CN110142486B - 一种基于单片机pwm发生器的电弧控制方法和电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电焊机技术领域，具体涉及一种基于单片机PWM发生器的电弧控制方法和电路；包括电弧控制系统输入、输出和单片机核心PWM控制三部分，本发明为了实现电焊机核心控制的统一和简化控制电路提高控制精度，采用单片机PWM发生器为核心并且以软件配合而成的焊机控制电路，其结构简单适用，成本低廉，安全可靠，普及性高等优点。可以完全替代目前的模拟电路设计方案，并且实现不同拓扑结构的主回路控制兼容，实现不同的焊接功能和电弧特性只需软件调整即可，产品一致性提高，维修也变得简单。保密性还可以通过软件加密实现，不像模拟电路控制的电路，很难加密，很容易被拷贝。并且由于采用单片机来控制，振荡频率十分的稳定，提高了可靠性。

Description

一种基于单片机PWM发生器的电弧控制方法和电路

技术领域

本发明涉及电焊机技术领域，具体涉及一种基于单片机PWM发生器的电弧控制方法和电路。

背景技术

现在电焊机所使用电弧控制方法一般分为电流型和电压型两种控制电路：一般主回路为全桥拓扑结构以电流型控制电路UC3846为PWM发生器来控制；半桥拓扑结构一般以电压型控制电路UC3525为PWM发生器来控制。从控制方案上来说这两种控制很难做到兼容，目前的状况是只能二选一，对电焊机规模生产增加了复杂性和生产成本，这两种方案的控制电路结构很不一样，实用范围也都有其局限性，并且由于是模拟电路构成的控制器，PWM的频率受到RC震荡器的温漂参数影响，不一样的温度条件下PWM的的频率将会发生改变，对于一台逆变式弧焊电焊机来说这个参数的改变或者不稳有时候是致命的。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开了一种基于单片机PWM发生器的电弧控制方法和电路，为了实现电焊机核心控制的统一和简化控制电路提高控制精度，采用单片机PWM发生器为核心并且以软件配合而成的焊机控制电路，其结构简单适用，成本低廉，安全可靠，普及性高等优点。可以完全替代目前的模拟电路设计方案，并且实现不同拓扑结构的主回路控制兼容。

本发明通过以下技术方案予以实现：

一种基于单片机PWM发生器的电弧控制电路，其特征在于，包括电弧控制系统输入、电弧控制系统输出和单片机核心PWM控制；所述电弧控制系统输入接收原边电流反馈、焊接电流反馈和焊接电压反馈的模拟量，通过所述单片机核心PWM控制的ADC模数转换器转换成数字量，并输入到电弧特性控制算法模块，处理后由电弧控制系统输出去控制PWM发生器。

优选的，所述电弧控制系统输入由原边电流反馈电路、焊接电流反馈电路、焊接电压反馈电路三路反馈信号组成。

优选的，所述原边电流反馈电路中，由电流互感器T1、D2、D3、D4、D5构成的整流桥、原边电流取样电阻R3和开关尖峰信号抑制C2组成原边电流采样电路；R4、R7、R8、C4构成原边电流反馈信号分压电路，一路作为刹车信号，在发生电流异常、主变压器偏磁、开关功率器件损坏的时关闭PWM输出，第二路作为全桥控制的逐脉冲封波控制；

所述焊接电压反馈电路由分压电路R1、R2、滤波电容C1和电压跟随器U2B组成；

所述焊接电流反馈电路由分压电路R18、R19、滤波电容C11和电压跟随器U2A组成，R5、C3、R6、C5为单片ACD采样输入阻抗匹配电路。

优选的，所述电弧控制系统输出由AB两路PWM驱动放大电路组成，A路PWM驱动放大电路由上管门极电路R9、D1、C6、R13、U3上管和下管门极电路R10、D7、C7、D10、R15、U3下管组成；B路PWM驱动放大电路由上管门极电路R11、D8、C8、R14、U4上管和下管门极电路R12、D9、C9、D11、R16、U4下管组成。

优选的，所述AB两路PWM驱动放大电路将单片机两路相位差180度的PWM信号放大后送至开关功率管驱动变压器。

优选的，所述单片机核心PWM控制，U1采用STM32F301C8T6芯片，包括PWM发生器、ADC模数转换和控制算法模块。

优选的，所述PWM发生器：由定时器TIM1作为核心控制模块，设置为两路PWM输出的PWM发生器模式，比较器输入正接外部原边电流反馈，输入负接内部DAC数模转换器的输出，比较器输出作为TIM1两路PWM输出关断信号；

所述ADC模数转换将ADC1的通道1和通道2配置为焊接电压和焊接电流的模数转换通道；

所述控制算法模块根据设定的电弧特性来计算出PWM实时输出的脉冲宽度值，实现对电弧的控制。

一种基于单片机PWM发生器的电弧控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

S1系统上电，辅助电源工作，向控制电路提供直流电源；

S2单片机上电复位，启动初始化、自检程序并延时，根据设定状态进入主控程序；

S3将单片机的定时器设置成PWM模式并通过其两个输出通道交替产生相位差180度的两路PWM输出A和B，去控制全桥或半桥的两组开关功率器件的通断。

优选的，所述S3中，如果是半桥模式，比较器输出不参与PWM的控制；如果是全桥模式比较器输出参与PWM的控制。

优选的，PWM的刹车功能用来控制电流超过最大电流的设定值时刹车即关断PWM，ADC实时采样电弧电压、电流信号用来控制电弧的特性。

本发明的有益效果为：

本发明实现半桥、全桥拓扑控制电路的统一，可以有效地简化核心控制电路，同时控制算法由软件实现，将不同的电弧特性控制方法集成在一块芯片上，极大限度的减少了控制电路的外围模拟电路，而控制却灵活方便，对电焊机规模化生产带来很大效益，实现不同的焊接功能和电弧特性只需软件调整即可，产品一致性提高，维修也变得简单。保密性还可以通过软件加密实现，不像模拟电路控制的电路，很难加密，很容易被拷贝。并且由于采用单片机来控制，振荡频率十分的稳定，提高了可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种基于单片机PWM发生器的电弧控制方法原理框图；

图2是一种基于单片机PWM发生器的电弧控制的原理框图；

图3是一种基于单片机PWM发生器的电弧控制的原理图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示本实施例公开一种基于单片机PWM发生器的电弧控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

S1系统上电，辅助电源工作，向控制电路提供直流电源；

S2单片机上电复位，启动初始化、自检程序并延时，根据设定状态进入主控程序；

S3将单片机的定时器设置成PWM模式并通过其两个输出通道交替产生相位差180度的两路PWM输出A和B，去控制全桥或半桥的两组开关功率器件的通断。

所述S3中，如果是半桥模式，比较器输出不参与PWM的控制；如果是全桥模式比较器输出参与PWM的控制。

PWM的刹车功能用来控制电流超过最大电流的设定值时刹车即关断PWM，ADC实时采样电弧电压、电流信号用来控制电弧的特性。

当控制系统接入电源时，首先是辅助电源开始工作，向控制电路提供+15V直流电源，该电源一般建立后给单片机供+3.3V直流电源；单片机上电复位，启动初始化、自检程序，延时，根据设定状态进入主控程序。

在单片机中定时器设置成PWM模式，其对应的输出选用该定时器的两个PWM输出通道，由软件控制两个PWM交替输出经过控制算法输出的PWM宽度值，达到控制的目的；如果是半桥模式，比较器输出不参与PWM的控制；如果是全桥模式比较器输出参与PWM的控制，即当原边电流反馈的电流值大于控制算法输出的电流值时实时关闭当前PWM，实现类似UC3846的逐个脉冲的快速控制功能，PWM的刹车功能用来控制电流超过最大电流的设定值时刹车即关断PWM，该控制一般出现在电流异常、主变压器偏磁、开关功率器件损坏的时候。

ADC实时采样电弧电压、电流信号用来控制电弧的特性。将单片机的定时器设置成PWM模式并通过其两个输出通道交替产生相位差180度的两路PWM输出A和B，去控制全桥或半桥的两组开关功率器件的通断，这是本发明的关键所在，刹车功能是保护主设备不易损坏的保障之一。

实施例2

本实施例公开如图2所示的一种基于单片机PWM发生器的电弧控制电路，其详细控制原理如图3所示，包括电弧控制系统输入、输出和单片机核心PWM控制三部分电路组成。

电弧控制系统输入部分：输入部分由原边电流、焊接电流、焊接电压三路反馈信号组成。原边电流反馈电路由电流互感器T1、D2、D3、D4、D5构成的整流桥、原边电流取样电阻R3和开关尖峰信号抑制C2组成原边电流采样电路；R4、R7、R8、C4构成原边电流反馈信号分压电路，一路作为刹车信号，起过电流保护作用，发生电流异常、主变压器偏磁、开关功率器件损坏的时关闭PWM输出，第二路作为全桥控制的逐脉冲封波控制；D6为限幅二极管，保护单片机引脚。焊接电压反馈电路由分压电路R1、R2、滤波电容C1和电压跟随器U2B组成。焊接电流反馈电路由分压电路R18、R19、滤波电容C11和电压跟随器U2A组成。R5、C3、R6、C5为单片ACD采样输入阻抗匹配电路。电流电压反馈模拟量由单片ADC模数转换器转换成数字量后输入到电弧特性控制算法模块处理后去控制PWM发生器。

电弧控制系统输出部分：由AB两路PWM驱动放大电路组成，A路PWM驱动放大电路由上管门极电路R9、D1、C6、R13、U3上管和下管门极电路R10、D7、C7、D10、R15、U3下管组成；B路PWM驱动放大电路由上管门极电路R11、D8、C8、R14、U4上管和下管门极电路R12、D9、C9、D11、R16、U4下管组成。AB两路PWM驱动放大电路将单片机两路相位差180度的PWM信号放大后送至开关功率管驱动变压器。

单片机核心PWM控制部分，本方案的关键技术部分，U1采用STM32F301C8T6芯片，包括了以下三部分控制电路：

PWM发生器：由定时器TIM1作为核心控制模块，本方案将定时器设置为两路PWM输出的PWM发生器模式。定时器TIM1配置如下：

htim1.Instance＝TIM1；

htim1.Init.Prescaler＝0；

htim1.Init.CounterMode＝TIM_COUNTERMODE_UP；

htim1.Init.Period＝72000000/100000；//f＝100kHz

htim1.Init.ClockDivision＝TIM_CLOCKDIVISION_DIV1；

htim1.Init.RepetitionCounter＝0；

htim1.Init.AutoReloadPreload＝TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_ENABLE；

HAL_TIM_Base_Init(&htim1)；

HAL_TIM_PWM_Init(&htim1)；

比较器输入正接外部原边电流反馈，输入负接内部DAC数模转换器的输出，比较器输出作为TIM1两路PWM输出关断信号，并由软件在全桥模式下使能该功能，在半桥模式下失能该功能；从而实现全桥、半桥核心控制的统一。

TIM1两路PWM输出相位差为180度，软件实现如下：

ADC模数转换：本方案将ADC1的通道1和通道2配置为焊接电压和焊接电流的模数转换通道。用着焊接电流、电压的采样。

控制算法模块：根据设定的电弧特性来计算出PWM实时输出的脉冲宽度值，以实现对电弧的控制。如何使半桥模式其控制量直接作用到PWM的脉冲宽度值上，如果是全桥模式其控制量直接作用到DAC数模转换器上，DAC数模转换器输出作用到比较器的输入负端，间接控制PWM的输出脉宽。

本发明实现半桥、全桥拓扑控制电路的统一，可以有效地简化核心控制电路，同时控制算法由软件实现，将不同的电弧特性控制方法集成在一块芯片上，极大限度的减少了控制电路的外围模拟电路，而控制却灵活方便，对电焊机规模化生产带来很大效益，实现不同的焊接功能和电弧特性只需软件调整即可，产品一致性提高，维修也变得简单。保密性还可以通过软件加密实现，不像模拟电路控制的电路，很难加密，很容易被拷贝。并且由于采用单片机来控制，振荡频率十分的稳定，提高了可靠性。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种基于单片机PWM发生器的电弧控制电路，其特征在于，包括电弧控制系统输入、电弧控制系统输出和单片机核心PWM控制；所述电弧控制系统输入接收原边电流反馈、焊接电流反馈和焊接电压反馈的模拟量，通过所述单片机核心PWM控制的ADC模数转换器转换成数字量，并输入到电弧特性控制算法模块，处理后由电弧控制系统输出去控制PWM发生器；所述电弧控制系统输入由原边电流反馈电路、焊接电流反馈电路、焊接电压反馈电路三路反馈信号组成；所述原边电流反馈电路中，由电流互感器T1、D2、D3、D4、D5构成的整流桥、原边电流取样电阻R3和开关尖峰信号抑制C2组成原边电流采样电路；R4、R7、R8、C4构成原边电流反馈信号分压电路，一路作为刹车信号，在发生电流异常、主变压器偏磁、开关功率器件损坏的时关闭PWM输出，第二路作为全桥控制的逐脉冲封波控制；

所述焊接电压反馈电路由分压电路R1、R2、滤波电容C1和电压跟随器U2B组成；

所述焊接电流反馈电路由分压电路R18、R19、滤波电容C11和电压跟随器U2A组成，R5、C3、R6、C5为单片ACD采样输入阻抗匹配电路；所述电弧控制系统输出由AB两路PWM驱动放大电路组成，A路PWM驱动放大电路由上管门极电路R9、D1、C6、R13、U3上管和下管门极电路R10、D7、C7、D10、R15、U3下管组成；B路PWM驱动放大电路由上管门极电路R11、D8、C8、R14、U4上管和下管门极电路R12、D9、C9、D11、R16、U4下管组成；所述AB两路PWM驱动放大电路将单片机两路相位差180度的PWM信号放大后送至开关功率管驱动变压器。

2.根据权利要求1所述的基于单片机PWM发生器的电弧控制电路，其特征在于，所述单片机核心PWM控制，U1采用STM32F301C8T6芯片，包括PWM发生器、ADC模数转换和控制算法模块。

3.根据权利要求2所述的基于单片机PWM发生器的电弧控制电路，其特征在于，所述PWM发生器：由定时器TIM1作为核心控制模块，设置为两路PWM输出的PWM发生器模式，比较器输入正接外部原边电流反馈，输入负接内部DAC数模转换器的输出，比较器输出作为TIM1两路PWM输出关断信号；

所述ADC模数转换将ADC1的通道1和通道2配置为焊接电压和焊接电流的模数转换通道；

所述控制算法模块根据设定的电弧特性来计算出PWM实时输出的脉冲宽度值，实现对电弧的控制。

4.一种基于单片机PWM发生器的电弧控制方法，所述控制方法通过如权利要求1-3任一项所述的基于单片机PWM发生器的电弧控制电路实现，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

S1系统上电，辅助电源工作，向控制电路提供直流电源；

S2单片机上电复位，启动初始化、自检程序并延时，根据设定状态进入主控程序；

S3将单片机的定时器设置成PWM模式并通过其两个输出通道交替产生相位差180度的两路PWM输出A和B，去控制全桥或半桥的两组开关功率器件的通断。

5.根据权利要求4所述的基于单片机PWM发生器的电弧控制方法，其特征在于，所述S3中，如果是半桥模式，比较器输出不参与PWM的控制；如果是全桥模式比较器输出参与PWM的控制。

6.根据权利要求4所述的基于单片机PWM发生器的电弧控制方法，其特征在于，PWM的刹车功能用来控制电流超过最大电流的设定值时刹车即关断PWM，ADC实时采样电弧电压、电流信号用来控制电弧的特性。

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