器U3B和一开关管Q4；其中，所述可调电阻RV1与所述差分放大取样电路的电阻R13的输出端导通连接，且在所述电阻R13与可调电阻RV1之间依次串联有所述电阻R28和电阻R29，所述C7一端连接在所述电阻R28与电阻R29之间，另一端连接在所述可调电阻RV1的输出端上；所述电阻R20和电容C6组合构成用于产生输出调节脉冲宽度调节驱动信号脉宽的比例积分电路；所述双差分运算放大器U3B的的输出端导通连接有用于将误差信号进行反向放大的电阻R16、电阻R17、电阻R18和开关管Q4，所述开关管Q4的集电极与所述电压型控制芯片的引脚9导通连接。

进一步地，所述维弧电流续流电路包括有一个二极管D6，一个电阻R3，一个电容C13和两个电感L1、L2；其中，所述二极管D6与本控制电路的输出负端连接，并与所述差分放大取样电路的电阻R12输入端导通连接；所述电感L1和电感L2并联一起，且两端分别与所述电阻R12的输出端和切割机的喷嘴导通连接；所述电阻R3与电容C13串联一起，且与所述二极管D6并联。

进一步地，本控制电路的工作电压为12V，工作频率为12K。

一种切割机，其特征在于：包括有电源电路、切割枪和上述权利要求所述的维弧斩波控制电路，所述切割枪包括有开关电路和喷嘴，所述开关电路和喷嘴分别与所述维弧斩波控制电路中的功率开关器件驱动电路和维弧电流续流电路导通连接，所述电源电路与所述功率开关器件驱动电路和开关电路导通连接。

进一步地，所述开关电路包括有依次导通连接的电阻R21、三极管Q5和光耦器U2，且所述电阻R21与所述电源电路导通连接，所述光耦器U2与所述电压型控制芯片的引脚8导通连接。

本发明通过上述技术方案，其上采用恒频PWM控制技术，可限制开关管电流，避免了超微晶主变偏磁和出现维弧过流保护；同时采用单管IGBT做开关器件，采用差分方式输出电流，采用快速调节系统，以及主回路用快恢复二极管形成续流回路主，且控制方式用电流闭环调节，使得本控制电路在低电网输入条件下，维弧电流稳定，不断弧，且起弧成功率高，可胜利完成电弧转移至工件，实现小电流恒流控制，解决了在低电网电压输入下起弧断弧问题。

另外，采用该控制电路的非高频切割机可实现快速切割转移，工作可靠稳定，性能优良，而且减小了维弧和喷嘴维弧损耗，延长了电极和喷嘴使用寿命，耐用、可靠。

【附图说明】

图1是本发明实施例所述维弧斩波控制电路及其切割机的结构原理示意框图；

图2是本发明实施例所述维弧斩波控制电路及其切割机的电路示意图。

【具体实施方式】

以下结合附图对本发明技术方案进行详细说明。

如图1和至图2中所示：

本发明实施例所述的一种维弧斩波控制电路，包括有一用于在低电网输入条件下产生脉冲宽度调节驱动信号并限制功率开关管电流的功率开关器件驱动电路1、一用于对低电网输入的电流进行取样放大的差分放大取样电路2、一用于根据放大后的电流信号来调节脉冲宽度调节驱动信号脉宽的电流反馈环控制电路3，以及一用于当功率开关管关断且输出负端为正时将电流续流回至主回路中输送至切割机喷嘴处的维弧电流续流电路4；且所述功率开关器件驱动电路1、差分放大取样电路2、电流反馈环控制电路3和维弧电流续流电路4依次导通连接。其中，

所述功率开关器件驱动电路1包括有一电压型控制芯片，两个二极管D1和D2，三个开关管（三极管，IGBT）Q1～Q3，三个电容C2、C3、C4和C10，以及六个电阻R2、R4、R5、R6、R10和R14；其中，所述电压型控制芯与输入电源连接，且连接处外接有电容C4，且所述电阻R4、R5、R10和电容C3、C10，以及二极管D1、D2均与电压型控制芯片导通连接；负极与电阻R14和R6相连，且电阻R6连接三极管Q2和Q3的基极，还与所述二极管D1、D2导通连接；所述电阻R14两端分别与所述二极管D1和D2、开关管Q3导通连接；所述电阻R2与电容C2串联一起，并与所述开关管Q1并联；而且，所述电压型控制芯片为SG3525芯片，其引脚13导通连接有用于内部输出三极管限流所述电阻R10，引脚5和引脚6分别导通连接有用于确定工作频率的所述电容C3和电阻R4，引脚5和引脚7之间还导通连接有用于确定工作死区时间的所述电阻R5，引脚8外接有用于为电路开始工作提供慢启动控制的电容C10，且引脚12为接地端，引脚11和引脚14为脉冲输出端，引脚16为基准电压输出端，引脚15为所述电压型控制芯片提供正常工作电压的供电脚,外接用于高频滤波的电容C4；所述引脚11和引脚14以共用形成单端输出方式连接，所述电阻R2和（瓷片）电容C2组成构成用于减小开关管Q1损耗的RC吸收电路。

所述差分放大取样电路2包括有一双差分运算放大器U3A（如：LM358运放芯片），四个电阻R1、R12、R15、R24，四个电容C1、C8、C9和C12；其中，所述双差分运算放大器采用双电源供电，且其输入端导通连接有用于滤波的所述电容C1和电容C12，并且还导通连接有用于电源滤波的所述电容C8和电容C9；所述双差分运算放大器的输出端导通连接有用于电流信号取样并转换成电压信号进行放大的所述电阻R12，所述电阻R12导通连接有用于确定其两端差分电压放大比例的电阻R1和电阻R15，所述电阻R15导通连接有用于将负电压信号进行输出的所述电阻R13，所述电阻R24两端分别连接电阻R12和电容C12。

所述电流反馈环控制电路3包括有一用于产生正给定信号的可调电阻RV1，两个电容C6和C7，六个电阻R16、R17、R18、R20、R28和R29，以及另一双差分运算放大器U3B（如：LM358运放芯片）和一开关管Q4；其中，所述可调电阻RV1与所述差分放大取样电路2的电阻R13的输出端导通连接，且在所述电阻R13与可调电阻RV1之间依次串联有所述电阻R28和电阻R29，所述C7一端连接在所述电阻R28与电阻R29之间，另一端连接在所述可调电阻RV1的输出端上；所述电阻R20和电容C6组合构成用于产生输出调节脉冲宽度调节驱动信号脉宽的比例积分电路；所述双差分运算放大器U3B的的输出端导通连接有用于将误差信号进行反向放大的电阻R16、电阻R17、电阻R18和开关管Q4，所述开关管Q4的集电极与所述电压型控制芯片的引脚9导通连接。

所述维弧电流续流电路4包括有一个二极管D6，一个电阻R3，一个电容C13和两个电感L1、L2；其中，所述二极管D6与本控制电路的输出负端连接，并与所述差分放大取样电路2的电阻R12输入端导通连接；所述电感L1和电感L2并联一起，且两端分别与所述电阻R12的输出端和切割机的喷嘴导通连接；所述电阻R3与电容C13串联一起，且与所述二极管D6并联。

另外，本控制电路的工作电压为12V，工作频率为12K。

本发明所述维弧控制电路的工作原理为：

当本电路在供电正常情况下，首先，电压型控制芯片（SG3525芯片）慢启动引脚8电压慢上升至5V电压，启动脉宽从最小增大至最大，经由二极管D1、D2和电阻R14构成的单端驱动电路输出脉冲宽度调节驱动信号，并经开关管Q2和Q3放大后从开关管Q2的发射极输出,经电阻R7和R27分压直接驱动开关管Q1，同时通过导通连接在开关管Q1集电极与发射极上的由R2和瓷片电容C2构成的RC吸收电路减少开关管工作损耗；接着，所述差分放大取样电路2的电阻R12将对输入的进行取样，并按照电阻R1和电阻R15的确定差分电压放大比例对其两端的电压信号放大20倍，并由其电阻R13输出电流信号输出为负电压信号；最后，所述电流反馈环控制电路3的可调电阻RV1产生维弧电流的正给定信号,并经电阻R29和电容C7进行滤波后，由电阻R28输出至双差分运算放大器U3B负端，且经双差分运算放大器U3B输出端与负输入端上的由电阻R20和积分电容C6组成的比例积分电路进行处理，产生输出调节脉冲宽度调节驱动信号脉宽，同时双差分运算放大器U3B输出误差信号，经电阻R16～R18和开关管Q4进行一倍反向放大，以实现双差分运算放大器U3B的电压数值开关管Q4的集电极电压和电压型控制芯片的电平的控制。

当在低电网输入条件下，所述电压型控制芯片的电平约为4V，输出最大脉宽，单管IGBT关断时形成一续流回路，二极管D6导通，经电流取样电阻R12、电感L1和L2输出至喷嘴处，此时双差分运算放大器U3B的电位上升，将电压型控制芯片的电平降低，输出脉宽减小，完成电流控制调节功能。

这样，本发明通过采用恒频PWM控制技术，可限制开关管电流，避免了超微晶主变偏磁，出现维弧过流保护；同时采用单管IGBT做开关器件，采用差分方式输出电流，采用快速调节系统，以及主回路用快恢复二极管形成续流回路主，且控制方式用电流闭环调节，使得本控制电路在低电网输入条件下，维弧电流稳定，不断弧，且起弧成功率高，可胜利完成电弧转移至工件，实现小电流恒流控制，解决在低电网电压输入下起弧断弧问题。

本发明还提供了一种切割机，该切割机是非高频切割机，包括有电源电路5、切割枪和本发明所述的维弧斩波控制电路，所述切割枪包括有开关电路6和喷嘴7，所述开关电路6包括有依次导通连接的电阻R21、三极管Q5和光耦器U2，且所述电阻R21与电源电路5导通连接，所述光耦器U2与所述电压型控制芯片的引脚8导通连接；所述喷嘴7与所述维弧斩波控制电路中的维弧电流续流电路4的电感L1和电感L2的输出端导通连接，所述电源电路5还与所述维弧斩波控制电路的功率开关器件驱动电路1。

当按下枪开关时, 12V电压通过电阻R21给三极管Q5提供基极电流,使三极管Q5饱和导通，电极电压约0.3V，光耦器U2的引脚1和引脚2无电压不导通，光耦器U2的引脚3和引脚4无电流通过，使电压型控制芯片电压上升为5V，枪开关松开，三极管Q5不导通，当工件有切割电流时,枪开关信号为低电平状态，实现切割无维弧电流。这样，即可实现快速切割转移，工作可靠稳定，性能优良，而且减小了维弧和喷嘴6维弧损耗，延长了电极和喷嘴6使用寿命，耐用、可靠。

以上内容是结合具体的优选技术方案对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种维弧斩波控制电路，其特征在于：包括有一用于在低电网输入条件下产生脉冲宽度调节驱动信号并限制功率开关管电流的功率开关器件驱动电路（1）、一用于对低电网输入的电流进行取样放大的差分放大取样电路（2）、一用于根据放大后的电流信号来调节脉冲宽度调节驱动信号脉宽的电流反馈环控制电路（3），以及一用于当功率开关管关断且输出负端为正时将电流续流回至主回路中输送至切割机喷嘴处的维弧电流续流电路（4）；且所述功率开关器件驱动电路（1）、差分放大取样电路（2）、电流反馈环控制电路（3）和维弧电流续流电路（4）依次导通连接。

2.根据权利要求1所述的维弧斩波控制电路，其特征在于：所述功率开关器件驱动电路（1）包括有一电压型控制芯片，两个二极管D1和D2，三个开关管Q1～Q3，三个电容C2、C3、C4和C10，以及六个电阻R2、R4、R5、R6、R10和R14；其中，所述电压型控制芯与输入电源连接，且连接处外接有电容C4，且所述电阻R4、R5、R10和电容C3、C10，以及二极管D1、D2均与电压型控制芯片导通连接；负极与电阻R14和R6相连，且电阻R6连接三极管Q2和Q3的基极，还与所述二极管D1、D2导通连接；所述电阻R14两端分别与所述二极管D1和D2、开关管Q3导通连接;所述电阻R2与电容C2串联一起，并与所述开关管Q1并联。

3.根据权利要求2所述的维弧斩波控制电路，其特征在于：所述电压型控制芯片为SG3525芯片，其引脚13导通连接有用于内部输出三极管限流所述电阻R10，引脚5和引脚6分别导通连接有用于确定工作频率的所述电容C3和电阻R4，引脚5和引脚7之间还导通连接有用于确定工作死区时间的所述电阻R5，引脚8外接有用于为电路开始工作提供慢启动控制的电容C10，且引脚12为接地端，引脚11和引脚14为脉冲输出端，引脚16为基准电压输出端，引脚15为所述电压型控制芯片提供正常工作电压的供电脚,外接用于高频滤波的电容C4。

4.根据权利要求3所述的维弧斩波控制电路，其特征在于：所述引脚11和引脚14以共用形成单端输出方式连接，所述电阻R2和电容C2组成构成用于减小开关管Q1损耗的RC吸收电路。

5.根据权利要求1至4中任何一项所述的维弧斩波控制电路，其特征在于：所述差分放大取样电路（2）包括有一双差分运算放大器U3A，四个电阻R1、R12、R15、R24，四个电容C1、C8、C9和C12；其中，所述双差分运算放大器采用双电源供电，且其输入端导通连接有用于滤波的所述电容C1和电容C12，并且还导通连接有用于电源滤波的所述电容C8和电容C9；所述双差分运算放大器的输出端导通连接有用于电流信号取样并转换成电压信号进行放大的所述电阻R12，所述电阻R12导通连接有用于确定其两端差分电压放大比例的电阻R1和电阻R15，所述电阻R15导通连接有用于将负电压信号进行输出的所述电阻R13，所述电阻R24两端分别连接电阻R12和电容C12。

6.根据权利要求5所述的维弧斩波控制电路，其特征在于：所述电流反馈环控制电路（3）包括有一用于产生正给定信号的可调电阻RV1，两个电容C6和C7，六个电阻R16、R17、R18、R20、R28和R29，以及另一双差分运算放大器U3B和一开关管Q4；其中，所述可调电阻RV1与所述差分放大取样电路（2）的电阻R13的输出端导通连接，且在所述电阻R13与可调电阻RV1之间依次串联有所述电阻R28和电阻R29，所述C7一端连接在所述电阻R28与电阻R29之间，另一端连接在所述可调电阻RV1的输出端上；所述电阻R20和电容C6组合构成用于产生输出调节脉冲宽度调节驱动信号脉宽的比例积分电路；所述双差分运算放大器U3B的的输出端导通连接有用于将误差信号进行反向放大的电阻R16、电阻R17、电阻R18和开关管Q4，所述开关管Q4的集电极与所述电压型控制芯片的引脚9导通连接。

7.根据权利要求6所述的维弧斩波控制电路，其特征在于：所述维弧电流续流电路（4）包括有一个二极管D6，一个电阻R3，一个电容C13和两个电感L1、L2；其中，所述二极管D6与本控制电路的输出负端连接，并与所述差分放大取样电路（2）的电阻R12输入端导通连接；所述电感L1和电感L2并联一起，且两端分别与所述电阻R12的输出端和切割机的喷嘴导通连接；所述电阻R3与电容C13串联一起，且与所述二极管D6并联。

8.根据权利要求1至4或6或7中任何一项所述的维弧斩波控制电路，其特征在于：本控制电路的工作电压为12V，工作频率为12K。

9.一种切割机，其特征在于：包括有电源电路（5）、切割枪和上述权利要求所述的维弧斩波控制电路，所述切割枪包括有开关电路（6）和喷嘴（7），所述开关电路（6）和喷嘴（7）分别与所述维弧斩波控制电路中的功率开关器件驱动电路（1）和维弧电流续流电路（4）导通连接，所述电源电路（5）与所述功率开关器件驱动电路（1）和开关电路（6）导通连接。

10.根据权利要求9所述的切割机，其特征在于：所述开关电路（6）包括有依次导通连接的电阻R21、三极管Q5和光耦器U2，且所述电阻R21与所述电源电路（5）导通连接，所述光耦器U2与所述电压型控制芯片的引脚8导通连接。

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