CN113732445B - 一种辅助焊接励磁电源系统及多模态电流产生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种辅助焊接励磁电源系统及多模态电流产生方法，该辅助焊接磁电源系统包括依次连接的励磁电源主电路和数字化控制电路；励磁电源主电路的前端连接工频交流市电，励磁电源主电路的后端连接磁场发生装置；励磁电源主电路包括整流滤波模块和N路励磁电流输出通道，N≥2，数字化控制电路控制N路励磁电流通道独立输出或复合输出包括直流电流、脉冲电流、变极性脉冲电流、正弦电流及其复合电流等多种模态电流，同时通过通信模块实现根据焊接工艺的需求而在线动态调整励磁电流参数。本发明以一体化设计方案实现同时驱动多个磁场发生装置或者驱动更复杂的磁场发生装置，实现理想的磁场控制焊接过程，可控性和稳定性好，输出精度高。

Description

一种辅助焊接励磁电源系统及多模态电流产生方法
技术领域
本发明涉及磁控焊接技术领域，具体涉及一种辅助焊接励磁电源系统及多模态电流产生方法。
背景技术
锁孔效应TIG(Keyhole Tungsten Inert Gas，K-TIG)焊是在传统的钨极氩弧焊(TIG)基础上使用较大电流来产生能量高、挺度好、穿透能力强的电弧，从而实现焊接的一种新型深熔焊接技术，在焊接过程中能够实现中厚板不开坡口一道焊透，单面焊双面成形，焊接效率高。K-TIG焊接过程中能够形成贯穿整个被焊工件的锁孔，并且K-TIG焊接熔池内部能够在液体金属静压力、液体金属表面张力以及电弧压力的作用下保持动态平衡。然而，当采用K-TIG焊这种新型高效的焊接方式进行焊接时，由于这是一种大电流以及高热输入的焊接方式，对于低碳钢而言，大热输入容易导致焊缝的晶粒粗大，焊缝的力学性能也较差，达不到使用要求。
磁控焊接技术是一项日渐完善起来的新型焊接技术，利用磁场改变电弧特性以及熔池的结晶，不仅让焊接设备变得简单使投入成本变低、耗能少、而且还减少了工艺流程，从而提高了焊接效率，改善并提高焊接质量等，在K-TIG焊接过程中加入外来磁场以控制电弧形态进而改善焊接效果的研究，在汽车、船舶、航空、航天、石油化工等领域中具有良好的发展前景。磁场形态有横向偏转磁场、横向旋转磁场、纵向磁场和尖角磁场四种，励磁方式有直流、交流、脉冲等。
随着电力电子技术和磁控焊接技术的发展，人们更寄予对新型磁场发生装置的开发，希望通过对空间磁场的合理分布与控制，获得理想的磁场形态，从而更有效的控制焊接电弧，完善焊接工艺。对于磁场发生装置，众多研发者根据自身需要而设计满足要求的磁场装置，例如申请号CN202011390594.3，发明名称“一种磁场发生装置和一种焊枪”提出一种磁场发生装置，包括线圈连接件、电源、接线切换装置与控制装置，控制装置分别与电源和接线切换装置连接，控制接线切换装置的切换动作以及电源的切换，从而产生横向偏转磁场、横向摆动磁场、横向旋转磁场或尖角磁场。由于该磁场发生装置要产生多种磁场形式，因而需要一个较为复杂且多电流输出的励磁电源来驱动，或者在普通励磁电源外围添加一些辅助元器件从而实现励磁电流的切换。
对于不同的磁场发生装置，其所需的励磁电源的接线方式不同，励磁电流波形也不同。对于励磁电源，有些学者提出不同的设计方案，例如申请号CN201510053313.8，发明名称“多功能磁场发生控制电路”提出一种多功能磁场发生控制电路，该控制电路包括电源、可调电阻、双H桥电路模块、线圈、电容、可控开关、开关控制部分和信号源，信号源产生同步信号，通过开关控制实现同步控制双H桥电路模块中的可控开关，产生ON/OFF切换组合，使得双H桥电路模块之间既可相互独立也可协同作用，从而产生不同的脉冲磁场电流波形。申请号CN202010673192.8，发明名称“一种摆动磁场发生装置及其多模态电流产生方法”提供了一种开关自动切换依次产生正弦脉冲的摆动磁场发生装置，在直流电源U对电容C每次充电后，在微控制器的作用下依次让电流经过线圈L1、L2、L3产生摆动磁场。
通过对上述案例与其他相关文献进行分析，发现现有的励磁电源有以下几方面的局限性：
(1)现有励磁电源多数用常用电源和电容电感等元器件组合而成，可控性和稳定性都较差：一方面，用分立元器件搭建励磁电源，当元器件接线较多时，在布线时容易接错线，且接线与接线之间相互穿插容易产生干扰问题；另一方面，当某个元器件出现故障或异常，或接触不良时，励磁电源不能正常工作，或输出精度不高。这些情况都是现有励磁电源输出精度和稳定性不高的直接原因。
(2)现有励磁电源输出功能较单一，兼容性差：要么输出恒流，要么输出脉冲电流，要切换到另一种模态电流时，往往需要改动电路拓扑结构；另外，不同的磁场发生装置的接线方式也不同，例如横向偏转磁场只需一路电流即可驱动，而旋转磁场则需要两路或三路电流才能驱动，若要更换磁场发生装置时，往往也要改动电路拓扑结构。这些情况会给测试调试带来繁重的工作。
(3)现有励磁电源的工作主要以静态参数为主，可调性差：在工作过程中，励磁电流参数往往是不变的，如果要改动电流参数，则需先停止工作，设置完参数后重新启动，这难以满足在焊接过程中根据焊接工况而选择合适的磁场参数。这会给工艺研究工作带来不少的麻烦。
因此，行业内急需研发一种可控性和稳定性高、输出多模态电流的辅助焊接励磁电源系统。
发明内容
为克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种辅助焊接励磁电源系统及多模态电流产生方法，以一体化设计方案改善现有焊接励磁电源的缺点与不足，更好地驱动日益丰富的磁场发生装置，实现理想的磁场控制焊接过程。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种辅助焊接励磁电源系统，包括依次连接的励磁电源主电路和数字化控制电路；励磁电源主电路的前端连接工频交流市电，励磁电源主电路的后端连接磁场发生装置；励磁电源主电路包括整流滤波模块和N路励磁电流输出通道，N≥2，整流滤波模块和每一路励磁电流输出通道连接，每一路励磁电流输出通道均包括依次连接的高频逆变模块、高频变压器、快速整流模块和极性切换模块，极性切换模块通过电压电流霍尔传感器连接磁场发生装置。
优选地，数字化控制电路包括数字化控制模块、PWM驱动模块、电压电流检测模块、故障检测模块、通信模块和人机交互终端；PWM驱动模块包括PWM信号电路、IGBT驱动电路和SiC驱动电路，通信模块包括CAN总线通信接口和RS485通信接口；人机交互终端连接数字化控制模块，数字化控制模块通过PWM端口连接PWM信号电路的一端，PWM信号电路的另一端连接IGBT驱动电路、SiC驱动电路，IGBT驱动电路还连接励磁电源主电路的高频逆变模块，SiC驱动电路还连接励磁电源主电路的极性切换模块；电压电流检测模块的一端通过电压电流霍尔传感器与磁场发生装置相连接，电压电流检测模块的另一端通过A/D输入端口与数字化控制模块相连接；故障检测模块通过GPIO端口与数字化控制模块相连接；通信模块分别与数字化控制模块的CAN总线端口和RS485端口相连接，在焊接过程中根据焊接工艺的需求而在线动态调整励磁电流参数。
优选地，整流滤波模块包括整流芯片BR1和电容C1、电容C2、电感L1；电容C1、电容C2、电感L1组成π型滤波单元；整流芯片BR1的输入端连接220V的工频交流市电，整流芯片BR1的输出端连接电容C1的两端，电容C1的一端通过电感L1连接电容C2的一端，电容C1的另一端连接电容C2的另一端；电容C2的两端还连接每一路励磁电流输出通道的高频逆变模块；
高频逆变模块包括IGBT功率开关管M1、IGBT功率开关管M2、IGBT功率开关管M3、IGBT功率开关管M4、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容Cb1、电容Cb2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4；电容C2的两端分别连接至IGBT功率开关管M1的漏极、IGBT功率开关管M3的源极，IGBT功率开关管M1的源极依次通过电容C3、电阻R1连接IGBT功率开关管M1的漏极，IGBT功率开关管M2的源极依次通过电容C4、电阻R4连接IGBT功率开关管M2的漏极，IGBT功率开关管M3的源极依次通过电容C5、电阻R3连接IGBT功率开关管M3的漏极，IGBT功率开关管M4的源极依次通过电容C6、电阻R4连接IGBT功率开关管M4的漏极，IGBT功率开关管M1的漏极还连接IGBT功率开关管M2的漏极，IGBT功率开关管M3的源极还连接IGBT功率开关管M4的源极，IGBT功率开关管M1的源极还连接IGBT功率开关管M3的漏极，IGBT功率开关管M2的源极还连接IGBT功率开关管M4的漏极，IGBT功率开关管M1的源极还通过电容Cb1连接高频变压器初级线圈的一端，电容Cb2的两端连接电容Cb1的两端，IGBT功率开关管M2的源极还连接高频变压器初级线圈的另一端；高频变压器的次级线圈连接快速整流模块；
快速整流模块包括二极管VD1、二极管VD2、二极管VD3、二极管VD4，二极管VD1、二极管VD3依次连接，二极管VD2、二极管VD4依次连接，二极管VD1的阴极连接二极管VD2的阴极，极管VD1的阴极还连接高频变压器的次级线圈的第一抽头，极管VD1的阴极还通过电感L2连接极性切换模块，二极管VD3的阳极连接二极管VD4的阳极，极管VD3的阳极还通过电感L3连接极性切换模块，二极管VD4的阴极连接高频变压器的次级线圈的第三抽头；高频变压器的次级线圈的第二抽头连接霍尔传感器；极性切换模块包括开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、电阻R5、电阻R6、电容C7、电容C8；开关管Q1的发射极连接开关管Q3的集电极，开关管Q2的发射极连接开关管Q4的集电极，开关管Q1的集电极还连接电感L2的一端，开关管Q3的发射极还连接电感L3的一端，开关管Q1的集电极还依次通过电阻R5、电容C7、电阻R6、电容C8连接开关管Q3的发射极，开关管Q1的发射极、开关管Q2的发射极，电容C7的一端连接霍尔传感器，霍尔传感器的输出端作为每一路励磁电流输出通道的输出。
优选地，数字化控制模块采用数字信号处理器TMS320F280049。
一种基于辅助焊接励磁电源系统的多模态电流产生方法，该多模态电流产生方法包括闭环恒流控制方法和电流细分控制方法，多模态电流包括直流电流、脉冲电流、变极性脉冲电流、正弦电流以及两路或三路电流组合而成的复合电流；电流产生过程包括以下步骤：整流滤波模块将220V工频市电转换为母线直流电流；并将母线直流电流输入励磁电源主电路的N路励磁电流输出通道的至少一路，励磁电流输出通道的高频逆变模块将母线直流电转换为高频变压器初级线圈上的交流方波电流后，高频变压器将方波电流能量耦合到其次级输出端；快速整流模块将高频变压器次级输出端的交流方波电流转换为平滑的直流电；极性切换模块按照预设输出波形需求将直流电转换为对应的电流。
优选地，整流滤波模块将工频市电转换为母线直流电流后，通过闭环恒流控制方法执行闭环恒流控制过程，闭环恒流控制过程包括以下步骤：数字化控制模块接收到人机交互终端传送的预设电流参数Igr，同时电压电流检测模块采集电压电流霍尔传感器输出端的电流Ig，将电流Ig转换为电压Ug，电压电流检测模块将电压Ug传送到数字化控制模块，数字化控制模块将电压Ug转换为相应的采集电流Igo，并将采集电流Igo与预设电流Igr进行对比，根据对比结果数字化控制模块调节PWM信号的占空比，当采集电流Igo大于预设电流Igr时，则减小PWM信号的占空比，当采集电流Igo小于预设电流Igr时，则增大PWM信号的占空比；将PWM信号经过防积分饱和PI算法运算后输出至PWM驱动模块，PWM驱动模块根据PWM信号的占空比控制高频逆变模块和极性切换模块，如此反复；通过调整PWM信号占空比改变励磁电源主电路的输出，最终使得输出的励磁电流等于预设电流Igr，驱动磁场发生装置产生磁场。
优选地，整流滤波模块将工频市电转换为母线直流电流后，还通过电流细分控制方法执行电流细分控制过程，电流细分控制过程包括以下步骤：将一个电流周期等分为N个时段，每个时段时间为T/N，T为电流周期时间，在第n个时段内，预设电流
Figure GDA0003308784840000071
其中n＝1,2,...,N，Im为峰值电流，按闭环恒流控制方法执行闭环恒流控制过程输出恒定电流，其恒定电流值为
Figure GDA0003308784840000072
In为第n个时段对应的输出电流值；通过迭代方法逐步迭代每个时段的电流值In，在一个电流周期内，输出预设形态的电流。
优选地，N≥2时，多模态电流产生方法还包括：数字化控制电路控制高频逆变模块和极性切换模块的工作状态，从而控制N路励磁电流输出通道独立输出或复合输出多模态电流，直流电流、脉冲电流、变极性脉冲电流、正弦电流是由三路励磁电流输出通道独立输出，复合电流是由两路或三路励磁电流输出通道组合输出，当组合输出两路正弦电流且移相角为90°或180°，称为两相正弦电流；或者，当组合输出三路正弦电流且移相角为120°，称为三相正弦电流。
优选地，直流电流、脉冲电流、变极性脉冲电流的输出采用闭环恒流控制方法，当输出直流电流时，预设峰值电流Im，然后通过闭环恒流控制方法执行闭环恒流控制过程；当输出脉冲电流时，预设峰值电流Ip和基值电流Ib，然后在峰值阶段和基值阶段分别通过闭环恒流控制方法执行闭环恒流控制过程；当输出变极性脉冲电流时，预设正极性峰值电流Ip1和负极性峰值电流Ip2，然后在正极性电流阶段和负极性电流阶段分别通过闭环恒流控制方法执行闭环恒流控制过程；正弦电流、两相正弦电流和三相正弦电流的输出采用电流细分控制方法，预设峰值电流Im，然后通过电流细分控制方法执行电流细分控制过程；复合电流的输出耦合闭环恒流控制方法和电流细分控制方法。
优选地，复合电流的不同相电流之间存在移相角α，控制移相角α产生不同的电流组合，当α＝0°时，各相电流同步输出，当α＝180°时，各相电流交替输出，即一相电流处于最大值，另一相电流处于最小值或零电流状态，当α＝90°时，有三种状态电流组合，两相电流都处于最大值，一相电流处于最大值而另一相电流处于最小值或零电流状态，以及两相电流都处于最小值。
本发明相对于现有技术有如下优点及有益效果：
(1)本发明的励磁电源主电路包括整流滤波模块和N路励磁电流输出通道，通过每路通道或多路通道复合作用，能实现多种模态励磁电流输出，每种模态励磁电流有多个电流参数，可以通过人机交互终端接收的预设电流参数和电压电流检测模块采集的电流调整电流模式和电流参数，产生多种组合电流模态，这为磁控技术与焊接工艺研究提供了丰富的试验方案设计，为焊接过程及焊接质量的优化工作提供了有效途径。同时，可以根据实际需要，选择单一通道或多路通道独立作用，或选择多路通道复合作用，便于实现同时驱动多个磁场发生装置或者驱动更复杂的磁场发生装置。
(2)本发明所涉及的励磁电源系统可以直接产生所需的励磁电流，而不需外加电子元器件，结构简单，体积小，可以节省大量空间；采用数字化多模态电流产生方法，控制灵活，励磁电源输出精度和稳定性都较高。
(3)本发明所涉及的励磁电源系统提供外接通信接口，根据焊接工艺的需求而在线动态调整励磁电流参数；同时，当要修改软件代码时，也可以通过外接通信接口来更新软件代码，避免拆机操作，这为测试调试工作极大地提供了效率。
(4)本发明所涉及的励磁电源系统采用数字化控制技术，容易且便于功能拓展及二次开发，多路电流通道提供了硬件基础，根据实际工况需求，修改软件代码，就很容易开发出满足实际需求的励磁电流。
附图说明
图1是本发明的辅助焊接励磁电源系统的结构示意图；
图2是本发明的励磁电源主电路的一路励磁电流输出通道的具体电路图；
图3是本发明的恒流闭环控制过程示意图；
图4是本发明的电流细分控制方法工作原理示意图；
图5是本发明的直流电流波形示意图；
图6是本发明的脉冲电流波形示意图；
图7(a)是本发明的不带零电流的变极性脉冲电流波形示意图；
图7(b)是本发明的带零电流的变极性脉冲电流波形示意图；
图8(a)是本发明的全波正弦电流波形示意图；
图8(b)是本发明的半波正弦电流波形示意图；
图9是本发明的两相正弦电流波形示意图；
图10是本发明的三相正弦电流波形示意图；
图11是本发明的三路电流组合的复合电流波形示意图；
图12是本发明的脉冲电流波形输出过程流程图；
图13是本发明的正弦电流波形输出过程流程图；
图14是本发明的复合电流波形输出过程流程图。
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做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。
如图1所示，辅助焊接励磁电源系统，包括依次连接的励磁电源主电路和数字化控制电路，励磁电源主电路的前端连接工频交流市电，励磁电源主电路的后端连接磁场发生装置；励磁电源主电路包括整流滤波模块和3路励磁电流输出通道，整流滤波模块和每一路励磁电流输出通道连接，每一路励磁电流输出通道均包括依次连接的高频逆变模块、高频变压器、快速整流模块和极性切换模块，极性切换模块通过电压电流霍尔传感器连接磁场发生装置。数字化控制电路包括数字化控制模块、PWM驱动模块、电压电流检测模块、故障检测模块、人机交互终端和通信模块，PWM驱动模块包括PWM信号电路、IGBT驱动电路和SiC驱动电路；人机交互终端通过串口通信接口RS232与数字化控制模块连接；通信模块包括CAN总线通信接口和RS485通信接口，分别与数字化控制模块的CAN总线端口和RS485端口相连接；数字化控制模块通过通信模块与其它控制系统相连接。数字化控制模块通过PWM端口连接PWM信号电路的一端，PWM信号电路的另一端连接IGBT驱动电路、SiC驱动电路，IGBT驱动电路还连接励磁电源主电路的高频逆变模块，SiC驱动电路还连接励磁电源主电路的极性切换模块；电压电流检测模块的一端通过电压电流霍尔传感器与磁场发生装置相连接，电压电流检测模块的另一端通过A/D输入端口与数字化控制模块相连接，电压电流检测模块检测电压电流霍尔传感器输出端的电压电流，将所检测到电压电流数据传输给数字化控制模块；故障检测模块包括过压欠压检测、过流检测、过温检测等，其一端与整流滤波模块、电压电流检测模块相连接，另一端与数字化控制模块的GPIO端口相连接，若无故障时，GPIO端口为高电平，若有故障时，GPIO端口为低电平。
需要说明的是，励磁电源主电路采用拓扑结构完全相同的高频逆变模块、高频变压器、快速整流模块和极性切换模块，组成三路励磁电流输出通道；每路通道的高频逆变模块由独立IGBT驱动电路来控制，极性切换模块由独立SiC驱动电路来控制，即分别有三路IGBT驱动电路和三路SiC驱动电路；IGBT驱动电路采用现有模块；SiC驱动电路采用TI公司的栅极驱动器UCC21750，其硬件电路及外围电路采用TI官方推荐的设计方案。
在本实施例，数字化控制模块可以采用ARM控制芯片，也可以采用DSP控制芯片或MCU控制芯片，本实施例优选DSP控制芯片数字信号处理器TMS320F280049，使用到的数字信号处理器TMS320F280049片上外设包括：通用输入输出接口GPIO、脉宽调制信号通道PWM、模数转换器ADC、通用异步收发器UART、控制器局域网络收发器CAN以及RS845。数字化控制模块串口通信接口RS232从人机交互终端接收励磁电流的模式与电流参数等数据，通过CAN总线通信接口或RS485通信接口与人机交互终端或其它控制系统相连接，根据焊接工艺的需求而在线动态调整励磁电流参数。
如图2所示，整流滤波模块包括整流模块BR1和电容C1、电容C2、电感L1所组成的π型滤波模块；高频逆变模块采用四个IGBT功率开关管M1、M2、M3、M4，组成全桥的拓扑结构，每个开关管上都并联一组RC滤波模块；高频变压器T前端有两个抽头，后端有三个抽头，高频逆变模块与高频变压器之间用电容Cb1/Cb2耦合，消除直流电流对高频变压器的影响；快速整流模块采用四个快恢复二极管VD1、VD2、VD3、VD4，组成全桥的拓扑结构；极性切换模块采用SiC功率开关管，其拓扑结构为串联连接，每端并联一组RC滤波模块，同侧端采用并联结构，实现冗余设计并增大电流输出功率，例如开关管Q1、Q2并联连接，开关管Q3、Q4并联连接，且开关管Q1/Q2与开关管Q3/Q4不能同时导通，而是交替导通；快速整流模块与极性切换模块之间串联两个电感L2、L3，提供稳定的直流电流，且两者的组合，为正负极性电流切换提供输出通道，具体过程为：当开关管Q1/Q2导通，开关管Q3/Q4截止时，若高频变压器输出电流为上正下负时，电流从高频变压器后端上抽头流出，依次经过二极管VD1、电感L2、开关管Q1/Q2，流进负载的正极，然后再从负载负极流回高频变压器的中间抽头，电路输出正极性电流；若高频变压器输出电流为上负下正时，电流从高频变压器后端下抽头流出，依次经过二极管VD2、电感L2、开关管Q1/Q2，流进负载的正极，然后再从负载负极流回高频变压器的中间抽头，电路输出正极性电流；当开关管Q3/Q4导通，开关管Q1/Q2截止时，若高频变压器输出电流为上正下负时，电流从高频变压器中间抽头，流进负载的负极，然后从负载正极流出，依次经过开关管Q3/Q4、电感L3、二极管VD4，再流回高频变压器的后端下抽头，电路输出负极性电流；若高频变压器输出电流为上负下正时，电流从高频变压器中间抽头，流进负载的负极，然后从负载正极流出，依次经过开关管Q3/Q4、电感L3、二极管VD3，再流回高频变压器的后端上抽头，电路输出负极性电流。
励磁电源主电路基本工作原理为：整流滤波模块将220V工频市电转换为母线直流电，并将母线直流电流输入励磁电源主电路的3路励磁电流输出通道的至少一路；励磁电流输出通道的高频逆变模块将母线直流电转换为高频变压器初级上的交流方波电流，该交流方波电流频率可达20kHz，通过控制IGBT功率开关管导通占空比可以实现恒流特性调节，高频变压器将方波电流能量耦合到其次级输出端；快速整流模块通过快恢复二极管和滤波电感将高频变压器次级输出端的交流方波电流转换为平滑的直流电；极性切换模块按照输出波形的需求将直流电转换为正负极性电流。
一种基于辅助焊接励磁电源系统的多模态电流产生方法，该多模态电流产生方法包括闭环恒流控制方法和电流细分控制方法，多模态电流包括直流电流、脉冲电流、变极性脉冲电流、正弦电流以及两路或三路电流组合而成的复合电流。
图3为闭环恒流控制过程示意图，如图3所示，数字化控制模块、PWM驱动模块、高频逆变模块、高频变压器、快速整流模块、极性切换模块和电压电流检测模块组成恒流闭环控制环路，其工作原理是：数字化控制模块根据人机交互终端接收的预设电流参数Igr和电压电流检测模块采集的电流Ig控制高频逆变模块的GBT功率开关管导通占空比实现恒流特性调节，高频变压器将方波电流能量耦合到其次级输出端；快速整流模块将交流方波电流转换为平滑的直流电；极性切换模块按照预设输出波形需求将直流电转换为对应的电流。
闭环恒流控制的具体过程为：数字化控制模块接收到人机交互终端或其它控制系统所传送的预设电流参数Igr，同时电压电流霍尔传感器采集输出端的电流Ig，且通过信号处理电路将电流Ig转换为电路所能识别的电压Ug，电压Ug经过信号处理电路传送到数字化控制模块的A/D输入端口，数字化控制模块读取A/D输入端口的数据，并通过软件程序转换为相应的采集电流Igo，将采集电流Igo与预设电流Igr进行对比，根据对比结果去控制PWM信号的占空比，当采集电流Igo大于预设电流Igr时，则减小PWM信号的占空比，当采集电流Igo小于预设电流Igr时，则增大PWM信号的占空比；经过防积分饱和PI算法运算后输出所需的PWM信号，并传输到PWM驱动模块，PWM驱动模块根据PWM信号占空比去控制高频逆变模块IGBT功率开关管M1/M2/M3/M4的导通与截止，当PWM信号占空比增大时，IGBT功率开关管导通时间增加，导通电流增大，当PWM信号占空比减小时，IGBT功率开关管导通时间缩短，导通电流减小；导通电流依次经过高频变压器、快速整流模块、极性切换模块，到达输出端。通过调整PWM信号占空比来改变电源主电路的输出电流，最终使得输出电流Ig等于预设电流Igr。
如图4所示，为电流细分控制方法工作原理示意图，整流滤波模块将220V工频市电转换为母线直流电后，还通过电流细分控制方法执行电流细分控制过程，电流细分控制过程包括以下步骤：将一个电流周期等分为N个时段，每个时段时间为Δt＝T/N，T为周期时间，在第n个时段内，预设电流Igr设置为
Figure GDA0003308784840000141
其中n＝1，2，...，N，Im为峰值电流，f为电流频率，按闭环恒流控制方法执行闭环恒流过程输出恒定电流，其恒定电流值为
Figure GDA0003308784840000142
In为第n个时段对应的电流值。通过迭代方法逐步迭代每个时段的电流值In，在一个电流周期内，若输出电流按正弦值变化，即输出正弦电流。事实上，采用电流细分方法所产生的正弦电流的电流频率受到一定的限制，例如等分数值N＝1000，假设数字化控制模块所产生的PWM信号频率为20kHz，则正弦电流的频率不超过20Hz；若数值N＝100，则正弦电流的频率不超过200Hz，由此可见，数值N越小，正弦电流的频率会越大，而当数值N变小时，正弦电流的输出控制精度会降低，等分数值N的具体取值应综合考虑实际需求及元器件物料的使用情况。
在本实施例，数字化控制电路控制高频逆变模块和极性切换模块的工作状态，从而控制三路励磁电流输出多模态电流，即通道独立输出励磁电流或者组合输出复合励磁电流。
如图5-6、图7(a)-图7(b)、图8(a)-图8(b)、图9-11所示，多模态电流包括直流电流、脉冲电流、变极性脉冲电流、正弦电流以及两路或三路电流组合而成的复合电流，特别地，当组合输出两路正弦电流且移相角为90°或180°，称为两相正弦电流；或者，当组合输出三路正弦电流且移相角为120°，称为三相正弦电流。直流电流、脉冲电流、变极性脉冲电流的输出采用闭环恒流控制方法，当输出直流电流时，预设峰值电流Im，然后通过闭环恒流控制方法执行闭环恒流控制过程；当输出脉冲电流时，预设峰值电流Ip和基值电流Ib，然后在峰值阶段和基值阶段分别通过闭环恒流控制方法执行闭环恒流控制过程；当输出变极性脉冲电流时，预设正极性峰值电流Ip1和负极性峰值电流Ip2，然后在正极性电流阶段和负极性电流阶段分别通过闭环恒流控制方法执行闭环恒流控制过程；正弦电流、两相正弦电流和三相正弦电流的输出采用电流细分控制方法，预设峰值电流Im，然后通过电流细分控制方法执行电流细分控制过程；复合电流的输出耦合闭环恒流控制方法和电流细分控制方法。
当三路励磁电流输出通道独立输出或复合输出时的电流通道设置采用优先等级方法，则三相正弦电流优先，两相正弦电流次之，直流电流、脉冲电流、变极性脉冲电流、正弦电流四种模态励磁电流同等级，例如输出励磁电流包括三相正弦电流时，则优先设置三相正弦电流参数，再设置其它模态电流参数，若输出励磁电流不包括三相正弦电流而包括两相正弦电流时，优先设置两相正弦电流参数，再设置其它模态电流参数，若输出励磁电流都不包括三相正弦电流和两相正弦电流时，则根据焊接工况和磁场发生装置确定直流电流、脉冲电流、变极性脉冲电流、正弦电流四种模态励磁电流的电流通道和电流参数。
不同模态励磁电流之间的切换采用模式标识方式，模式标识对应励磁电流的控制子程序，如模式1对应直流电流子程序，其参数包括恒定电流Im；模式2对应脉冲电流子程序，其参数包括峰值电流Ip、基值电流Ib、峰值时间Tp和脉冲频率f；模式3对应变极性脉冲电流子程序，其参数包括正极性峰值电流Ip1、负极性峰值电流Ip2、正极性峰值时间Tp1、零电流时间tD和脉冲频率f，变极性脉冲电流包括不带零电流过渡变极性脉冲电流和带零电流过渡变极性脉冲电流，当tD为零时输出不带零电流过渡变极性脉冲电流，当tD不为零时输出带零电流过渡变极性脉冲电流；模式4对应正弦电流子程序，其参数包括峰值电流Ip和脉冲频率f，正弦电流包括半波正弦电流和全波正弦电流，当极性切换模块开关管Q1/Q2与开关管Q3/Q4交替导通时输出全波正弦电流，输出半波正弦电流有两种情况：一是在正半周期和负半周期时，极性切换模块开关管Q1/Q2导通，开关管Q3/Q4截止，此时输出正极性正弦电流；二是在正半周期时，极性切换模块开关管Q1/Q2导通，开关管Q3/Q4截止，此时输出正极性正弦电流，在负半周期时，极性切换模块开关管Q1/Q2和开关管Q3/Q4同时截止，此时没有输出电流，在本实施例优先考虑第一种情况；模式5对应两相正弦电流子程序，其参数包括峰值电流Im1、峰值电流Im2、电流频率f和相位角α，特别地，两路电流的峰值电流可以相等，即Im1＝Im2；模式6对应三相正弦电流子程序，其参数包括峰值电流Im1、峰值电流Im2、峰值电流Im3、电流频率f和相位角α，特别地，三路电流的峰值电流可以相等，即Im1＝Im2＝Im3；模式7对应复合电流子程序，包括三路不同电流，三路相同电流，两路相同电流及1路不同电流，两相电流及1路不同电流，在模式7下，可设置相应的电流模式和电流参数，如图11所示，为脉冲电流和两相正弦电流组合的三路输出复合电流波形，通道1和通道2设置为两相正弦电流输出通道，通道3设置为脉冲电流输出通道，其电流参数包括两相正弦电流峰值电流Im1、峰值电流Im2、电流频率f1和相位角α以及脉冲电流的峰值电流Ip、基值电流Ib、峰值时间Tp和脉冲频率f2。
数字化控制模块接收人机交互终端发送的电流模式和电流参数等数据生成预设励磁电流输出的控制时序，励磁电流输出的控制时序包括直流电流子程序、脉冲电流子程序、变极性脉冲电流子程序、正弦电流子程序、两相正弦电流子程序、三相正弦电流子程序、复合电流子程序；所述励磁电流输出的控制时序根据三路输出通道独立输出或复合输出时的电流优先等级，优化预设电流控制子程序的逻辑时序。
本实施例对脉冲电流、正弦电流及复合电流的生成过程进行详细的说明，如下：
如图12所示，为脉冲电流子程序工作流程图，数字化控制模块读取人机交互终端或其它控制系统所传送的电流参数，并将电流设为峰值电流Ip，然后启动定时器，定时峰值时间Tp，在峰值时间Tp内，循环执行闭环恒流控制程序，在执行时间Tp后，将电流设为基值电流Ib，然后启动定时器，定时基值时间Tb，在基值时间Tb内(Tb＝T-Tp，周期时间T＝1/f)，循环执行闭环恒流控制程序，在执行时间Tb后，判断是否调整电流参数或电流模式，若不需要调整电流参数和电流模式，则将电流设为峰值电流Ip，循环执行上述控制过程；若需要调整电流参数，则重新设置电流参数，并将电流设为重新调整后的峰值电流Ip，循环执行上述控制过程；若需要调整电流模式，则进入相应电流模式的控制时序子程序。
如图13所示，为正弦电流子程序工作流程图，数字化控制模块读取人机交互终端或其它控制系统所传送的电流参数，然后启动定时器，在周期时间T的前半周期内，执行正弦电流前半周期控制程序，在周期时间T的后半周期内，执行正弦电流后半周期控制程序；
正弦电流前半周期控制程序如下：先将电流设为0A，迭代数值n设为0，并控制极性切换模块开关管Q1/Q2导通，开关管Q3/Q4截止，然后启动定时器，定时间隔时间Δt，在间隔时间Δt内，循环执行闭环恒流控制程序，在执行时间Δt后，进入电流参数迭代过程并循环执行迭代过程，即迭代数值n加1，将电流设为Imsin(2π·n/N)，然后启动定时器，循环执行闭环恒流控制程序，当迭代数值n大于等于N/2时，结束迭代过程，切换到正弦电流后半周期控制程序；
正弦电流后半周期控制程序如下：先将电流设为0A，迭代数值n设为0，并控制极性切换模块开关管Q1/Q2截止，开关管Q3/Q4导通，然后启动定时器，定时间隔时间Δt，在间隔时间Δt内，循环执行闭环恒流控制程序，在执行时间Δt后，进入电流参数迭代过程并循环执行迭代过程，即迭代数值n加1，将电流设为Imsin(2π·n/N)，然后启动定时器，循环执行闭环恒流控制程序，当迭代数值n大于等于N/2时，结束迭代过程，判断是否调整电流参数或电流模式，若不需要调整电流参数和电流模式，则切换到正弦电流前半周期控制程序，循环执行正弦电流前半周期控制程序和正弦电流后半周期控制程序；若需要调整电流参数，则重新设置电流参数，再循环执行正弦电流前半周期控制程序和正弦电流后半周期控制程序；若需要调整电流模式，则进入相应电流模式的控制时序子程序。
如图14所示，本实施例选择脉冲电流和两相正弦电流复合输出作为案例来说明复合电流输出的工作过程，输出复合电流工作流程为：数字化控制模块读取人机交互终端或其它控制系统所传送的电流参数，首先将电流I1、电流I2和电流I3都设为0A，迭代数值n设为0，然后将电流I3设为峰值电流Ip，再启动定时器，定时峰值时间Tp，在峰值时间Tp内，先执行电流I3闭环恒流控制程序，再执行两相正弦电流控制程序；
两相正弦电流控制程序如下：先执行电流极性判定程序1，然后启动定时器，定时间隔时间Δt，在间隔时间Δt内，循环执行闭环恒流控制程序，在执行时间Δt后，先判断迭代数值n是否小于N，若n小于N，迭代数值n加1，否则迭代数值n设为0，然后，将电流I1设为Im1sin(2π·n/N)，电流I2设为Im2sin(2π·n/N-α)；
电流极性判定程序1如下：当电流I1小于0A时，控制极性切换模块开关管Q1/Q2截止，开关管Q3/Q4导通，并执行I1＝-I1指令，否则控制极性切换模块开关管Q1/Q2导通，开关管Q3/Q4截止；当电流I2小于0A时，控制极性切换模块开关管Q5/Q6截止，开关管Q7/Q8导通，并执行I2＝-I2指令，否则控制极性切换模块开关管Q5/Q6导通，开关管Q7/Q8截止；
然后判断峰值时间Tp是否到达，若尚未到达，则循环执行电流I3闭环恒流控制程序和两相正弦电流控制程序；若峰值时间Tp到达，然后将电流I3设为基值电流Ib，再启动定时器，定时基值时间Tb，在峰值时间Tb内，先执行电流I3闭环恒流控制程序，再执行两相正弦电流控制程序，然后判断基值时间Tb是否到达，若尚未到达，则循环执行电流I1闭环恒流控制程序和两相正弦电流控制程序；若基值时间Tb到达，则判断是否调整电流参数或电流模式，若不需要调整电流参数和电流模式，则将电流I3设为峰值电流Ip，再启动定时器，然后循环执行上述控制过程；若需要调整电流参数，则重新设置电流参数，再将电流I1、电流I2和电流I3都设为0A，迭代数值n设为0，然后循环执行上述控制过程；若需要调整电流模式，则进入相应电流模式的控制时序子程序。
其中，复合电流的不同相电流之间存在移相角α，控制移相角α可以产生不同的电流组合，特别地，当α＝0°时，各相电流同步输出，当α＝180°时，各相电流交替输出，即一相电流处于最大值，另一相电流处于最小值或零电流状态，当α＝90°时，有三种状态电流组合：两相电流都处于最大值，一相电流处于最大值而另一相电流处于最小值或零电流状态，以及两相电流都处于最小值。
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)

1.一种辅助焊接励磁电源系统，其特征在于，包括依次连接的励磁电源主电路和数字化控制电路；励磁电源主电路的前端连接工频交流市电，励磁电源主电路的后端连接磁场发生装置；
励磁电源主电路包括整流滤波模块和N路励磁电流输出通道，N≥2，整流滤波模块和每一路励磁电流输出通道连接，每一路励磁电流输出通道均包括依次连接的高频逆变模块、高频变压器、快速整流模块和极性切换模块，极性切换模块通过电压电流霍尔传感器连接磁场发生装置；
所述整流滤波模块用于将220V工频市电转换为母线直流电流，并将母线直流电流输入励磁电源主电路的N路励磁电流输出通道的至少一路；所述励磁电流输出通道的高频逆变模块用于将母线直流电转换为高频变压器初级线圈上的交流方波电流；所述高频变压器用于将方波电流能量耦合到其次级输出端；所述快速整流模块用于将高频变压器次级输出端的交流方波电流转换为平滑的直流电；所述极性切换模块用于按照预设输出波形需求将直流电转换为对应的电流；
所述数字化控制电路包括数字化控制模块、PWM驱动模块、电压电流检测模块、故障检测模块、通信模块和人机交互终端；所述PWM驱动模块包括PWM信号电路、IGBT驱动电路和SiC驱动电路；所述通信模块包括CAN总线通信接口和RS485通信接口；
所述人机交互终端连接所述数字化控制模块，所述数字化控制模块通过PWM端口连接PWM信号电路的一端，PWM信号电路的另一端连接IGBT驱动电路、SiC驱动电路，IGBT驱动电路还连接励磁电源主电路的高频逆变模块，SiC驱动电路还连接励磁电源主电路的极性切换模块；所述电压电流检测模块的一端通过电压电流霍尔传感器与所述磁场发生装置相连接，电压电流检测模块的另一端通过A/D输入端口与所述数字化控制模块相连接；所述故障检测模块通过GPIO端口与所述数字化控制模块相连接；所述通信模块分别与所述数字化控制模块的CAN总线端口和RS485端口相连接；
所述数字化控制电路控制高频逆变模块和极性切换模块的工作状态，从而控制N路励磁电流输出通道独立输出或复合输出多模态电流。
2.根据权利要求1的辅助焊接励磁电源系统，其特征在于，整流滤波模块包括整流芯片BR1和电容C1、电容C2、电感L1；电容C1、电容C2、电感L1组成π型滤波单元；
整流芯片BR1的输入端连接220V的工频交流市电，整流芯片BR1的输出端连接电容C1的两端，电容C1的一端通过电感L1连接电容C2的一端，电容C1的另一端连接电容C2的另一端；电容C2的两端还连接每一路励磁电流输出通道的高频逆变模块；
高频逆变模块包括IGBT功率开关管M1、IGBT功率开关管M2、IGBT功率开关管M3、IGBT功率开关管M4、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容Cb1、电容Cb2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4；
电容C2的两端分别连接至IGBT功率开关管M1的漏极、IGBT功率开关管M3的源极，IGBT功率开关管M1的源极依次通过电容C3、电阻R1连接IGBT功率开关管M1的漏极，IGBT功率开关管M2的源极依次通过电容C4、电阻R4连接IGBT功率开关管M2的漏极，IGBT功率开关管M3的源极依次通过电容C5、电阻R3连接IGBT功率开关管M3的漏极，IGBT功率开关管M4的源极依次通过电容C6、电阻R4连接IGBT功率开关管M4的漏极，IGBT功率开关管M1的漏极还连接IGBT功率开关管M2的漏极，IGBT功率开关管M3的源极还连接IGBT功率开关管M4的源极，IGBT功率开关管M1的源极还连接IGBT功率开关管M3的漏极，IGBT功率开关管M2的源极还连接IGBT功率开关管M4的漏极，IGBT功率开关管M1的源极还通过电容Cb1连接高频变压器初级线圈的一端，电容Cb2的两端连接电容Cb1的两端，IGBT功率开关管M2的源极还连接高频变压器初级线圈的另一端；高频变压器的次级线圈连接快速整流模块；
快速整流模块包括二极管VD1、二极管VD2、二极管VD3、二极管VD4，二极管VD1、二极管VD3依次连接，二极管VD2、二极管VD4依次连接，二极管VD1的阴极连接二极管VD2的阴极，极管VD1的阴极还连接高频变压器的次级线圈的第一抽头，极管VD1的阴极还通过电感L2连接极性切换模块，二极管VD3的阳极连接二极管VD4的阳极，极管VD3的阳极还通过电感L3连接极性切换模块，二极管VD4的阴极连接高频变压器的次级线圈的第三抽头；高频变压器的次级线圈的第二抽头连接霍尔传感器；
极性切换模块包括开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、电阻R5、电阻R6、电容C7、电容C8；
开关管Q1的发射极连接开关管Q3的集电极，开关管Q2的发射极连接开关管Q4的集电极，开关管Q1的集电极还连接电感L2的一端，开关管Q3的发射极还连接电感L3的一端，开关管Q1的集电极还依次通过电阻R5、电容C7、电阻R6、电容C8连接开关管Q3的发射极，开关管Q1的发射极、开关管Q2的发射极，电容C7的一端连接霍尔传感器，霍尔传感器的输出端作为每一路励磁电流输出通道的输出。
3.根据权利要求1的辅助焊接励磁电源系统，其特征在于，数字化控制模块采用数字信号处理器TMS320F280049。
4.一种基于辅助焊接励磁电源系统的多模态电流产生方法，其特征在于，多模态电流产生方法包括闭环恒流控制方法和电流细分控制方法，多模态电流包括直流电流、脉冲电流、变极性脉冲电流、正弦电流以及两路或三路电流组合而成的复合电流；电流产生过程包括以下步骤：
整流滤波模块将220V工频市电转换为母线直流电流，并将母线直流电流输入励磁电源主电路的N路励磁电流输出通道的至少一路，励磁电流输出通道的高频逆变模块将母线直流电转换为高频变压器初级线圈上的交流方波电流后，高频变压器将方波电流能量耦合到其次级输出端；快速整流模块将高频变压器次级输出端的交流方波电流转换为平滑的直流电；极性切换模块按照预设输出波形需求将直流电转换为对应的电流；
所述闭环恒流控制方法包括以下步骤：
数字化控制模块接收到人机交互终端传送的预设电流参数Igr，同时电压电流检测模块采集电压电流霍尔传感器输出端的电流Ig，将电流Ig转换为电压Ug，电压电流检测模块将电压Ug传送到数字化控制模块，数字化控制模块将电压Ug转换为相应的采集电流Igo，并将采集电流Igo与预设电流Igr进行对比，根据对比结果数字化控制模块调节PWM信号的占空比，当采集电流Igo大于预设电流Igr时，则减小PWM信号的占空比，当采集电流Igo小于预设电流Igr时，则增大PWM信号的占空比；将PWM信号经过防积分饱和PI算法运算后输出至PWM驱动模块，PWM驱动模块根据PWM信号的占空比控制高频逆变模块和极性切换模块，如此反复；通过调整PWM信号占空比改变励磁电源主电路的输出，最终使得输出的励磁电流等于预设电流Igr，驱动磁场发生装置产生磁场；
所述电流细分控制方法包括以下步骤：
将一个电流周期等分为N个时段，每个时段时间为T/N，T为电流周期时间，在第n个时段内，预设电流
Figure FDA0003720993820000041
其中n＝1,2,...,N，Im为峰值电流，按闭环恒流控制方法执行闭环恒流控制过程输出恒定电流，其恒定电流值为
Figure FDA0003720993820000051
In为第n个时段对应的输出电流值；通过迭代方法逐步迭代每个时段的电流值In，在一个电流周期内，输出预设形态的电流。
5.根据权利要求4的多模态电流产生方法，其特征在于，N≥2时，还包括：数字化控制电路控制高频逆变模块和极性切换模块的工作状态，从而控制N路励磁电流输出通道独立输出或复合输出多模态电流，直流电流、脉冲电流、变极性脉冲电流、正弦电流是由三路励磁电流输出通道独立输出，复合电流是由两路或三路励磁电流输出通道组合输出，当组合输出两路正弦电流且移相角为90°或180°，称为两相正弦电流；或者，当组合输出三路正弦电流且移相角为120°，称为三相正弦电流。
6.根据权利要求5的多模态电流产生方法，其特征在于，直流电流、脉冲电流、变极性脉冲电流的输出采用闭环恒流控制方法，当输出直流电流时，预设峰值电流Im，然后执行闭环恒流控制过程；当输出脉冲电流时，预设峰值电流Ip和基值电流Ib，然后在峰值阶段和基值阶段分别执行闭环恒流控制过程；当输出变极性脉冲电流时，预设正极性峰值电流Ip1和负极性峰值电流Ip2，然后在正极性电流阶段和负极性电流阶段分别执行闭环恒流控制过程；正弦电流、两相正弦电流和三相正弦电流的输出采用电流细分控制方法，预设峰值电流Im，然后执行电流细分控制过程；复合电流的输出耦合闭环恒流控制方法和电流细分控制方法。
7.根据权利要求6的多模态电流产生方法，其特征在于，复合电流的不同相电流之间存在移相角α，控制移相角α产生不同的电流组合，当α＝0°时，各相电流同步输出，当α＝180°时，各相电流交替输出，即一相电流处于最大值，另一相电流处于最小值或零电流状态，当α＝90°时，有三种状态电流组合，两相电流都处于最大值，一相电流处于最大值而另一相电流处于最小值或零电流状态，以及两相电流都处于最小值。
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