CN201287238Y

CN201287238Y - 高频逆变螺柱焊接设备

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Publication number: CN201287238Y
Application number: CNU2008202127384U
Authority: CN
Inventors: 韩玉琦; 戴建明; 龙立新; 陈志伟; 李家波; 陈张军; 陈良军; 汤必海
Original assignee: SHENZHEN HONGBAI TECHNOLOGY INDUSTRIAL Co Ltd
Current assignee: SHENZHEN HONGBAI TECHNOLOGY INDUSTRIAL Co Ltd
Priority date: 2008-10-22
Filing date: 2008-10-22
Publication date: 2009-08-12
Anticipated expiration: 2018-10-22

Abstract

本实用新型公开了一种高频逆变螺柱焊接设备，包括三相整流电路、逆变电路、高频变压器、整流滤波电路、DSP控制器和电流反馈电路。电流反馈电路从整流滤波电路的输出端采样，将采样值输入DSP控制器的信号输入端；逆变电路包括IGBT桥路开关电路和隔离驱动电路；DSP控制器产生PWM信号，经隔离驱动电路控制IGBT桥路开关电路的通断。本实用新型提供了一种变压器体积小、功率大，硬件电路相对简单、控制精度高、电气元件寿命长、设备的可靠性和稳定性好的高频逆变螺柱焊接设备和控制方法。

Description

高频逆变螺柱焊接设备

[技术领域]

本实用新型涉及焊接设备，尤其涉及一种高频逆变螺柱焊接设备。高频逆变螺柱焊接设备用于金属构件与螺柱之间的焊接，主要应用在在汽车、船舶、板金制造业等生产领域。

[背景技术]

螺柱焊机分三大类，一是储能螺柱焊机、二是长周期螺柱焊机，焊接时间在300-2000mS，暂载率为30％左右；三是短周期螺柱焊机，焊接时间在30-200mS，暂载率为10％左右，通常在汽车、船舶、板金制造业用于螺柱的焊接。目前市场上常用的有工频可控硅控制的电弧螺柱焊机和三相逆变高频电弧螺柱焊机，按控制方式分模拟控制和MCU控制两种。

工频可控硅电弧螺柱焊机，体积庞大笨重、移动和使用都不方便，焊接时间和电流控制精度不高，焊接效率低、焊接效果不好。

国内生产的高频逆变螺柱焊机利用MCU对焊接时序和开关量进行管理，利用脉宽调制芯片对IGBT控制。在使用脉宽调制芯片的硬件电路中，硬件电路复杂，焊接性能调整不方便。在工作中脉宽信号从最大向所需的宽度调整，其调整的速率难以掌握和控制所以很容易产生高频尖峰使IGBT、二极管损坏，降低了整机的可靠性。因为脉宽调制芯片的采样频率和PWM信号的调整频率都比较低(仅有20000次/秒和1000次/秒)，使得输出电流和电压的调整速度慢，电流控制精度不高，焊接效果不好，其响应速度不能满足短周期螺柱焊机的要求，难以实现复杂的焊接工艺，焊接质量得不到保证。目前国内生产的高频逆变螺柱焊机的焊接电流大都在1500A以下，难以满足生产的需要。

[实用新型内容]

本实用新型要解决的技术问题是提供一种硬件电路相对简单、控制精度高、电气元件寿命长、设备的可靠性和稳定性好的高频逆变螺柱焊接设备。

本实用新型进一步要解决的技术问题是提供一种体积小、输出电流大、输出功率高的高频逆变螺柱焊接设备。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是，一种高频逆变螺柱焊接设备，包括三相整流电路、逆变电路、高频变压器、整流滤波电路，所述的三相整流电路将三相交流电转变成直流电，逆变电路将三相整流电路输出的直流电转换成高频交流电，经高频变压器降压后由整流滤波电路产生脉动直流焊接电流，包括DSP控制器和第一电流反馈电路，第一电流反馈电路从整流滤波电路的输出端采样，将采样值输入DSP控制器的信号输入端；所述的逆变电路包括IGBT桥路开关电路和隔离驱动电路；所述的DSP控制器产生PWM信号，经隔离驱动电路控制IGBT桥路开关电路的通断。

以上所述的高频逆变螺柱焊接设备，包括第一电压反馈电路，所述的第一电压反馈电路从整流滤波电路的输出端采样，将采样值分别输入DSP控制器的信号输入端。

以上所述的高频逆变螺柱焊接设备，包括第二电流反馈电路，所述的第二电流反馈电路从逆变电路的输出端采样，将采样值输入DSP控制器的信号输入端。

以上所述的高频逆变螺柱焊接设备，所述的三相整流电路依次为电磁兼容电路、三相交流整流电路、软启动电路和整流滤波电路，所述的电磁兼容电路吸收抑制三相交流母线上的电压尖峰，降低电磁干扰；所述的三相交流整流电路将电磁兼容电路输出的三相交流转换为直流电；所述的整流滤波电路包括滤波电容，对三相交流整流电路输出的直流电进行滤波；所述的软启动电路控制三相交流整流电路输出主回路，在所述的滤波电容充电至到母线电压后才使主回路通电。

以上所述的高频逆变螺柱焊接设备，电磁兼容电路在三相电的相线上分别串联有输入电感，在相线间分别并联有削峰电容。

以上所述的高频逆变螺柱焊接设备，所述的高频变压器初级线圈与次级线圈用薄铜带分层交替绕制，层与层之间有绝缘层；初级线圈层为2层，2层初级线圈层相互串联；每层初级线圈层有2层内层次级线圈层和2层外层次级线圈层；内层的次级线圈层相互串联，相邻层的电流方向相反；外层的次级线圈层也相互串联，相邻层的电流方向也相反；次级线圈相邻层的串接点都连接变压器输出端的中心抽头，次级线圈各层的同名端并接，并连接变压器输出端。

本实用新型采用DSP控制技术对反馈信号进行处理，来控制脉宽调制信号，由DSP经驱动模块直接驱动IGBT，简化了硬件电路，并使控制更加灵活；DSP控制器的采样频率和PWM信号的调整频率高于脉宽调制芯片，提高了响应速度和控制精度，本实用新型的硬件电路相对简单、控制精度高、电气元件寿命长、设备的可靠性和稳定性都得到提高。

本实用新型的控制信号的形成周期与IGBT桥路开关电路的开关周期相同，为25—50微秒，电流和电压控制的响应速度高，提高了控制精度，设备的可靠性和稳定性。

[附图说明]

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1是本实用新型实施例高频逆变螺柱焊接设备原理框图。

图2是本实用新型实施例高频逆变螺柱焊接设备的主回路电路原理图。

图3是本实用新型实施例高频逆变螺柱焊接设备的螺柱自动送料机结构图

图4是本实用新型实施例高频逆变螺柱焊接设备反馈环路的数学模型图。

图5本实用新型实施例高频逆变螺柱焊接设备PI软件程序流程图。

图6-1是本实用新型实施例高频逆变螺柱焊接设备恒流PID逻辑图。

图6-2是本实用新型实施例高频逆变螺柱焊接设备恒流限压PID逻辑图。

图6-3是本实用新型实施例高频逆变螺柱焊接设备恒功率PID逻辑图。

图7-1是本实用新型实施例高频逆变螺柱焊接设备的主变压器绕制结构图。

图7-2是本实用新型实施例高频逆变螺柱焊接设备主变压器绕制接线图。

图7-3是本实用新型实施例高频逆变螺柱焊接设备主变压器原理图。

[具体实施方式]

本实用新型高频逆变螺柱焊接设备的实施例的组成如图1所示，包括

(1)电磁兼容电路、(2)三相交流整流电路、(3)软启动电路、(4)整流滤波电路、(5)IGBT隔离驱动电路、(6)IGBT桥路开关电路、(7)高频变压器、(8)高频整流滤波电路、(9)IGBT辅助电源、(10)控制电源、(11)焊枪、(12)DSP控制器、(13)人机界面即LCD显示屏、(14)485通讯接口、(15)螺柱自动送料机。

本实用新型高频逆变螺柱焊接设备的实施例的工作原理如图2所示。三相交流电经过电磁兼容电路、利用电容CA、CB、CC、；电感L1-1、L1-2、L1-3来吸收抑制三相交流母线上的电压尖峰，同时也防止本机高频逆变所产生的电压尖峰漏散到电源网络中产生高频污染。然后经三相整流桥芯片把380V的三相交流电转变为520V的直流电向高频逆变器提供电能。软启动电路2将直流母线上的直流电首先对滤波电容C2进行充电，至到电容器两端的电压被充到母线电压的80％左右时，延时打开可控硅向高频逆变桥路供电，这样可以减少对电容C1、IGBT(Q1、Q2、Q3、Q4)冲击的同时也减轻了对电网带来影响。滤波电容由铝电解C1和高频电容C2组成，这样可以在IGBT开关时把高频变压器漏感中能量和滤波电容C1、C2中能量进行交换以达到提高整机的功率因数的目的。IGBT桥式开关(Q1、Q2、Q3、Q4)电路由四只隔离的M57962L驱动芯片组成的隔离驱动电路7，在DSP脉宽调制信号的控制下通过高频变压器B1完成电源的逆变。最后经高频快速二极管D5、D6整流后，经螺柱自动送料机11、半自动螺柱焊枪(或手动螺柱焊枪)12对螺柱进行焊接，其焊枪输出端的电压高达55V左右，产生200---2000A的弧焊电流。

电流、电压自动控制是由三个反馈环路，一是通过电流互感器B2(或霍尔电流传感器)在变压器初级电流采样环路用来控制IGBT工作电流的最大值和高频主变压器偏磁的问题。二是通过分流器4(或霍尔电流传感器)在电流输出端对设定电流进行控制，以此达到恒流的目的。三是通过霍尔电压传感器6在电流输出端对设定电压进行控制，以此达到恒流限压的目的。10是隔离逻辑控制，可对焊枪控制信号和保护气体等进行控制。人机界面8通过触摸屏显示焊接参数和故障信息。输入焊接参数。

螺柱自动送料机的组成如图3所示：(1)电源电路；，(2)PIC控制器；(3)扫钉控制电路；(4)装钉控制电路；(5)送钉控制电路；(6)吹钉控制电路；(7)滚筒电机控制电路；(8)滑道检测电路；(9)滚筒检测电路；(10)安全检测电路(电机过载检测、电源电压检测、钉量检测、钉锁检测、锅盖检测等)。

4、螺柱自动送料机工作原理；

利用PIC微控技术，对过载、电机正反转、过流、过压、钉量、缺钉、卡钉、扫钉信号等情况进行了全面的监控，依据接触、垂直和扣枪信号对自动送料机的装钉、送钉电磁阀进行时序控制来完成螺柱的自动送钉和焊接的。

对本实用新型高频逆变螺柱焊接设备的实施例的几点说明：

(1)高频变压器是整台设备的重要器件，性能好坏直接影响着输出电流的大小和IGBT的安全；小的漏感可减小损耗、降低了IGBT电流和电压应力的要求。高频变压器的漏感应控制在10UH以下。磁芯气隙应在0.2---0.8毫米，否则就会磁芯进入磁饱和状态，不利于高频变压器的工作。材料的基本特性是初始导磁率2500，饱和磁通密度390mT/100℃、剩磁是120mT、矫顽力是10A/M。初、次导线都是采用0.2毫米的紫铜带多层交替绕制而成，初次变比为6:1。绕制方法和接线见图7-1、图7-2、图7-3，其中次级21、22；24、25；26、27；29、30和初级23；28都由多匝(或多层)铜带组成。变压器初级的引出端子仅有A和B；次级的引出端子仅有C、D、E。磁芯可采用E或U型。整体外形是铁皮箱用绝缘胶浇灌而成。

(2)IGBT是通过M57962L快速隔离驱动模块来驱动的，它具有过保护、软启动和告警功能，在IGBT关断时还加有负压，这样提高了IGBT的抗干扰能力。

(3)在前后桥散热板和变压器上设有温度传感器，通过DSP监测IGBT、超快速二极管和变压器的温度，并对其进行监测和过热保护。

(4)在直流母偿线上、控制电源上、驱动电源上设有电压监测电路，通过DSP进行监测和告警。人机界面采用了真彩触摸屏，操作灵活方便。

(5)DSP逆变控制器采用TMS320F2812芯片，通过DSP的四路PMW信号经四只M57962L放大后，驱动桥路IGBT，然后经高频变压器的变压、整流、滤波输出焊接电流的。信号反馈电路有三个环路，一个电流内环：一个电流外环和一个电压外环。它的作用是：电流内环B2是一个快速响应的PID电流控制环路，是利用电流互感器对高频变压器的初级工作电流的瞬间值进行采样，然后经DSP处理对主回路的工作情况进行监控，用来控制高频变压器的电流变化率和峰值电流值大小，可以减小IGBT的电压和电流的应力用来防止高频变压器偏磁、IGBT的直通，提高主电路的稳定性和可靠性，电流内环其采样频率为50倍的主电路开关频率，环路控制频率为2倍主电路开关频率，它具有比例调节、微分和积分调节的控制作用，有响应速度快、控制精度高的特点。第二个反馈环路是一个PI高精度控制的电流外环，是分流器4(或霍尔电流传感器)对输出电流进行采样，然后经DSP数字处理对输出焊接电流进行恒流控制；第三个反馈环路是一个PI高精度控制的电压外环，是利用霍尔电压传感器6对输出电压进行采样，然后经DSP处理对焊接电压进行限压控制。第二、三两个环路都具有比例调节和积分调节的控制作用，通过数字PI的恰当的处理就能有较小的偏差和较快的响应速度，以满足焊接的恒流、恒流限压的控制需求的。第二、三个反馈环路采样频率也是50倍逆变电路主电路开关频率，电流或电压的控制频率为逆变电路主电路开关频率。

本实用新型采用了TMS320F2812芯片，主频高达150MHZ，电流采样频率提高到500000次/秒，对PWM信号进行逐周控制，PWM信号的控制周期提高到主回路的开关周期，(25—50微秒)，使电流和电压控制的响应速度满足短周期螺柱焊机的要求，对电流内环实施每半周控制一次，提高反馈的响应速度和控制精度，以此来满足短周期螺柱焊机的要求。

DSP软件特性说明：

(1)反馈环路数学模型

反馈回路把采用的模似信号送至DSP的AD转换输入口经AD转换成数字信号后与触摸屏设定的焊接电流值进行比较产生误差信号，然后经数字PI算法处理形成控制信号UK(n)，控制信号UK(n)与最大电流限定误差信号F(i)进行累加后，对IGBT的脉宽(PWM信号)进行控制，从而达到控制设备输出电流、输出电压和限制高频变压器的电流变化率、峰值电流的目的，反馈控制数学模型见图4。

(2)PID处理的数学模型是：“比例”、“积分”、“微分”三项组成，使用差分方程的方式表示为：

U_{k (n)} = K_{p} \times Δ E_{(n)} + K_{i} \times Σ_{x = 0}^{n} Δ E_{(x)} + K_{d} \times \frac{Δ E_{(n)} - Δ E_{(n - 1)}}{ΔT}

其中_ΔE_(n)＝E_(n)-E_(n-1)，为相邻两个输入的差。对PID模型采用增量算法，令_ΔU_k(n)＝U_k(n)-U_k(n-1)，则会得到：

Δ U_{k (n)} = K_{p} \times (Δ E_{(n)} - Δ E_{(n - 1)}) + K_{i} \times Δ E_{(n)} + K_{d} \times \frac{Δ E_{(n)} - 2 \times Δ E_{(n - 1)} + Δ E_{(n - 2)}}{ΔT}

(3)在恒流、限压控制时的PI数学模型：

在DSP的控制里可以限定脉宽调制信号的变化速率在外环控制时可不引入微分项，以便于提高控制的稳定性。这样去掉微分项则有PI外环控制数学模型：

_ΔU_k(n)＝K_p×(_ΔE_(n)-_ΔE_(n-1))+K_i×_ΔE_(n)

U_k(n)＝U_k(n-1)+K_p×(_ΔE_(n)-_ΔE_(n-1))+K_i×_ΔE_(n)

组成了最基本外环PI的“比例”、“积分”数字调节模型。

(4)PI死区的设置说明：对于本PI控制算法的死区设置，以_ΔE的±0.01作为控制死区，当_ΔE的数值在±0.01中的时候，将_ΔU_k设置为零。

(5)比例放大系数：比例放大系数K_p被设置为0.01。比例项有助于在_ΔE突变时，降低积分的影响。

(6)对积分系数的阶段性划分(遇限削弱积分)：积分的放大系数K_i范围设置为0.01～0.1

当|_ΔE|≥0.5时，_ΔU_k＝0.05，_ΔU_k为恒定数值±0.05；

当0.3≤|_ΔE|≤0.5时，K_i＝0.06，_ΔU_k按照PI公式计算得到；

当0.1≤|_ΔE|≤0.3时，K_i＝0.04，_ΔU_k按照PI公式计算得到；

当|_ΔE|≤0.1时，K_i＝0.02，_ΔU_k按照PI公式计算得到；

(7)对PI控制算法输出的限幅：_ΔU_k的最大范围为±0.05，以保证输出不超调。

(8)PWM输出限制在算法中的处理：由DSP直接发出的PWM调制信号，受到U_k的直接控制。根据硬件电路的要求，PWM的占空因数在0.1～0.9的范围内，不允许超出这个范围。所以，U_k的范围为0.1≤U_k≤0.9。当PID的输出达到最大最小输出后，仍然不能满足电流稳定的需求的时候，控制器将输出钳制在最大最小输出上，此时，闭环控制条件将被破坏，主机以极限输出工作。

(9)DSP软件PI控制流程说明

①PI的逻辑流程如图6-1至6-3所示所示。

此PI程序为恒电流控制，且是在“外部错误、告警信号”无效下的控制流程。在有“外部错误、告警信号”情况下，计算机将执行另外一套异常处理程序，不再执行此控制程序，且逻辑判断部分在此程序段之外此程序不对任何外部硬件产生操作，仅对内部有限RAM进行读写操作。

DSP计算周期为50uS，此期间DSP输出1个PWM脉冲信号。在平时，DSP并不运行PI控制算法，只有在DSP收到允许命令后，PI控制算法才启动。

恒流PID：

当启动信号不被允许时，程序处于等待状态。

当启动信号允许的时候，程序在3个周期(150uS)内保持50％的脉冲输出，以给系统一个初始电流和状态。完成后，程序判断输出电流，如果电流大于200A，根据选择“恒流”数学模型，计算出输出变化量，装置再判断输出电流变化率，超过规定值，则减少输出变化量，然后将输出量存入工程数据库。完成后检查启动允许信号，有效则重复执行，否则退回到开始状态。

恒流限压PID：

当启动信号不被允许时，程序处于等待状态。

当启动信号允许的时候，程序在3个周期(150uS)内保持50％的脉冲输出，以给系统一个初始电流和状态。完成后，程序判断输出电流，如果电流大于200A，则判断输出电压Umax(此参数可以在线调整)，根据条件选择“恒压”和“恒流”两种数学模型，计算出输出变化量，装置再判断输出电流变化率，超过规定值，则减少输出变化量，然后将输出量存入工程数据库。完成后检查启动允许信号，有效则重复执行，否则退回到开始状态。

恒功率PID：

当启动信号不被允许时，程序处于等待状态。

当启动信号允许的时候，程序在3个周期(150uS)内保持50％的脉冲输出，以给系统一个初始电流和状态。完成后，程序判断输出电流，如果电流小于Imin(此参数可以在线调整)，判断输出功率是否大于给定功率，如果小于给定功率，按照“恒功率”数学模型，计算出输出变化量，如果大于给定功率，按照以Imin为给定值的“恒流”数学模型，计算出输出变化量。

当电流大于Imin时，程序继续判断输出电流，如果电流大于Imax(此参数可以在线调整)，判断输出功率是否大于给定功率，如果大于给定功率，按照“恒功率”数学模型，计算出输出变化量，如果小于给定功率，按照以Imax为给定值的“恒流”数学模型，计算出输出变化量。

当电流在Imin到Imax之间时，判断输出电压，如果输出电压大于Umax(此参数可以在线调整)，则按照以Umax为给定值的“恒压”数学模型，计算出输出变化量。当电压小于Umax的时候，按照“恒功率”数学模型，计算出输出变化量。

完成上述步骤后，再判断输出电流变化率，超过规定值，则减少输出变化量，然后将输出量存入工程数据库。完成后检查启动允许信号，有效则重复执行，否则退回到开始状态。

②、PWM信号产生的说明

此程序为PWM中断取样程序。DSP计算出PWM输出的占空比Uk，范围为10％～90％，中断程序产生时间为PWM正反组的死区中间点。程序对PWM做停止、输出控制，范围控制等。

PWM信号产生图5的说明：1、是PWM中断的入口，也是程序的开始的地方；2、是判断PWM输出是否允许，允许进入第2步，不允许，进入第9步；3、是判断数据库中的Uk>90％，大于进入第4步，小于进入第5步；4、是将Uk强置为90％，进入第5步；5、是判断数据库中的Uk<10％，大于进入第6步，小于进入第7步；6、是将Uk强置为10％，进入第7步；7、是根据PWM发生器的载波，计算占空比计数器比较值，进入第8步；8、是将比较值填入PWM计数器寄存器，第10步；9、是关闭PWM输出，第10步中断结束。

Claims

1.一种高频逆变螺柱焊接设备，包括三相整流电路、逆变电路、高频变压器、整流滤波电路，所述的三相整流电路将三相交流电转变成直流电，逆变电路将三相整流电路输出的直流电转换成高频交流电，经高频变压器降压后由整流滤波电路产生脉动直流焊接电流，其特征在于，包括DSP控制器和第一电流反馈电路，第一电流反馈电路从整流滤波电路的输出端采样，将采样值输入DSP控制器的信号输入端；所述的逆变电路包括IGBT桥路开关电路和隔离驱动电路；所述的DSP控制器产生PWM信号，经隔离驱动电路控制IGBT桥路开关电路的通断。

2.根据权利要求1所述的高频逆变螺柱焊接设备，其特征在于，包括第一电压反馈电路，所述的第一电压反馈电路从整流滤波电路的输出端采样，将采样值分别输入DSP控制器的信号输入端。

3.根据权利要求2所述的高频逆变螺柱焊接设备，其特征在于，包括第二电流反馈电路，所述的第二电流反馈电路从逆变电路的输出端采样，将采样值输入DSP控制器的信号输入端。

4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的高频逆变螺柱焊接设备，其特征在于，所述的三相整流电路依次为电磁兼容电路、三相交流整流电路、软启动电路和整流滤波电路，所述的电磁兼容电路吸收抑制三相交流母线上的电压尖峰，降低电磁干扰；所述的三相交流整流电路将电磁兼容电路输出的三相交流转换为直流电；所述的整流滤波电路包括滤波电容，对三相交流整流电路输出的直流电进行滤波；所述的软启动电路控制三相交流整流电路输出主回路，在所述的滤波电容充电至到母线电压后才使主回路通电。

5.根据权利要求4所述的高频逆变螺柱焊接设备，其特征在于，电磁兼容电路在三相电的相线上分别串联有输入电感，在相线间分别并联有削峰电容。

6.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的高频逆变螺柱焊接设备，其特征在于，所述的高频变压器初级线圈与次级线圈用薄铜带分层交替绕制，层与层之间有绝缘层；初级线圈层为2层，2层初级线圈层相互串联；每层初级线圈层有2层内层次级线圈层和2层外层次级线圈层；内层的次级线圈层相互串联，相邻层的电流方向相反；外层的次级线圈层也相互串联，相邻层的电流方向也相反；次级线圈相邻层的串接点都连接变压器输出端的中心抽头，次级线圈各层的同名端并接，并连接变压器输出端。