CN114362579B - 一种用于磁控等离子弧的电源设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种适用于磁控等离子联合型弧的新型电源设计方法，涉及一种基于单片机控制跃零间断正选波形的方法，得到一种不过零点且非平直的交变电流波形。主要用来解决电弧在交变电流信号过零点时所造成电弧不稳定问题以及避免双弧的出现，该方法得到的电流波形由于不会过零点、非平直波形，因此该输出电流波形能起到稳弧更好的效果，磁场对电弧的控制精度也得到进一步提高；其技术方案要点是：该方法包括单片机控制模块、A/D采样模块，利用单片机的控制作用控制跃零间断正弦波形发生电路中的单片机驱动电路、SPWM双桥逆变电路、基波滤波电路通过分离载波得到所需要的基波波形；得到不过零点的跃零间断正弦交流波形；再通过上下沿波形整形电路，最后经过峰值分级功放电路，放大不同倍数将得到多个峰值不同初值的跃零间断正弦交流波形，自适应不同焊接电流的大小焊接场景需求。

Description

一种用于磁控等离子弧的电源设计方法

技术领域

本发明涉及一种磁控等离子弧的电源设计方法，属于焊接自动化领域，特别是在微束等离子弧焊、熔透型等离子弧焊、穿透型等离子弧焊等操作方式中均采用联合型等离子弧焊接情况。

背景技术

众所周知，常规等离子弧焊接和切割较多采用转移等离子弧，而且用微束等离子焊接和粉末喷焊时则多为联合型等离子弧，目前,国内外等离子焊接一般均采用直流正极性电源,以保证电弧的稳定性和减轻钨极的烧损。但是在焊接铝、镁等金属材料时,由于对阴极雾化的要求,则需要用直流反极性或交流电源,而直流反极性使钨极烧损厉害,为解决此间题,对电极冷却条件的要求十分苛刻,一般很少采用，理想的办法是采用交流。

当采用直流和交流联合型电源时，用直流的维弧和交流的主弧组成混合型等离子弧,这种方法由于维弧恒定存在,提高了主弧的稳定性,但它也存在两个缺点:①主弧没有经过喷咀的压缩,能量不够集中②直流电源形成的恒定电场不利于联合弧的稳定。

而采用直流脉冲等离子焊接技术用于焊接薄板铝合金,维弧(钨极—喷嘴)也是直流电源,而主弧,半波加在钨极和工件之间(电极为负),用于加热工件,另半波加在喷嘴—工件之间,以产生阴极雾化。这样方案的缺点是直流脉冲的恒定电流，在转移型主弧中由于喷嘴与工件之间的电位依旧是恒定不变的，仍然不利于联合弧稳定燃烧，不利于规避双弧的存在,进而联合弧稳定燃烧的极限焊接电流也受到了限制。

在哈尔滨工业大学焊接学报中第10卷第1期，张修智教授、牛济泰副教授关于单电源联合型交流等离子弧焊稳弧机理的探讨，该设计是用一个交流电源,经过一定的阻抗匹配,将交流电同时输送到钨极—喷嘴和钨极—工件之间,维弧和主弧同时存在,从而大大提高了主弧的工作稳定性。由于在转移型弧中喷嘴与工件之间的电位是突变的，不可能形成极性不变的恒定电场，有力地降低了双弧现象的发生可能性。但是该设计产生的交流电仍经过零点，对电弧的稳定性仍旧有着很不利的影响；本设计发明一种磁控等离子弧在微束等离子弧焊、熔透型等离子弧焊、穿透型等离子弧焊等操作方式中不过零点的输出电流的电源的设计方法。

发明内容

本发明主要是为了解决电弧在交变电流信号过零点时所造成电弧不稳定问题，为进一步提高联合等离子弧弧柱的稳定性，提高焊接质量，针对传统电源提供的交流电流都经过零点对弧柱稳弧不利的影响，进而影响磁场对弧柱的控制精度，影响焊接质量，因此提供了一种基于单片机控制SPWM双桥逆变电路，产生不过零点如图3所示交变电流的设计方法，该设计方法主要包括软件部分和硬件部分，软件部分包括单片机控制模块、A/D采样模块、电容充放电自适应系统模块，硬件部分包括跃零间断正弦波形发生电路、上下沿波形整形电路、峰值分级功放电路。该方法产生的波形信号误差小，且能自动适应焊接电流大小的需要得到不同峰值电流波形，在联合等离子弧中有较好的适用范围，使得弧柱不再受到零点电流稳定性的干扰，弧柱更加稳定，磁控精度得到改善。

基于单片机控制SPWM双桥逆变电路输出跃零间断正弦波形的工作原理如下所示：整体设计原理图如附图1所示，单片机系统中输入高、中、低三种峰值参照正弦信号波形，输入直流电流信号经过跃零间断正弦波形发生电路和上下沿波形整形电路，最后经过峰值分级功放电路，将得到的信号提取在波形信号提取系统中，再将得到的波形反馈给单片机控制系统，将得到的波形与之前的三种高、中、低不同峰值信号做比较，可以通过改变SPWM双桥逆变电路中时间开关的通断来控制脉冲电流信号的换向和脉宽，利用波形冲量(面积)等效原理，进而得到所需跃零间断正弦电流波形，最后对分级功放电路的放大倍数进行调整以达到理论上的电流波形信号。

对于输入的直流信号，根据波形冲量(面积)等效原理，通过SPWM双桥逆变电路，整个周期实现直流信号到交流信号的精确转换。在附图2中先根据设定波形通过A/D信号采样模块采集电流模拟信号，将其等分为K等分，根据面积等效原理，可将任意波形用一系列冲量(波形面积)相等的窄脉冲进行等效，此处按附图2所示脉冲波按类正弦等效原理，可以借助计算机严格地算出各段矩形脉冲宽度，每一个脉冲的宽度可由单片机中的定时器来控制，而单片机中定时器通过给附图1中双桥逆变电路中的开关施加驱动信号和关断信号实现输出脉冲脉宽和方向的变化，这种控制线路按一定的规律控制开关元件的通断，从而得到每一个矩形脉冲宽度都按类正弦规律变化的类SPWM波形，跃零间断正弦波的负半周期也可以用相同的方法得到，从而得到一个周期与跃零间断正弦波等效的交变矩形脉冲波形。再通过基波滤波电路滤掉载波信号留下跃零间断正弦波的基波信号。根据电流信号大小的需求可以改变SPWM双桥逆变电路中时间开关的通断来控制脉冲电流信号的换向和脉宽，再通过峰值分级功放电路得到所需电流大小，在示波器上可显示输出波形和频率情况。从而实现自适应不同焊接初值电流的需要。

跃零间断正弦波形发生电路中的逆变原理较一般逆变方法，有如下特点：

如附图2所示，根据等效原理在每个半周期内，波形信号方向发生突变，且每半个周期波形信号反向处都有一定初值和对应幅值，很好的避开了信号零点，因此所得跃零间断正弦波形不过零点，且每半个周期处都有一定初值电流可以保证最终所得焊接电流始终大于引弧电流。解决了因为电流过零点产生的弧柱燃烧的不稳定性及双弧问题，且有利于磁场对等离子弧的控制精度的提高。

其中电流波形设计方法的特点有①可以根据波形信号提取系统得到的波形信号反馈给单片机控制系统，控制与跃零间断波形等效的矩形波形的脉宽，可以得到三种不同初值电流的跃零间断正弦波形，能够很好地自适应不同电流大小需求；②每一个区间的电流波形都不经过零点，避免了电流零点对联合弧燃烧的不利影响。

上下沿波形整形电路中对图2中的跃零间断正弦波形进行上下沿整形，在图4所示原理图中。上面的电容是由单片机系统控制充放电过程，下面电容和滑动变阻器构成L-C衰减震荡电路，对输入的跃零间断电流波形进行上下沿整形，霍尔元件能检测到输入波形的上下沿波形及对应时间信息反馈到单片机，单片机控制系统控制电容充放电自适应系统中的电容充放电过程，进而与输入波形的上下沿形成一一对应关系，进而对输入的跃零间断电流波形的上下沿波形进行整形，从而得到如图3所示的电流波形图。经过上下沿波形整形电路，该电路利用R-C震荡电路及电容充放电反馈系统改变原电流波形的上下沿波形得到所需电流信号。得到的跃零间断波形的上升沿变化缓慢而下降沿变化陡峭，这样的波形更有利于联合弧的稳定燃烧且能改善飞溅现象，特点是①利用电流传感器获取电流信号中的上升沿和下降沿②单片机根据反馈信号控制电容自适应系统中电容充放电③每个信号的上升沿对应电容自适应系统中的充放电过程，进而对每个周期中上升沿和下降沿的波形整形，单片机控制精确，整形精度高。

附图说明

图1：系统总体设计框图

图2：跃零间断正弦波与其等效脉冲序列图

图3：上下沿波形整形信号变化图

图4：上下沿波形整形电路原理图

具体实施方案

为了更好的表达整个发明的技术方案与有益效果，下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。但是，本发明的实施方式不限于此。

微束等离子弧焊适合30A电流以下的熔透型等离子弧焊，主要用于超薄件的焊接；熔透型等离子弧焊适合15-200A之间电流大小，主要用于薄板焊接(0.5-2.5mm)；穿透型等离子弧焊适合100-300A的电流大小，适用于3-8mm的不锈钢、12mm以下的钛合金、2-6mm低碳钢低合金钢的焊接。这三种方式均采用了等离子弧焊，使用不同电流大小适用于不同厚度和不同材料的焊接，而本设计可以实现自适应以上三种等离子弧焊的操作方式。具体实现方式如下。°

图2所示为跃零间断正弦波的一个周期波形与其等效的矩形脉冲波形图，在每半个周期内，可将其等分成K组，K值必须足够大，K越大(图中只画了K为3的情形)等效输出的矩形脉冲波越精确，将每一等分中的跃零间断正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等而不等宽的矩形脉冲波替代，在选定了等分数K后，可以借助计算机严格地算出各段矩形脉冲宽度，以作为单片机控制逆变器开关元件通断的依据，这种控制线路按一定的规律控制开关元件的通断，从而得到每一个矩形脉冲宽度都按跃零间断正弦规律变化的电流信号波形，跃零间断正弦波的负半周期也可以用相同的方法得到，从而得到不过零点的跃零间断正弦波的等效脉冲信号波，因此，通过SPWM双桥逆变电路所得到的波形更加精确。

跃零间断正弦波形发生电路的基本工作原理如图1所示，单片机驱动电路控制SPWM双桥逆变电路中开关的通断和通断时间，这样通过SPWM双桥逆变电路把直流电流信号转换为如图2所示跃零间断正弦波信号，改变双桥逆变电路中开关切换的频率，就可改变输出的交流电流频率，该波形在每个半周期之间电流具有一定初值及相应幅值且方向发生突变，很好的避开了信号零点，解决联合弧焊由于电流零点弧柱状态不稳定问题。

自适应磁控等离子弧在不同焊接操作方式中不同初值电流的需要原理如下：

如附图2所示，当焊接方式为微束等离子弧焊时，改变SPWM双桥逆变电路中开关切换的时间比例，使得交变脉冲信号的初始脉宽处于较窄的范围以内，从而得到初值电流值低于30A的等效交变电流。从而适用于微束等离子弧超薄板焊接。

当焊接方式为熔透型等离子弧焊时，改变SPWM双桥逆变电路中开关切换的时间比例，使得交变脉冲信号的初始脉宽处于中等的范围以内，从而得到初值电流值在30A-200A的等效交变电流。从而适用于熔透型等离子弧薄板焊接(0.5-2.5mm)。

当焊接方式为穿透型等离子弧焊时，改变SPWM双桥逆变电路中开关切换的时间比例，使得交变脉冲信号的初始脉宽处于较宽的范围以内，从而得到初值电流值在100A-300A的等效交变电流。从而适用于3-8mm的不锈钢、12mm以下的钛合金、2-6mm低碳钢低合金钢的穿透型等离子弧焊接。

如附图1所示为系统总体设计框图，单片机控制模块依据预设的不过零点跃零间断正弦波形特点控制SPWM双桥逆变电路中开关通断和延迟时间，得到与跃零间断正弦波的等效交流矩形脉冲信号，然后通过基波滤波电路滤掉载波得到所需要的不过零点的基波即跃零间断正弦波形，最后通过峰值分级功放电路实现自适应不同焊接场景中焊接电流大小的需求。

如附图4所示，电容充放电自适应系统中有一个有单片机控制的小型电源能给电容C1充电和放电，从而控制电容C1对电容C2与滑动变阻器组成的L-C震荡电路对输入电流的衰减作用，滑动变阻器的目的是与C2构成L-C振荡电路以及能自适应输入电流大小的要求；上下沿波形整形电路中要实现如图2中输入的的跃零间断正弦波形进行上下沿整形，首先霍尔元件将检测到的输入波形的上下沿波形及对应时间信息反馈到单片机，单片机控制系统控制电容充放电自适应系统中的电容充放电过程，当输入的跃零间断正弦波电流的上升沿时，单片机控制开关S闭合，电容C1、C2充电从而衰减了输入信号电流，C1促进了L-C振荡电路的衰减作用，使得输入电流上升沿变得更平缓；当输入的跃零间断正弦波电流的下降沿时，单片机控制开关S断开，电容C1放电，放电电流方向与原输入电流方向相反，因此，C1促进了原电流的降低，使得输入电流下降沿变得更陡峭；进而与输入波形的上下沿形成一一对应关系，实现了对输入的跃零间断电流波形的上下沿波形进行整形，从而得到如图3所示的电流波形图。整形后的最小电流i01，i02均需大于引弧电流，最小电流由单片机计算得出。

Claims (1)

1.一种适用于磁控等离子弧的电源设计方法：该方法运用了正弦波与矩形脉冲的面积等效原理，通过改变矩形脉冲的起始脉宽可以得到高、中、低三种不过零点不同初值的跃零间断正弦波形的电流大小，实现自适应不同焊接初值电流的需要；该波形的特点是在每个半周期之间电流方向发生突变，且有高、中、低三种不同初值及对应峰值，因为初始有脉冲得到初始等效电流不为零，很好的避开了电流信号零点，在每半个周期内均等K个区间，K值越大，精度越高，输出每个等分区间的等效脉宽，得到不过零点的跃零间断正弦波的等效脉冲信号波，解决了因为电流过零点产生的弧柱燃烧不稳定性问题，且有利于磁场对等离子弧的控制精度的提高；将得到的跃零间断正弦波经过上下沿波形整形电路，上下沿波形整形原理是单片机控制一个电容C1的充放电过程，进而影响另一个电容C2与电阻组成的R-C振荡电路对输入信号的衰减作用，电容C1每一个充放电过程都对应于输入信号的上下沿过程，这样，经过上下沿波形整形电路得到电流大小具有上升沿变化平缓，下降沿变化陡峭的特点，这样的电流波形有利于磁控等离子弧在燃烧过程中弧柱更加稳定，飞溅现象得到改善；此外，上下沿波形整形电路中滑动变阻器可调电阻能自适应来自不同峰值大小的跃零间断正弦波形电流，以满足磁控等离子弧对不同大小电流的需求。

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