CN110064822B - 一种快频脉冲tig焊接系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种快频脉冲TIG焊接系统，其特征在于：包括快频脉冲TIG焊接电源；快频脉冲TIG焊接电源包括主电路、控制电路和人机交互系统；主电路包括工频整流滤波模块、脉冲电流主电路、基值电流主电路和高频电流切换电路；脉冲电流主电路包括依次连接的SiC全桥逆变换流模块一、高频变压模块一和SiC整流平滑模块一；基值电流主电路包括依次连接的SiC全桥逆变换流模块二、高频变压模块二和SiC整流平滑模块二；高频电流切换电路包括依次连接的高频切换模块和防反灌模块；SiC全桥逆变换流模块一包括SiC功率开关管。该焊接系统逆变频率高，具有良好的动特性和稳定性，可降低功率管开关损耗。
Description
技术领域
本发明涉及焊接设备技术领域，更具体地说，涉及一种快频脉冲TIG焊接系统。
背景技术
在焊接领域中，钨极氩弧焊(简称TIG焊)以电弧稳定、零飞溅、焊接质量高、可焊金属范围广等优点而得到普遍应用。始于上世纪60年代中期的脉冲TIG焊接技术，在传统的直流电弧焊基础上叠加具有一定频率的脉冲电流，峰值电流可使电弧保持稳定，加速母材熔化形成熔池，而基值电流既可控制热量的输入又可维持电弧持续燃烧，使熔池冷却结晶，两者循环交替，形成性能良好的焊缝。目前，高频脉冲TIG通过高频电流产生的电磁场，对电弧进行收缩，以改善电弧能量密度和提高电弧挺度，同时通过对熔池的强烈搅拌，能够细化晶粒和改善焊缝组织性能。
因此，国内外相继投入到快频脉冲TIG焊接设备的研究中。在快频脉冲TIG焊接系统中，焊接电源的质量与焊接电弧的性能密切相关，其不仅要精确地为焊接过程提供能量，还需实现与系统其他设备的协同运行。然而，国内的快频脉冲TIG焊接设备的工业化水平同发达国家之间还存在较大的差距，焊接电源普遍采用Si基IGBT作为功率变换的主要器件，而传统的Si基功率器件的开关性能已接近其材料性能所决定的理论极限，在一定程度上制约了焊接电源中逆变频率、响应速度等几个影响快频脉冲TIG焊接可靠性的关键指标，使得整机尺寸过大且动特性欠佳。另外，快频脉冲TIG焊技术由于加入了高频电流的调制，会对焊接电源产生的强烈电磁干扰，易出现焊接电流不稳定、高频段电弧控制效果差的问题。因此，快频脉冲TIG焊接技术在国内未能受到广泛应用。
发明内容
为克服现有技术中的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种逆变频率高、具有良好的动特性和稳定性、可降低功率管开关损耗的快频脉冲TIG焊接系统。
为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种快频脉冲TIG焊接系统，其特征在于：包括快频脉冲TIG焊接电源；所述快频脉冲TIG焊接电源包括主电路、控制电路和人机交互系统；
所述主电路包括工频整流滤波模块、脉冲电流主电路、基值电流主电路和高频电流切换电路；所述脉冲电流主电路包括依次连接的SiC全桥逆变换流模块一、高频变压模块一和SiC整流平滑模块一；所述基值电流主电路包括依次连接的SiC全桥逆变换流模块二、高频变压模块二和SiC整流平滑模块二；所述高频电流切换电路包括依次连接的高频切换模块和防反灌模块；所述SiC全桥逆变换流模块一包括SiC功率开关管；
其中，三相交流输入电源与工频整流滤波模块连接；工频整流滤波模块分别与SiC全桥逆变换流模块一和SiC全桥逆变换流模块二连接；SiC整流平滑模块一与高频切换模块连接；防反灌模块与外部电弧负载连接；SiC整流平滑模块二与外部电弧负载连接；
所述控制电路包括ARM最小控制系统，以及分别与ARM最小控制系统连接的人机交互通信模块、SiC高频驱动电路、切换开关驱动电路和输出电压电流采样反馈电路；其中，SiC高频驱动电路分别与SiC全桥逆变换流模块一和SiC全桥逆变换流模块二连接；切换开关驱动电路与高频切换模块连接；输出电压电流采样反馈电路分别与外部电弧负载、SiC整流平滑模块一和SiC整流平滑模块二连接；人机交互通信模块与人机交互系统连接。
优选地，所述SiC全桥逆变换流模块一包括SiC功率开关管，是指：SiC全桥逆变换流模块一包括SiC功率开关管M101、SiC功率开关管M102、SiC功率开关管M103和SiC功率开关管M104；所述高频变压模块一包括高频变压器一T101；所述SiC功率开关管M101、SiC功率开关管M102、SiC功率开关管M103和SiC功率开关管M104组成全桥逆变电路，之后通过隔直电容C109与高频变压器一T101的初级连接；所述SiC功率开关管M101、SiC功率开关管M102、SiC功率开关管M103和SiC功率开关管M104分别并联有RC吸收电路一；
所述SiC整流平滑模块一包括整流二极管VD101、整流二极管VD102和电感L101；高频变压器一T101的次级第一输出端通过依次连接的整流二极管VD101和整流二极管VD102与高频变压器一T101的次级第三输出端连接；整流二极管VD101和整流二极管VD102的连接处与电感L101的一端连接；电感L101的另一端与高频变压器一T101的次级第二输出端分别作为脉冲电流主电路的输出端来与高频切换模块连接。
优选地，所述的SiC功率开关管M101、SiC功率开关管M102、SiC功率开关管M103和SiC功率开关管M104组成全桥逆变电路，之后通过隔直电容C109与高频变压模块一的初级连接；所述SiC功率开关管M101、SiC功率开关管M102、SiC功率开关管M103和SiC功率开关管M104分别并联有RC吸收电路一，是指：
还包括电容C101、电容C102、电容C103、电容C104、电容C109、电阻R101、电阻R102、电阻R103和电阻R104；
SiC功率开关管M101和SiC功率开关管M103串联后，与SiC功率开关管M102和SiC功率开关管M104串联形成的电路一起并联到工频整流滤波电路上；电容C101和电阻R101串联后并联到SiC功率开关管M101上；电容C102和电阻R102串联后并联到SiC功率开关管M102上；电容C103和电阻R103串联后并联到SiC功率开关管M103上；电容C104和电阻R104串联后并联到SiC功率开关管M104上；所述SiC功率开关管M101与SiC功率开关管M103的连接处与电容C109串联后与高频变压模块一的初级第一输入端连接；所述SiC功率开关管M102与SiC功率开关管M104的连接处与高频变压模块一的初级第二输入端连接。
优选地，所述SiC全桥逆变换流模块二的电路结构与SiC全桥逆变换流模块一相同；高频变压模块二的电路结构与高频变压模块一相同；SiC整流平滑模块二的电路结构与SiC整流平滑模块一相同。
优选地，所述高频切换模块包括调制开关管IGBT Q202和调制开关管IGBTQ201；所述防反灌模块包括整流二极管VD201；所述调制开关管IGBT Q201并联在所述SiC整流平滑模块一上；SiC整流平滑模块一通过依次连接的调制开关管IGBT Q202和整流二极管VD201与外部电弧负载连接；所述调制开关管IGBT Q202并联有尖峰电压吸收模块一；调制开关管IGBT Q201并联有尖峰电压吸收模块二。
优选地，所述尖峰电压吸收模块一包括电容C202、电阻R202、二极管D204和二极管D203；电阻R202和电容C202并联后与二极管D204串联形成的电路并联到调制开关管IGBTQ202上；二极管D203并联在调制开关管IGBT Q202上；
所述尖峰电压吸收模块二包括电容C201、电阻R201、二极管D202和二极管D201；电阻R201和二极管D202并联后与电容C201串联形成的电路并联到调制开关管IGBT Q201上；二极管D201并联在调制开关管IGBT Q201上。
优选地，所述ARM最小控制系统通过隔离一与SiC高频驱动电路连接；所述ARM最小控制系统通过隔离二与切换开关驱动电路连接。
优选地，所述ARM最小控制系统通过隔离一与SiC高频驱动电路连接，是指：
ARM最小控制系统通过型号为ISO5451的隔离驱动芯片与SiC高频驱动电路连接，隔离驱动芯片还连接有驱动供电电路一；
所述SiC高频驱动电路包括电容C304、电容C305、稳压管ZD301、二极管D302、二极管D303、电阻R310、电阻R311、电阻R312和电阻R313；隔离驱动芯片的引脚CLAMP与SiC功率开关管栅极连接；SiC功率开关管栅极通过并联的电阻R313和电容C305接地；隔离驱动芯片的引脚OUT通过电阻R312与SiC功率开关管栅极连接；二极管D303和电阻R311串联后并联在电阻R312上；隔离驱动芯片的引脚OUT通过串联的电阻R310和二极管D302与SiC功率开关管漏极连接；隔离驱动芯片的引脚OUT还通过并联的电容C304和稳压二极管ZD301接地；隔离驱动芯片的引脚DESAT与隔离驱动芯片的引脚OUT连接。
优选地，所述ARM最小控制系统通过隔离二与切换开关驱动电路连接，是指：ARM最小控制系统通过光耦隔离芯片与切换开关驱动电路连接；所述切换开关驱动电路包括NPN三极管Q401、NPN三极管Q402、NPN三极管Q404、PNP三极管Q403和驱动供电电路二；
光耦隔离芯片的输出端通过依次连接的电阻R402、电阻R403和二极管D402与NPN三极管Q401基极连接；电阻R403并联有电容C401；二极管D402反向并联有二极管D403；电阻R403和二极管D402连接处通过二极管D401与NPN三极管Q401集电极连接；NPN三极管Q401集电极还通过电阻R404与驱动供电电路二正极连接；
电阻R402和电阻R403连接处通过依次连接的电阻R408和二极管D408与NPN三极管Q402基极连接；电阻R408并联有电容C403；二极管D408反向并联有二极管D409；电阻R408和二极管D408连接处通过二极管D407与NPN三极管Q402集电极连接；NPN三极管Q402集电极还通过电阻R409与驱动供电电路二正极连接；NPN三极管Q401发射极和NPN三极管Q402发射极分别与驱动供电电路二负极连接；
NPN三极管Q401集电极通过依次连接的电阻R405和二极管D405与PNP三极管Q403基极连接；电阻R405并联有电容C402；二极管C405反向并联有二极管D404；电阻R405和二极管D405连接处通过二极管D406与PNP三极管Q403集电极连接；PNP三极管Q403基极通过电阻R406与驱动供电电路二正极连接；PNP三极管Q403发射极通过电阻R407与驱动供电电路二正极连接；
NPN三极管Q402集电极通过依次连接的电阻R410和二极管D411与NPN三极管Q404基极连接；电阻R410并联有电容C404；二极管D411反向并联有二极管D412；电阻R410和二极管D411连接处通过二极管D410与NPN三极管Q404集电极连接；NPN三极管Q404集电极与PNP三极管Q403集电极连接；NPN三极管Q404发射极通过电阻R411与驱动供电电路二负极连接；NPN三极管Q404集电极通过电阻R412与驱动供电电路二负极连接；NPN三极管Q404集电极与高频切换模块连接。
优选地，还包括工业机器人、送丝机、焊枪、送气装置和夹具；所述工业机器人和送丝机分别与ARM最小控制系统连接；所述夹具分别与工业机器人和焊枪连接；所述快频脉冲TIG焊接电源还与送气装置连接；所述焊枪还分别与送气装置和送丝机连接。
与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：
1、与传统脉冲TIG焊接系统相比，本发明快频脉冲TIG焊接电源的功率开关器件采用了新型的SiC功率开关管，逆变频率高达100kHz，相对比目前较常用的IGBT提高了近十倍，不仅整机尺寸大幅减小，还具有良好的动态响应速度；有利于加强高频段电弧控制效果，稳定输出20kHz的快频脉冲电流波形，焊接过程中波形稳定不失真；
2、本发明中，快频脉冲TIG焊接电源有极高的能效；由于SiC功率开关管自身的优异性能，其开关损耗和导通损耗均较小，极大地提高了TIG焊接电源的能效；
3、本发明中，高频电流切换电路既能够有效地吸收高频脉冲电流调制过程产生的尖脉冲过电压，又不会破坏快频脉冲电流基本波形，结构简单，成本低，可靠性高；
4、本发明采样隔离方式实现ARM最小控制系统与SiC高频驱动电路，以及ARM最小控制系统与切换开关驱动电路连接；具有多种保护功能，在有效驱动开关管的同时可防止开关管发生损坏；可抑制SiC功率开关管驱动过程中出现瞬态电压和瞬态电流过高、产生电磁干扰的问题，防止产生电压尖峰而引起误触发，具有良好的驱动效果；
5、本发明快频脉冲TIG焊接系统结合了高频逆变、数字自动控制等技术，以及将系统各部分通过CAN总线进行协同运行，使得系统的集成度更高，控制更为精确。
附图说明
图1是本发明快频脉冲TIG焊接系统的系统框图；
图2是本发明快频脉冲TIG焊接系统中快频脉冲TIG焊接电源的结构示意图；
图3是本发明快频脉冲TIG焊接系统中快频脉冲TIG焊接电源的主电路的电路图；
图4是本发明快频脉冲TIG焊接系统中快频脉冲TIG焊接电源的SiC高频驱动电路的电路图；
图5是本发明快频脉冲TIG焊接系统中快频脉冲TIG焊接电源的切换开关驱动电路的电路图；
图6是本发明快频脉冲TIG焊接系统中快频脉冲TIG焊接电源的输出电压电流采样反馈电路的电路图；
图7是本发明快频脉冲TIG焊接系统中送丝机的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。
实施例
本实施例一种快频脉冲TIG焊接系统，其结构如图1至图7所示，包括快频脉冲TIG焊接电源，还包括工业机器人、送丝机、焊枪、送气装置和夹具；工业机器人和送丝机分别与ARM最小控制系统连接；夹具分别与工业机器人和焊枪连接；快频脉冲TIG焊接电源还与送气装置连接；焊枪还分别与送气装置和送丝机连接。
工业机器人作为执行机构，用于夹持焊枪按既定路径进行焊接操作。送丝机用于实现焊丝送给速度的精确无级调节以及送丝方式的多样化，保证焊丝的送入能与焊接工艺及参数完美配合。送气装置用于提供保护气。夹具用于实现焊接工件的固定与变位以及使焊枪和工业机器人相连等功能。
快频脉冲TIG焊接电源包括主电路、控制电路和人机交互系统。
主电路包括工频整流滤波模块、脉冲电流主电路、基值电流主电路和高频电流切换电路。脉冲电流主电路和基值电流主电路主要用于为电弧提供能量，高频电流切换电路用于调制高频电流，而控制电路用于实现SiC功率开关管和调制开关管IGBT驱动信号的发生、采样电流的闭环调节、故障保护、与系统其他部分的协同通信以及人机交互等功能。
脉冲电流主电路包括依次连接的SiC全桥逆变换流模块一、高频变压模块一和SiC整流平滑模块一；基值电流主电路包括依次连接的SiC全桥逆变换流模块二、高频变压模块二和SiC整流平滑模块二；高频电流切换电路包括依次连接的高频切换模块和防反灌模块；SiC全桥逆变换流模块一包括SiC功率开关管；高频切换模块包括IGBT开关管；
其中，三相交流输入电源与工频整流滤波模块连接；工频整流滤波模块分别与SiC全桥逆变换流模块一和SiC全桥逆变换流模块二连接；SiC整流平滑模块一与高频切换模块连接；防反灌模块与外部电弧负载连接；SiC整流平滑模块二与外部电弧负载连接；
控制电路包括ARM最小控制系统，以及分别与ARM最小控制系统连接的人机交互通信模块、SiC高频驱动电路、切换开关驱动电路和输出电压电流采样反馈电路；其中，SiC高频驱动电路分别与SiC全桥逆变换流模块一和SiC全桥逆变换流模块二连接；切换开关驱动电路与高频切换模块连接；输出电压电流采样反馈电路分别与外部电弧负载、SiC整流平滑模块一和SiC整流平滑模块二连接；人机交互通信模块与人机交互系统连接。
ARM最小控制系统采用32位的高速ARM微处理器，其产生三组全数字PWM控制信号，分别作用于脉冲电流主电路、基值电流主电路以及高频电流切换电路；ARM最小控制系统的UART通信接口电路与人机交互系统相连，ARM最小控制系统的CAN通信接口电路与CAN总线相连，完成系统各部分相互间的协同运行。继电器模块主要用于气阀的开启和关闭。
SiC全桥逆变换流模块一包括SiC功率开关管M101、SiC功率开关管M102、SiC功率开关管M103和SiC功率开关管M104；所述高频变压模块一包括高频变压器一T101；所述SiC功率开关管M101、SiC功率开关管M102、SiC功率开关管M103和SiC功率开关管M104组成全桥逆变电路，之后通过隔直电容C109与高频变压器一T101的初级连接；所述SiC功率开关管M101、SiC功率开关管M102、SiC功率开关管M103和SiC功率开关管M104分别并联有RC吸收电路一；
所述SiC整流平滑模块一包括整流二极管VD101、整流二极管VD102和电感L101；高频变压器一T101的次级第一输出端通过依次连接的整流二极管VD101和整流二极管VD102与高频变压器一T101的次级第三输出端连接；整流二极管VD101和整流二极管VD102的连接处与电感L101的一端连接；电感L101的另一端与高频变压器一T101的次级第二输出端分别作为脉冲电流主电路的输出端来与高频切换模块连接。具体地说，还包括电容C101、电容C102、电容C103、电容C104、电容C109、电阻R101、电阻R102、电阻R103和电阻R104；
SiC功率开关管M101和SiC功率开关管M103串联后，与SiC功率开关管M102和SiC功率开关管M104串联形成的电路一起并联到工频整流滤波电路上；电容C101和电阻R101串联后并联到SiC功率开关管M101上；电容C102和电阻R102串联后并联到SiC功率开关管M102上；电容C103和电阻R103串联后并联到SiC功率开关管M103上；电容C104和电阻R104串联后并联到SiC功率开关管M104上；所述SiC功率开关管M101与SiC功率开关管M103的连接处与电容C109串联后与高频变压模块一的初级第一输入端连接；所述SiC功率开关管M102与SiC功率开关管M104的连接处与高频变压模块一的初级第二输入端连接。
在基值电流主电路中，SiC全桥逆变换流模块二的电路结构与SiC全桥逆变换流模块一相同；高频变压模块二的电路结构与高频变压模块一相同；SiC整流平滑模块二的电路结构与SiC整流平滑模块一相同。基值电流主电路的结构和原理与脉冲电流主电路相同。用于驱动SiC全桥逆变换流模块一的SiC高频驱动电路和用于驱动SiC全桥逆变换流模块二的SiC高频驱动电路结构相同，仅仅是输出驱动波形和时序不同；驱动波形和时序可采用现有方式。
主电路的工作原理是：通过交流输入电源接入工频整流滤波模块转换成平滑的直流电；直流电经由脉冲电流主电路的SiC全桥逆变换流模块一，两路互补带死区的PWM信号控制对角的两个SiC功率开关管同时高频开通或者关断，将直流电转换为高频交流电；之后经过高频变压模块一进行电气隔离、变压和功率传递；经过SiC整流平滑模块二转变成低压平滑的直流电输入到高频切换模块，两路互补无死区的PWM信号控制两个调制开关管IGBT以20kHz频率交替开通关断，将直流电转换为高频电流，经过防反灌模块后与基值电流主电路输出的基值直流电流叠加，叠加产生的快频脉冲电流输出到外部电弧负载。
高频切换模块包括调制开关管IGBT Q202和调制开关管IGBT Q201；所述防反灌模块包括整流二极管VD201；所述调制开关管IGBT Q201并联在所述SiC整流平滑模块一上；SiC整流平滑模块一通过依次连接的调制开关管IGBT Q202和整流二极管VD201与外部电弧负载连接；所述调制开关管IGBT Q202并联有尖峰电压吸收模块一；调制开关管IGBT Q201并联有尖峰电压吸收模块二。
尖峰电压吸收模块一包括电容C202、电阻R202、二极管D204和二极管D203；电阻R202和电容C202并联后与二极管D204串联形成的电路并联到调制开关管IGBT Q202上；二极管D203并联在调制开关管IGBT Q202上；
所述尖峰电压吸收模块二包括电容C201、电阻R201、二极管D202和二极管D201；电阻R201和二极管D202并联后与电容C201串联形成的电路并联到调制开关管IGBT Q201上；二极管D201并联在调制开关管IGBT Q201上。
在高频电流切换电路中，由脉冲电流主电路输出的低压直流电输入到调制开关管IGBT Q201与调制开关管IGBT Q202构成的高频切换模块，两路互补无死区的PWM信号控制调制开关管IGBT Q201与调制开关管IGBT Q202以20kHz或更高的频率交替开通关断，将直流电转换为高频电流，经过防反灌模块后与基值电流主电路输出的低压直流电叠加，叠加产生的快频脉冲电流输出到外部电弧负载；尖峰电压吸收模块一和尖峰电压吸收模块二对调制高频电流过程产生的尖峰电压进行吸收；整流二极管VD201防止基值电流主电路输出的直流电通过高频电流切换电路内阻反灌回脉冲电流主电路，避免影响电源的精确输出控制。
ARM最小控制系统通过隔离一与SiC高频驱动电路连接。
具体地说，ARM最小控制系统通过型号为ISO5451的隔离驱动芯片与SiC高频驱动电路连接，隔离驱动芯片还连接有驱动供电电路一；
SiC高频驱动电路包括电容C304、电容C305、稳压管ZD301、二极管D302、二极管D303、电阻R310、电阻R311、电阻R312和电阻R313；隔离驱动芯片的引脚CLAMP与SiC功率开关管栅极连接；SiC功率开关管栅极通过并联的电阻R313和电容C305接地；隔离驱动芯片的引脚OUT通过电阻R312与SiC功率开关管栅极连接；二极管D303和电阻R311串联后并联在电阻R312上；隔离驱动芯片的引脚OUT通过串联的电阻R310和二极管D302与SiC功率开关管漏极连接；隔离驱动芯片的引脚OUT还通过并联的电容C304和稳压二极管ZD301接地；隔离驱动芯片的引脚DESAT与隔离驱动芯片的引脚OUT连接。
ARM最小控制系统通过隔离二与切换开关驱动电路连接。具体地说，ARM最小控制系统通过光耦隔离芯片与切换开关驱动电路连接；所述切换开关驱动电路包括NPN三极管Q401、NPN三极管Q402、NPN三极管Q404、PNP三极管Q403和驱动供电电路二；
光耦隔离芯片的输出端通过依次连接的电阻R402、电阻R403和二极管D402与NPN三极管Q401基极连接；电阻R403并联有电容C401；二极管D402反向并联有二极管D403；电阻R403和二极管D402连接处通过二极管D401与NPN三极管Q401集电极连接；NPN三极管Q401集电极还通过电阻R404与驱动供电电路二正极连接；
电阻R402和电阻R403连接处通过依次连接的电阻R408和二极管D408与NPN三极管Q402基极连接；电阻R408并联有电容C403；二极管D408反向并联有二极管D409；电阻R408和二极管D408连接处通过二极管D407与NPN三极管Q402集电极连接；NPN三极管Q402集电极还通过电阻R409与驱动供电电路二正极连接；NPN三极管Q401发射极和NPN三极管Q402发射极分别与驱动供电电路二负极连接；
NPN三极管Q401集电极通过依次连接的电阻R405和二极管D405与PNP三极管Q403基极连接；电阻R405并联有电容C402；二极管C405反向并联有二极管D404；电阻R405和二极管D405连接处通过二极管D406与PNP三极管Q403集电极连接；PNP三极管Q403基极通过电阻R406与驱动供电电路二正极连接；PNP三极管Q403发射极通过电阻R407与驱动供电电路二正极连接；
NPN三极管Q402集电极通过依次连接的电阻R410和二极管D411与NPN三极管Q404基极连接；电阻R410并联有电容C404；二极管D411反向并联有二极管D412；电阻R410和二极管D411连接处通过二极管D410与NPN三极管Q404集电极连接；NPN三极管Q404集电极与PNP三极管Q403集电极连接；NPN三极管Q404发射极通过电阻R411与驱动供电电路二负极连接；NPN三极管Q404集电极通过电阻R412与驱动供电电路二负极连接；NPN三极管Q404集电极与高频切换模块连接。
控制系统与调制开关管驱动电路之间采用选用光耦隔离式驱动，光耦采用IGBT或者MOSFET专用的高速光耦HCPL-3120，开关延迟时间在0.3us左右，有着小的体积、高的开关速度以及较强的抗冲击能力，足以满足驱动设计要求。由于调制开关管驱动电路产生两路互补且不带死区的驱动电信号，两路调制IGBT开关管的栅极驱动电路结构相同，截取其中一路，隔离光耦后接一个由两个MOSFET组成的半桥拓扑结构，最后输出+15V/-7V电压来驱动调制IGBT开关管。该设置的好处是：具有体积小、开关速度高以及抗冲击能力强的优点，满足驱动设计要求。
输出电压电流采样反馈电路分别用于采集脉冲电流主电路和基值电流主电路输出电压电流。如图5所示，输出电压电流采样反馈电路包括型号为HAS 200-P的200A电流霍尔传感器、由型号为AD629的差动放大器及其外围电路构成的集成差动放大电路、由型号为OP177的芯片及其外围电路构成的低通滤波电路；所述电流霍尔传感器、集成差动放大电路、低通滤波电路依次连接。
电流霍尔传感器转换回来的测量电压值需要经过电阻R501和R502分压，然后连接到集成差分放大电路，其中U501为具有低失调、低增益误差漂移和高共模抑制比的差动放大器AD629，放大倍数为1。再通过KRC有源低通滤波器进行滤波，本专利采用通带内更为平坦的巴特沃兹滤波器作为模型，其中U502为高精度和低零漂的运算放大器OP177，U502结合外部电阻电容R503、R504、C505和C506数值匹配。
脉冲电流主电路和基值电流主电路中，SiC功率开关管按照预设的时序快速导通与关闭，实现高频直流交流转变；高频切换模块的两个调制开关管IGBT以20kHz或更高的频率交替开关，实现高频脉冲电流的调制两路并联的脉冲电流主电路和基值电流主电路的输出电压电流采样反馈独立控制；通过在脉冲电流主电路和基值电流主电路的输出端分别采集输出电流电压并进行信号调理，与预设值进行比较之后，改变SiC功率开关管的导通与关断时间，实现占空比调节，获得所需的波形输出，完成闭环控制。
送丝机包括电机、夹紧轮、固定支架和送丝控制系统。送丝控制系统包括供电模块、ARM微处理器、电机半桥驱动电路、电压采样反馈电路和数字控制面板。半桥驱动电路可采用现有技术，例如采用中国发明《一种智能型弧焊机器人潜水送丝机》(公开号：103706927B)中详细公开的送丝驱动电路。所述半桥驱动电路主要由2个N沟道型场效应管Q1和场效应管Q2构成的半桥电路、驱动芯片IR2110、光耦PC817、继电器K1、稳压芯片L7815以及其他外围电路连接构成。驱动芯片采用的型号为IR2110，并通过继电器K1与光耦PC817构成的换向电路实现电机的正转、反转的转换。其中，电机两端与连接器P1相连，两路互补的带死区PWM信号分别输入至驱动芯片IR2110。Inversion换向端保持为高电平，继电器保持在正转端，当PWMH为高电平，PWML为低电平时，由于电容C2和C3、二极管D1组成的自举电路的作用，此时场效应管Q1可靠导通，场效应管Q2关断，电机正负两端短接于24V，处于急停状态；当PWMH为低电平，PWL为高电平时，场效应管Q2导通，场效应管Q1关断，此时电机两端电压为+24V，电机处于正转状态。当Inversion换向端保持为低电平时，光耦PC817的三极管导通，继电器保持在反转端，当PWMH为高电平，PWML为低电平时，场效应管Q1导通，场效应管Q2关断，此时电机两端电压为+24V，电机处于反转状态；当PWML为高电平，PWMH为低电平时，电机正负两端短接于24V，处于急停状态。因此，通过控制Inversion换向端的高低电平，可以实现脉动送丝，而通过控制PWMH和PWML的占空比，就可以控制送丝的速度，这两者相结合，就可以方便的实现匀速送丝、变速送丝以及脉动送丝等三种送丝模式。
电压采样反馈电路可采用现有技术，例如中国发明《一种智能型弧焊机器人潜水送丝机》(公开号：103706927B)中详细公开的送丝速度检测电路。所述电压采样反馈电路的连接器P3与电机正负两端相连接，电机两端电压经过电阻分压，差分放大，线性光耦隔离，进一步分压后输入到控制芯片STM32F405RG，进过A/D转换后与电压给定值进行比较，从而调整PWM信号的占空比，达到调节电机运行速度的目的。其中，电阻R6、电阻R7与电阻R8、电阻R9分别组成两个输入电压的分压电路，将电压等比例降低至适合运算放大器LF353的输入电压。电感L5、电感L6、电容C10组成输入端的LC滤波电路。运算放大器U4构成差分放大电路，将经过降压后的电机两端的电压先放大至两倍，然后求两者差值后输出，从而将输入的差动信号转变为单边电压信号输出。二极管D6、二极管D7与二极管D8、二极管D9分别为运算放大器U4两输入端的保护二极管，当输入端电压绝对值高于15V时，其中一个二极管导通，有效保护了运算放大器。由于线性光耦U6为电流驱动型光耦元件，所隔离的为电流量，所以运算放大器U5与电阻R17组成电压-电流转换电路，将运算放大器输入端的电压转换成线性光耦HCNR201的LED驱动电流，而运算放大器U5与电阻R16、电容C11、二极管D10组成线性光耦U6的闭环反馈电路，以补偿U6的LED的非线性以及温度漂移，而电容C11也能起到滤除高频噪声信号的作用。运算放大器U7与电阻R22、电阻R18组成电流-电压转换电路，将线性光耦U6的输出电流转换成电压，调整电阻R22的阻值至合适值，即可得到与运算放大器U4单边输出电压相等的电压值，经过电阻R18的进一步降压，将运算放大器U7的输出电压降至控制芯片STM32F405RG合适的输入电压，其中二极管D11、二极管D12组成输入端保护电路，防止Feedback端的电压高于3.3V。
ARM微处理器产生一组PWM信号，经过驱动电路的放大隔离后，用于驱动电机半桥驱动电路中的功率开关管，从而实现电机的运转；而电机的转速则采用电枢电压控制法进行调节，通过电压采样反馈电路采样得到电枢电压并反馈给ARM微处理器，ARM微处理器的ADC模块将馈入的信号进行模数转换后，与给定的数值比较并进行PI调节，进而输出相应脉宽的驱动信号，从而实现电枢电压的闭环调节，实现送丝速度的精确无级调节；所述送丝机通过CAN与系统其他设备相连，送丝机的运行参数可由快频脉冲TIG焊接电源进行设置。
工业机器人、焊枪、送气装置和夹具可采用现有技术。
本发明快频脉冲TIG焊接系统的工作原理为：首先进行焊接路径规划，设定好工业机器人的运动路径后，运行到焊接起始点，等待快频脉冲TIG焊接电源的同步信号；通过人机交互系统设定焊接参数输入到快频脉冲TIG焊接电源；快频脉冲TIG焊接电源控制启动送气装置后，快频脉冲TIG焊接电源的主电路首先工作，利用高频高压引弧电路击穿焊枪的钨极和喷嘴间的气隙，在焊接工件和钨极之间将形成电弧；转起弧成功之后，快频脉冲TIG焊接电源将输出行走信号给工业机器人，焊枪则按照既定的路径和速度行走。其中工业机器人、人机交互系统、快频脉冲TIG焊接电源、送丝机均通过CAN网络进行高速数字协同，从而确保在整个焊接过程中，各组成能实现有机配合和高速协同，提高了快频脉冲TIG焊接过程的自动化和智能化水平。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种快频脉冲TIG焊接系统，其特征在于：包括快频脉冲TIG焊接电源；所述快频脉冲TIG焊接电源包括主电路、控制电路和人机交互系统；
所述主电路包括工频整流滤波模块、脉冲电流主电路、基值电流主电路和高频电流切换电路；所述脉冲电流主电路包括依次连接的SiC全桥逆变换流模块一、高频变压模块一和SiC整流平滑模块一；所述基值电流主电路包括依次连接的SiC全桥逆变换流模块二、高频变压模块二和SiC整流平滑模块二；所述高频电流切换电路包括依次连接的高频切换模块和防反灌模块；所述SiC全桥逆变换流模块一包括SiC功率开关管；
其中，三相交流输入电源与工频整流滤波模块连接；工频整流滤波模块分别与SiC全桥逆变换流模块一和SiC全桥逆变换流模块二连接；SiC整流平滑模块一与高频切换模块连接；防反灌模块与外部电弧负载连接；SiC整流平滑模块二与外部电弧负载连接；
所述控制电路包括ARM最小控制系统，以及分别与ARM最小控制系统连接的人机交互通信模块、SiC高频驱动电路、切换开关驱动电路和输出电压电流采样反馈电路；其中，SiC高频驱动电路分别与SiC全桥逆变换流模块一和SiC全桥逆变换流模块二连接；切换开关驱动电路与高频切换模块连接；输出电压电流采样反馈电路分别与外部电弧负载、SiC整流平滑模块一和SiC整流平滑模块二连接；人机交互通信模块与人机交互系统连接；
所述ARM最小控制系统通过隔离一与SiC高频驱动电路连接；所述ARM最小控制系统通过隔离二与切换开关驱动电路连接；
所述ARM最小控制系统通过隔离一与SiC高频驱动电路连接，是指：
ARM最小控制系统通过型号为ISO5451的隔离驱动芯片与SiC高频驱动电路连接，隔离驱动芯片还连接有驱动供电电路一；
所述SiC高频驱动电路包括电容C304、电容C305、稳压管ZD301、二极管D302、二极管D303、电阻R310、电阻R311、电阻R312和电阻R313；隔离驱动芯片的引脚CLAMP与SiC功率开关管栅极连接；SiC功率开关管栅极通过并联的电阻R313和电容C305接地；隔离驱动芯片的引脚OUT通过电阻R312与SiC功率开关管栅极连接；二极管D303和电阻R311串联后并联在电阻R312上；隔离驱动芯片的引脚OUT通过串联的电阻R310和二极管D302与SiC功率开关管漏极连接；隔离驱动芯片的引脚OUT还通过并联的电容C304和稳压二极管ZD301接地；隔离驱动芯片的引脚DESAT与隔离驱动芯片的引脚OUT连接；
所述ARM最小控制系统通过隔离二与切换开关驱动电路连接，是指：ARM最小控制系统通过光耦隔离芯片与切换开关驱动电路连接；所述切换开关驱动电路包括NPN三极管Q401、NPN三极管Q402、NPN三极管Q404、PNP三极管Q403和驱动供电电路二；
光耦隔离芯片的输出端通过依次连接的电阻R402、电阻R403和二极管D402与NPN三极管Q401基极连接；电阻R403并联有电容C401；二极管D402反向并联有二极管D403；电阻R403和二极管D402连接处通过二极管D401与NPN三极管Q401集电极连接；NPN三极管Q401集电极还通过电阻R404与驱动供电电路二正极连接；
电阻R402和电阻R403连接处通过依次连接的电阻R408和二极管D408与NPN三极管Q402基极连接；电阻R408并联有电容C403；二极管D408反向并联有二极管D409；电阻R408和二极管D408连接处通过二极管D407与NPN三极管Q402集电极连接；NPN三极管Q402集电极还通过电阻R409与驱动供电电路二正极连接；NPN三极管Q401发射极和NPN三极管Q402发射极分别与驱动供电电路二负极连接；
NPN三极管Q401集电极通过依次连接的电阻R405和二极管D405与PNP三极管Q403基极连接；电阻R405并联有电容C402；二极管C405反向并联有二极管D404；电阻R405和二极管D405连接处通过二极管D406与PNP三极管Q403集电极连接；PNP三极管Q403基极通过电阻R406与驱动供电电路二正极连接；PNP三极管Q403发射极通过电阻R407与驱动供电电路二正极连接；
NPN三极管Q402集电极通过依次连接的电阻R410和二极管D411与NPN三极管Q404基极连接；电阻R410并联有电容C404；二极管D411反向并联有二极管D412；电阻R410和二极管D411连接处通过二极管D410与NPN三极管Q404集电极连接；NPN三极管Q404集电极与PNP三极管Q403集电极连接；NPN三极管Q404发射极通过电阻R411与驱动供电电路二负极连接；NPN三极管Q404集电极通过电阻R412与驱动供电电路二负极连接；NPN三极管Q404集电极与高频切换模块连接。
2.根据权利要求1所述的快频脉冲TIG焊接系统，其特征在于：所述SiC全桥逆变换流模块一包括SiC功率开关管，是指：SiC全桥逆变换流模块一包括SiC功率开关管M101、SiC功率开关管M102、SiC功率开关管M103和SiC功率开关管M104；所述高频变压模块一包括高频变压器一T101；所述SiC功率开关管M101、SiC功率开关管M102、SiC功率开关管M103和SiC功率开关管M104组成全桥逆变电路，之后通过隔直电容C109与高频变压器一T101的初级连接；所述SiC功率开关管M101、SiC功率开关管M102、SiC功率开关管M103和SiC功率开关管M104分别并联有RC吸收电路一；
所述SiC整流平滑模块一包括整流二极管VD101、整流二极管VD102和电感L101；高频变压器一T101的次级第一输出端通过依次连接的整流二极管VD101和整流二极管VD102与高频变压器一T101的次级第三输出端连接；整流二极管VD101和整流二极管VD102的连接处与电感L101的一端连接；电感L101的另一端与高频变压器一T101的次级第二输出端分别作为脉冲电流主电路的输出端来与高频切换模块连接。
3.根据权利要求2所述的快频脉冲TIG焊接系统，其特征在于：所述的SiC功率开关管M101、SiC功率开关管M102、SiC功率开关管M103和SiC功率开关管M104组成全桥逆变电路，之后通过隔直电容C109与高频变压模块一的初级连接；所述SiC功率开关管M101、SiC功率开关管M102、SiC功率开关管M103和SiC功率开关管M104分别并联有RC吸收电路一，是指：
还包括电容C101、电容C102、电容C103、电容C104、电容C109、电阻R101、电阻R102、电阻R103和电阻R104；
SiC功率开关管M101和SiC功率开关管M103串联后，与SiC功率开关管M102和SiC功率开关管M104串联形成的电路一起并联到工频整流滤波电路上；电容C101和电阻R101串联后并联到SiC功率开关管M101上；电容C102和电阻R102串联后并联到SiC功率开关管M102上；电容C103和电阻R103串联后并联到SiC功率开关管M103上；电容C104和电阻R104串联后并联到SiC功率开关管M104上；所述SiC功率开关管M101与SiC功率开关管M103的连接处与电容C109串联后与高频变压模块一的初级第一输入端连接；所述SiC功率开关管M102与SiC功率开关管M104的连接处与高频变压模块一的初级第二输入端连接。
4.根据权利要求2所述的快频脉冲TIG焊接系统，其特征在于：所述SiC全桥逆变换流模块二的电路结构与SiC全桥逆变换流模块一相同；高频变压模块二的电路结构与高频变压模块一相同；SiC整流平滑模块二的电路结构与SiC整流平滑模块一相同。
5.根据权利要求2所述的快频脉冲TIG焊接系统，其特征在于：所述高频切换模块包括调制开关管IGBT Q202和调制开关管IGBT Q201；所述防反灌模块包括整流二极管VD201；所述调制开关管IGBT Q201并联在所述SiC整流平滑模块一上；SiC整流平滑模块一通过依次连接的调制开关管IGBT Q202和整流二极管VD201与外部电弧负载连接；所述调制开关管IGBT Q202并联有尖峰电压吸收模块一；调制开关管IGBT Q201并联有尖峰电压吸收模块二。
6.根据权利要求5所述的快频脉冲TIG焊接系统，其特征在于：所述尖峰电压吸收模块一包括电容C202、电阻R202、二极管D204和二极管D203；电阻R202和电容C202并联后与二极管D204串联形成的电路并联到调制开关管IGBT Q202上；二极管D203并联在调制开关管IGBT Q202上；
所述尖峰电压吸收模块二包括电容C201、电阻R201、二极管D202和二极管D201；电阻R201和二极管D202并联后与电容C201串联形成的电路并联到调制开关管IGBT Q201上；二极管D201并联在调制开关管IGBT Q201上。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的快频脉冲TIG焊接系统，其特征在于：还包括工业机器人、送丝机、焊枪、送气装置和夹具；所述工业机器人和送丝机分别与ARM最小控制系统连接；所述夹具分别与工业机器人和焊枪连接；所述快频脉冲TIG焊接电源还与送气装置连接；所述焊枪还分别与送气装置和送丝机连接。
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