CN202291815U

CN202291815U - 一种中频逆变电阻点焊电源系统

Info

Publication number: CN202291815U
Application number: CN2011202720367U
Authority: CN
Inventors: 曾敏; 曹彪; 黄增好
Original assignee: GUANGZHOU JINGYUAN ELECTRICAL EQUIPMENT CO Ltd; South China University of Technology SCUT
Current assignee: GUANGZHOU JINGYUAN ELECTRICAL EQUIPMENT CO Ltd; South China University of Technology SCUT
Priority date: 2011-07-29
Filing date: 2011-07-29
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2021-07-29

Abstract

本实用新型公开了一种中频逆变电阻点焊电源系统，包括主电路、控制系统，所述主电路包括依次连接的电源开关、输入整流滤波电路、功率逆变电路、中频变压器、输出整流滤波电路；所述控制系统包括控制变压器、控制电路；所述控制变压器、输入整流滤波电路分别通过电源开关与工频交流电网连接，输出整流滤波电路与负载连接，控制电路与功率逆变电路、键盘、显示设备分别连接，该控制电路还与功率逆变电路的输出端连接。本实用新型简单、易行、高效，控制精度高，响应速度快，采用三段式加热，具有恒流、恒压、恒功率、定脉宽等输出功能，15项焊接参数可调，20组焊接参数储存。

Description

一种中频逆变电阻点焊电源系统

技术领域

本实用新型涉及焊接领域的点焊电源，尤其涉及一种中频逆变电阻点焊电源系统。

背景技术

电阻点焊电源主要有以下几种：单相工频式电源、三相低频式电源、可控硅次级整流式电源、电容储能式电源、逆变式电源等，前四种电源应用于点焊过程主要存在以下问题：

(1)能量输出控制和时间控制精度不能满足要求。目前主流的交流点焊电源其响应速度为20ms，控制响应速度和调节分辨率不足；

(2)大部分电源采用工频变压器，体积大、笨重、效率低、耗材；

(3)大部分为开环系统，部分带电流、电压反馈控制，电源稳定性不够。

从控制电路所使用的电子元器件来看，电阻点焊控制系统可分为：分立元件控制系统、集成电路控制系统、微机控制系统等。其中微机控制系统采用的核心器件又可分为单片机、数字信号处理器和可编程逻辑控制器。前两种控制系统已渐出市场，目前广为采用的是微机控制系统，数字信号处理器发展迅速。

从质量监控方法来看，电阻点焊质量控制方法包括：恒电流控制、动态电阻监测、极间电压监测、热膨胀电极位移监控、超声波法、表面温度与红外线法等。其中，前四种方法的研究较为成熟，恒电流控制应用最为广泛。电流信号的采集直接在主电路上进行的，其输出是脉动或者交流信号。为了直接反映点焊过程中的电流大小，需要对该采样信号进行有效处理。

逆变开关电源具有效率高，重量轻，电压可升可降，输出功率大等优点。但由于电路工作在开关状态，所以噪声比较大，开关管的导通损耗、开关损耗也不容忽视。为解决此问题，传统的硬开关模式正在被软开关技术所取代。软开关技术可以在中频逆变的基础上进一步提高电源效率、降低开关器件的损耗并提高电源可靠性。

从控制实现方式上看，目前电阻点焊电源广泛采用全桥逆变脉宽调制方法，其控制方式可分为：双极性控制、有限双极性控制、移相控制三种。全桥移相变换器近年来得到了广泛关注，在中大功率的通讯电源和电力操作电源中得到广泛的应用。然而，这种控制方法有以下几个明显的缺点：

(1)滞后臂开关管在轻载下将失去零电压开关功能；

(2)为实现滞后臂的ZVS，必须在电路中串联电感，这会引起占空比丢失，增大原边电流定额；

(3)原边存在较大环流，增加了系统通态损耗。

发明内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种电源控制精度高、响应速度快的中频逆变电阻点焊电源系统。

本实用新型通过下述技术方案实现：

一种中频逆变电阻点焊电源系统，包括主电路、控制系统，所述主电路包括依次连接的电源开关、输入整流滤波电路、功率逆变电路、中频变压器、输出整流滤波电路；所述控制系统包括控制变压器、控制电路；所述控制变压器、输入整流滤波电路分别通过电源开关与工频交流电网连接，输出整流滤波电路与负载连接，控制电路与功率逆变电路、键盘、显示设备分别连接，该控制电路还与功率逆变电路的输出端连接。

所述功率逆变电路由四个IGBT管以及反并联二极管、电容和电阻组成的全桥式逆变转换电路。

所述控制电路包括处理器及与其连接的复位电路、电压/电流采样电路、过载保护电路、功率逆变驱动电路；所述功率逆变驱动电路还与一个功率逆变电路连接；所述电压/电流采样电路分别与输出整流滤波电路的输出端连接；所述处理器还与键盘、显示设备连接。

所述处理器包括A/D转换模块、比较模块、PWM输出模块、显示驱动模块和键盘接口，其中A/D转换模块与电压/电流采样电路连接，PWM输出模块与功率逆变驱动电路连接，显示驱动模块与显示设备连接，键盘接口与键盘连接。

本实用新型中频逆变电阻点焊电源系统，还包括一有效值处理电路，用于直接计算出包含直流的交流分量的复杂输入波形的真有效值，并将其转换成直流输出信号。

与现有技术相比本实用新型的有益效果在于：

(1)甩掉了传统的工频变压器，大大减轻了电源的体积和重量；

(2)逆变频率可为1kHz，4kHz、8kHz，将电源的控制精度提高到毫秒级，大大提高系统的响应速度，显著提升电源的调节分辨率和可控性；

(3)通过有效值处理电路和增量式PID控制算法，能够保证输出的精确性；

(4)采用有限双极性控制，实现了ZVZCS，大大降低了电源损耗；

(5)具有恒流、恒压、恒功率、定脉宽等多种输出特性，提高设备的工艺适应性；

(6)15项焊接参数可调，20组焊接参数储存，实现了多参数化；

(7)采用LCD显示，配有键盘输入和RS232通讯接口，实现了人性化设计；

(8)采用智能监控，可在线监控焊接电流、电压或输出功率，保证其工艺过程的一致性，简化了控制电路，实现了电源的高效化、智能化；

(9)本实用新型为各种高频电子元器件、网络元器件、各种贴片电感器、贴片变压器，各种感应式IC卡，各种钟表线圈、微型喇叭、讯响器微型电机，各种集成块、模块、各种金属线、金属带、金属片的焊接，以及印刷线路板的修补等提供一种新型低成本、高可靠性、高效率的电阻点焊装备，可增加产品技术含量，使之具有高效、节能、环保的特点，具有明显的经济效益和社会效益。

附图说明

图1是本实用新型中频逆变电阻点焊电源系统结构框图；

图2是本实用新型中频逆变电阻点焊电源系统的主电路图；

图3是本实用新型中频逆变电阻点焊电源系统的控制系统框图；

图4是本实用新型电流电压关系图；

图5是本实用新型有效值处理电路；

图6是本实用新型PID控制算法程序框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步具体详细描述，但本实用新型的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。

实施例

如图1所示，本实用新型中频逆变电阻点焊电源系统，包括主电路、控制系统，所述主电路包括依次连接的电源开关、输入整流滤波电路、功率逆变电路、中频变压器、输出整流滤波电路；所述控制系统包括控制变压器、控制电路；所述控制变压器、输入整流滤波电路分别通过电源开关与工频交流电网连接，输出整流滤波电路与负载连接，控制电路与功率逆变电路、键盘、显示设备分别连接，该控制电路还与功率逆变电路的输出端连接。

如图2所示。所述功率逆变电路由四个IGBT管Q1、Q2、Q3、Q4以及反并联二极管、电容和电阻组成的全桥式逆变转换电路。

如图3所示。所述控制电路包括处理器及与其连接的复位电路、电压/电流采样电路、过载保护电路、功率逆变驱动电路；所述功率逆变驱动电路还与一个功率逆变电路连接；所述电压/电流采样电路分别与输出整流滤波电路的输出端连接；所述处理器还与键盘、显示设备、RS232通讯接口连接。

所述处理器包括A/D转换模块、比较模块、PWM输出模块、显示驱动模块和键盘接口、通讯接口，A/D转换模块与电压/电流采样电路连接，PWM输出模块与所述功率逆变驱动电路连接，显示驱动模块通过处理器的I/O口、锁存译码器与显示设备连接，键盘接口通过处理器的I/O口与键盘连接，RS232通过max232与处理器的通用异步收发器(UART)模块连接。

处理器采用数字信号处理器DSPIC30F6010，其具有16位比较PWM输出功能，可以同时输出8路PWM信号，4路用于控制驱动功率逆变电路。驱动电路将PWM信号转换成能够驱动所述功率逆变电路的IGBT管开关的驱动信号。电源提供给负载的输出电压/电流大小可以通过调节控制PWM信号的占空比来实现。电压/电流采样电路包括霍尔传感器，电压、电流变换电路；电源运行过程中一旦有过电流、过电压、欠电压、过热、缺冷却水现象产生，保护电路将使DSP控制系统产生中断、复位，保证整个电源可靠工作。

如图1、2所示，输入整流滤波电路采用单相二极管整流桥电路。所述输出整流滤波电路采用二极管整流，电容、电感滤波电路；所述二极管为快速二极管。

功率逆变电路采用适合于大功率输出的全桥式逆变转换电路，包括四个IGBT管Q1、Q2、Q3、Q4以及反并联二极管、电容和电阻组成，四个IGBT管组成桥的四臂，中频变压器连接在它们的中间。如图2所示，功率逆变电路采用有限双极性的控制方式，即超前臂IGBT管Q1、Q2的驱动信号脉宽可以调节；滞后臂IGBT管Q3、Q4的驱动信号脉宽不可调，为固定值(即最大脉宽)；IGBT管Q1和Q3同时导通时间ton，IGBT管Q2和Q4也同时导通时间ton。中频变压器初级电压VAB和输出电压仅与IGBT管状态有关，与负载性质和大小无关，这样就保证了本中频逆变电阻点焊电源输出电压/电流的稳定性。为了避免同一桥臂上下两管同时导通造成短路，上下管必须设置一个固定的死区时间；通过调节IGBT管Q1、Q2驱动信号脉宽可以实现输出电压调节。

如图3、4所示，具体实施过程可分为四个阶段：t1-t2为功率传输阶段；t2-t4实现超前臂IGBT管Q1的零电压关断；t4-t5实现滞后臂IGBT管Q4的零电压关断；t5-t6实现超前臂IGBT管Q2的零电压、零电流导通、滞后臂IGBT管Q3的零电流导通；t7之后重新循环。其中UQ1、UQ2为超前桥臂的驱动脉冲，UQ3、UQ4为滞后桥臂的驱动脉冲，延时Δt时间(t6-t5)后关断。延时时间Δt(下降沿)根据需要调整。更具体地，t1时刻，IGBT管Q1和Q3同时导通，变压器原边电流ip开始上升，电流从IGBT管Q1经变压器流向IGBT管Q3，功率从原边流向副边；t2时刻IGBT管Q1关断，IGBT管Q1的关断是ZVS关断，原边电流ip通过IGBT管Q1、Q2并联电容的充放电继续按原方向流动，与Q2并联的电容经过一段时间的放电，在t3时刻电压降到零，IGBT 管Q2上的反并联二极管开始导通续流；由于箝位电容上的电压作用，t4时刻环流衰减到零在t4～t5时刻，箝位电容上的能量通过变压器漏感对IGBT管Q2的并联电容充电，由于时间常数很小，谐振过程很快结束，使IGBT管Q2两端电压保持稳定；t5时刻IGBT管Q3关断，这时IGBT管Q3上的电压电流均为零，实现ZVZCS关断。经过一固定的死区时间后，在t6时刻，IGBT管Q2、Q4同时导通，此时对IGBT管Q2来说，环流已衰减到零，而电压继续保持，故而为ZVZCS导通；t6之后的电路工作过程和t1～t6类似。

本发明中频变压器输出经输出整流滤波电路后提供负载。所述中频变压器的输出电压经所述输出整流滤波电路后提供直流输出，供给负载。所述电压/电流采样电路包括霍尔传感器，电压、电流变换电路。电流信号的采集直接在主电路上进行的，其输出是脉动或者交流信号。为了直接反映点焊过程中的电流大小，需要对该采样信号进行有效处理。

如图5所示。所述有效值处理电路采用高精度的真有效值转换器AD536作为有效值换算电路。AD536A可直接计算出任何包含直流的交流分量的复杂输入波形的真有效值，并将其转换成直流输出信号。利用AD536进行有效值转换可以实时地获得焊接电流有效值，在保证测量精度的同时大大节省DSP的软件运算，保证系统控制的实时性。

有效值转换电路的核心器件为AD536A，信号从管脚4输入，经过处理后从管脚8(图6)输出。为提高有效值转换精度，在AD536A的外围增加了误差调整电路。

如图6所示。所述增量式PID控制算法，可以通过位置PID算法(1)式推导出。

u (k) = K_{P} [(k) + \frac{T_{S}}{T_{I}} Σ_{J = 0}^{k} e (j) + \frac{T_{D}}{T_{S}} (e (k) - e (k - 1))] + u_{0} - - - (1)

由(1)可以得到控制器的第k-1个采样时刻的输出值为：

u (k - 1) = K_{P} [(k - 1) + \frac{T_{S}}{T_{I}} Σ_{J - 0}^{k - 1} e (j) + \frac{T_{D}}{T_{S}} (e (k - 1) - e (k - 2))] + u_{0} - - - (2)

将(1)与(2)相减并整理，就可以得到增量式PID控制算法公式为：

\begin{matrix} Δu (k) = u (k) - u (k - 1) \\ = K_{P} {e (k) - e (k - 1) + \frac{T_{S}}{T_{I}} e (k) + \frac{T_{D}}{T_{S}} [e (k) - 2 e (k - 1) + e (k - 2)]} \\ = Ae (k) + Be (k - 1) + Ce (k - 2) \end{matrix}

其中，

\begin{matrix} A = K_{P} (1 + \frac{T_{S}}{T_{I}} + \frac{T_{D}}{T_{S}}) \\ B = - K_{P} (1 + 2 \frac{T_{D}}{T_{S}}) \\ C = K_{P} \frac{T_{D}}{T_{S}} \end{matrix} - - - (3)

T为采样周期，T_D为微分时间，T_I为积分时间。从式(3)看出，数字增量式PID算法，只需贮存最近三个误差采样值e(k)、e(k-1)、e(k-2)。如果计算机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定A、B、C，使用前后三次测量的偏差值，即可由式(3)求出控制量。这里参数设置采用工程整定方法中的临界比例法。

如上所述便可较好地实现本实用新型。

Claims

1.一种中频逆变电阻点焊电源系统，其特征在于：包括主电路、控制系统，所述主电路包括依次连接的电源开关、输入整流滤波电路、功率逆变电路、中频变压器、输出整流滤波电路；所述控制系统包括控制变压器、控制电路；所述控制变压器、输入整流滤波电路分别通过电源开关与工频交流电网连接，输出整流滤波电路与负载连接，控制电路与功率逆变电路、键盘、显示设备分别连接，该控制电路还与功率逆变电路的输出端连接。

2.根据权利要求1所述中频逆变电阻点焊电源系统，其特征在于：所述功率逆变电路由四个IGBT管以及反并联二极管、电容和电阻组成的全桥式逆变转换电路。

3.根据权利要求2所述中频逆变电阻点焊电源系统，其特征在于：所述控制电路包括处理器及与其连接的复位电路、电压/电流采样电路、过载保护电路、功率逆变驱动电路；所述功率逆变驱动电路还与一个功率逆变电路连接；所述电压/电流采样电路分别与输出整流滤波电路的输出端连接；所述处理器还与键盘、显示设备连接。

4.根据权利要求3所述中频逆变电阻点焊电源系统，其特征在于：所述处理器包括A/D转换模块、比较模块、PWM输出模块、显示驱动模块和键盘接口，其中A/D转换模块与电压/电流采样电路连接，PWM输出模块与功率逆变驱动电路连接，显示驱动模块与显示设备连接，键盘接口与键盘连接。

5.根据权利要求4所述中频逆变电阻点焊电源系统，其特征在于：还包括一有效值处理电路，用于直接计算出包含直流的交流分量的复杂输入波形的真有效值，并将其转换成直流输出信号。