CN103192163A - 一种基于单片机控制的焊接同步磁控装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于单片机控制的焊接同步磁控装置及控制方法，所谓同步磁场，即外加磁场与焊接过程同步，也就是激磁电流波形与焊接电流电压波形要同步，通过测试焊接电流电压波形，确定激磁电流的相位以及磁场引入的时刻；依据焊接电流的大小，调整激磁电流的幅值，确定磁场引入的强度，以适应电弧形态变化、焊接熔滴过渡以及焊接熔池液态金属流动过程等不同阶段需要不同外磁场力的要求。该电磁控制装置体积小，调节方便，电磁干扰小，波形一致性好，励磁电流调节精度高，电源损耗小等特点，整机效率达90%以上，适用于TIG焊、MIG焊、MAG焊、CO2气体保护焊等多种场合，具有广泛的市场及应用前景。
Description
技术领域
本发明属于焊接电磁控制技术领域，具体涉及一种基于单片机控制的焊接同步磁控装置及控制方法。
背景技术
近年来，磁控焊接技术以其控制电弧形态、改善熔滴过渡过程、改善熔池金属流动过程、优化焊缝成形等诸多优点被广泛应用。而磁控装置作为磁控焊接技术研究中的关键组成部分，对焊接过程及焊缝质量控制都有直接关系。多年来，从简易整流电路输出的直流磁控装置到双T网络电路分段调节输出频率的磁控装置，从基于模拟控制技术的磁控装置到数字控制技术的应用，人们做了大量的工作。有文献介绍了一种逆变方波焊接电磁搅拌电源，采用全桥式双逆变结构以及SG3525、SG3526等PWM控制方式，该装置能够改善焊缝组织及性能，适用于多种焊接方法，但由于采用模拟控制，其控制精度及灵活性受到限制；有文献介绍了一种全数字双逆变型磁控电弧交变磁场发生装置，采用LM3S818微控制器为控制核心。也有文献介绍了一种单片机（P87LPC768）控制磁控电弧专用电源，上述两种电磁控制装置或电源，都采用数字控制，其控制灵活性及控制精度大大提高，但由于磁控装置中未对焊接电流等参数进行采样，使得外加磁场在一种无序或随机状态下引入，不能实现与焊接过程的同步控制。专利CN200910047979.7，提出了一种基于模拟电路的磁控装置，主要应用于埋弧堆焊过程的磁场控制。
基于以上认识，本发明提出了一种基于单片机控制的焊接同步磁控装置及控制方法，所谓同步磁场，即外加磁场与焊接过程同步，也就是激磁电流波形与焊接电流电压波形要同步，通过测试焊接电流电压波形，确定激磁电流的相位以及磁场引入的时刻；依据焊接电流的大小，调整激磁电流的幅值，确定磁场引入的强度，以适应电弧形态变化、焊接熔滴过渡以及焊接熔池液态金属流动过程等不同阶段需要不同外磁场力的要求。该磁控装置采用单片机（MSP430F449）控制的全桥双逆变结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于单片机控制的焊接同步磁控装置及控制方法。通过测试施焊过程中焊接电流电压波形，并将其送入磁控装置单片机中，依据电流电压波形输出一定幅值和相位的激磁电流波形，从而在线圈中产生与焊接过程同步的外加磁场，以满足焊接过程中电弧形态、熔滴过渡、熔池液态金属流动过程中不同阶段需要不同外磁场力的需求。其主电路采用全桥式双逆变结构，并利用软启动电路防止浪涌电流，保护功率开关管；控制电路采用MSP430F449单片机产生一次和二次逆变的数字信号实现PWM控制以及过流、过热保护等功能，为焊接过程外加磁场的精确控制提供保障。输出可调占空比的同步励磁频率为0-20kHz,输出同步励磁电流为0-10A。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于单片机控制的焊接同步磁控装置及控制方法，其特征在于该方法是按照如下步骤进行：
（1）打开焊机1，开始焊接，霍尔电流传感器2和霍尔电压传感器3开始检测焊接过程中的焊接电流和电弧电压波形并输入到同步磁控装置4中；
（2）同步磁控装置4产生同步磁场所需的激磁电流，输入到激磁线圈5中，激磁线圈5产生同步磁场，对焊接过程进行同步磁场控制；
（3）同步波形电路9接收到霍尔电流传感器2和霍尔电压传感器3传入的焊接电流电压波形信号后，将信号整合为一个与焊接电流电压波形有同步关系的同步信号传入单片机16（MSP430F449）中。
（4）单片机16接收到同步信号后，将该信号与自身产生的一次、二次逆变脉冲波形按照据不同工艺要求设定的调制方式进行分析计算整合后输出一次、二次逆变脉冲波形（同步波形），即根据测试的焊接电流电压波形，使激磁电流波形与之同步，确定脉冲磁场引入的时刻（二次逆变脉冲波形）；依据焊接电流的大小，调整激磁电流的大小，确定磁场引入的强度（一次逆变脉冲波形）。同步一次、二次逆变脉冲波形产生后分别传入一次驱动电路17和二次驱动电路18。
（5）一次驱动电路17和二次驱动电路18接收到同步的一次、二次逆变脉冲波形后，按一次二次逆变主电路中功率开关管所需要求进行整合，并将整合后的波形加到一次二次逆变主电路中功率开关管上。
（6）软启动按钮闭合后，220V工频电输入到逆变主回路中，一次逆变电路23和二次逆变电路27开始工作；
（7）磁控装置激磁电流反馈电路19检测二次逆变电路27中电流波形信号传入单片机16中，单片机16根据检测信号进行PWM脉宽调制，控制设备输出电流趋于给定值。至此，设备正常输出同步磁场激磁电流。
（8）在设备正常工作过程中，单片机MSP430F449 16会根据过热保护电路10和过流保护电路15的检测信号实时监控设备运行情况，当设备出现电流过大或器件过热等情况，单片机MSP430F449 16会停止输出一次逆变脉冲波形，从而对设备进行保护。
一种基于单片机控制的焊接同步磁控装置及控制方法，其特征在于：所述同步磁控装置中的焊机1与焊枪6连接，其中焊机1据不同焊接场合进行选择。
所述的同步磁控装置4与激磁线圈5和霍尔电流传感器2和霍尔电压传感器3连接，同步磁控装置4接收到霍尔电压传感器3和霍尔电流传感器2传入的焊接电流电压波形后输出同步磁场激磁电流。
同步磁控装置4内部链接结构如下：
所述的霍尔电流传感器2和霍尔电压传感器3连接在焊接回路中，检测焊接电流电压波形后传入同步波形电路，与同步波形电路9连接。
所述的同步波形电路9接收到霍尔电流传感器2和霍尔电压传感器3传入的焊接电流电压波形后整合输出同步信号传入单片机，与单片机MSP430F449 16连接。
所述的单片机MSP430F449 16为同步装置的核心控制器件，负责同步装置的过流过热保护，整合输出同步波形，以及装置相关参数的调控，与过热保护电路10、运行及故障指示灯11、JTAG下载口12、同步模式调节旋钮13、LED显示14、过流保护电路15、一次驱动电路17、二次驱动电路18连接。
所述的一次逆变驱动电路17、二次驱动电路18，负责将单片机输出的同步波形进行调制，到一个幅值适合一次、二次逆变电路中功率开关管工作的范围，并将调制后的波形传入逆变电路中的开关管上，使逆变电路正常工作，分别与一次逆变电路23和二次逆变电路27连接。
所述的磁控装置激磁电流反馈电路19检测2次逆变电路中的电流波形，传入单片机中，单片机根据反馈回的波形进行PWM脉宽调制，过流过热保护等，使输出与给定形成一个闭环控制系统，与单片机MSP430F449连接。
所述的合闸软启动电路20防止逆变主回路中产生浪涌电流，保护功率开关管，与整流电路21和工频交流电连接。
所述的整流电路21将输入的工频交流电整流为一个直流电，和滤波电路22连接。
所述的滤波电路22将整流后的直流电进行滤波，与一次逆变电路23连接。
所述的一次逆变电路23接收到一次驱动电路的波形后，开始一次逆变，与变压电路24连接。
所述的变压电路24负责将一次逆变后的电压变压到适合二次逆变电路27工作的范围，与输出整流电路25连接。
所述的输出整流电路25将变压电路的交流电整流为直流电，与输出滤波电路26连接。
所述的输出滤波电路26将输出整流电路25的直流电滤波，与二次逆变电路27连接。
所述的二次逆变电路27接收到二次驱动电路18传出的波形后进行二次逆变，与激磁线圈5连接。
本发明具有以下优点：1、采用单片机控制，同时装置可实现直流磁场、直流脉冲磁场、交流低频磁场、交流高频磁场等多种控制功能。2、采用同步磁场控制方法，通过对焊接电流与电弧电压波形的检测，可实现对焊接过程的精确控制，如改善焊接电弧形态、控制熔滴过渡过程、改变液态金属流动方式等。3、装置主电路采用全桥式双逆变结构，并利用软启动电路防止浪涌电流，保护功率开关管；控制电路采用MSP430F449单片机产生一次和二次逆变的数字信号，实现PWM控制以及过流、过热保护等功能，为焊接过程外加磁场的精确控制提供保障。输出磁场频率为0-20kHz,激磁电流范围为0-10A，占空比的同步励磁4、该装置具有体积小，调节方便，电磁干扰小，波形一致性好，励磁电流调节精度高，电源损耗小等特点，整机效率达90%以上。5、该装置适用于TIG、MIG、MAG焊、CO2气体保护焊、PAW（等离子弧焊接）等多种场合。
附图说明
图1为装置整体结构示意图。
图2为同步磁控装置结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明：
图1、图2中，1焊机、2霍尔电流传感器、3霍尔电压传感器、4同步磁控装置、5激磁线圈、6焊枪、7焊接电弧、8工件、9同步波形电路、10过热保护电路、11运行及故障指示灯、12 JTAG下载口、13同步模式调节旋钮、14 LED显示、15过流保护电路、16单片机（MSP430F449）、17一次驱动电路、18二次驱动电路、19磁控装置激磁电流反馈电路20合闸软启动电路、21整流电路、22滤波电路、23一次逆变电路、24变压电路、25输出整流电路、26输出滤波电路、27二次逆变电路
一种用于焊接的单片机同步磁场控制方法，其方法的具体实施步骤如下：
（1）做好焊接准备后，将同步磁控设备4接到激磁线圈5上，打开焊机1，开始焊接，霍尔电流传感器2和霍尔电压传感器3开始检测焊接过程中的焊接电流和电弧电压波形并输入到同步磁控装置4中。
（2）同步磁控装置4产生同步磁场所需的激磁电流，输入到激磁线圈5中，激磁线圈5产生同步磁场，对焊接过程进行同步磁场控制。
其中，同步磁控装置4产生同步磁场激磁电流的工作过程是这样的。
（3）同步波形电路9接收到霍尔电流传感器2和霍尔电压传感器3传入的焊接电流电压波形信号后，将信号整合为一个与焊接电流电压波形有同步关系的同步信号传入单片机16（MSP430F449）中。
（4）单片机16接收到同步信号后，将该信号与自身产生的一次、二次逆变脉冲波形按照据不同工艺要求设定的调制方式进行分析计算整合后输出一次、二次逆变脉冲波形（同步波形），即根据测试的焊接电流电压波形，使激磁电流波形与之同步，确定脉冲磁场引入的时刻（二次逆变脉冲波形）；依据焊接电流的大小，调整激磁电流的大小，确定磁场引入的强度（一次逆变脉冲波形）。同步一次、二次逆变脉冲波形产生后分别传入一次驱动电路17和二次驱动电路18。
（5）一次驱动电路17和二次驱动电路18接收到同步的一次、二次逆变脉冲波形后，按一次二次逆变主电路中功率开关管所需要求进行整合，并将整合后的波形加到一次二次逆变主电路中功率开关管上。
（6）软启动按钮闭合后，220V工频电输入到逆变主回路中，一次逆变电路23和二次逆变电路27开始工作。
（7）磁控装置激磁电流反馈电路19检测二次逆变电路27中电流波形信号传入单片机16中，单片机16根据检测信号进行PWM脉宽调制，控制设备输出电流趋于给定值。至此，设备正常输出同步磁场激磁电流。
（8）在设备正常工作过程中，单片机16会根据过热保护电路10和过流保护电路15的检测信号实时监控设备运行情况，当设备出现电流过大或器件过热等情况，单片机16会停止输出一次逆变脉冲波形，从而对设备进行保护。
一种用于焊接的单片机同步磁场控制装置，所述的焊机1与焊枪6连接，其中焊接1据不同焊接场合进行选择。
所述的同步磁控装置4与激磁线圈5和霍尔电流传感器2和霍尔电压传感器3连接，同步磁控装置4接收到霍尔电压传感器3和霍尔电流传感器2传入的焊接电流电压波形后输出同步磁场激磁电流。
同步磁控装置4内部链接结构如下：
所述的霍尔电流传感器2和霍尔电压传感器3连接在焊接回路中，检测焊接电流电压波形后传入同步波形电路，与同步波形电路9连接。
所述的同步波形电路9接收到霍尔电流传感器2和霍尔电压传感器3传入的焊接电流电压波形后整合输出同步信号传入单片机，与单片机MSP430F449 16连接。
所述的单片机MSP430F449 16为同步装置的核心控制器件，负责同步装置的过流过热保护，整合输出同步波形，以及装置相关参数的调控，与过热保护电路10、运行及故障指示灯11、JTAG下载口12、同步模式调节旋钮13、LED显示14、过流保护电路15、一次驱动电路17、二次驱动电路18连接。
所述的一次逆变驱动电路17、二次驱动电路18，负责将单片机输出的同步波形进行调制，到一个幅值适合一次、二次逆变电路中功率开关管工作的范围，并将调制后的波形传入逆变电路中的开关管上，使逆变电路正常工作，分别与一次逆变电路23和二次逆变电路27连接。
所述的磁控装置激磁电流反馈电路19检测2次逆变电路中的电流波形，传入单片机中，单片机根据反馈回的波形进行PWM脉宽调制，过流过热保护等，使输出与给定形成一个闭环控制系统，与单片机MSP430F449连接。
所述的合闸软启动电路20防止逆变主回路中产生浪涌电流，保护功率开关管，与整流电路21和工频交流电连接。
所述的整流电路21将输入的工频交流电整流为一个直流电，和滤波电路22连接。
所述的滤波电路22将整流后的直流电进行滤波，与一次逆变电路23连接。
所述的一次逆变电路23接收到一次驱动电路的波形后，开始一次逆变，与变压电路24连接。
所述的变压电路24负责将一次逆变后的电压变压到适合二次逆变电路27工作的范围，与输出整流电路25连接。
所述的输出整流电路25将变压电路的交流电整流为直流电，与输出滤波电路26连接。
所述的输出滤波电路26将输出整流电路25的直流电滤波，与二次逆变电路27连接。
所述的二次逆变电路27接收到二次驱动电路18传出的波形后进行二次逆变，与激磁线圈5连接。
Claims (9)
1. 一种基于单片机控制的焊接同步磁控装置及控制方法，其特征在于该控制方法是按照如下步骤进行：
（1）打开焊机1，开始焊接，霍尔电流传感器2和霍尔电压传感器3开始检测焊接过程中的焊接电流和电弧电压波形并输入到同步磁控装置4中；
（2）同步磁控装置4产生同步磁场所需的激磁电流，输入到激磁线圈5中，激磁线圈5产生同步磁场，对焊接过程进行同步磁场控制；
（3）同步波形电路9接收到霍尔电流传感器2和霍尔电压传感器3传入的焊接电流电压波形信号后，将信号整合为一个与焊接电流电压波形有同步关系的同步信号传入单片机16（MSP430F449）中；
（4）单片机16接收到同步信号后，将该信号与自身产生的一次、二次逆变脉冲波形按照据不同工艺要求设定的调制方式进行分析计算整合后输出一次、二次逆变脉冲波形（同步波形），同步一次、二次逆变脉冲波形产生后分别传入一次驱动电路17和二次驱动电路18；
（5）一次驱动电路17和二次驱动电路18接收到同步的一次、二次逆变脉冲波形后，并将整合后的波形加到一次二次逆变主电路中功率开关管上；
（6）软启动按钮闭合后，220V工频电输入到逆变主回路中，一次逆变电路23和二次逆变电路27开始工作；
（7）磁控装置激磁电流反馈电路19检测二次逆变电路27中电流波形信号传入单片机16（MSP430F449）中，至此，设备正常输出同步磁场激磁电流；
（8）在设备正常工作过程中，单片机16会根据过热保护电路10和过流保护电路15的检测信号实时监控设备运行情况，当设备出现电流过大或器件过热等情况，单片机16会停止输出一次逆变脉冲波形，从而对设备进行保护。
2. 如权利要求1所述的一种基于单片机控制的焊接同步磁控装置及控制方法，其特征在于：所述同步磁控装置它包括焊机1、霍尔电流传感器2、霍尔电压传感器3、同步磁控装置4、激磁线圈5、焊枪6、焊接电弧7、工件8、同步波形电路9、过热保护电路10、运行及故障指示灯11、JTAG下载口12、同步模式调节旋钮13、LED显示14、过流保护电路15、单片机16（MSP430F449）、一次驱动电路17、二次驱动电路18、磁控装置激磁电流反馈电路19、合闸软启动电路20、整流电路21、滤波电路22、一次逆变电路23、变压电路24、输出整流电路25、输出滤波电路26、二次逆变电路27；焊机1与焊枪6连接；霍尔电流传感器2和霍尔电压传感器3连接在焊接回路中，与同步波形电路9连接；同步波形电路9接收到霍尔电流传感器2和霍尔电压传感器3传入的焊接电流电压波形后整合输出同步信号传入单片机16，与单片机16连接；单片机16为同步装置的核心控制器件，与过热保护电路10、运行及故障指示灯11、JTAG下载口12、同步模式调节旋钮13、LED显示14、过流保护电路15、一次驱动电路17、二次驱动电路18连接；该一次驱动电路17、二次驱动电路18分别与一次逆变电路23和二次逆变电路27连接；磁控装置激磁电流反馈电路19与单片机16连接。
3. 如权利要求2所述的一种基于单片机控制的焊接同步磁控装置及控制方法，其特征在于：合闸软启动电路20防止逆变主回路中产生浪涌电流，保护功率开关管，与整流电路21和工频交流电连接。
4. 如权利要求2所述一种基于单片机控制的焊接同步磁控装置及控制方法，其特征在于：整流电路21和滤波电路22连接。
5. 如权利要求2所述的如权利要求1所述的一种基于单片机控制的焊接同步磁控装置及控制方法，其特征在于：所述整流电路21将输入的工频交流电整流为一个直流电，和滤波电路22连接。
6. 如权利要求2所述的一种基于单片机控制的焊接同步磁控装置及控制方法，其特征是：一次逆变电路23接收到一次驱动电路的波形后，开始一次逆变，与变压电路24连接。
7. 如权利要求2所述的一种基于单片机控制的焊接同步磁控装置及控制方法，其特征是：变压电路24负责将一次逆变后的电压变压到适合二次逆变电路27工作的范围，与输出整流电路25连接。
8. 如权利要求2所述的一种基于单片机控制的焊接同步磁控装置及控制方法，其特征是：输出整流电路25将变压电路的交流电整流为直流电，与输出滤波电路26连接。
9. 如权利要求2所述的一种基于单片机控制的焊接同步磁控装置及控制方法，其特征是：输出滤波电路26将输出整流电路25的直流电滤波，与二次逆变电路27连接；二次逆变电路27接收到二次驱动电路18传出的波形后进行二次逆变，与激磁线圈5连接。
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