CN106041267B - 一种微处理器控制逆变多功能氩弧焊机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微处理器控制逆变多功能氩弧焊机，包括外壳部分、前面板部分、后面板部分和内部控制部分；所述的内部控制部分包括逆变主电路、单管IGBT控制电路、驱动电路、整流输出电路、泄放回路电路、高频电路和面板控制电路，管IGBT控制电路和整流输出电路串接在逆变主电路上，驱动电路连接单管IGBT控制电路和面板控制电路，驱动电路在面板控制电路的控制下控制单管IGBT控制电路的通断，高频电路连接面板控制电路和逆变主电路，高频电路在面板控制电路控制实现氩弧焊时的高频或非接触式引弧；泄放回路电路连接高频电路和逆变主电路；本发明具有脉冲氩弧焊、直流氩弧焊和手工电弧焊三种功能，一机多用的特点。

Description

一种微处理器控制逆变多功能氩弧焊机

技术领域

本发明涉及一种微处理器控制逆变多功能氩弧焊机，焊机具有脉冲氩弧焊、直流氩弧焊和手工电弧焊三种功能，一机多用，属于逆变焊机技术领域。

技术背景

氩弧焊焊机的销售量很大，应用范围较广。然而，此类焊机，不同的电路、电路板和整机结构设计，控制原理和方式不同，电路板和整机的布局和连接方式，或者连接的复杂程度不同，其产品生产的工序和制作工艺等也会完全不同。这些都会影响产品的性能、可靠性、生产效率和运输成本等，最终影响产品的市场竞争力。

目前，国内外市场上，IGBT逆变式氩弧焊焊机的额定电流通常在120~500A（负载持续率35~60%左右）的水平。对此类焊机产品来说，如果设计不好，会出现如下一些问题：1）输出电流不满足铭牌额定电流的要求；2）负载持续率低，有的焊机只能达到15～35%。原因：焊机冷却风扇的配置、关键器件（如IGBT及其散热器、快恢复二极管及其散热器、主变压器等）的冷却风道设计不合理。这会导致焊机工作的负载持续率降低，即可焊接的时间较短。问题严重的，还会导致IGBT或快恢复二极管炸管或损坏、逆变变压器烧坏；3）电路工作不稳定，容易出现故障；4）生产工艺复杂，制作成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微处理器控制逆变多功能氩弧焊机，在低成本的前提下，解决好上述问题，开发出结构和性能好、可靠性高、制成成本与性能参数有较好匹配的，具有脉冲氩弧焊、直流氩弧焊和手工电弧焊功能的焊机，是本发明要解决的问题和目的。

为实现上述目的采用以下技术方案：

一种微处理器控制逆变多功能氩弧焊机，包括外壳部分、前面板部分、后面板部分和内部控制部分；所述的外壳部分包括外盖、机壳底板和提手手柄；所述的前面板部分主要有正负极输出快速接头和接头座组件、塑料前面壳、气接头、与氩弧焊焊枪开关航空插头连接的航空插座、控制面板；所述的后面板部分主要有三相空气电源开关、电源输入线接线盒、保险管及其管座、冷却风机、风机罩、塑料后面壳和检流板；内部控制部分包括中隔板上方部分和中隔板下方部分；中隔板上方部分包括有继电器、控制变压器、驱动PCB板、风机电容、整流桥、输入阻容电路板和CBB电容，整流桥通过螺丝固定在中隔板上，利用中隔板进行散热，输入阻容电路板则通过螺丝与整流桥进行电气连接；中隔板下方部分包括高频高压板、主变压器、快恢复整流板、磁环、上绝缘板、导风罩、散热器、下绝缘板、散热器固定支架、逆变板、电磁阀、高频泄放板、水泥电阻、电抗、引弧线圈、输出连接件和电流互感器；磁环套在主变压器的输出导线上，其作用是抗干扰，快恢复整流板则通过螺丝与散热器组的一侧紧贴，以使快恢复整流管能够通过铝散热器有效进行散热，逆变板也通过螺丝与散热器组的另一侧紧贴，以使IGBT器件能够通过铝散热器有效进行散热，两块散热器通过上绝缘板和下绝缘板进行电气绝缘，两块散热器通过两个散热器固定支架固定在机壳的底板上；主变压器和高频高压板通过螺丝固定在中隔板上；高频泄放板、水泥电阻和电抗则通过螺丝固定在机壳底板上。导风罩通过螺丝与两块散热器固定在一起，作用是形成良好的风道。

所述的内部控制部分包括逆变主电路、单管IGBT控制电路、驱动电路、整流输出电路、泄放回路电路、高频电路和面板控制电路，管IGBT控制电路和整流输出电路串接在逆变主电路上，驱动电路连接单管IGBT控制电路和面板控制电路，驱动电路在面板控制电路的控制下控制单管IGBT控制电路的通断，高频电路连接面板控制电路和逆变主电路，高频电路在面板控制电路控制实现氩弧焊时的高频或非接触式引弧；泄放回路电路连接高频电路和逆变主电路，防止高频引弧信号产生干扰。

本发明具有脉冲氩弧焊、直流氩弧焊和手工电弧焊功能，一机多用，本发明通过采用单片微处理器控制，优化焊机的电路、电路板和各部分的结构设计，较好解决了上述问题，同时简化了生产工艺，有效降低了制作成本。

本发明通过采用单片微处理器控制，优化焊机的电路、电路板和各部分的结构设计，较好解决了多功能焊机的性能、可靠性、生产效率、制作和运输成本等问题，采用本发明焊机的控制电路原理，通过对少量的器件和零部件进行调整，可以制成不同额定电流等级的焊机产品，使其具有良好的性价比和市场竞争力。

附图说明

图1为本发明专利示例焊机的结构设计示意图；

图2是本发明焊机的电路原理接线图；

图3是本发明焊机单管IGBT及其控制板电路原理图；

图4是本发明焊机的驱动PCB电路原理图；

图5是本发明焊机整流输出板电路图；

图6是本发明焊机泄放回路电路原理图；

图7是本发明焊机高频板电路原理图；

图8是本发明焊机的面板控制板电路原理图（一）；

图9是本发明焊机的面板控制板电路原理图（二）；

图10是本发明焊机的面板控制板电路原理图（三）。

具体实施方式

如图1-10所示，一种微处理器控制逆变多功能氩弧焊机，主要组成部分包括：

1）前面板部分，主要有正极输出快速接头和接头座组件43、负极输出快速接头和接头座组件40、塑料前面壳39、气接头41、与氩弧焊焊枪开关航空插头连接的航空插座42和控制面板44。

2）后面板部分主要有三相空气电源开关27、电源输入线接线盒24、接线盒罩25、保险管及其管座26、冷却风机28、风机罩29、塑料后面壳30和检流板23；冷风从焊机后部的进气孔进入，可使焊机内部的一些发热器件或零部件有良好的冷却效果。

3）外壳部分包括外盖2、机壳底板32和提手手柄1。

4）内部中隔板11上方部分包括继电器3、控制变压器4、控制变压器5、控制和驱动PCB板6、风机电容7、整流桥8、输入阻容电路板9、CBB电容10，整流桥8通过螺丝固定在中隔板11上，利用中隔板11进行散热。输入阻容电路板9则通过螺丝与整流桥8进行电气连接，这样可减少连接线，实现快速连接。

5）内部中隔板11下方部分包括高频高压板12、主变压器13、快恢复整流板14、磁环15、快恢复整流板16、上绝缘板17、导风罩18、散热器19、下绝缘板20、散热器固定支架21、逆变板22、电磁阀31、高频泄放板33、水泥电阻34、电抗35、引弧线圈36、输出连接件37、电流互感器38等组成，磁环15套在主变压器13的输出导线上，其作用是抗干扰，提高焊机的工作可靠性；快恢复整流板14和快恢复整流板16则通过螺丝与散热器19组的一侧紧贴，以使快恢复整流管能够通过铝散热器有效进行散热，确保器件的安全可靠工作。同样地，逆变板22也通过螺丝与散热器19组的另一侧紧贴，以使IGBT器件能够通过铝散热器有效进行散热，确保IGBT器件的安全可靠工作。两块散热器通过上绝缘板17和下绝缘板20进行电气绝缘。两块散热器19通过两个散热器固定支架21固定在机壳底板32上。主变压器13和高频高压板12通过螺丝固定在中隔板11上。高频泄放板33、水泥电阻34和电抗35则通过螺丝固定在机壳底板32上。导风罩18通过螺丝与两块散热器19固定在一起，由于导风罩18位于大风量冷却风机28与散热器19之间，它的作用是形成良好的风道，能够改善发热主功率关键零部件如各IGBT、各快恢复二极管、各散热器、整流桥、逆变主变压器等的冷却效果。例如，可使冷风更好地对散热器19进行冷却，这样对快恢复整流板14、快恢复整流板16和逆变板22的器件可靠工作提供了较好的保障。同时，也提高了焊机输出时的负载持续率。如果焊机的输出电流小，则负载持续率会更高，甚至可进行连续不断地焊接。这就较好解决了焊接时间短的问题，同时有效降低了IGBT或快恢复二极管、逆变变压器等器件或零部件的故障率；由于上述各个部分是模块化的设计，因此，各个部分的安装也十分方便。通过上述组装、连接方式，使本发明逆变焊机的主要零部件构成一个整体。

在控制和驱动PCB板6、高频高压板12、检流板23、控制面板44等电路板上，还有很多的电子元器件及其组成的控制电路，如电阻、电容等器件，这些部分的组成需要查看本发明的电路原理图相应的部分。

本发明，对焊机的各个电路板电路和焊机结构部分进行了优化，所采用的电路都是经过市场长期考核、被证明是可靠性高的控制电路。而且，电路板之间的控制连接线减少。调整少量零部件，即可形成不同规格型号的产品，使产品性价比较高。一些电路板，如驱动PCB板和单片微处理器控制面板还采用了先进的SMT贴片设计和高效加工。这就简化了制作工序和生产工艺。采用本发明的电路板结构和电路设计，可缩小电路板和整机的尺寸，降低产品重量、生产和运输成本。

从电路的控制功能来看，主要是完成三相供电电源输入控制、交流整流和滤波、IGBT管驱动控制和中频逆变、变压和变流、整流和输出滤波、氩弧焊高频引弧和保护气控制、供电电源的产生、保护控制，脉冲氩弧焊和直流氩弧焊和手工焊方法的参数（如空载、焊接电流和电压、提前送气和滞后闭气时间、电流缓升和缓降时间、引弧和收弧电流、推力电流、脉冲频率和占空比、基值电流）控制等工作。最终在控制电路的作用下，实现脉冲和直流氩弧焊、手工电弧焊的各项控制要求。

本发明焊机上述各部分电路的工作原理简述如下：附图2是本发明焊机的电路原理接线图。由附图2可见，焊机电路主要由SW-25A电源开关27、1C1~1C3电容和1R1~1R3组成的输入阻容电路板9、冷却风扇28及其启动电容7、三相整流桥8、压敏电阻1RV1和电容10、单管IGBT及其控制板或模块IGBT及其控制板22、驱动PCB板6、一次侧电流检测互感器T2及其整流电路23、逆变主变压器13、整流输出板、输出滤波电抗器35、引弧高频耦合变压器36、高频板12、泄放回路33、FL霍尔传感器38、面板控制板44、WJ或RT1温度继电器（常闭型）、电磁阀31、氩弧焊焊枪开关S1、继电器K1（3）、控制变压器T3和T4（等部分组成。

进一步的工作原理说明如下：焊机通电后，供电电源开关SW-25A电源开关27接通电网电源。从电网来的交流电，先经过1C1~1C3电容和1R1~1R3组成的输入阻容电路板9，进行输入抗干扰，以提高焊机的可靠性。再经过三相整流桥DB1整流后变为脉动直流电，之后，对电容C4进行充电，电容C4上的电压逐渐升高，最后变为较为稳定的+540V直流电。电容C4起到滤波的作用。压敏电阻1RV1起到过压保护的作用。冷却风扇FAN及其启动电容CF1起到强迫风冷的作用。+540V直流电供给由单管IGBT及其控制板或模块IGBT及其控制板、驱动PCB板、一次侧电流检测互感器T2及其整流电路（含D1~D4、RJ1，也称为检流板）、逆变主变压器T1、整流输出板、输出滤波电抗器L1、引弧高频耦合变压器T5（也称为引弧线圈）、高频板、泄放回路（含R5~R6）（也称为高频泄放板）、FL霍尔传感器等组成的逆变主电路。其功能主要为：通过单管或模块IGBT部分，在驱动控制电路产生的PWM脉冲宽度调制信号的控制作用下，把高压直流电转换为几十KHz的中频交流电。逆变主变压器T1实现电压降压和大电流输出的变换，即把初级高压小电流，变换为次级低压大电流交流。整流输出板中的快速恢复二极管则是把逆变变压器输出的中频交流电变换为直流电。由于它变换后的电流波形是脉动的，不稳定，不利于焊接过程的稳定，因此，采用输出滤波电抗器L1进行滤波。这样，输出的电流波形就会变得稳定。有利于获得高质量的焊缝。最终通过OUT+和OUT-输出到焊接回路。OUT+代表焊机的正极性输出端；OUT-代表焊机的负极性输出端。

驱动PCB板6的作用是在面板控制板44等电路控制下，实现对单管或模块IGBT开关的控制；高频板12的作用是在（微处理器控制电路的）面板控制板44、焊枪开关S1等控制下，实现氩弧焊时的高频或非接触式引弧。手弧焊时，则不需要高频引弧；泄放回路33的作用是确保氩弧焊高频引弧的前提下，防止高频引弧信号产生干扰，保障焊机其它控制电路的安全；一次侧电流检测互感器T2及其整流电路（含D1~D4、RJ1，也称为检流板）的作用是检测一次侧电流信号，当发现过大的电流时，配合驱动控制电路，实现焊机控制电路的过流保护功能；FL霍尔传感器38的作用是检测二次侧电流信号，配合焊机面板控制电路44，实现对焊机不同焊接方法（脉冲氩弧焊、直流氩弧焊和手工电弧焊）下输出电流和电压等参数的控制；WJ或RT1温度继电器（常闭型）的作用是检测焊机的零部件（如IGBT的散热器等）是否发生过热现象，如果出现过热，则配合焊机面板控制电路44，实现焊机输出电流和电压的停止控制。直到过热现象消除，焊机方可再次进行焊接，即实现所谓的过热保护功能；电磁阀31的作用是在焊枪开关S1、面板控制电路44的作用下，实现氩弧焊时保护气体的通或断控制。控制变压器T3和T4则负责给焊机控制电路中的电源电路部分进行供电。

正如前文所述，采用本发明焊机的控制电路原理，通过对少量的器件和零部件进行调整，可以制成不同额定电流等级的焊机产品，使其具有良好的性价比和市场竞争力。例如，额定电流为250A、280A的焊机，由于输出电流小，因此，没有必要采用模块IGBT来制作焊机。采用单管IGBT，则可以降低制作成本。然而，额定电流为350A、400A的焊机，由于输出电流大，为保障焊机的高可靠性，就需要采用模块IGBT来制作焊机。进一步说，在焊机控制系统基本不变的情况下，通过采用35A/1200V三相整流桥DB1、4个40A/1200V的单管IGBT（要同时配置相应的单管IGBT的控制板）、300A逆变主变压器T1和电抗器L1、300A/4V霍尔传感器等零部件，可以制成300型的焊机，其氩弧焊时的额定工作电流可达280A/22.6V（60%，负载持续率，下同）；采用60A/1200V三相整流桥DB1、2个双75A/1200V的IGBT模块（要同时配置相应的模块IGBT的控制板）、400A逆变主变压器T1和电抗器L1、400A/4V霍尔传感器等零部件，可以制成400型的焊机，其氩弧焊时的额定工作电流可达400A/26V（60%）等。当然，在改变三相整流桥和IGBT的形式或规格时，它们的相应散热器或安装部件上的安装孔和布局要随之改变。附图1所示就是利用本发明制成的一种具有脉冲氩弧焊、直流氩弧焊和手工电弧焊功能的单管IGBT逆变焊机的结构设计示意图。附图3所示则是采用单管IGBT及其控制板电路原理图。附图9则是采用单管IGBT逆变板元器件布局图。由附图3可见，单管IGBT及其控制板电路由一些IGBT（VT1~VT4）、稳压管（DZ1~DZ4）、电阻（R1~R10）、电容（C1~C6）器件组成。C5~C6电容主要是抗干扰电容，防止高频高压干扰信号引起IGBT炸管。R9~R10电阻是为安全而设置的。其前级电路中有电容C4和C5~C6，这些电容在焊机工作中会带有高压电。当焊机关闭供电电源不工作时，由于R9~R10电阻的存在，可释放电容C4和C5~C6上的电压。这样，对焊机的保养或维护人员来说，就不会造成高电压电击现象。每个IGBT都设有RC串联阻容吸收电路，例如R5和C1、R8和C4等，它们的存在可降低尖峰电压，防止过高的尖峰电压造成IGBT故障。另外，还有助于降低IGBT开关的热损耗。这些RC串联阻容吸收电路是非常重要的焊机可靠性保障措施之一。附图3中，只表达了4只单管IGBT的情况。当然，也可以采用8只单管IGBT，每2只并联作为一个电子开关。这样的做法，只需要修改一下相关电路原理图和电路板设计即可实现。当然，对于额定电流较大的机型，其IGBT也可采用模块IGBT。采用两个模块，每个模块中有2只IGBT开关。此时，也需要修改一下相关电路原理图和电路板设计即可实现。这对从事焊机开发的人来说，也是比较常见的方法。本发明焊机没有给出本发明焊机采用模块IGBT及其控制板时的电路原理图。也没有给出本发明焊机采用模块IGBT逆变板元器件布局图。其实，单管IGBT和模块IGBT的结构和特性是不相同的，因此，其采用的电阻、电容保护参数也是要随之改变的。器件结构和参数不同了，自然，与单管IGBT和模块IGBT配合的电路板设计也会不同。但总的控制原理是相同的。因此，本发明不再对采用模块IGBT时的控制板布局和电路原理图进行说明或给出示例。也没有必要给出。

附图5是本发明焊机整流输出板电路图，IN1与IN2分别连接到逆变主变压器T1的次级输出。OUT则连接到焊机的OUT+正极性输出端。此电路板有两块。主要是实现输出整流，把交流变换为直流输出。由附图5可见，有5只快恢复二极管（MUR6030BCT，60A/300V），也设有RC串联阻容吸收电路，例如R1和C1、R2和C2，它们的存在可降低尖峰电压，防止过高的尖峰电压造成快恢复二极管故障。另外，还有助于降低快恢复二极管的热损耗。这些RC串联阻容吸收电路是非常重要的焊机可靠性保障措施之一。当然，采用单管快恢复二极管的机型，也是针对额定输出电流小的机型。如果是大电流的机型，则可采用多只快恢复二极管并联使用。当然，工艺相对复杂。如果要简化工艺，则可采用大电流等级（如100A）的快恢复二极管模块来实现，例如采用4~5只快恢复二极管模块，每个模块中有2只二极管。

附图7是本发明焊机高频板电路原理图，高频板电路是为氩弧焊实现高频（焊枪钨极与工件）非接触式引弧而设计的。手工焊时，控制电路的作用是不会产生高频引弧的。由附图7可见，高频引弧电路由V1~V4二极管、稳压管V5、晶闸管或可控硅V6（BT151）、高频升压变压器GPB、火花放大器等器件组成。其98与99连接到焊机主输出回路中的引弧高频耦合变压器T5（也称为引弧线圈）（36）。68与90连接到控制变压器T4的110V交流电源和面板控制电路。当焊机选择氩弧焊功能（包含脉冲和直流氩弧焊），并且附图2中的焊枪开关S1闭合时，在面板控制电路作用下，附图2面板控制电路中的10与11号接通，110V交流电源供给高频板电路。此时，稳压管V5会击穿，使晶闸管或可控硅V6（BT151）导通。附图7中C4电容和高频升压变压器GPB的初级会形成振荡现象。并且，通过高频升压变压器GPB耦合到该变压器的次级。当火花放大器两端的电压达到击穿其气隙后，电容C5和C6与焊机主输出回路中的引弧高频耦合变压器T5（也称为引弧线圈）（36）的初级也会形成振荡现象。由于高频升压变压器GPB和引弧高频耦合变压器T5的两次升压作用，可使氩弧焊焊枪中钨极与工件之间的几个毫米气隙能够被击穿，从而立即引燃焊接电弧，并实施引弧焊接。以上就是本发明焊机高频板部分的电路工作原理。

附图6是本发明焊机泄放回路电路原理图，泄放回路（含附图2中R5~R6）（也称为高频泄放板）主要由1个压敏电阻和6个电容组成。其接线方法见附图2和附图6。其作用是确保氩弧焊高频引弧的前提下，防止高频引弧信号产生干扰，保障焊机其它控制电路的安全。

附图4是本发明焊机的驱动PCB电路原理图，附图4中，D1~D4二极管，电容C1~C3、C24~C25、C15、C17、C30、C32，U3（LM7815）和U4（LM7915）器件组成电源电路。供电电源来自控制变压器的AC1和AC2。U3（LM7815）和U4（LM7915）是集成稳压器，分别可输出+15和-15V直流稳压电压。供给驱动控制电路和运算放大器等控制电路部分工作。+5V电源电压来自U2（UC3846）的2脚，是由该芯片的内部参考电源（Vre）输出的电压，可供给相关的+5V电路使用。

附图4中，QDBT1（或T1）和QDBT2（或T2）是驱动变压器。每个驱动变压器有一个初级和两个次级。QDBT1（或T1）和QDBT2（或T2）及其外围的D10~D13二极管、电阻R16~R19和R25~R35、电容C20~C23和C26~C29、MOS管Q1~Q4（或VT1~VT4）等组成逆变主电路中四组IGBT管的驱动电路。四组G和E分别连接至逆变主电路中每组IGBT管的控制极，四路驱动，每个部分的驱动电路形式是一致的。由于附图4中的U2（UC3846）芯片输出的信号，驱动功率小，故需要经过IGBT的驱动控制电路进行放大，再通过QDBT1（或T1）和QDBT2（或T2）驱动变压器及其外围的驱动电路去控制逆变主电路中四组IGBT管的工作状态。附图4中，驱动电路输入的控制信号是由附图4中的U2脉冲宽度调制（PWM）芯片（UC3846）11脚和14脚输出的控制信号。这些信号是一组方波脉冲信号。方波脉冲信号有一个固定的频率。是保障IGBT开关工作的重要参数之一。该时间是通过UC3846芯片的外围器件参数设置而确定的。至于如何确定，需要查看UC3846的相关使用资料或说明。介于篇幅的关系，这里不再重复说明。需要说明的是：PWM脉冲宽度调制信号是决定焊机逆变主电路输出电压和电流大小的信号。

附图4中，U2（UC3846）是PWM脉冲宽度控制芯片；U1是四运算放大器芯片。“检流”与“GND”端连接至附图2中逆变初级电流互感器T2等组成的检测电路RJ1电阻的两端。通过T2互感器，检测逆变主变压器的初级电流，获得焊机控制所需要的初级电流是否出现“过流”现象的控制信号。当逆变初级电流互感器T2检测到一次侧“过流”现象时，过大的控制信号加至U2（UC3846）的16脚关闭控制端，因此，U2（UC3846）的11与14脚输出PWM信号就会关闭。这样，就可以停止焊机逆变主电路输出，从而实现所谓的“过流”保护控制功能。

附图4中，U1D运算放大器电路部分是典型的电压比较器。+15V电压经过R11、R12分压电路后，R12上的电压与+5V基准电压进行比较。如果R12上的电压高于+5V基准电压，则U1D运算放大器输出低电平，二极管D5截止。不会关闭U2（UC3846）芯片的PWM输出。如果供电电网电压过低，造成+15V电压不到15V，例如，只有+13V，那么R12上的电压就会低于+5V基准电压，则U1D运算放大器输出高电平，二极管D5导通。就会关闭U2（UC3846）芯片的PWM输出。这一控制过程，其实就是实现焊机的“欠压”保护控制功能。

附图4中，“GD-IN”与“GND”端连接至附图2中面板控制板电路部分的“21”与“22”两端。也就是来自面板控制电路部分的电流输出控制信号Uk。U1B运算放大器电路部分是典型的同相（电压）跟随器。即U1B的7脚输出信号与“GD-IN”与“GND”两端的、来自面板控制电路部分的电流输出控制信号Uk是一致的。由于U2（UC3846）PWM芯片的6脚与7脚连接，在U2的内部这个误差放大器部分，其电路也是组成一个典型的同相（电压）跟随器。因此，U2的7脚输出信号与电流输出控制信号Uk是一致的。也就是说，Uk的大小将是决定本发明焊机输出电流或电压大小的控制信号。

附图8是本发明焊机的面板控制板电路原理图，本发明的控制面板，其电路采用了U11（STM32F051C4）单片微处理器控制系统电路。STM32F051C4单片微处理器的一些接口连接到很多的电路部分。在U11等组成的控制系统电路和系统软件的控制下，实现焊机的相应功能。在该控制面板上，设有SW1和SW2按钮、P48按钮数字调节电位器（也称为编码器）、DIG1和DIG2两个数字显示表、LED1~LED15发光二极管，当然，还有附图8中的很多电子元器件。这些元器件，组成了很多的功能子电路部分。例如，1）B1和B2整流桥、N1~N4及其外围的很多电容器件等，共同组成+3.3V1、+3.3V、+15V、-15V电源电路，供相关的器件或电路工作使用；2）J6是连接到焊机输出回路的霍尔电流检测器件的，U17A和U17B及其外围的器件，组成电流反馈信号检测电路。其输出ADC-CURR送至U11（STM32F051C4）单片微处理器的A/D采样接口10脚；3）U16A和U16B及其外围的器件，组成电压反馈信号检测电路。其输出ADC-VOLT送至U11（STM32F051C4）单片微处理器的A/D采样接口11脚；4）J3是连接到附图4中GD-IN和GND接口的，也就是驱动PCB板的Uk控制信号。U10B及其外围的器件，组成焊机电流和电压输出控制电路。其输入来自U11（STM32F051C4）单片微处理器的A/D接口14脚，即DAC-OUT端。需要特别说明的是：该电路部分的输出Uk控制信号，是电焊机电流给定等信号与电流负反馈、电压反馈信号综合、控制运算后的结果，决定着不同焊接方法下的焊机输出电流和电压大小，以及焊机的输出特性；5）J1是连接到附图2中WJ或RT1的，也就是常闭型的温度继电器。而温度继电器又是安装在主要零部件（如IGBT的铝散热器）表面的。由WJ或RT1温度继电器、电阻R1~R3、电容C1~C2、光耦U1组成“过热”保护控制电路。其输出OT连接至U11（STM32F051C4）单片微处理器的39脚。当WJ或RT1温度继电器没有动作，也就是没有出现“过热”现象时，光耦U1中的发光二极管发光，其输出级的三极管导通，使OT为低电平。而当WJ或RT1温度继电器动作，也就是出现“过热”现象时，光耦U1中的发光二极管不发光，其输出级的三极管不导通或截止，使OT变为高电平。U11（STM32F051C4）单片微处理器控制系统通过扫描或检测OT端或U11的39脚电平状态，即可得知是否有“过热”现象发生。一旦发现“过热”，则通过U11（STM32F051C4）单片微处理器的A/D接口14脚，即DAC-OUT端，也就是驱动PCB板的Uk控制信号，停止逆变主电路输出电流。直到“过热”现象消除，焊机方可再次输出电流。这就实现了焊机的“过热”保护；6）J2、电感L1、稳压管ZD1、光耦U2等器件，组成氩弧焊焊枪开关状态控制电路。其输出GUN-SW连接至U11（STM32F051C4）单片微处理器的46脚。U11（STM32F051C4）单片微处理器控制系统通过扫描或检测其46脚电平状态，即可得知是否有“按下焊枪开关”的状态发生。之后，再根据氩弧焊方法的不同（如是脉冲氩弧焊，还是直流氩弧焊）以及输入的一些控制参数（如提前送气时间、引弧电流、焊接电流、电流缓升和下降时间、滞后闭气时间等）进行相应的控制；7）光耦U3、三极管Q1、继电器JDQ1等组成高频控制电路。该电路的输入GAOPIN连接至U11（STM32F051C4）单片微处理器的27脚。通过J4插头去控制附图2中的高频板电路部分。选择氩弧焊操作时，当按下焊枪开关，则U11（STM32F051C4）单片微处理器控制系统通过扫描或检测其46脚电平状态，即可得知有“按下焊枪开关”的状态发生。此时，控制电路会根据时序控制要求，通过改变GAOPIN的电平为低，光耦U2中的发光二极管发光，其输出级的三极管导通，使三极管Q1和继电器JDQ1动作，于是附图2中的高频控制电路部分产生高频高压引弧脉冲，最终引燃氩弧焊时的焊接电弧；8）光耦U4、三极管Q2等组成电磁气阀控制电路。该电路的输入GAS-CTL连接至U11（STM32F051C4）单片微处理器的28脚。通过J4插头去控制附图2中的电磁气阀部分。选择氩弧焊操作时，当按下焊枪开关，则U11（STM32F051C4）单片微处理器控制系统通过扫描或检测其46脚电平状态，即可得知有“按下焊枪开关”的状态发生。此时，控制电路会根据时序控制要求，通过改变GAS-CTL的电平为低，光耦U4中的发光二极管发光，其输出级的三极管导通，使三极管Q2动作，于是附图2中的电磁气阀动作，焊枪中有保护气体流动，最终实现氩弧焊时的提前送气和滞后闭气控制要求；9）SW1和SW2按钮电路部分，Key1和Key2连接到U11的35和42线，通过扫描这两个接口线的状态，系统能够判定是按压了哪个按键、按压了几次。并根据检测结果等进行相应的控制和显示；10）参数输入、数显表和指示灯控制电路部分。DIG1数字显示表用于“电流/数值”显示。DIG2数字显示表用于“电压/单位”显示；SW1按钮为焊接方法选择按钮。通过SW1，用户可选择“手弧焊”、“直流氩弧焊”、“脉冲氩弧焊”三种焊接方法。并且，分别有LED1、LED2、LED3进行状态指示；SW2按钮为氩弧焊焊枪开关操作方式选择按钮。通过SW2，用户可选择“两步”、“四步”氩弧焊焊枪开关操作方式控制。并且，分别有LED4、LED5进行状态指示；P48为按钮数字调节电位器，也称为编码器。通过P48的操作，用户配合相应的指示灯和显示表，可提前或预先调节好不同焊接方法控制下的焊机的各个参数。例如，点亮LED6，可调节氩弧焊时的提前送气（简称前气）时间。此时，DIG1数字显示表显示提前送气时间的数值。DIG2数字显示表显示该数值的单位，也就是多少秒的时间；类似地，点亮LED7，可调节氩弧焊时的起弧或引弧电流（简称起弧）大小；点亮LED8，可调节氩弧焊时的电流缓升（简称缓升）时间；点亮LED9，可调节直流氩弧焊或手弧焊时的电流（简称恒流）大小；点亮LED10，可调节直流脉冲氩弧焊时的脉冲频率（简称频率）大小；点亮LED11，可调节直流脉冲氩弧焊时的脉冲占空比（简称占空比）大小；点亮LED12，可调节直流脉冲氩弧焊时的脉冲基值或手弧焊时的推力电流（简称基值/推力）大小；点亮LED13，可调节氩弧焊时的电流缓降（简称缓降）时间；点亮LED14，可调节氩弧焊时的收弧电流（简称收弧）大小；点亮LED15，可调节氩弧焊时的滞后闭气（简称后气）时间。当然，上述调节时，两个显示表都会进行相应的参数数值和单位指示。用户操作时，不仅直观，而且也非常方便调节各个焊接状态和参数预置。当然，实现上述功能，都是在本发明焊机面板控制等电路共同作用下完成的。

附图8部分的面板控制板电路是本发明焊机的核心电路之一，由附图8可见，通过数字编码器给出的电流给定参数，通过电路输入到单片机控制系统中。输出回路检测到的电流、电压信号，也通过各自电路输入到单片机控制系统中。通过数字I运算放大器控制，最终控制焊机的输出电流和电压大小。也就是说，电流给定信号、电流负反馈信号等共同决定着数字I运算放大器输出Uk控制信号大小，最终决定着附图4中U2（UC3846）芯片输出的PWM脉冲信号的时间宽度。当电流给定信号和电流负反馈信号发生变化时，就会使PWM脉冲信号的时间宽度发生改变，最终通过逆变主电路，实现焊机输出电压和电流的变化，以满足不同焊接方法时焊接的输出性能控制要求。

本发明的控制面板设计为双面采用贴片器件的电路板，以使焊机的控制面板结构紧凑。此部分，电路板上的器件是贴片的，另外，完全采用自动化的设备自动贴片和焊接加工，一次性合格率高。制作效率高，出错率低。生产质量能够得到保障。如果采用人工贴片加工，质量难以保障，生产效率和部件质量合格率都是大问题。如果采用非贴片的插件器件，则控制面板尺寸很大，生产效率等也是问题。

本发明焊机手工电弧焊输出特性的简要控制过程简述如下：

焊机后面板的开关合上接通供电电源极短的时间后，焊机内部的上述各控制板带电工作。通过焊机前面板上的焊接方法按钮选择“手弧”（即手工电弧焊）方法。再通过编码器选择好恒流或焊接电流、推力电流参数大小。连接好电焊钳电缆和工件电缆，选择好焊接极性（即工件是接正极性输出，还是接负极性输出），即可实施焊接。空载时，焊机内部的IGBT PWM脉冲宽度控制电路产生一个占空比较大的脉冲信号，使IGBT的驱动电路工作，使IGBT处于交替导通状态，最终使逆变主电路输出空载电压。当操作者进行焊接时，控制电路通过输出霍尔电流互感器，可检测到输出电流信号。经过信号处理，并以此作为电流负反馈控制信号，在单片机控制系统中与焊接电流给定信号进行比较。比较后的差值信号，进行数字PI（比例和积分）调节控制，再输入到焊机驱动PCB板中的PWM控制电路，其输出的结果控制焊机输出PWM芯片的脉冲宽度或占空比，决定焊机输出电流和电压的大小，实现输出电流参数的准确控制。并使焊机的输出特性满足手工电弧焊接的要求。进一步地说，引弧后，当焊接电流给定信号不变时，随着焊机电路检测到的电流增加，并且，达到给定的设定值后，焊接电流给定信号与电流负反馈控制信号的差值会随电流增加而减小，通过数字PI控制后，使焊机输出PWM芯片的脉冲宽度或占空比减小，焊机的输出电压降低。这一过程，也就是所谓的电流截止负反馈控制。即只有当电流达到焊接电流电位器的设定值后才起作用的反馈控制。此后，随着电流微小的增加，电压降低会很多。当电压下降到一定数值以下时，随着电压的降低，控制电路可使焊机输出PWM芯片的脉冲宽度或占空比增加，使焊接电流按照设定的推力电流参数增大，最终形成恒流带外拖的下降特性。实际测试结果表明：本发明焊机的推力电流大约为几十安培。当焊接电流给定信号变化时，电流截止负反馈设定值不同，但其它的控制过程是类似的。这样，在电位器设定的最小和最大之间，就可获得无数条下降特性曲线。这样的控制，也是满足手工电弧焊接的基本要求。关于电流的反馈和PWM及输出特性控制过程，以及手弧焊时各个参数和指示灯、数显表的状态，可参见其它相关的控制原理说明作进一步的了解。

本发明焊机直流氩弧焊输出特性的简要控制过程简述如下：

焊机后面板的开关合上接通供电电源极短的时间后，焊机内部的上述各控制板带电工作。通过焊机前面板上的焊接方法按钮选择“恒流”（即直流氩弧焊）方法；通过焊机前面板上的焊枪开关操作方式按钮选择“两步”（2T）或“四步”（4T）操作方式。“两步”（2T）是指按下焊枪开关开始焊接，松开焊枪开关则结束焊接。“四步”（4T）是指按下焊枪开关开始焊接，松开焊枪开关继续保持焊接，再次按下焊枪开关，准备收弧，再松开焊枪开关则结束焊接；通过编码器选择好提前送气时间、引弧或起弧电流、电流缓升时间、恒流或焊接电流、电流缓降时间、收弧电流大小、滞后闭气时间参数。连接好氩弧焊焊枪焊接电缆、焊枪开关控制电缆和工件电缆（工件是接正极性输出，焊枪接负极性输出），连接好气管，打开气瓶开关并调节好气流量，即可实施焊接。当按下焊枪开关时，接通电磁气阀，有保护气体从焊枪流出，对焊接区进行保护。之后，焊机内部的IGBT PWM脉冲宽度控制电路产生一个占空比较大的脉冲信号，使IGBT的驱动电路工作，使IGBT处于交替导通状态，最终使逆变主电路输出空载电压。与此同时，焊机控制电路产生高频高压引弧脉冲，并引燃焊接电弧。当操作者进行焊接时，控制电路通过输出霍尔电流互感器，可检测到输出电流信号。经过信号处理，并以此作为电流负反馈控制信号，在单片机控制系统中与焊接电流给定信号进行比较。比较后的差值信号，进行数字PI（比例和积分）调节控制，再输入到焊机驱动PCB板中的PWM控制电路，其输出的结果控制焊机输出PWM芯片的脉冲宽度或占空比，决定焊机输出电流和电压的大小，实现输出电流参数的准确控制。并使焊机的输出特性满足氩弧焊焊接的要求。进一步地说，引弧时，按照引弧电流大小进行控制。引弧后，电流缓慢上升到设定的焊接电流。当焊接电流给定信号不变时，随着焊机电路检测到的电流增加，并且，达到给定的设定值后，焊接电流给定信号与电流负反馈控制信号的差值会随电流增加而减小，通过数字PI控制后，使焊机输出PWM芯片的脉冲宽度或占空比减小，焊机的输出电压降低。这一过程，也就是所谓的电流截止负反馈控制。即只有当电流达到焊接电流电位器的设定值后才起作用的反馈控制。此后，随着电流微小的增加，电压降低会很多。最终形成恒流的下降特性。当焊接电流给定信号变化时，电流截止负反馈设定值不同，但其它的控制过程是类似的。这样，在焊接电流电位器设定的最小和最大之间，就可获得无数条下降特性曲线。这样的控制，也是满足直流氩弧焊接的基本要求。关于直流氩弧焊时各个参数和指示灯、数显表的状态，可参阅前面的相关电路原理进行了解。

本发明焊机直流脉冲氩弧焊输出特性的简要控制过程简述如下：

焊机后面板的开关合上接通供电电源极短的时间后，焊机内部的上述各控制板带电工作。通过焊机前面板上的焊接方法按钮选择“脉冲”（即直流脉冲氩弧焊）方法；通过焊机前面板上的焊枪开关操作方式按钮选择“两步”（2T）或“四步”（4T）操作方式；通过编码器选择好提前送气时间、引弧或起弧电流、电流缓升时间、恒流或脉冲峰值焊接电流、脉冲频率、脉冲占空比、基值电流、电流缓降时间、收弧电流大小、滞后闭气时间参数。连接好氩弧焊焊枪焊接电缆、焊枪开关控制电缆和工件电缆（工件是接正极性输出，焊枪接负极性输出），连接好气管，打开气瓶开关并调节好气流量，即可实施焊接。当按下焊枪开关时，接通电磁气阀，有保护气体从焊枪流出，对焊接区进行保护。之后，焊机内部的IGBT PWM脉冲宽度控制电路产生一个占空比较大的脉冲信号，使IGBT的驱动电路工作，使IGBT处于交替导通状态，最终使逆变主电路输出空载电压。与此同时，焊机控制电路产生高频高压引弧脉冲，并引燃焊接电弧。当操作者进行焊接时，控制电路通过输出霍尔电流互感器，可检测到输出电流信号。经过信号处理，并以此作为电流负反馈控制信号，在单片机控制系统中与焊接电流给定信号进行比较。比较后的差值信号，进行数字PI（比例和积分）调节控制，再输入到焊机驱动PCB板中的PWM控制电路，其输出的结果控制焊机输出PWM芯片的脉冲宽度或占空比，决定焊机输出电流和电压的大小，实现输出电流参数的准确控制。并使焊机的输出特性满足脉冲氩弧焊焊接的要求。进一步地说，基本电流控制都是实现不同设定电流值的恒流控制。也就是前面所述的焊接电流数字PI电流截止负反馈控制。引弧时，按照引弧电流大小进行控制。引弧后，电流缓慢上升到设定的脉冲峰值焊接电流。之后，就进入脉冲控制阶段。脉冲电流控制就相当于在峰值焊接电流与基值电流之间跳变，当然不是乱变，而是按照设定的脉冲频率、脉冲占空比参数进行变换。收弧控制时，则按照设定的电流缓降时间、收弧电流、滞后闭气时间参数进行不同阶段的控制。这样的控制，也是满足直流脉冲氩弧焊接的基本要求。关于脉冲氩弧焊时各个参数和指示灯、数显表的状态，可参阅前面的相关电路原理进行了解。

以上是本发明焊机各个电路板部分的简要控制过程说明。由于本发明已经给出了附图1~附图10的详细结构和电路及电路板设计，因此，对于有焊机结构和电路阅读能力（或具备相关知识）的人来说，是完全可以读懂的。电路图就是一种无声的语言。但是，对于没有电路阅读能力（或不具备相关电路知识）的人来说，即使解释的再多，他们也是难以理解的。鉴于篇幅的关系，本文只能阐述主要的部分，以使读者能够更好地理解相关的工作原理和过程。

通过上述说明可见，本发明有自己独特的设计思路和方法。不仅实现了焊机的脉冲氩弧焊、直流氩弧焊和手工焊方法输出等控制，而且，所设计的控制电路，包括它们的电路板和相互之间的连接关系，以及焊机的整机结构设计，都是使本发明焊机产品具有控制性能良好、焊机结构紧凑等技术优势的根本原因所在，也是满足产品高效和低成本生产、高可靠性、制造工艺技术先进性的重要保障。本发明专利申请保护的内容就在于保护这种焊机的结构和电路设计。

以上内容是结合具体的焊机结构和电路板及控制功能对本发明所作的详细说明，不能认定本发明的具体实施只限于这些说明。对本发明所述技术领域的其他技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干其它的推演和变换，这些都应该视为属于本发明保护的范畴。

Claims (2)

1.一种微处理器控制逆变多功能氩弧焊机，包括外壳部分、前面板部分、后面板部分和内部控制部分；其特征在于：所述的外壳部分包括外盖、机壳底板和提手手柄；所述的前面板部分主要有正负极输出快速接头和接头座组件、塑料前面壳、气接头、与氩弧焊焊枪开关航空插头连接的航空插座、控制面板；所述的后面板部分主要有三相空气电源开关、电源输入线接线盒、保险管及其管座、冷却风机、风机罩、塑料后面壳和检流板；内部控制部分包括中隔板上方部分和中隔板下方部分；中隔板上方部分包括有继电器、控制变压器、驱动PCB板、风机电容、整流桥、输入阻容电路板和CBB电容，整流桥通过螺丝固定在中隔板上，利用中隔板进行散热，输入阻容电路板则通过螺丝与整流桥进行电气连接；中隔板下方部分包括高频高压板、主变压器、快恢复整流板、磁环、上绝缘板、导风罩、散热器、下绝缘板、散热器固定支架、逆变板、电磁阀、高频泄放板、水泥电阻、电抗、引弧线圈、输出连接件和电流互感器；磁环套在主变压器的输出导线上，其作用是抗干扰，快恢复整流板则通过螺丝与散热器组的一侧紧贴，以使快恢复整流管能够通过铝散热器有效进行散热，逆变板也通过螺丝与散热器组的另一侧紧贴，以使IGBT器件能够通过铝散热器有效进行散热，两块散热器通过上绝缘板和下绝缘板进行电气绝缘，两块散热器通过两个散热器固定支架固定在机壳的底板上；主变压器和高频高压板通过螺丝固定在中隔板上；高频泄放板、水泥电阻和电抗则通过螺丝固定在机壳底板上，导风罩通过螺丝与两块散热器固定在一起，作用是形成良好的风道。

2.如权利要求1所述的一种微处理器控制逆变多功能氩弧焊机，其特征在于：所述的内部控制部分包括逆变主电路、单管IGBT控制电路、驱动电路、整流输出电路、泄放回路电路、高频电路和面板控制电路，管IGBT控制电路和整流输出电路串接在逆变主电路上，驱动电路连接单管IGBT控制电路和面板控制电路，驱动电路在面板控制电路的控制下控制单管IGBT控制电路的通断，高频电路连接面板控制电路和逆变主电路，高频电路在面板控制电路控制实现氩弧焊时的高频或非接触式引弧；泄放回路电路连接高频电路和逆变主电路，防止高频引弧信号产生干扰。