CN1824452A - 多种外特性输出的逆变弧焊电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多种外特性输出的逆变弧焊电源。包括逆变式主电路和控制电路，控制电路包括前向通道、单片机控制部分、后向通道；前向通道包括工作方式选择模块和参数预置模块；单片机控制部分包括单片机、I/O接口、A/D转换器；后向通道包括数据采集电路、PWM脉宽调制电路、驱动电路以及检测保护电路；数据采集电路包括电流采样电路和电压采样电路。本发明通过采用电压电流双闭环反馈，将不同的外特性组合起来，配置不同外设装置，可精确完成各种不同的外特性输出其输出特性包括恒压特性和下降特性，其能够适用于任意电弧焊场合，实现一机多用。

Description

多种外特性输出的逆变弧焊电源

技术领域

本发明涉及一种逆变弧焊电源，尤其涉及一种能够实现多种电源外特性输出的逆变弧焊电源。

背景技术

在稳定状态下，弧焊电源的输出电压和输出电流的关系曲线称为弧焊电源的外特性，弧焊电源的外特性不外乎陡降的、平硬的以及介乎二者之间的下降特性。通常弧焊电源要么选择电压反馈获得恒压输出的平特性，要么采用电流反馈获得恒流输出的陡降特性。常规的弧焊电源仅仅具有单一的输出特性。在应用时只能合理地选择，才能充分发挥其工作性能，确保焊接过程的顺利进行，焊机的使用面窄。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种多种外特性输出的逆变弧焊电源，通过配置不同外设装置，其能够适用于任意电弧焊场合，实现一机多用。

为解决上述技术问题，本发明多种外特性输出的逆变弧焊电源，包括逆变式主电路和控制电路，其特征在于，所述控制电路包括前向通道、单片机控制部分、后向通道；

所述前向通道包括工作方式选择模块和参数预置模块；

所述单片机控制部分包括单片机、I/O接口、A/D转换器；

所述后向通道包括数据采集电路、PWM脉宽调制电路、驱动电路以及检测保护电路；数据采集电路包括电流采样电路和电压采样电路所述工作方式选择模块通过I/O接口与单片机相连；参数预置模块和数据采集电路的输出端分别与A/D转换器的输入端相连；所述PWM脉宽调制电路的输入端与I/O接口相连；PWM脉宽调制电路的输出端与驱动电路的输入端相连，驱动电路的输出端分别与检测保护电路和主电路的输入端相连。

由以上公开的技术方案可知，本发明多种外特性输出的逆变弧焊电源，采用电压电流双闭环反馈，将不同的外特性组合起来。而普通的焊接电源一般仅采用电流单闭环控制，部分有电压反馈的也仅仅是在主电路中设置一个采样点，将反馈信号仅仅用于保护处理而不参与控制运算。相比于之下本发明的电压电流反馈都采用了的线性霍尔传感器，其具有精度高、线性度好的特点，并且采用的电压电流信号直接从输出点采取，确保良好实时控制，将传感信号都进入单片机数模转换通道，形成双闭环双PID的控制方式。工作时在外部选定了工作外特性后，按不同焊接方法的焊接规范调节这些参数，然后通过单片机的A/D模数转换通道进行转换，并在单片机中进行一定的运算和延时，得到的数据用来控制焊接过程。应用单片机控制芯片，通过改变基于电源一电弧系统建立的数学模型及被控量，就可以精确完成各种不同的外特性输出其输出特性包括恒压特性和下降特性，其中下降特性又分为缓降特性、陡降特性、垂降特性和垂降带外拖特性，其中垂降特性又称为恒流特性，通过配置不同的外设实现多种电弧焊效果，将手工焊、埋弧焊、钨极惰性气体保护焊(TIG)、熔化极惰性气体保护焊(MIG)、熔化极氧化性气体保护焊(MAG)等各种电弧焊功能集成在一起，能够实现一机多用，适用于各种弧焊要求。本发明控制电路硬件结构简单，抗干扰能力强，性能可靠，可记忆焊接参数和多功能特性输出。焊接过程中要实现全位置焊接，如仰焊、平焊、横焊、立焊以及管道焊接等各个部位，焊接所需电流和焊接外特性都不固定，普通焊接设备无法满足要求。本发明多种外特性输出的逆变弧焊电源参数预置电路包括焊接专家参数的预置和用户自定义参数设置，存储的参数的多少主要取决于控制芯片的ROM的容量大小，其功能的调用切换主要通过软件设计实现。

附图说明

图1是本发明多种外特性输出的逆变弧焊电源电路构成框图；

图2是本发明脉宽调制电路的电路图；

图3是具体实施例；

图4是缓升缓降电路控制电路；

图5是单片机系统外部扩展16K的E²PROM；

图6是主程序流程图；

图7是电压电流双闭环控制原理图；

图8是输出交流方波示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体实施例。

如图1、图3所示，本发明多种外特性输出的逆变弧焊电源，包括主电路和控制电路，所述主电路采用IGBT全桥式逆变主电路，所述控制电路包括前向通道、单片机控制部分、后向通道；

所述前向通道包括工作方式选择模块和参数预制模块；本发明中使用芯片93LC86外扩了16K的E²PROM(如图5所示)，保证了足够的存储空间，在内部预设和存储有各种常用焊接参数，焊接参数可以根据程序智能动态修改。

所述单片机控制部分包括单片机、I/O接口、A/D转换器；

所述后向通道包括数据采集电路、PWM脉宽调制电路、驱动电路以及检测保护电路；数据采集电路包括电流采样电路和电压采样电路。

所述工作方式选择模块通过I/O接口与单片机相连；参数预制模块和数据采集电路的输出端分别与A/D转换器的输入端相连；所述PWM脉宽调制电路的输入端与I/O接口相连；PWM脉宽调制电路的输出端与驱动电路的输入端相连，驱动电路的输出端分别与检测保护电路和主电路的输入端相连。

所述的工作方式选择包括：提前送气时间0～1.5s；电弧推力；基值电流占峰值电流的百分比0～40％；周期0～1.5s；占空比10％～100％；电流下降时间0～15s；延迟断气时间0～30s。工作方式通过控制面板上7个精密电位器来控制调节，在选定了工作方式后，按不同焊接方法的焊接规范调节这些参数，然后通过单片机的A/D模数转换通道进行转换，并在单片机中进行一定的运算和延时，得到的数据用来控制焊接过程。由于电位器的精度较高，单片机的模数转换和运算速度较快，所以焊接规范参数可以得到及时精确的调节。应用单片机控制芯片，通过改变基于电源—电弧系统建立的数学模型及被控量，就可以精确完成以上各种不同的外特性。例如，对于恒流部分的外特性，只取电流负反馈；对于恒压部分的外特性，只取电压负反馈；对于缓降部分的外特性，则电流电压负反馈需要同时采用。

本发明单片机控制部分实现的主要功能是：

(1)对焊接电流、电弧电压、电流给定、基值电流、前送气延时、后送气延时、电弧推力、收弧电流衰减时间、脉冲周期、占空比等焊接参数模拟量进行采样和A/D转换。

(2)接收MMA焊、TIG焊、CO2焊等不同焊接输出的转换信号，以确定MMA焊或TIG焊等焊接功能；接收以长焊四节拍或短焊二节拍的操作转换信号，以确定TIG焊时实行长焊四节拍操作或短焊二节拍操作；接收TIG焊接的起动信号，对TIG焊或脉冲TIG焊实行程序控制。

(3)在TIG焊或脉冲TIG焊时，对采得的焊接参数进行匹配运算，以达到优化控制，满足各工艺要求。

(4)根据脉冲占空比给定量的，以确定脉冲TIG焊或连续的TIG焊。

(5)对焊接电流的预置值、实际值和电弧电压值进行数显。

一般情况下，电源特性低频段的幅频特性曲线的幅值超过30dB时则认为电源具有平特性；幅值小于-5dB时则认为具有恒流特性，当幅值取中间值时，认为具有下降或上升的外特性。对于上述特性可以通过传递函数来描述其特性。电源外特性斜率对控制参数的影响： $k=R+k_P-2\mathrm{\ζ}\sqrt{L{k}_a{k}_m},$ 其中k为外特性斜率，焊接电源的特性可以通过传递函数来描述输出电流与电压间的关系，电源外特性曲线分别对应不同的传递函数，对于下降特性曲线，其传递函数为 $G\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{-\frac{1}{R}[\mathrm{LC}{\left(\mathrm{j\ω}\right)}^2+1]}{\mathrm{LC}{\left(\mathrm{j\ω}\right)}^2+\frac{L}{R}\mathrm{j\ω}+1},$ 平特性的传递函数近似为

$G\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{-k(T_2\mathrm{j\ω}+1)}{T_1\mathrm{j\ω}+1}.$

PID的控制规律为 $U\left(t\right)=k_P(e\left(t\right)+\frac{1}{T_1}{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}+\frac{T_{D}e\left(t\right)}{\mathrm{dt}}),$ 其中k_P为比例系数；T_I为积分时间常数；T_D为微分时间常数；e(t)＝input(t)-output(t)。

开始时为了使焊缝熔合的更好，使焊接电流缓升电路。当焊接结束时为了添满弧坑火口，要求焊接电流逐渐减小，则形成焊接电流缓降电路。这部分功能的实现，主要是通过缓升、缓降给定电路来实现的。

交流方波钨极氩弧焊时，既要保证钨极有较大的电流容量，又要使铝板受到阴极清理作用，也必须用交流。方波交流电流的频率、正负半波通电时间及幅值可调，则它可以显著地改变电弧形态、电弧作用力及对母材的热输入量，还可以控制阴极清理区宽窄，控制熔深及焊缝正反面成形。

典型的方波交流电流波形如图8所示。如果用β来代表正半波电流与整个周期中电流比例，则β可由下列公式确定： $\mathrm{\β}=\frac{\left|I_{\mathrm{SP}}\right|}{\left|I_{\mathrm{AP}}\right|+\left|I_{\mathrm{RP}}\right|};$ 式中：I_SP钨极为负时电流平均值；I_RP钨极为正时电流平均值；β正半波电流比例。

随着β数值的增加，阴极清理宽度B及焊缝宽度b变窄，焊缝深度稍有增加，有利于得到窄而深的焊缝。当然在交流钨极氩弧焊的情况下，β数值不能无限增加，否则阴极清理区过窄，不能保证得到高质量的焊缝。

此处请结合图6主流程图，以文字的方式描述整个工作流程。

本发明的工作原理为：单片机通过I/O接口电路检测工作方式的状态，判断焊机工作状态是手工电弧焊、TIG焊还是MIG焊等等。不同种类焊接方法的规范参数由预置电路送入富士通单片机的A/D模数转换通道进行转换。功能选择主要通过多路选择开关选择焊机的工作方式，多路开关信号输入到单片机I/O口，经采样保持信号放大后进入存储单元等待软件程序判别，判定工作方式后由计数器的输出去控制模拟开关的控制端。使电流给定值受控于模拟开关而输出到比例分配器。比例分配器的比例范围为零到百分之百，因此比例分配器的输出不能大于给定值。对焊机给定值进行比例分配后的信号输出到触发电路，使其产生触发脉冲以控制IGBT。霍尔传感器采样的信号差放电路放大后输出到比较放大电路的反馈输入端，调节电位器即可调节其放大倍数即比例系数K。另置运放调零电阻，使其焊机在空载时输出为零。现以调定焊接电流I＝130A，U＝25V为例说明，所以当输出电流小于90A时，由于二极管的钳位作用，不随电流而变化，表现为外特性的平整段；当输出电流在90～150A时，反馈输入信号经运放输入电压差值比较后由正值急剧变为负值。所以外特性出现陡降段；当输出电流大于105A时，由于自身闭环反馈系统的作用，使电压的变化速度变缓慢，在外特性上表现为缓慢下降，即出现外拖拐点；改变电弧控制开关位置，实际为改变闭环系统反馈深度。因此改变输出电压的下降斜率，也就改变了外拖斜率即外特性曲线。焊接电流、电压采样电路得到的信号也分别送入富士通单片机进行模数转换，然后单片机对数据进行一定的PID控制运算，控制量进入PWM脉宽调制电路，产生一定的PWM触发脉冲，经驱动电路去触发IGBT。通过改变IGBT的导通时间来改变输出电流。其中的PWM控制器采用电压型脉宽调制器SG3525。将输出电感线圈的电流信号通过霍尔反馈与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比，使输出的电感峰值电流随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环、电流环双环系统，因此，焊接电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高。脉宽调制电路包括脉宽调制器、电流环调节器和欠压、过热、短路保护等电路，通过它对焊接电流的给定值和实际值误差信号进行运算，并根据运算结果转换成相应的脉宽调制信号，对IGBT逆变器实行脉宽调制，使焊机输出外特性满足焊接工艺要求。控制电路是逆变焊机的核心部分，它的作用是通过电流信号的反馈与给定信号进行比较，获得宽度可变的脉冲信号给驱动电路来控制功率开关器件的通断时间，从而实现输出功率的调节，获得符合焊接要求的静态特性和动态特性；同时必须控制焊接过程中的通气，引弧，工作，延时断气等，使其符合TIG焊的工作顺序。焊接电源的外特性控制和其它功能都是通过电流闭环反馈和电压环反馈的PWM脉宽调制电路来实现的，故脉宽调制电路是整个控制电路的核心。本发明在分析SG3525脉宽调制器工作原理的基础上，使用集成了PWM信号发生器、软启动、脉冲封锁等功能的集成脉宽调制器SG3525脉宽调制器，其内部由振荡器、误差放大器、三角波发生器等组成。并以SG3525脉宽调制器为核心，设计了如下控制电路：脉宽调制(PWM)电路；脉冲给定电路；脉冲电流瞬时控制电路；TIG焊外特性控制电路；驱动电路；过流、过压、欠压、过热等保护电路。

Claims (5)

1.一种多种外特性输出的逆变弧焊电源，包括逆变式主电路和控制电路，其特征在于，所述控制电路包括前向通道、单片机控制部分、后向通道；

所述前向通道包括工作方式选择模块和参数预置模块；

所述单片机控制部分包括单片机、I/O接口、A/D转换器；

所述后向通道包括数据采集电路、PWM脉宽调制电路、驱动电路以及检测保护电路；数据采集电路包括电流采样电路和电压采样电路；

所述工作方式选择模块通过I/O接口与单片机相连；参数预置模块和数据采集电路的输出端分别与A/D转换器的输入端相连；所述PWM脉宽调制电路的输入端与I/O接口相连；PWM脉宽调制电路的输出端与驱动电路的输入端相连，驱动电路的输出端分别与检测保护电路和主电路的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的多种外特性输出的逆变弧焊电源，其特征在于，所述的PWM脉宽调制电路包括脉宽调制器、电流环调节器和欠压、过热、短路保护等电路，以输出脉宽调制信号，对主电路实现脉宽调制。

3.根据权利要求2所述的多特性输出逆变焊机，其特征在于，所述的脉宽调制器为SG3525脉宽调制器，其内部由振荡器、误差放大器、三角波发生器组成。

4.根据权利要求1所述的多种外特性输出的逆变弧焊电源，其特征在于，所述主电路采用IGBT全桥式逆变主电路。

5.根据权利要求1所述的多种外特性输出的逆变弧焊电源，其特征在于，所述的工作方式选择包括：提前送气时间0～1.5s；电弧推力；基值电流占峰值电流的百分比0～40％；周期0～1.5s；占空比10％～100％；电流下降时间0～15s；延迟断气时间0～30s。

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