CN110280870B - 一种全数字逆变焊机采样和控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全数字逆变焊机采样和控制系统，包括第一整流滤波模块、半桥逆变模块、变压器、第二整流模块、电流互感器以及主控模块，第一整流滤波模块、半桥逆变模块、变压器和第二整流模块依次连接，电流互感器连接在变压器的初级线圈和半桥逆变模块之间，主控模块包括单片机、信号预处理电路、第一IGBT驱动电路和第二IGBT驱动电路，单片机内设有PWM寄存器；电流互感器用于采集变压器初级线圈端的电流，信号预处理电路对上述电流进行滤波，主控模块依据滤波后得到的电流和变压器的线圈匝数比，获取逆变焊机的当前输出电流，并依据预设焊接所需电流对当前输出电流进行PID控制；本发明保证逆变焊机焊接工艺可靠性的同时，降低了生产成本。

Description

一种全数字逆变焊机采样和控制系统

技术领域

本发明涉及逆变焊机控制技术领域，更具体地，涉及一种全数字逆变焊机采样和控制系统。

背景技术

逆变焊机的现有控制方案主要分为采用模拟电路控制或者数字电路控制两种类型，模拟电路控制方法一般主要由模拟器件以及逻辑器件的分立器件组成，该方法存在体积庞大，结构复杂的缺点，随着逆变焊机的功能不断增加，该控制电路的体积和结构复杂程度也在不断增加，这就导致控制电路的故障发生概率大大增加，并且生产过程中成本较高，调试繁琐。

现有的数字电路控制方法通常需要采用多个电流互感器和多个电压传感器分别采集电流信号和电压信号，然后对上述电流信号和电压信号进行处理，该控制方案由于涉及到多个传感器，所以设计电路时需要考虑到强电和弱电的隔离，并且也明显增加了电路的材料成本。另一方面，焊工使用逆变焊机进行焊接时，尤其是在启弧瞬间，焊条很容易与工件粘连在一起，造成无法继续焊接，这不仅使焊接中断，进而影响焊接效率；而且两者的短路会直接导致设备损坏或者发生威胁人身安全的事故。而现有的逆变焊机控制电路普遍无法对焊接过程中是否发生黏连进行检测，这也就不利于焊工及时发现焊条黏连现象的发生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全数字逆变焊机采样和控制系统，解决现有的全数字逆变焊机采样和控制系统结构复杂导致生产成本高且调试困难，以及无法及时发现焊条黏连现象的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种全数字逆变焊机采样和控制系统，所述系统包括第一整流滤波模块、半桥逆变模块、变压器、第二整流模块、电流互感器以及主控模块，所述第一整流滤波模块、半桥逆变模块、变压器和第二整流模块依次连接，所述电流互感器连接在所述变压器的初级线圈和所述半桥逆变模块之间，所述主控模块包括单片机、信号预处理电路、第一IGBT驱动电路和第二IGBT驱动电路，所述信号预处理电路分别和电流互感器、单片机连接，所述第一IGBT驱动电路分别和单片机、半桥逆变模块连接，所述第二IGBT驱动电路分别和单片机、半桥逆变模块连接；所述单片机设有PWM寄存器；

所述电流互感器用于采集所述变压器初级线圈端的电流，所述信号预处理电路用于对所述电流互感器采集到的电流进行滤波；所述单片机依据滤波后得到的变压器初级线圈端的电流和所述变压器的线圈匝数比，获取逆变焊机的当前输出电流，并依据预设焊接所需电流对所述当前输出电流进行PID控制。

优选地，所述单片机还用于依据滤波后得到的变压器初级线圈端的电流和单片机内PWM寄存器的占空比，获取逆变焊机的当前输出功率。

优选地，所述逆变焊机的当前输出功率为滤波后得到的变压器初级线圈端的电流和单片机内PWM寄存器的占空比的乘积。

优选地，所述单片机还用于判断所述逆变焊机的当前输出功率是否小于工作所需功率，若是则增大所述PWM寄存器的占空比；否则减小所述PWM寄存器的占空比；所述工作所需功率为所述逆变焊机的当前输出电流与对应的逆变焊机目标电压的乘积。

优选地，所述单片机还用于判断所述逆变焊机的当前输出功率和焊机短路功率的差值是否小于第一预设阈值，若是则确定逆变焊机发生焊条黏连；所述焊机短路功率为逆变焊机的焊条与工件处于短接状态时，电流互感器采集到的电流与PWM寄存器的占空比的乘积。

优选地，所述对应的逆变焊机目标电压通过公式U＝20+0.04×I计算得到，其中，U表示所述对应的逆变焊机目标电压，I表示所述逆变焊机的当前输出电流。

优选地，所述单片机还用于判断所述电流互感器采集到的变压器初级线圈端的电流是否大于第二预设阈值，若是则控制逆变焊机关闭。

优选地，所述半桥逆变模块包括第一IGBT和第二IGBT，所述第一IGBT驱动电路用于驱动所述第一IGBT，所述第二IGBT驱动电路用于驱动所述第二IGBT。

优选地，所述第一整流滤波模块包括全桥整流桥和滤波电容，所述全桥整流桥的第一端和第二端分别与输入的工频交流电连接，所述滤波电容的第一端分别与所述全桥整流桥的第三端以及所述半桥逆变模块中第一IGBT的集电极连接，所述滤波电容的第二端分别与所述全桥整流桥的第四端以及所述半桥逆变模块中第二IGBT的发射极连接；

所述第二整流模块包括第一二极管和第二二极管，所述第一二极管连接在所述变压器的次级线圈第一端和逆变焊机输出端之间，所述第二二极管连接在所述变压器的次级线圈第二端和逆变焊机输出端之间。

优选地，所述系统还包括人机交互模块，所述人机交互模块包括有显示单元和按键输入单元，所述显示单元用于对逆变焊机的所述当前输出电流和所述当前输出功率进行显示，所述按键输入单元用于设置所述预设焊接所需电流。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：

本发明提供的全数字逆变焊机采样和控制系统利用电流互感器获取变压器初级线圈端的电流，进而主控模块内的单片机根据该初级线圈端的电流获取逆变焊机的当前输出电流，然后根据预设焊接所需电流对当前输出电流进行PID控制，获取到相应的输出PWM控制信号，并依据该PWM控制信号对焊接电流进行准确控制；另一方面实现了及时发现焊接黏连的情况，本发明在简化了传统逆变焊机数字控制系统，保证逆变焊机焊接工艺可靠性的同时，降低了生产成本。

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为本发明实施例公开的一种全数字逆变焊机采样和控制系统的结构示意图；

图2为本发明实施例公开的全数字逆变焊机采样和控制系统中半桥逆变模块的电路示意图；

图3为本发明实施例中第一IGBT驱动电路的示意图；

图4为本发明实施例中第二IGBT驱动电路的示意图；

图5为本发明实施例中主控模块内单片机的引脚结构示意图；

图6为本发明实施例中主控模块内信号预处理电路的示意图；

图7为本发明实施例公开的另一种全数字逆变焊机采样和控制系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例公开了一种全数字逆变焊机采样和控制系统，该系统包括第一整流滤波模块101、半桥逆变模块102、电流互感器103、变压器104、第二整流模块105以及主控模块106，第一整流滤波模块101、半桥逆变模块102、变压器104和第二整流模块105依次连接，电流互感器103连接在变压器104的初级线圈和半桥逆变模块102之间，主控模块106包括单片机、信号预处理电路、第一IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)驱动电路和第二IGBT驱动电路，信号预处理电路分别和电流互感器、单片机连接，第一IGBT驱动电路分别和单片机、半桥逆变模块连接，第二IGBT驱动电路分别和单片机、半桥逆变模块连接；上述单片机内设有PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)寄存器，半桥逆变模块102内包括有两个IGBT，即第一IGBT和第二IGBT。

第一整流滤波模块101用于对输入的工频交流电进行整流和滤波，得到直流电，半桥逆变模块102用于将直流电转换为交流电，变压器104用于对交流电进行降压，第二整流模块105用于对降压后的交流电进行整流，得到直流输出焊接电流。

电流互感器103用于采集变压器104初级线圈端的电流，信号预处理电路用于对电流互感器103采集到的电流进行滤波；单片机依据滤波后得到的变压器104初级线圈端的电流和变压器104的线圈匝数比，获取逆变焊机的当前输出电流；然后主控模块106依据预设焊接所需电流对逆变焊机的当前输出电流进行PID(Proportion IntegrationDifferentiation，比例微分积分)控制，使单片机内的PWM寄存器输出相应的PWM控制信号，即可实现实时控制逆变焊机的输出电流。第一IGBT驱动电路和第二IGBT驱动电路均用于对单片机内输出的PWM控制信号进行放大，以满足半桥逆变模块102内的IGBT正常工作需求，保证了IGBT的工作稳定性。

其中，PID控制的具体过程是现有技术中广泛研究的控制方法，本实施例不再赘述。本实施例中，单片机采用的型号为STM32F03。

单片机还用于依据电流互感器103采集到的电流和PWM寄存器的占空比，获取逆变焊机的当前输出功率，具体来说，电流互感器103采集到的电流即为变压器104初级线圈端的电流，该变压器104初级线圈端的电流和PWM寄存器的占空比的乘积即为逆变焊机的当前输出功率。

单片机获取到逆变焊机的当前输出功率之后，还判断逆变焊机的当前输出功率是否小于工作所需功率。若逆变焊机的当前输出功率小于工作所需功率，说明焊条与工件正在进行熔滴过渡，此时应加大焊接推力电流和推力电流斜率，也即增大PWM寄存器的占空比；否则减小PWM寄存器的占空比。工作所需功率为逆变焊机当前输出电流与对应的逆变焊机目标电压的乘积，其中，对应的逆变焊机目标电压通过公式U＝20+0.04×I计算得到，其中，U表示对应的逆变焊机目标电压，I表示逆变焊机当前输出电流。

单片机还用于判断逆变焊机的当前输出功率和焊机短路功率的差值是否小于第一预设阈值，若是则确定逆变焊机发生焊条黏连。这样可以使得焊工及时发现焊条黏连现象的发生，避免焊条黏连导致无法继续焊接，以及焊条和工件短路导致设备损坏现象的发生。其中，焊机短路功率为逆变焊机的焊条与工件处于短接状态时，电流互感器103采集到的电流与PWM寄存器的占空比的乘积。

单片机还用于判断电流互感器103采集到的变压器104初级线圈端的电流是否大于第二预设阈值，若是则控制逆变焊机关闭。因为若变压器104初级线圈端的电流大于第二预设阈值，则说明逆变焊机输出端产生了输出短路现象，这时单片机控制焊机关闭，可以避免焊机损坏现象的发生，有效保护设备。本实施例中，上述第一预设阈值为200W，第二预设阈值为120A，需要说明的是，本发明对第一预设阈值和第二预设阈值均不作具体限定，具体实施时可根据需要进行设置。

如图2所示，本发明实施例公开了全数字逆变焊机采样和控制系统中半桥逆变模块102的电路组成，其中，G1为第一IGBT，G2为第二IGBT。图3公开的第一IGBT驱动电路即用于驱动第一IGBT G1，图4公开的第二IGBT驱动电路即用于驱动第二IGBT G2。如图2所示，变压器104的一端和半桥逆变模块中的电阻R21连接，另一端和电流互感器103的输入端连接，电流互感器103的输入端的另一端连接在半桥逆变模块102的电容C27和电容C28之间，变压器104的初级线圈和次级线圈匝数比是17:5。

图5为本发明实施例中主控模块内单片机的引脚结构示意图，图3中的端口PWM-A和图5中单片机的引脚PWM-A连接，图4中的端口PWM-B和图5中单片机的引脚PWM-B连接。

图3中的端口驱动A和图2中半桥逆变模块102的端口驱动A连接，图4中的端口驱动B和图2中半桥逆变模块102的端口驱动B连接，从而实现了第一IGBT驱动电路对第一IGBTG1的驱动，第二IGBT驱动电路对第二IGBT G2的驱动。

图6为本发明实施例中主控模块内信号预处理电路的示意图，该信号预处理电路中的二极管D1、D2、D3和D4用于对电流互感器采集到的电流进行滤波，该信号预处理电路还包括二极管Z1、电阻R6和电阻R7，当二极管Z1两端电压大于二极管Z1的导通电压时，信号预处理电路通过电阻R6和电阻R7对二极管Z1的两端电压进行分压。如图6所示，信号预处理电路的端口CS+和电流互感器的第一输出端CS+连接，信号预处理电路的端口CS-和电流互感器的第二输出端CS-连接。

如图7所示，本发明实施例公开了另一种全数字逆变焊机采样和控制系统，其中，第一整流滤波模块101包括全桥整流桥Q1和滤波电容C1，全桥整流桥Q1的第一端和第二端分别与输入的工频交流电连接，滤波电容C1的第一端分别与全桥整流桥Q1的第三端以及半桥逆变模块中第一IGBT G1的集电极连接，滤波电容C1的第二端分别与全桥整流桥的第四端以及半桥逆变模块中第二IGBT G2的发射极连接，从而实现第一整流滤波模块101与半桥逆变模块102的连接。

第二整流模块105包括第一二极管D1和第二二极管D2，第一二极管D1连接在变压器104的次级线圈第一端和逆变焊机输出端之间，第二二极管D2连接在变压器104的次级线圈第二端和逆变焊机输出端之间。

在图7中，该全数字逆变焊机采样和控制系统还包括人机交互模块107，人机交互模块107包括有显示单元和按键输入单元，显示单元用于对逆变焊机的所述当前输出电流和所述当前输出功率进行显示，按键输入单元用于设置上述预设焊接所需电流。

本实施例提供的全数字逆变焊机采样和控制系统利用电流互感器获取变压器初级线圈端的电流，进而主控模块内的单片机根据该初级线圈端的电流获取逆变焊机的当前输出电流，然后根据预设焊接所需电流对当前输出电流进行PID控制，获取到相应的输出PWM控制信号，并依据该PWM控制信号对焊接电流进行准确控制；另一方面实现了及时发现焊接黏连的情况，本发明在简化了传统逆变焊机数字控制系统，保证逆变焊机焊接工艺可靠性的同时，降低了生产成本。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种全数字逆变焊机采样和控制系统，其特征在于，所述系统包括第一整流滤波模块、半桥逆变模块、变压器、第二整流模块、电流互感器以及主控模块，所述第一整流滤波模块、半桥逆变模块、变压器和第二整流模块依次连接，所述电流互感器连接在所述变压器的初级线圈和所述半桥逆变模块之间，所述主控模块包括单片机、信号预处理电路、第一IGBT驱动电路和第二IGBT驱动电路，所述信号预处理电路分别和电流互感器、单片机连接，所述第一IGBT驱动电路分别和单片机、半桥逆变模块连接，所述第二IGBT驱动电路分别和单片机、半桥逆变模块连接；所述单片机设有PWM寄存器；

所述电流互感器用于采集所述变压器初级线圈端的电流，所述信号预处理电路用于对所述电流互感器采集到的电流进行滤波；所述单片机依据滤波后得到的变压器初级线圈端的电流和所述变压器的线圈匝数比，获取逆变焊机的当前输出电流，并依据预设焊接所需电流对所述当前输出电流进行PID控制；

所述单片机还用于依据滤波后得到的变压器初级线圈端的电流和单片机内PWM寄存器的占空比，获取逆变焊机的当前输出功率；

所述单片机还用于判断所述逆变焊机的当前输出功率是否小于工作所需功率，若是则增大所述PWM寄存器的占空比；否则减小所述PWM寄存器的占空比；所述工作所需功率为所述逆变焊机的当前输出电流与对应的逆变焊机目标电压的乘积；所述对应的逆变焊机目标电压通过公式U＝20+0.04×I计算得到，其中，U表示所述对应的逆变焊机目标电压，I表示所述逆变焊机的当前输出电流；

所述单片机还用于判断所述逆变焊机的当前输出功率和焊机短路功率的差值是否小于第一预设阈值，若是则确定逆变焊机发生焊条黏连；所述焊机短路功率为逆变焊机的焊条与工件处于短接状态时，电流互感器采集到的电流与PWM寄存器的占空比的乘积；

所述系统还包括人机交互模块，所述人机交互模块包括有显示单元和按键输入单元，所述显示单元用于对逆变焊机的所述当前输出电流和所述当前输出功率进行显示，所述按键输入单元用于设置所述预设焊接所需电流；

所述变压器的初级线圈和次级线圈匝数比是17:5；所述信号预处理电路包括二极管Z1和两个电阻，当所述二极管Z1的两端电压大于所述二极管Z1的导通电压时，所述信号预处理电路通过所述两个电阻对所述二极管Z1的两端电压进行分压。

2.如权利要求1所述的一种全数字逆变焊机采样和控制系统，其特征在于，所述逆变焊机的当前输出功率为滤波后得到的变压器初级线圈端的电流和单片机内PWM寄存器的占空比的乘积。

3.如权利要求1所述的一种全数字逆变焊机采样和控制系统，其特征在于，所述单片机还用于判断所述电流互感器采集到的变压器初级线圈端的电流是否大于第二预设阈值，若是则控制逆变焊机关闭。

4.如权利要求1所述的一种全数字逆变焊机采样和控制系统，其特征在于，所述半桥逆变模块包括第一IGBT和第二IGBT，所述第一IGBT驱动电路用于驱动所述第一IGBT，所述第二IGBT驱动电路用于驱动所述第二IGBT。

5.如权利要求4所述的一种全数字逆变焊机采样和控制系统，其特征在于，所述第一整流滤波模块包括全桥整流桥和滤波电容，所述全桥整流桥的第一端和第二端分别与输入的工频交流电连接，所述滤波电容的第一端分别与所述全桥整流桥的第三端以及所述半桥逆变模块中第一IGBT的集电极连接，所述滤波电容的第二端分别与所述全桥整流桥的第四端以及所述半桥逆变模块中第二IGBT的发射极连接；

所述第二整流模块包括第一二极管和第二二极管，所述第一二极管连接在所述变压器的次级线圈第一端和逆变焊机输出端之间，所述第二二极管连接在所述变压器的次级线圈第二端和逆变焊机输出端之间。

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