一種弧焊機的製作方法

2023-11-05 03:20:02

專利名稱：：一種弧焊機的製作方法
技術領域：
：本實用新型涉及一種弧焊機，特別是一種嵌入式系統控制的數位化軟開關逆變弧焊機。
背景技術：
：到目前為止，直流焊機經歷了四個發展階段，即旋轉式直流弧焊機、矽整流弧焊機、晶閘管(可控矽)直流焊機和IGBT(絕緣柵雙極電晶體)逆變焊機，其先進性依次升高，其中IGBT逆變焊機是現階段主要機種，它與晶閘管焊機比較的主要優勢是體積小、重量輕，利於存放和方便移動；動態響應較快、電弧穩定、焊縫成型好；控制性能好、易於實現焊接過程的適時控制及組成自動焊接系統；允許電網電壓波動範圍寬，IGBT逆變焊機的主要工作原理可簡單表示為工頻交流(經整流濾波)、直流(經逆變器)、中頻交流(降壓、整流、濾波)、直流。傳統焊機由於其控制性能及動態響應方面存在嚴重不足，很難實現對焊接電弧的實時控制。晶閘管整流焊接電源雖然其控制性能及動態響應方面有所進步，但工作頻率太低，系統響應速度慢，用于波形控制，有失控問題，不能實現對短路過渡實時、精確控制。IGBT逆變焊機工作頻率達20KHz，每秒控制電弧的次數達到4萬次，即最小可控制時間為2.5us，確保實現對短路過渡實時、精確控制。傳統的硬開關控制技術是指開關管上的電壓或電流不為零時，強迫開關管開通或關斷，這時開關管的電壓和電流有一個交疊的過程，將導致開關管在開關過程中產生開關損耗，而且開關損耗與開關的工作頻率成正比，在硬開關狀態下的工作變換器，隨著頻率的上升，一方面開關管的損耗會大幅度上升，變換器的效率大大降低，另一方面還將產生嚴重的電磁幹擾(EMI)。硬開關控制技術的缺陷限制了工作在硬開關狀態下的變換器工作頻率的進一步提升，限制了變換器減小體積和重量，難以實現高度集成化和小型化。
實用新型內容本實用新型的目的是提供一種嵌入式系統控制的數位化軟開關逆變弧焊機。本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是由嵌入式系統控制電路控制主電路實現弧焊，脈衝寬度調製採用軟開關移相電路(5)與峰值電流保護模式；脈衝驅動及保護(4)電路採用一驅二的磁罐型脈衝變壓器，同時增加電容、雙絞線和TVS管及電阻繼續保護，防止過壓和過壓引起的IGBT誤導通。採用以單片機軟體編程控制系統，和以專用軟開關移相控制晶片為核心的ZVZCS全橋IGBT逆變軟開關控制主電路，工頻電源輸入進行三相整流及濾波(1)之後連接ZVZCS全橋軟開關變換電路(2)，由IGBT逆變器進行高頻逆變，再經高頻變壓器降壓之後，連接通過二次整流及濾波(3)之後輸出；控制電路主要由最小控制系統(7)接收電壓反饋(12)信號後輸出控制信號送入進行D/A轉換(6)，形成模擬信號，再經過軟開關移相電路(5)產生P麗控制信號，後經脈衝驅動及保護電路(4)進行驅動放大和抗幹擾保護，送入ZVZCS全橋軟開關變換電路(2)中的IGBT，進行全橋軟開關逆變，實現閉環控制。主電路構成如下(1)輸入保護及整流濾波電路，包括三個壓敏電阻，三個EBB電容和一個環型濾波器；(2)全橋軟開關變換電路，採用IGBT、逆變軟開關電路，採用ZVZCSP麗全橋變換器；(3)輸出整流濾波。控制電路構成如下(1)最小控制系統，包括A:89C51為核心的程序控制電路，該系列單片機採用靜態80C51;B:串行A/D轉換，並行D/A轉換電路，主要是進行數位訊號和模擬信號的相互轉換；C、復位及時鐘電路；D、保護電路；E、電流電壓顯示電路(9);F、輸入開關變量信號等模塊；(2)由軟開關移相晶片L1CC3895構成的軟開關移相電路(5)及峰值過流保護電路；(3)驅動電路及保護電路；(4)電源電路，由控制變壓器通過整流、濾波後轉換成直流電源，根據各種晶片的工作電源要求，通過線性穩壓電源進行不同直流電源的轉換。本實用新型的有益效果是採用軟開關後，IGBT的損耗小，發熱少，整機效率高，大大提高了IGBT、的可靠性和整機的可靠性。移相全橋軟開關P麗控制器是一種應用廣泛，適用於較大功率，低電壓等場合的控制器，該控制器採用P麗移相控制，在不附加其他額外元氣件，電路成本和複雜程度基本不變的情況下，利用控制器的漏感和功率開關管的電容進行諧振。ZVZCS零電流和零電壓的開通和關斷，使得IGBT的電壓電流應力大為減小，減小了電磁輻射，增強了整機的可靠性。從而減小了開關損耗，並且開關電壓應力的減小使得開關頻率可以進一步提高，實現逆變弧焊機的進一步高頻化，高效化。採用單片機進行數位化設計能夠在硬體電路基本不變的情況下通過改變軟體編程實現各種不同焊機的程序功能，同時能夠方便進行產品升級，通過數位化設計，將原來很多通過模擬信號進行處理的數據信號，都進行數位訊號處理，大大增強了可靠性，方便進行故障診斷。圖l是本實用新型框圖。圖2是輸入保護及整流濾波電路圖。圖3全橋軟開關變換電路圖。圖4是控制電路圖。圖5是軟開關移相電路及峰值過流保護電路圖。具體實施方式由圖l至圖5可知，本實用新型採用了IGBT軟開關逆變技術，工頻三相380V電源輸入整流後由IGBT逆變器變為高頻交流，經高頻變壓器降壓，經整流器整流，濾波後輸出適合於焊接的直流電。控制的電路設計實現整機閉環控制，使焊接電源具有良好的抗電網波動能力。由以下幾個部分組成主電路、以單片機89C51為核心控制的程序控制電路、以專用軟開關移相晶片UCC3895構成的ZVZCS軟開關全橋移相控制電路、驅動及保護電路等構成，系統框圖如圖1。1、主電路包括(1)輸入保護及整流濾波電路l，如圖2。輸入及保護電路包括三個壓敏電阻，三個CBB電容和一個環型濾波器構成。整流之後包括一個10U-50UF構成的濾波電容和一個LC電路構成緩啟動電路。其中風機採用380V電源，保證與控制變壓器的輸入電源在相同的兩個相序上，以防止出現當缺其中一相時，會出現控制變壓器工作，控制電路工作正常，但風機不轉而導致IGN、或輸出整流二極體燒毀。電感L2採用在U形鐵氧體磁柱上纏繞1225匝的多股線。(2)ZVZCS全橋軟開關變換電路2。本弧焊機採用IGBT逆變軟開關電路，主電路採用新型ZVZCSPWN全橋變換器如圖3。傳統的硬開關控制技術是指開關管上的電壓或電流不為零時，強迫開關管開通或關斷，這時開關管的電壓和電流有一個交疊的過程，將導致開關管在開關過程中產生開關損耗，而且開關損耗與開關的工作頻率成正比，在硬開關狀態下的工作變換器，隨著頻率的上升，一方面開關管的損耗會大幅度上升，變換器的效率大大降低，另一方面還將產生嚴重的EMI幹擾。硬開關控制技術的缺陷限制了工作在硬開關狀態下的變換器工作頻率的進一步提升，限制了變換器減小體積和重量，實現高度集成化和小型化。而上圖說示ZVZCS全橋軟開關電路中，由四個IGBTQ-Q4組成全橋電路，與一般硬開關電路不同的是Ql和Q2構成超前橋臂，Q3和Q4構成滯後橋臂，以上主電路配合IGB'I、的時序控制實現ZVZCS控制，即配合Q1和Q2兩端的電容實現IGBT的零電壓的開通和關閉，而串聯在超微晶變壓器初級的電容和電感構成的諧振電路實現Q3和Q4的零電流的開通和關閉。其中所述的電容由特製高頻大容量無極性電容組成，所述的諧振電感由鐵氧體磁環1-4個纏繞3-10匝多股線構成，設計簡單，成本低。採用軟開關的主要作用是IGBT的損耗小，發熱少，整機效率高，大大提高了IGBT的可靠性和整機的可靠性。通過實現ZVZCS零電流和零電壓的開通和關斷，使得IGBT的電壓電流應力大為減小，減小了電磁輻射，增強了整機的可靠性。(3)輸出整流濾波32、控制電路，如圖4。所述的控制電路包括由89C51單片機為核心構成的最小控制系統(7)電路、由專用軟開關移相晶片LICC3895構成的軟開關移相電路(5)及峰值過流保護電路、IGBT脈衝驅動及保護4電路、電源電路。(1)、由89C51單片機構成的最小控制系統(7)。包括A:89C51為核心的程序控制電路，該系列單片機是採用高性能的靜態80C51設計，由先進CMOS工藝製造並帶有非易失性Flash程序存儲器，無需外接存儲器，通過軟體編程實現各種程序功能，儲器全部支持12時鐘和6時鐘操作。同時具有內部RAM存儲器，無需外接刪，使得設計電路簡單可靠。B:串行A/D轉換(11)，並行D/A轉換(6)電路，主要是進行數位訊號和模擬信號的相互轉換。C、復位及時鐘電路。D、過流/欠壓保護(8)電路、E、電流電壓顯示電路(9)、F輸入開關變量信號(10)等模塊。控制電路主要實現程序是數字電壓、電流顯示，電壓或電流可以精確預置，能夠方便進行規範調節；電流電壓連續可調；提前送氣和延遲斷氣功能；收弧功能，能夠填滿弧坑。還可以根據不同焊機進行軟體程序更改，以實現不同的焊接功能。採用單片機進行數位化設計的最大優點是能夠在硬體電路基本不變的情況下通過改變軟體編程實現各種不同焊機的程序功能，比如在最小控制系統(7)基本不變的情況下，能夠通過改變軟體程序實現氣體保護焊機、直流焊機、氬弧焊機等產品的設計；同時能夠方便進行產品升級，比如通過升級軟體版本，增強原有功能，或者修改原來的錯誤。使得產品開發周期大大縮短，降低後續產品設計成本。同時通過數位化設計，將原來很多通過模擬信號進行處理的數據信號，都進行數位訊號處理，大大增強了可靠性。同時方便進行故障診斷。串行A/D轉換(11)，並行D/A(6)轉換電路，主要是進行數位訊號和模擬信號的相互轉換。復位和時鐘電路主要是對單片機進行上電復位。時鐘電路是提供單片機工作的振蕩時鐘。(2)由專用軟開關移相晶片IJCC3895構成的軟開關移相電路(5)及峰值過流保護電路，如圖5。移相全橋軟開關P麗控制器是一種應用廣泛，適用於較大功率，低電壓等場合的控制器，該控制器採用P麗移相控制，在不附加其他額外元氣件，電路成本和複雜程度基本不變的情況下，利用控制器的漏感和功率開關管的電容進行諧振，實現ZVZCS，從而減小了開關損耗，並且開關電壓應力的減小使得開關頻率可以進一步提高，故可以實現當前逆變弧焊機的進一步高頻化，高效化的發展趨勢，前景十分廣闊。實現移相全橋軟開關P麗控制的方法很多，比如採用分離器件進行邏輯組合，採用專用的集成控制晶片，採用DSP或CPI。D或FPGA數字邏輯電路實現等。第一種方法較為複雜，不利用實際應用，第三種方法的成本相對較高，設計比較複雜，而採用專用的集成控制晶片則是設計者採用較多的方法。當前應用較多的移相全橋軟開關P麗控制晶片主要是LJC3879或IJC3875系列等。IJC3879作為LJC3875的改進型，其工作原理和結構是相同的，但在一些功能上進行了改進。而IJCC3895是TI公司生產的又一種高性能的P麗移相全橋軟開關控制器，它是LJC3879的改進型，除了JC3879的功能外，最大的改進是增加了白適用死區時間設置，以適用負載變化時不同的準諧振軟開關要求。新增加了P麗軟關斷能力，同時由於它採用了BC匿OS工藝，使得它的功耗更小，工作頻率更高，因而更適合於高效率、高頻率、高可靠性的要求。以下是幾種控制晶片的參數比較tableseeoriginaldocumentpage6tableseeoriginaldocumentpage7控制器的四路輸出OUTA—OUTD產生的脈衝信號送入到驅動電路中，進行去驅動放大後再送到四個工IGBT進行控制IGBT的開通和關斷。控制器的工作頻率由電阻R28，R29和電容C52共同決定。電流反饋(13)信號通過放大後送入到UCC3895的第一腳進行處理。同時由於採用峰值電流模式控制P麗(PeakCllrrent-modeControlP麗)，峰值電流的檢測信號是通過在主電路初級線圈中串入一個磁環繞成的線圈。通過繞制線圈檢測出電流送入LJCC3895進行處理的。對電流控制型而言，只要電流脈衝達到設定的幅值，脈寬比較器就動作，開關管關斷，保證了輸出電壓的穩定。相對於電壓控制型而言，檢測電路對電流的變化沒有直接的反映，一直等到輸出電壓發生變化後才去調節脈寬，由於濾波電路的滯後效應，這種變化需要多個周期後才能表現出來，顯然動態響應速度要慢得多，且輸出電壓的穩定性也受到一定的影響。峰值電流模式控制P麗的優點①暫態閉環響應較快，對輸入電壓的變化和輸出負載的變化的瞬態響應均快；②控制環易於設計；③輸入電壓的調整可與電壓模式控制的輸入電壓前饋技術相媲美；④瞬時峰值電流限流功能，即內在固有的逐個脈衝限流功能等等。所以通過這種設計方式，也能夠有效的保護IGBT在瞬間大電流時的保護作用，有效的降低的逆變焊機的故障率，大大提高了焊機的可靠性。(3)驅動電路及保護電路採用一驅二的磁罐型脈衝變壓器進行驅動，阻抗匹配合適，能保證脈衝驅動信號的過衝控制在IGBT容限範圍以內，防止過壓導致IGBT誤導通。絕緣柵雙極電晶體(IGBT)所用驅動線等長，驅動線為兩根並繞的雙絞線，在雙絞線前並聯電容；在絕緣柵雙極電晶體(IGBT)的控制極和發射極之間增加瞬態電壓抑制二極體(TVS)和電阻。(4)電源電路由控制變壓器通過整流、濾波後轉換成直流電源，然後根據各種晶片的工作電源要求，通過線性穩壓電源進行不同直流電源的轉換。如提供給89C51、A/D轉換晶片、UCC3895等晶片的工作電源。採用以89C51為核心的單片機軟體編程控制系統，和以專用軟開關移相控制晶片LJCC3895為核心的ZVZCS全橋IGBT逆變軟開關控制主電路，工頻三相380V電源輸入進行三相整流及濾波(1)之後連接ZVZCS全橋軟開關變換電路(2)，由IGB1、逆變器進行高頻逆變，變為高頻交流，再經高頻變壓器降壓之後，連接通過二次整流及濾波(3)之後輸出適合於焊接的直流電，通過這個過程，IGBT損耗小，節能效果顯著，輸出電源穩定，飛濺小，焊接效果好，大大增強整機可靠性，同時提高了焊機的動態響應速度，減小了焊機的體積和重量。控制電路主要是由最小控制系統(7)接收電壓採集信號後輸出控制信號送入進行D/A轉換(6)，形成模擬信號，再經過專用軟開關移相電路(5)產生P麗控制信號，後經脈衝驅動及保護(4)電路進行驅動放大和抗幹擾保護，最終送入ZVZCS全橋軟開關變換電路(2)中的4個IGBT，進行全橋軟開關逆變，通過數位化實進行閉環控制，使焊接電源具有良好的抗電網波動能力，焊接性能優異。同時實現電流、電壓採集、顯示及控制和各種應用功能的數位化處理，大大提高產品的可靠性和降低綜合成本。以上公開的僅為本實用新型的幾個具體實施例，但本實用新型並非局限於此，任何本領域的技術人員能思之的變化，都應落在本實用新型的保護範圍內。權利要求一種弧焊機，其特徵在於，由嵌入式系統控制電路控制主電路實現弧焊，脈衝寬度調製採用軟開關移相電路與峰值電流保護模式；脈衝驅動及保護電路採用一驅二的磁罐型脈衝變壓器，同時增加電容、雙絞線和瞬態電壓抑制二極體(TVS)及電阻繼續保護防止過壓和過壓引起的IGBT誤導通。2.如權利要求1所述的弧焊機，其特徵在於，採用以單片機軟體編程控制系統，和以專用軟開關移相控制晶片為核心的ZVZCS全橋IGBT逆變軟開關控制主電路，工頻電源輸入進行三相整流及濾波(1)之後連接ZVZCS全橋軟開關變換電路(2)，由IGBT逆變器進行高頻逆變，再經高頻變壓器降壓之後，連接通過二次整流及濾波(3)之後輸出；控制電路主要由最小控制系統(7)接收電壓反饋(12)信號後輸出控制信號送入進行.D/A轉換(6)，形成模擬信號，再經過軟開關移相電路(5)產生P麗控制信號，後經脈衝驅動及保護電路(4)進行驅動放大和抗幹擾保護，送入ZVZCS全橋軟開關變換電路中(2)的IGBT，進行全橋軟開關逆變，實現閉環控制。3.如權利要求1所述的弧焊機，其特徵在於，主電路構成如下(1)輸入保護及整流濾波電路，包括三個壓敏電阻，三個CBB電容和一個環型濾波器；(2)全橋軟開關變換電路，採用工GBT逆變軟開關電路，採用ZVZCSP麗全橋變換器；(3)輸出整流濾波。4.如權利要求1所述的弧焊機，其特徵在於，控制電路構成如下(1)最小控制系統，包括A:89C51為核心的程序控制電路，該系列單片機採用靜態80C51;B:串行A/D轉(11)，並行D/A轉換電路，主要是進行數位訊號和模擬信號的相互轉換；C、復位及時鐘電路；D、保護電路；E、電流電壓顯示電路；F、輸入開關變量信號等模塊；(2)由軟開關移相晶片LJCC3895構成的軟開關移相電路及峰值過流保護電路；(3)驅動電路及保護電路；(4)電源電路，由控制變壓器通過整流、濾波後轉換成直流電源，根據各種晶片的工作電源要求，通過線性穩壓電源進行不同直流電源的轉換。專利摘要一種嵌入式系統控制的數位化軟開關逆變弧焊機。它主要是解決傳統焊機控制性能及動態響應方面的不足，很難實現對焊接電弧的實時控制以及提高逆變焊機的可靠性等技術問題。由控制電路控制主電路實現弧焊，脈衝寬度調製採用軟開關移相電路；脈衝驅動及保護電路採用一驅二的磁罐型脈衝變壓器，同時增加電容、雙絞線和TVS管及電阻繼續保護，防止過壓和過壓引起的IGBT誤導通。主要是用於各類焊接。文檔編號B23K9/00GK201455496SQ20092007700公開日2010年5月12日申請日期2009年6月25日優先權日2009年6月25日發明者鄒羅院申請人:上海滬工電焊機製造有限公司