CN102922091A - 数字控制多功能逆变弧焊机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种逆变弧焊机，具体为一种工作效率高，动态响应快的数字控制多功能逆变弧焊机。其包括依次连接的包括IGBT逆变电路（101）的主电路系统（1），数字控制系统（2）和人机交换系统（3），其中，数字控制系统（2）采用数字信号控制器（4）做核心控制单元，还包括分别与数字信号控制器（4）连接的辅助电路（5），用于处理采集到的主电路系统（1）数据的信号调理电路（6），和用于对IGBT逆变电路（101）进行驱动控制的IGBT驱动电路（7）；数字信号控制器（4）的型号为dsPIC30F4011，其通过IGBT驱动电路（7）与IGBT逆变电路（101）连接，用于对主电路系统（1）进行调节控制。

Description

数字控制多功能逆变弧焊机

技术领域

本发明涉及一种逆变弧焊机，具体为一种数字控制多功能逆变弧焊机。

背景技术

逆变与整流是两个相反的概念，整流是把交流电变换为直流电的过程，而逆变则是把直流电改变为交流电的过程，采用逆变技术的弧焊电源称为逆变焊机，也称为逆变弧焊机。逆变过程需要大功率电子开关器件，采用绝缘栅双极晶体管IGBT作为开关器件的的逆变焊机称为IGBT逆变焊机。 逆变焊割设备由逆变电源与外接设备组成。逆变电源是逆变焊割设备的主要设备，其工作过程为：工频交流－直流－高频交流－变压－直流，其是将三相或单相50Hz工频交流电整流、滤波后得到一个较平滑的直流电，由 IGBT或场效应管组成的逆变电路将该直流电变为15～100kHz 的交流电，经中频主变压器降压后，再次整流滤波获得平稳的直流输出焊接电流或再次逆变输出所需频率的交流电。逆变焊割设备的控制电路由给定电路和驱动电路等组成，通过对电压、电流信号的回馈进行处理，实现整机循环控制，采用脉宽调制PWM为核心的控制技术，从而获得快速脉宽调制的恒流特性和优异的焊割工艺效果。

逆变焊机发展到现在，经历了三个阶段，第一代为晶闸管逆变焊机，其逆变频率为2～3kHz；第二代是大功率晶体管逆变焊机，逆变频率近20kHz；第三代为绝缘栅极半导体开关器件（IGBT模块、单管 MOSFET）逆变焊机，逆变频率可提高到15～100kHz 以上，成为逆变焊机的主流。目前的逆变焊机已经发展到了第四代产品，既数字化控制的逆变焊机，一定程度上克服了前三代产品的模拟控制中出现的诸多问题，例如，复杂数据处理的能力有限、元器件数量多，并且控制器的参数由电阻、电容等分立元件的参数决定，控制器的调试复杂、灵活性差；同时电阻、电容的参数分布对控制器的影响不一致性，参数的稳定性差，很难做到高精度控制；而且要实现多功能的选择，不仅电路设计困难，而且电路元器件的兼容和协调也十分庞大。

但是现有的数字化控制的逆变焊机中，采用的是数字信号处理器（dsp）进行电路的控制，其具有很强的数值计算能力，但是其事件管理能力较差，输出特性单一，虽然能够实现单功能的精确控制，但是对多功能的实现上仍然不能很好的实现；同时由于技术的限制，其都采用的是PFM或PWM的单模式控制开关电源，虽然应用最广泛的PWM模式具有噪音低，满负载是效率高的优势，但是其在低负载时缺不能很好的发挥出特点，其效率也远低于PFM模式的控制，因此影响了逆变焊机效率的提升。

发明内容

本发明为了解决以上所述的现有技术中存在的问题，提供一种全数字化控制，具有多输出特性，工作效率高，动态响应快的数字控制多功能逆变弧焊机。

本发明数字控制多功能逆变弧焊机，包括依次连接的主电路系统1，数字控制系统2和人机交换系统3，主电路系统1包括IGBT逆变电路101，其特征在于，所述的数字控制系统2采用数字信号控制器4做核心控制单元，还包括分别与数字信号控制器4连接的辅助电路5，用于处理采集到的主电路系统1数据的信号调理电路6，和用于对IGBT逆变电路101进行驱动控制的IGBT驱动电路7；数字信号控制器4的型号为dsPIC30F4011，其通过IGBT驱动电路7与IGBT逆变电路101连接，用于对主电路系统1进行调节控制；所述的IGBT驱动电路7中设置有用于PWM和PFM联合调制的PWM/PFM调制模块701。

进一步，所述的IGBT驱动电路7通过其控制信号输入端与数字信号控制器4上的PWM信号输入端口（PWM1L-PWM2H）连接。

进一步，所述的人机交换系统3，包括显示驱动电路301，用于对主电路系统1的参数通过显示驱动电路301连接到数字信号控制器4进行预置调节的参数预置调节电路302；显示驱动电路301上连接有用于选择焊接方式的功能选择电路304和用于显示主电路系统1信息的显示器303。

更进一步，所述的显示驱动电路301与数字信号控制器4上的输入输出端口（I/O）连接。

更进一步，所述的人机交换系统3，还包括用于对主电路系统1的参数通过数字信号控制器4进行直接实时调节的参数实时调节电路305；参数实时调节电路305与数字信号控制器4上的模拟通道端口（AN）连接。

进一步，所述的数字信号控制器4通过辅助电路5与外围设备8相连接，辅助电路5包括通过数字信号控制器4上的同步串行端口（SPI1）连接的RS-232C接口501，外围设备8包括与RS-232C接口501连接的计算机801。

更进一步，所述的辅助电路5，还包括与数字信号控制器4上的晶振输入端口（OSC1）和晶振输出端口（OSC2）连接的振荡电路502，与数字信号控制器4上的复位输入端口（MCLR）连接的复位电路503，与数字信号控制器4上的模拟参考电压输入端口（VREF+和VREF-）连接的参考电压电路504，与数字信号控制器4上的故障输入端口（FLTA）连接的PWM故障封锁电路505，以及分别与数字信号控制器4上的输入输出端口（I/O）连接的报警电路506、水压检测电路507、电子气阀控制电路508和高频引弧控制电路509。

进一步，所述的主电路系统1，还包括依次连接在IGBT逆变电路101输入端的电源102、LC滤波电路103、输入整流电路104、滤波电路105，以及依次连接在IGBT逆变电路101输出端的功率变压器106、输出整流电路107和输出端子；所述的输出端子包括分别连接在输出整流电路107上的负输出端子108和正输出端子109。

更进一步，所述的输出整流电路107和负输出端子108之间设置有电流传感器110，输出整流电路107和正输出端子109之间依次设置有电压传感器111与高频引弧器112；所述的电流传感器110和电压传感器111分别与信号调理电路6连接，并一同组成连接在数字信号控制器4上模拟通道端口（AN）的采样电路9。

再进一步，所述的高频引弧器112与数字信号控制器4上的输入输出端口（I/O）连接。

采用本发明所述的技术方案，对比现有技术，其有益效果如下。

1）通过数字信号控制器4的核心控制，配合IGBT驱动电路7中PWM/PEM调制模块701的配合，实现了全数字化的脉宽调制技术，动态响应速度快，静态性能精确，使主电路系统1中输出的电流动态范围大大增加，使其短路电流能够到2A，同时能够实现电流调节的无缝切换和高精度控制，控制迅速，节能高效，得到较理想的外特性曲线形状，满足焊接工艺要求。

2）由于数字信号控制器4采用选取了dsPIC30F4011芯片，因此能够在不增加额外电路元器件的条件下，利用其出众的数据处理和逻辑控制能力，能够体现出多种输出特性，提供了实现多种功能的平台，能够实现集直流/脉冲TIG焊、MMA连续/断续焊四种功能于一体，功能丰富，适应性强，产品一致性好，性能稳定可靠。

3）利用在人机交换系统3中设置的参数预置调节电路302和参数实时调节电路305能够对主电路系统1中输出电流的参数实现参数的全过程调节，而且能够预先通过功能选择电路304对焊接方式和功能进行选择，并通过显示器303进行显示，适用于全位置及薄板的焊接。

4）经辅助电路5中的RS-232C接口能够与外接的计算机801连接，实现对焊接过程的远程升级、控制、诊断、调试与监测，同时还能够实现焊接数据的植入和储存，以及程序下载等；还能够利用辅助电路5中设置的其他电路对焊机行进全面的监控、管理和保护，设计合理，结构简单，安全可靠。

附图说明

图1为本发明实例中所述的结构原理框图。

图2为本发明实例中所述的数字控制系统结构原理框图。

图中：主电路系统1，数字控制系统2，人机交换系统3，数字信号控制器4，辅助电路5，信号调理电路6，IGBT驱动电路7，外围设备8，采样电路9，IGBT逆变电路101，电源102，LC滤波电路103，输入整流电路104，滤波电路105，功率变压器106，输出整流电路107，负输出端子108，正输出端子109，电流传感器110，电压传感器111，高频引弧器112，显示驱动电路301，参数预置调节电路302，显示器303，功能选择电路304，参数实时调节电路305，RS-232C接口501，振荡电路502，复位电路503，参考电压电路504，PWM故障封锁电路505，报警电路506，水压检测电路507，电子气阀控制电路508，高频引弧控制电路509，PWM/PFM调制模块701，计算机801，PWM信号输入端口（PWM1L-PWM2H），模拟通道端口（AN），晶振输入端口（OSC1），晶振输出端口（OSC2），复位输入端口（MCLR），模拟参考电压输入端口（VREF+和VREF-），故障输入端口（FLTA），输入输出端口（I/O）。

具体实施方式

以下结合具体的实施例，对本发明进一步的进行描述、解释和说明。

本发明数字控制多功能逆变弧焊机，如图1所示，其包括依次连接的主电路系统1，数字控制系统2和人机交换系统3，主电路系统1包括IGBT逆变电路101，其中，数字控制系统2采用数字信号控制器4做核心控制单元，还包括分别与数字信号控制器4连接的辅助电路5，用于处理采集到的主电路系统1数据的信号调理电路6，和用于对IGBT逆变电路101进行驱动控制的IGBT驱动电路7；数字信号控制器4的型号为dsPIC30F4011，其通过IGBT驱动电路7与IGBT逆变电路101连接，用于对主电路系统1进行调节控制；所述的IGBT驱动电路7中设置有用于PWM和PFM联合调制的PWM/PFM调制模块701。数字型号控制器4所采用的dsPIC30F4011芯片，能够通过设置和输入软件算法来对其输出的波形、脉冲进行多类型的控制，从而达到多功能的要求，还无需增加其他的电子元器件，使得焊机的一致性好，性能稳定可靠，而再加上PWM/PFM调制模块701的配合实现对IGBT逆变电路101的数字化精确控制，和PWM和PFM的联合调制，达到电流的无缝切换和对电流的高精度控制，减少了无功损耗，提高了功率因数。

其中，如图2所示，IGBT驱动电路7通过其控制信号输入端与数字信号控制器4上的PWM信号输入端口（PWM1L-PWM2H）连接，实现数字化脉宽调制；其中，如图1所示，所述的人机交换系统3，包括显示驱动电路301，用于对主电路系统1的参数通过显示驱动电路301连接到数字信号控制器4进行预置调节的参数预置调节电路302；显示驱动电路301上连接有用于选择焊接方式的功能选择电路304和用于显示主电路系统1信息的显示器303，能够实现对电流参数的前置调节；其中，如图2所示，显示驱动电路301与数字信号控制器4上的输入输出端口（I/O）连接；其中，如图1和图2所示，人机交换系统3，还包括用于对主电路系统1的参数通过数字信号控制器4进行直接实时调节的参数实时调节电路305；参数实时调节电路305与数字信号控制器4上的模拟通道端口（AN）连接，通过模拟信号的输入，由数字信号控制4完成信号的数字化转换，来实现对电流的实时控制，用于焊接电流/推力电流和峰值电流/基值电流模拟信号的置入；配合电流的前置调节，达到了对电流的全过程调控。

其中，如图1所示，数字信号控制器4通过辅助电路5与外围设备8相连接，辅助电路5包括通过数字信号控制器4上的同步串行端口（SPI1）连接的RS-232C接口501，外围设备8包括与RS-232C接口501连接的计算机801，能够通过计算机801实现对焊机的整体进行集中监测、在线调试、程序下载等。

其中，如图2所示，辅助电路5还包括与数字信号控制器4上的晶振输入端口（OSC1）和晶振输出端口（OSC2）连接的振荡电路502；与数字信号控制器4上的复位输入端口（MCLR）连接的复位电路503，数字信号控制器4与振荡电路和复位电路构成了最小计算机系统；与数字信号控制器4上的模拟参考电压输入端口（VREF+和VREF-）连接的参考电压电路504；与数字信号控制器4上的故障输入端口（FLTA）连接的PWM故障封锁电路505，用于检测互补驱动信号导致的直通现象，能够代替软件的介入实现对IGBT驱动电路7的保护，稳定可靠；以及分别与数字信号控制器4上的输入输出端口（I/O）连接的报警电路506、水压检测电路506、电子气阀控制电路508和高频引弧控制电路809。其中，报警电路506是防止各种由意外故障（过压/欠压、过流、过热)对焊接电源造成破坏，接在dsPIC30F4011芯片上相应的I/O口出现低电平，关断芯片PWM输出波形，从而关断焊机的主电路系统1，并由显示器303进行故障显示；其中利用水压检测电路506和电子气阀控制电路508对用于冷却焊机的水路和气路进行控制。

其中，主电路系统1中能够进行多次的逆变，从而得到更加稳定的输出特性，本优选实施例以一次逆变为例进行所说明，如图1所示，主电路系统1，还包括依次连接在IGBT逆变电路101输入端的电源102、LC滤波电路103、输入整流电路104、滤波电路105，以及依次连接在IGBT逆变电路101输出端的功率变压器106、输出整流电路107和输出端子；所述的输出端子包括分别连接在输出整流电路107上的负输出端子108和正输出端子109；其中，如图1所示，输出整流电路107和负输出端子108之间设置有电流传感器110，输出整流电路107和正输出端子109之间依次设置有电压传感器111与高频引弧器112；所述的电流传感器110和电压传感器111分别与信号调理电路6连接，并一同组成连接在数字信号控制器4上模拟通道端口（AN）的采样电路9，采样电路9用于将来自电流传感器110和电压传感器111的电信号通过信号调理电路6的闭环控制调节到合适的大小并对电压信号实时显示，进入数字信号控制器4的模拟通道端口（AN），然后分别进行A/D转换，从而使数字信号控制器4得到了输出特性的反馈，于此同时在实现电信号的实时显示。

其中，如图1和图2所示，高频引弧器112与数字信号控制器4上的输入输出端口（I/O）连接，通过高频引弧控制电路809的辅助，从而对高频引弧器112进行调节控制。

本发明的实施例是参照附图中图1和图2所示的优选的结构，进行的描述和说明，并不是对本发明的限制，在本发明权利要求的范围内进行的任何修改和变换都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.数字控制多功能逆变弧焊机，包括依次连接的主电路系统（1），数字控制系统（2）和人机交换系统（3），主电路系统（1）包括IGBT逆变电路（101），其特征在于，所述的数字控制系统（2）采用数字信号控制器（4）做核心控制单元，还包括分别与数字信号控制器（4）连接的辅助电路（5），用于处理采集到的主电路系统（1）数据的信号调理电路（6），和用于对IGBT逆变电路（101）进行驱动控制的IGBT驱动电路（7）；数字信号控制器（4）的型号为dsPIC30F4011，其通过IGBT驱动电路（7）与IGBT逆变电路（101）连接，用于对主电路系统（1）进行调节控制；所述的IGBT驱动电路（7）中设置有用于PWM和PFM联合调制的PWM/PFM调制模块（701）。

2.如权利要求1所述的数字控制多功能逆变弧焊机，其特征在于，所述的IGBT驱动电路（7）通过其控制信号输入端与数字信号控制器（4）上的PWM信号输入端口（PWM1L-PWM2H）连接。

3.如权利要求1所述的数字控制多功能逆变弧焊机，其特征在于，所述的人机交换系统（3），包括显示驱动电路（301），用于对主电路系统（1）的参数通过显示驱动电路（301）连接到数字信号控制器（4）进行预置调节的参数预置调节电路（302）；显示驱动电路（301）上连接有用于选择焊接方式的功能选择电路（304）和用于显示主电路系统（1）信息的显示器（303）。

4.如权利要求3所述的数字控制多功能逆变弧焊机，其特征在于，所述的显示驱动电路（301）与数字信号控制器（4）上的输入输出端口（I/O）连接。

5.如权利要求3所述的数字控制多功能逆变弧焊机，其特征在于，所述的人机交换系统（3），还包括用于对主电路系统（1）的参数通过数字信号控制器（4）进行直接实时调节的参数实时调节电路（305）；参数实时调节电路（305）与数字信号控制器（4）上的模拟通道端口（AN）连接。

6.如权利要求1所述的数字控制多功能逆变弧焊机，其特征在于，所述的数字信号控制器（4）通过辅助电路（5）与外围设备（8）相连接，辅助电路（5）包括通过数字信号控制器（4）上的同步串行端口（SPI1）连接的RS-232C接口（501），外围设备（8）包括与RS-232C接口（501）连接的计算机（801）。

7.如权利要求6所述的数字控制多功能逆变弧焊机，其特征在于，所述的辅助电路（5），还包括与数字信号控制器（4）上的晶振输入端口（OSC1）和晶振输出端口（OSC2）连接的振荡电路（502），与数字信号控制器（4）上的复位输入端口（MCLR）连接的复位电路（503），与数字信号控制器（4）上的模拟参考电压输入端口（VREF+和VREF-）连接的参考电压电路（504），与数字信号控制器（4）上的故障输入端口（FLTA）连接的PWM故障封锁电路（505），以及分别与数字信号控制器（4）上的输入输出端口（I/O）连接的报警电路（506）、水压检测电路（507）、电子气阀控制电路（508）和高频引弧控制电路（509）。

8.如权利要求1或2或3或6所述的数字控制多功能逆变弧焊机，其特征在于，所述的主电路系统（1），还包括依次连接在IGBT逆变电路（101）输入端的电源（102）、LC滤波电路（103）、输入整流电路（104）、滤波电路（105），以及依次连接在IGBT逆变电路（101）输出端的功率变压器（106）、输出整流电路（107）和输出端子；所述的输出端子包括分别连接在输出整流电路（107）上的负输出端子（108）和正输出端子（109）。

9.如权利要求8所述的数字控制多功能逆变弧焊机，其特征在于，所述的输出整流电路（107）和负输出端子（108）之间设置有电流传感器（110），输出整流电路（107）和正输出端子（109）之间依次设置有电压传感器（111）与高频引弧器（112）；所述的电流传感器（110）和电压传感器（111）分别与信号调理电路（6）连接，并一同组成连接在数字信号控制器（4）上模拟通道端口（AN）的采样电路（9）。

10.如权利要求9所述的数字控制多功能逆变弧焊机，其特征在于，所述的高频引弧器（112）与数字信号控制器（4）上的输入输出端口（I/O）连接。

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