CN110497063A - 一种逆变频率自适应控制电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种逆变频率自适应控制电路及控制方法，用于焊接控制电路，控制电路包括：功率控制电路，包括第一输出端及第二输出端，所述第一输出端提供电流给定信号，所述第二输出端提供频率切换信号；频率调整及脉冲宽度调制电路，至少包括第一运算放大器、第二运算放大器、脉冲调制芯片、第一开关元件、第一震荡电容及第二震荡电容，驱动电路，连接至所述频率调整及脉冲宽度调制电路的输出端；逆变电路，连接至所述驱动电路的输出端。本发明实现焊机中的逆变频率控制。

Description

一种逆变频率自适应控制电路及控制方法

技术领域

本发明涉及电气元件，特别涉及一种逆变频率自适应控制电路及控制方法。

背景技术

现有的逆变式电焊机多采用功率场效应管(MOSFET)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)作为主要逆变器件，逆变拓扑电路常见的有半桥逆变电路，全桥逆变电路，双管正激逆变电路，移相全桥逆变电路等，按功率管的工作状态又分为硬开关和软开关，但它们都有一个共同点，就是逆变频率是一个固定值，不管焊机是在空载、负载、满载的条件下，逆变频率都固定不变，变化的只是占空比。

随着焊接工艺要求的不断发展，对实现焊接的焊接电源提出了更高的要求，特别是在一些高端应用领域，比如配合焊接机器人的超低飞溅短路过渡气体保护焊工艺、超高频(输出脉冲频率10KHZ以上)直流脉冲氩弧工艺等，这些高端应用需要焊机具有非常快速的动态响应速度，要有足够的控制系统带宽，这样才能对电弧进行高速的精细波形控制，从而实现特定工艺所需要的电流、电压波形。因工业电网网压为380V或更高，因此工业焊机使用的逆变功率器件耐压值通常为1200V,以最常用的MOSFET和IGBT为例，MOSFET的开关速度很快，但高耐压的单个功率MOSFET器件的额定电流太小，不适合做大功率的焊接电源，IGBT则具有高耐压和大电流的特点，但1200V的IGBT开关速度较慢，因此受限于功率器件的发展，目前在工业电网使用的逆变焊接电源的逆变频率多为20KHZ，这个响应速度能满足一般的焊接工艺要求，但对于一些高端工艺应用来说，20KHZ的逆变频率显然满足不了高速控制的需求，目前普遍认为40KHZ的逆变频率是高性能焊机的入门频率，甚至有些国外高端焊机的逆变频率能达到100KHZ，最新的第三代功率器件“碳化硅MOSFET”具有耐压高、速度快的特点，能满足这个要求，但成本过于昂贵，暂时无法实现大批量的生产及应用，那么如何使用现有功率半导体器件实现性能和成本的平衡就是一个难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种逆变频率自适应控制电路及控制方法，从而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的上述技术问题。本发明的其它特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本发明的实践而习得。

根据本发明的第一个方面，提供一种逆变频率自适应控制电路，用于焊接控制电路，包括：

功率控制电路，包括第一输出端及第二输出端，所述第一输出端提供电流给定信号，所述第二输出端提供频率切换信号；

频率调整及脉冲宽度调制电路，至少包括第一运算放大器、第二运算放大器、脉冲调制芯片、第一开关元件、第一震荡电容及第二震荡电容，

其中，所述第一开关元件的一端接地，所述第一开关元件的另一端连接至所述第一震荡电容的一端，所述第一震荡电容的另一端连接至所述脉冲调制芯片的第一输入端，所述第二输出端提供的频率切换信号控制所述第一开关元件的开闭；

所述第二震荡电容的一端接地，所述第二震荡电容的另一端连接至所述脉冲调制芯片的第一输入端；

所述第一运算放大器的同相输入端连接所述脉冲调制芯片的第一输入端，所述第一运算放大器的反相输入端连接至所述第一运算放大器的输出端，所述第一运算放大器的输出端连接至所述脉冲调制芯片的第二输入端；

所述第二运算放大器的同相输入端连接所述第一输出端，所述第二运算放大器的反相输入端连接至所述第二运算放大器的输出端，所述第二运算放大器的输出端连接至所述脉冲调制芯片的第三输入端；

驱动电路，连接至所述频率调整及脉冲宽度调制电路的输出端；

逆变电路，连接至所述驱动电路的输出端。

在本发明的一些实施例中，所述频率切换信号包括第一信号和第二信号，所述第一信号控制所述第一开关元件断开，所述第二信号控制所述第一开关元件闭合。

在本发明的一些实施例中，所述电流给定信号大于预定阈值时，所述频率切换信号为第二信号；所述电流给定信号小于等于预定阈值时，所述频率切换信号为第一信号。

在本发明的一些实施例中，所述第一运算放大器的输出端与所述脉冲调制芯片的第二输入端之间连接第一电阻。

在本发明的一些实施例中，所述第二运算放大器的输出端与所述脉冲调制芯片的第三输入端之间连接滤波单元。

在本发明的一些实施例中，所述功率控制电路为模拟电路。

在本发明的一些实施例中，所述功率控制电路为单片机。

在本发明的一些实施例中，所述逆变电路为如下逆变电路中的一种：半桥逆变电路，全桥逆变电路，双管正激逆变电路以及移相全桥逆变电路。

在本发明的一些实施例中，所述逆变频率自适应控制电路用于短路过渡工艺。

根据本发明的又一方面，还提供一种逆变频率自适应控制方法，应用于如上所述逆变频率自适应控制电路，所述逆变频率自适应控制方法包括：

判断所述电流给定信号是否大于预定阈值；

若是，则通过所述频率切换信号控制所述第一开关元件闭合；

若否，则通过所述频率切换信号控制所述第一开关元件断开。

本发明提供的逆变频率自适应控制电路及控制方法相比现有技术具有如下优势：

通过逆变频率自适应控制电路的设计及相应的控制方法，当焊机工作在中、小电流时，流过功率管的电流很小，这个状态下通过逆变频率自适应控制电路的控制提高逆变频率提高，功率管的损耗也在可接受范围内，可靠性可以得到保障；当在大电流状态下，为降低功率管损耗，通过逆变频率自适应控制电路的控制降低逆变频率提高，这样功率管损耗也降低一半，动态响应速度也能满足要求，由此，本发明兼顾两个需求，以低成本的方式解决了动态响应的需求，具有很高的实用性和经济价值。

为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，但是这里的详细说明以及附图仅是用来说明本发明，而非对本发明的权利要求范围作任何的限制。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。

图1为本发明一实施例的逆变频率自适应控制电路的示意性框图。

图2为本发明一实施例的逆变频率自适应控制电路中功率控制电路、频率调整及脉冲宽度调制电路及驱动电路的电路示意图。

图3为本发明一实施例的逆变电路的电路示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的结构、部件、步骤、方法等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、部件或者操作以避免模糊本发明的各方面。

首先，结合图1和图2。图1为本发明一实施例的逆变频率自适应控制电路的示意性框图。图2为本发明一实施例的逆变频率自适应控制电路中功率控制电路、频率调整及脉冲宽度调制电路及驱动电路的电路示意图。

逆变频率自适应控制电路包括功率控制电路1、频率调整及脉冲宽度调制电路2、驱动电路3及逆变电路4。

功率控制电路1包括第一输出端及第二输出端。所述第一输出端提供电流给定信号，所述第二输出端提供频率切换信号。功率控制电路1完成焊机输出电流的预设控制。功率控制电路1可以是模拟电路。在另一些实施例中，功率控制电路1也可以是单片机。功率控制电路1实现焊机输出电流从最小到最大(例如20A-400A)的任意、无级调节。

频率调整及脉冲宽度调制电路2至少包括第一运算放大器IC2A、第二运算放大器IC2B、脉冲调制芯片IC1、第一开关元件K1、第一震荡电容C22及第二震荡电容C23。

所述第一开关元件K1的一端接地，所述第一开关元件K1的另一端连接至所述第一震荡电容C22的一端，所述第一震荡电容C22的另一端连接至所述脉冲调制芯片IC1的第一输入端，所述第二输出端提供的频率切换信号控制所述第一开关元件K1的开闭。所述第二震荡电容C23的一端接地，所述第二震荡电容C23的另一端连接至所述脉冲调制芯片IC1的第一输入端。所述第一运算放大器IC2A的同相输入端连接所述脉冲调制芯片IC1的第一输入端，所述第一运算放大器IC2A的反相输入端连接至所述第一运算放大器IC2A的输出端，所述第一运算放大器IC2A的输出端连接至所述脉冲调制芯片IC1的第二输入端。在本发明的一些实施例中，所述第一运算放大器IC2A的输出端与所述脉冲调制芯片IC1的第二输入端之间连接第一滤波电阻R10。所述第二运算放大器IC2B的同相输入端连接所述第一输出端，所述第二运算放大器IC2B的反相输入端连接至所述第二运算放大器IC2B的输出端，所述第二运算放大器IC2B的输出端连接至所述脉冲调制芯片IC1的第三输入端。在本发明的一些实施例中，所述第二运算放大器IC2B的输出端与所述脉冲调制芯片IC1的第三输入端之间连接滤波单元。滤波单元包括滤波电阻R15以及滤波电容C17。滤波电阻R15的一端连接所述第二运算放大器IC2B的输出端，滤波电阻R15的另一端连接所述脉冲调制芯片IC1的第三输入端；滤波电容C17的一端连接滤波电阻R15的另一端，滤波电容C17另一端接地。

功率控制电路1的第一输出端提供的电流给定信号，经由第二运算放大器IC2B运放缓冲，并经由滤波单元滤波后进入脉冲调制芯片IC1的误差放大器正输入端(第三输入端)，从而决定了脉冲调制芯片IC1的输出脉冲占空比，也就是决定了焊机输出电流的大小。

在本发明的一个具体实施例中，脉冲调制芯片IC1可以是UC3846脉冲调制芯片，本发明并非以此为限制。

功率控制电路1的第二输出端提供的频率切换信号包括第一信号和第二信号，所述第一信号控制所述第一开关元件K1断开，所述第二信号控制所述第一开关元件K1闭合。进一步地，所述电流给定信号大于预定阈值时，所述频率切换信号为第二信号；所述电流给定信号小于等于预定阈值时，所述频率切换信号为第一信号。预定阈值例如可以设定为300A，本发明并非以此为限制。

在本发明的一个具体实施例中，当功率控制电路设定为中小功率(例所述电流给定信号小于等于300A)时，频率切换信号输出为第一信号(例如为“0”)，第一开关元件K1断开。第一震荡电容C22断开，不起作用。当功率控制电路设定大功率(例所述电流给定信号大于300A)时，频率切换信号为第二信号(例如为“1”)，第一开关元件K1闭合，第一震荡电容C22接通。其中，第一震荡电容C22和第二震荡电容C23为脉冲调制芯片IC1的振荡电容，第一震荡电容C22和第二震荡电容C23的容值决定了脉冲调制芯片IC1的振荡频率，电容值越大，振荡频率越低，容值越小，振荡频率越高，振荡频率就决定了整机的逆变频率。也就是说第一开关元件K1闭合的时候，第一震荡电容C22和第二震荡电容C23并联作为振荡电容，逆变频率降低，开关第一开关元件K1断开的时候，第一震荡电容C22断开，只有第二震荡电容C23参与振荡，逆变频率提高。以UC3846脉冲调制芯片为例，其中，RT为电阻R12的阻值，单位为千欧姆，CT为第一震荡电容C22和第二震荡电容C23并联的容值/第二震荡电容C23的容值，单位为微法，所求得的震荡频率的单位为千赫兹。以上仅仅是示意性地描述本发明一具体实施例的第一震荡电容C22和第二震荡电容C23并联的容值/第二震荡电容C23的容值与震荡频率和其它元件之间的函数关系，本发明并非以此为限制。

驱动电路3连接至所述频率调整及脉冲宽度调制电路2的输出端。驱动电路包括驱动信号放大电路，用于驱动变压器T1的驱动，该驱动电路输出四路带死区的驱动信号，用逆变电路4中电元件的门极驱动。

逆变电路4连接至所述驱动电路3的输出端。本实施例中，如图3，逆变电路4采用全桥逆变拓扑，由四个IGBT、四个晶体管以及主逆变变压器T2构成，互感器T3用于原边电流采样，变压器起T2次级带中心抽头，和快恢管D1,D2构成全波整流电路。本发明提供的逆变电路还可以是半桥逆变电路，双管正激逆变电路以及移相全桥逆变电路等。

本发明优选地应用于“超低飞溅短路过渡气体保护焊机”，要实现超低飞溅的短路过渡，需要快速的检测电弧及熔滴过渡的状态，并且需要快速的进行动态调整，这需要系统具有很高的动态响应速度，逆变频率越高，动态响应速度就越快，如前所述，常规高压的功率器件(1200V以上)开关速度比较慢，难以把逆变频率做高，一般为20KHZ,这个逆变频率提供的响应速度难以满足超低飞溅控制要求，而第三代电力电子功率器件SIC(碳化硅)成本过于高昂，目前难以普及。

为了解决这个问题，发明人对超低飞溅短路过渡工艺进行了深入研究，短路过渡的气体保护焊工艺一般应用在250A以下的电流段，超过这个电流的电弧会进入射流过渡状态，而大电流的射流电弧，由于没有熔滴短路的情况，因此对系统的动态响应速度的要求可以降低，也就是逆变频率可以降低，因此我们针对该特性，对焊机的逆变频率进行切换，在250A以下的短路过渡焊接时，焊机的逆变率很高，例如为40KHZ，在250A以上的大电流焊接状态下，焊机的逆变频率切换为较低的逆变频率，例如为20KHZ。

因限制功率器件开关频率的主要原因是开关损耗，1200V耐压的IGBT管开关损耗都比较大，如果想提高它的开关频率，需要大幅降低流过IGBT的电流，也就是电流降额很明显(例如额定40A的管子降额50％使用)，这样的话，IGBT管的损耗可以接受，本发明基于该特点，当焊机工作在中、小电流时，流过功率管的电流很小，这个状态下把逆变频率提高一倍，功率管的损耗也在可接受范围内，可靠性可以得到保障。正好需要高动态响应速度的“超低飞溅短路过渡气体保护焊工艺”都工作在中、小电流规范下，在大电流规范下电弧进入射流过渡，不需要这么快的响应速度，所以在大电流状态下，为降低功率管损耗，我们把逆变频率降低一半，这样功率管损耗也降低一半，动态响应速度也能满足要求。由此，本发明可以兼顾两个需求，以低成本的方式解决了高性能超低飞溅短路过渡焊机对动态响应的需求。具有很高的实用性和经济价值。

根据本发明的又一方面，还提供一种逆变频率自适应控制方法，应用于如上所述逆变频率自适应控制电路，所述逆变频率自适应控制方法包括如下步骤：步骤S110：判断所述电流给定信号是否大于预定阈值；若是，则执行步骤S120：通过所述频率切换信号控制所述第一开关元件闭合；若否，则执行步骤S130：通过所述频率切换信号控制所述第一开关元件断开。

本发明提供的逆变频率自适应控制电路及控制方法相比现有技术具有如下优势：

通过逆变频率自适应控制电路的设计及相应的控制方法，当焊机工作在中、小电流时，流过功率管的电流很小，这个状态下通过逆变频率自适应控制电路的控制提高逆变频率提高，功率管的损耗也在可接受范围内，可靠性可以得到保障；当在大电流状态下，为降低功率管损耗，通过逆变频率自适应控制电路的控制降低逆变频率提高，这样功率管损耗也降低一半，动态响应速度也能满足要求，由此，本发明兼顾两个需求，以低成本的方式解决了动态响应的需求，具有很高的实用性和经济价值。

本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种逆变频率自适应控制电路，用于焊接控制电路，其特征在于，包括：

功率控制电路，包括第一输出端及第二输出端，所述第一输出端提供电流给定信号，所述第二输出端提供频率切换信号；

频率调整及脉冲宽度调制电路，至少包括第一运算放大器、第二运算放大器、脉冲调制芯片、第一开关元件、第一震荡电容及第二震荡电容，

其中，所述第一开关元件的一端接地，所述第一开关元件的另一端连接至所述第一震荡电容的一端，所述第一震荡电容的另一端连接至所述脉冲调制芯片的第一输入端，所述第二输出端提供的频率切换信号控制所述第一开关元件的开闭；

所述第二震荡电容的一端接地，所述第二震荡电容的另一端连接至所述脉冲调制芯片的第一输入端；

所述第一运算放大器的同相输入端连接所述脉冲调制芯片的第一输入端，所述第一运算放大器的反相输入端连接至所述第一运算放大器的输出端，所述第一运算放大器的输出端连接至所述脉冲调制芯片的第二输入端；

所述第二运算放大器的同相输入端连接所述第一输出端，所述第二运算放大器的反相输入端连接至所述第二运算放大器的输出端，所述第二运算放大器的输出端连接至所述脉冲调制芯片的第三输入端；

驱动电路，连接至所述频率调整及脉冲宽度调制电路的输出端；

逆变电路，连接至所述驱动电路的输出端。

2.如权利要求1所述的逆变频率自适应控制电路，其特征在于，所述频率切换信号包括第一信号和第二信号，所述第一信号控制所述第一开关元件断开，所述第二信号控制所述第一开关元件闭合。

3.如权利要求2所述的逆变频率自适应控制电路，其特征在于，所述电流给定信号大于预定阈值时，所述频率切换信号为第二信号；所述电流给定信号小于等于预定阈值时，所述频率切换信号为第一信号。

4.如权利要求1所述的逆变频率自适应控制电路，其特征在于，所述第一运算放大器的输出端与所述脉冲调制芯片的第二输入端之间连接第一电阻。

5.如权利要求1所述的逆变频率自适应控制电路，其特征在于，所述第二运算放大器的输出端与所述脉冲调制芯片的第三输入端之间连接滤波单元。

6.如权利要求1至5任一项所述的逆变频率自适应控制电路，其特征在于，所述功率控制电路为模拟电路。

7.如权利要求1至5任一项所述的逆变频率自适应控制电路，其特征在于，所述功率控制电路为单片机。

8.如权利要求1至5任一项所述的逆变频率自适应控制电路，其特征在于，所述逆变电路为如下逆变电路中的一种：半桥逆变电路，全桥逆变电路，双管正激逆变电路以及移相全桥逆变电路。

9.如权利要求1至5任一项所述的逆变频率自适应控制电路，其特征在于，所述逆变频率自适应控制电路用于短路过渡工艺。

10.一种逆变频率自适应控制方法，应用于如权利要求1至9任一项所述逆变频率自适应控制电路，其特征在于，包括：

判断所述电流给定信号是否大于预定阈值；

若是，则通过所述频率切换信号控制所述第一开关元件闭合；

若否，则通过所述频率切换信号控制所述第一开关元件断开。