逆變焊接電源智能偏磁檢測與處理裝置的製作方法
2023-05-07 13:26:21
專利名稱：逆變焊接電源智能偏磁檢測與處理裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及焊接技術領域，尤其涉及一種逆變焊接電源智能偏磁檢測與處理裝置。
背景技術：
自20世紀80年代始，經過二三十年的發展，逆變焊接電源以其高效節能、動態響應快、控制靈活、便于波形的精細控制等優點，已經成為國際焊接設備市場中的主要發展方向。但可靠性低的問題是制約焊接電源快速發展的瓶頸，其中偏磁現象的存在是最為關鍵的問題。由於多種因素導致兩個PWM半周期內，施加在主變壓器上的脈衝幅度或寬度不相等，將在主變壓器中產生直流分量，勵磁電流發生急劇變化，磁化曲線嚴重畸變，導致主變壓器偏磁，從而使主變壓器一次側電流陡升(一般為幾個微秒)。短時間內過流，將使功率器件熱損耗加大，發生爆裂等永久性損害。目前主電路抗偏磁的措施主要由以下幾種方法(1)在變壓器磁路中加一定的氣隙，改善其磁導率的線性度，但會影響變壓器的輸出功率，增大其體積和重量。( 工程上一簡單又實用的方法，是在變壓器的一次側增加隔直電容器，阻斷直流分量。該方法能夠較大的抑制由正、反方向電壓幅度不等引起的偏磁，但由於主變壓器的工作狀況還要受到二次側輸出電流的影響，偏磁無法完全消除。(3)申請號為200910215161. 1的發明申請「一種逆變焊接電源抗偏磁裝置」中，通過在主變壓器一次側串聯線性電感，來增加系統抗偏磁能力。然而該方法抑制了電流上升率，降低了系統的動態響應性能，在對實時性要求較高的工藝方法有較大的局限。(4)申請號為99235012. 3的專利「開關電源抗偏磁的控制電路裝置」針對開關電源設計了一種抗偏磁控制電路，該方法將變壓器一次側反饋電流進行斜坡補償電路，然後與預置的給定進行比較，輸出信號送到模擬PWM晶片中，來切斷髮生畸變的電流。隨著焊接工藝的改進，焊接電流波形也多種多樣，如脈衝MIG焊、冷金屬過渡焊等，該方法單一的給定比較和傳統的模擬PWM晶片控制，已難以滿足目前高效的焊接工藝和高性能的數字焊接電源的需求。上述現有技術的缺陷是僅能在一定程度上抑制偏磁，且降低系統的動態響應性能，難以滿足高效的焊接工藝，特別是精細的熔滴控制以及高性能的數字焊接電源系統的需求問題。
發明內容
本發明的目的就是為了解決現有技術僅能在一定程度上抑制偏磁，且會降低系統的動態響應性能，難以滿足高效的焊接工藝，如精細的熔滴控制等，和高性能的數字焊接電源系統的需求的問題；提供一種逆變焊接電源智能偏磁檢測與處理裝置；當主變壓器偏磁、導致一次側電流急劇增大時，本系統中的偏磁檢測電路通過主變壓器一次側電流和焊接電流的同時採集，由檢測電路立即檢測到偏磁信號及其寬度，並將信息反饋給數字控制器，由相應的控制策略調整PWM輸出脈衝，實現偏磁快速、有效地抑制；具有一致性好，穩定性、可靠性高，通用性強、普適度高，控制策略靈活多變、智能性好的優點。為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案—種逆變焊接電源智能偏磁檢測與處理裝置，包括傳感器及信號調理模塊，加/ 減法器模塊，比例調節器，比較器，控制器輸入信號調理模塊，數字控制器，調節電壓輸入模塊；採集焊接電流的傳感器及信號調理模塊，將經傳感器及信號調理模塊處理的焊接電流信號輸送至加/減法器模塊，調節電壓輸入模塊將信號輸送至加/減法器模塊，信號經加/ 減法器模塊處理後輸送至比較器；主變壓器一次側電流經傳感器及信號調理模塊處理後輸送至比例調節器，比例調節器輸送信號至比較器，比較器將加/減法器模塊，以及比例調節器輸送的信號進行比較，比較器輸出的信號經過控制器輸入信號調理模塊，輸送至數字控制器。加/減法器主要包括電阻R3、R4、R5、R6和運算放大器U1ia ；電阻R5兩端分別連接電流霍爾傳感器和U1ia的同相輸入端；電阻R6 —斷連接U1ia的同相輸入端，一端接地； 電阻R3 —端連接U1ia的反相輸入端，一端連接調節電壓輸入模塊的輸出；電阻R4 —端連接U1ia的反相輸入端，一端連接在U1ia的輸出端。比例調節器主要包括電阻R7、R8和運算放大器U1ib ；電阻R7 —端接地，一端連接在運算放大器U1ib的反相輸入端；電位器R8 —端連接U1ib的反相輸入端，一端連接U1ib的輸出端。數字控制器採用單片機、DSP或FPGA。本發明的工作原理為同時採集主變壓器一次側電流和焊接電流，並進行信號調理，將變壓器一次側電流調整為同相脈衝信號，與焊接反饋電流分別由加法器/減法器和比例調節器進行調幅，然後由比較器輸出，獲得偏磁信號產生的位置和寬度，經信號調理環節後，發送給數字控制器。根據偏磁信號出現的位置和強弱，由相應控制策略快速調節PWM 佔空比，改變當前方向的伏秒積，產生適當的PWM驅動信號，使正、反方向伏秒積趨於平衡， 主變壓器迅速脫離飽和，恢復正常的磁滯回線工作區，達到消除偏磁的目的。同時還可通過監控焊接電源的最大輸出電流。具體的方案和工作流程是由電流霍爾傳感器實時獲取焊接電流，並轉換成電壓信號Uil，與由電阻Rl和電位器R2分壓產生的Um —起，經由電阻R3、 R4、R5、R6和運算放大器U1ia構成的減法器累加，輸出幅度可調的電流反饋信號，其中電位器R2的作用是調節反饋電流幅值，確定偏磁現象出現的臨界點；同時，由電流互感器獲取主變壓器一次側電流信號，並轉換成同相脈衝電流信號，經由電阻R7、R8和運算放大器U1ib 構成的比例調節器，輸出幅值可調的反饋信號；將獲取並變換的主變壓器一次側電流和輸出的焊接電流信號，經比較器U2_1A比較，可及時獲得偏磁信號送至數字控制器進行處理。 上拉電阻R9用來確保控制器能夠接收準確的偏磁信號。控制器則可在檢測出偏磁信號後， 調整後續PWM驅動脈衝的佔空比，使主變壓器恢復正常的磁滯回線工作區，達到消除偏磁的目的，提高系統穩定性和可靠性。數字控制器可以採用單片機、DSP或FPGA，無論哪種方式，均要保證此程序的最高優先級。焊接電源一旦發生偏磁，檢測電路立刻輸出觸發信號給數字控制器，使計數器開始工作計時，當偏磁持續時間小於m，則認為系統本身能夠自動調節此次偏磁現象，不必進行幹擾；當偏磁持續時間超過m(m的值很小，一般為幾個微秒)，則立即關閉各路PWM輸出，提前結束本周期PWM脈衝，並且增加下個周期的PWM佔空比(下周期PWM佔空比=本周期PWM佔空比XN，N> 1)，促使主變壓器磁芯工作曲線回歸正常狀態，從而消除偏磁現象。由於偏磁檢測電路全部採用了模擬器件搭建，所以能夠及時、正確的檢測出偏磁信號；而檢測出的偏磁信號又傳送至數字控制器，可編程實現多種控制策略，適應不同工藝、不同場合和應用背景下的偏磁現象處理。另外，主變壓器偏磁時，勵磁電流將發生急劇變化，使主變壓器飽和，主變壓器一次側電流波形發生畸變，然而此時在焊接電流中不會產生明顯的特徵信號，且系統偏磁時，變壓器一次側電流陡升時間一般在幾個微秒之內，因此偏磁信號檢測和控制處理的時間不能超過幾個微秒，且越快越好。因此，利用該特點，引入變壓器一次側電流反饋閉環將能夠有效的抑制過流，糾正變壓器偏磁，實時保護IGBT，彌補橋式電路本身的不足，提高系統穩定性。本發明的有益效果本方法充分利用逆變焊接電源主迴路輸入輸出的變比關係和先進的數字控制技術，同時採集和處理主變壓器一次側電流和焊接電流，具有以往措施沒有的優點(1) 一致性好，穩定性高。由模擬電路搭建檢測平臺和數位技術構築控制系統的設計理念，將完全能夠滿足快速偏磁現象的處理要求，並且大大提高系統抗擾動性，一致性好，便於實現和產業化應用。(2)通用性強，普適度高。因本方法採用了變壓器一次側電流和焊接電流同時採集與處理的方法，所以無論是直流焊、脈衝焊、冷金屬過渡焊等焊接工藝，均可沿用此方案。(3)控制策略靈活多變，智能性好。相比傳統的模擬電路搭建的控制平臺，本方法可根據實際工程應用的多樣性和特殊性，設計不同的控制策略(本例中給出的是典型的控制方法)，實現偏磁現象的自動處理。
圖1是本發明偏磁檢測及控制系統功能框圖；圖2本發明偏磁檢測與處理方案電路圖；圖3偏磁智能控制策略流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖與實施案例對本發明做進一步說明。逆變焊接電源智能偏磁檢測與處理裝置，如圖1 3所示，包括傳感器及信號調理模塊，加/減法器模塊，比例調節器，比較器，控制器輸入信號調理模塊，數字控制器，調節電壓輸入模塊。採集焊接電流的傳感器及信號調理模塊，將經傳感器及信號調理模塊處理的焊接電流信號輸送至加/減法器模塊，調節電壓輸入模塊將信號輸送至加/減法器模塊， 信號經加/減法器模塊處理後輸送至比較器；主變壓器一次側電流經傳感器及信號調理模塊處理後輸送至比例調節器，比例調節器輸送信號至比較器，比較器將加/減法器模塊，以及比例調節器輸送的信號進行比較，比較器將信號輸送至控制器輸入信號調理模塊，信號調理模塊將信號輸送至數字控制器。加/減法器主要包括電阻R3、R4、R5、R6和運算放大器U1+1A ；電阻R5兩端分別連接電流霍爾傳感器和U1+1A的同相輸入端；電阻R6—斷連接U1+1A 的同相輸入端，一端接地；電阻R3 —端連接U1ia的反相輸入端，一端連接調節電壓輸入模塊的輸出；電阻R4—端連的反相輸入端，一端連接在U1ia的輸出端。比例調節器主要包括電阻R7、R8和運算放大器R ib ；電阻R7 —端接地，一端連接在運算放大器R ib的反相輸入端；電位器R8 —端連接U1ib的反相輸入端，一端連接U1ib的輸出端。數字控制器採用單片機、DSP或FPGA。逆變焊接電源智能偏磁實時檢測電路的控制方法是，焊接電源一旦發生偏磁，檢測電路立刻輸出觸發信號給數字控制器，數字控制器接收到偏磁信號後，其內的計數器開始工作計時。根據不同的焊接條件，當偏磁持續時間小於3微秒時，則認為系統本身能夠自動調節此次偏磁現象，不必進行幹擾；當偏磁持續時間超過3微秒時，則立即關閉各路PWM輸出，提前結束本周期PWM脈衝，並且增加下個周期的PWM佔空比(N > 1)，促使主變壓器磁芯工作曲線回歸正常狀態，從而消除偏磁現象。 上述雖然結合附圖對發明的具體實施方式
進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。
權利要求
1.一種逆變焊接電源智能偏磁檢測與處理裝置，其特徵是，包括傳感器及信號調理模塊，加/減法器模塊，比例調節器，比較器，控制器輸入信號調理模塊，數字控制器，調節電壓輸入模塊。採集焊接電流的傳感器及信號調理模塊，將經傳感器及信號調理模塊處理的焊接電流信號輸送至加/減法器模塊，調節電壓輸入模塊將信號輸送至加/減法器模塊，信號經加/減法器模塊處理後輸送至比較器；主變壓器一次側電流經傳感器及信號調理模塊處理後輸送至比例調節器，比例調節器輸送信號至比較器，比較器將加/減法器模塊，以及比例調節器輸送的信號進行比較，比較器將信號輸送至控制器輸入信號調理模塊，信號調理模塊將信號輸送至數字控制器。
2.如權利要求1所述的逆變焊接電源智能偏磁檢測與處理裝置，其特徵是，所述加/減法器主要包括電阻R3、R4、R5、R6和運算放大器U1ia ；電阻R5兩端分別連接電流霍爾傳感器和仏―1A的同相輸入端；電阻R6—斷連接仏1A的同相輸入端，一端接地；電阻R3 —端連接 U1ia的反相輸入端，一端連接調節電壓輸入模塊的輸出；電阻R4 —端連接U1ia的反相輸入端，一端連接在U1ia的輸出端。
3.如權利要求1所述的逆變焊接電源智能偏磁檢測與處理裝置，其特徵是，所述比例調節器主要包括電阻R7、R8和運算放大器Ui w ；電阻R7 —端接地，一端連接在運算放大器 U1ib的反相輸入端；電位器R8 —端連接U1ib的反相輸入端，一端連接U1ib的輸出端。
4.如權利要求1所述的逆變焊接電源智能偏磁檢測與處理裝置，其特徵是，所述數字控制器採用單片機、DSP或FPGA。全文摘要
本發明公開了一種逆變焊接電源智能偏磁檢測與處理裝置；包括傳感器及信號調理模塊，加/減法器模塊，比例調節器，比較器，控制器輸入信號調理模塊，數字控制器，調節電壓輸入模塊。採集焊接電流的傳感器及信號調理模塊，將信號輸送至加/減法器模塊，調節電壓輸入模塊將信號輸送至加/減法器模塊，信號經加/減法器模塊處理後輸送至比較器；主變壓器一次側電流經傳感器及信號調理模塊處理後輸送至比例調節器，比例調節器輸送信號至比較器，比較器將加/減法器模塊、比例調節器輸送的信號進行比較，比較器將信號輸送至控制器輸入信號調理模塊，信號調理模塊將信號輸送至數字控制器；穩定性、可靠性高，通用性強。
文檔編號B23K9/095GK102500874SQ20111035264
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月10日 優先權日2011年11月10日
發明者孫興, 張光先, 張承慧, 段彬, 黃長偉 申請人:山東大學