專利名稱：電焊機(jī)軟開關(guān)逆變焊接電源的單片機(jī)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種逆變焊接電源控制方法技術(shù)領(lǐng)域，特別是軟開關(guān)逆變焊接電源控制方法 技術(shù)領(lǐng)域，具體是指一種電焊機(jī)軟開關(guān)逆變焊接電源的單片機(jī)控制方法。
背景技術(shù)：
軟開關(guān)技術(shù)使得功率開關(guān)管在開關(guān)過程瞬間電流軌跡和管壓降軌跡錯(cuò)開，在較大程度上 解決了功率開關(guān)管損耗和開關(guān)應(yīng)力過大的問題，減少了功率器件的dw/df和dZ/d/造成的電磁 千擾，提高了效率。因此，軟開關(guān)式焊接電源是一種具有廣闊前景的新型焊接電源。
隨著單片機(jī)技術(shù)在焊接電源中的應(yīng)用，焊接電源的柔性化設(shè)計(jì)成為可能，焊接電源設(shè)計(jì) 時(shí)間大大縮短，正朝著模塊化方向發(fā)展。因此，集合軟開關(guān)技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)搭建一個(gè)焊接 電源平臺(tái)來研制開發(fā)焊條焊、TIG焊、C02焊、埋弧焊等焊接電源顯得十分有意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種電焊機(jī)軟開關(guān)逆變焊接電源的單片機(jī)控制方法，該單片機(jī)控 制方法可設(shè)定焊接參數(shù)和監(jiān)控電源工作、操作簡(jiǎn)單、效率高、由其控制的電源用途范圍廣。
為了達(dá)到上述的目的，本發(fā)明提供一種電焊機(jī)軟開關(guān)逆變焊接電源的單片機(jī)控制方法， 其特點(diǎn)是，通過單片機(jī)控制單元設(shè)定焊接參數(shù)，輸出給定電流，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬 量和反饋電流進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，PI調(diào)節(jié)后的值送入電流模式的PWM芯片，然后輸出PWM驅(qū)動(dòng) 脈沖，經(jīng)驅(qū)動(dòng)變壓器隔離放大后用于驅(qū)動(dòng)軟開關(guān)逆變焊接電源的IGBT。
較佳地，還包括當(dāng)過熱、欠電壓或空載時(shí)，單片機(jī)控制裝置輸出封鎖信號(hào)封鎖PWM 芯片，從而封鎖輸出。
較佳地，還包括步驟單片機(jī)控制單元利用通用同步和異步串行接收器和轉(zhuǎn)發(fā)器與表頭 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，實(shí)時(shí)把焊接數(shù)據(jù)發(fā)送給表頭單片機(jī)。
較佳地，還包括步驟單片機(jī)控制單元利用串行外設(shè)接口通過總線實(shí)現(xiàn)與遙控器的遠(yuǎn)距 離通信。
采用了本發(fā)明的電焊機(jī)軟開關(guān)逆變焊接電源的單片機(jī)控制方法，由于本發(fā)明用于控制的 電源采用軟開關(guān)技術(shù)，因此性能穩(wěn)定，效率高，功耗小，具有良好的電氣性能；本發(fā)明采用
3片單片機(jī)，省去了大量的模擬電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、可設(shè)定焊接參數(shù)和監(jiān)控電源工作、操作簡(jiǎn) 單、效率高，另外整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)采用先進(jìn)的Atmega單片機(jī)，系統(tǒng)占用空間富余多，可以 在線編程隨時(shí)對(duì)焊機(jī)進(jìn)行在線升級(jí)；本發(fā)明控制的電源可用于焊條焊、TIG焊、CCh焊、埋
弧焊等。


圖1是受本發(fā)明控制的焊接電源的主電路示意圖。
圖2是本發(fā)明的控制信號(hào)和主電路波形示意圖。
圖3是本發(fā)明的 一具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明的 一具體實(shí)施例的主程序流程圖。
圖5是本發(fā)明的一具體實(shí)施例的PWM芯片的外圍電路圖。
具體實(shí)施例方式
以下將對(duì)本發(fā)明的焊機(jī)性能實(shí)時(shí)記錄方法作進(jìn)一 步的詳細(xì)描述。
請(qǐng)參閱圖1 圖5所示，本發(fā)明的電焊機(jī)軟開關(guān)逆變焊接電源的單片機(jī)控制方法，通過單 片機(jī)控制單元設(shè)定焊接參數(shù)，輸出給定電流，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量和反饋電流進(jìn)行 PI調(diào)節(jié)，PI調(diào)節(jié)后的值送入電流模式的PWM芯片，然后輸出PWM驅(qū)動(dòng)脈沖，經(jīng)驅(qū)動(dòng)變壓 器隔離放大后用于驅(qū)動(dòng)軟開關(guān)逆變焊接電源的IGBT。
較佳地，還包括當(dāng)過熱、欠電壓或空載時(shí)，單片機(jī)控制裝置輸出封鎖信號(hào)封鎖PWM 芯片，從而封鎖輸出。
較佳地，還包括步驟單片機(jī)控制單元利用通用同步和異步串行接收器和轉(zhuǎn)發(fā)器與表頭 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，實(shí)時(shí)把焊接數(shù)據(jù)發(fā)送給表頭單片機(jī)。
較佳地，還包括步驟單片機(jī)控制單元利用串行外設(shè)接口通過總線實(shí)現(xiàn)與遙控器的遠(yuǎn)距 離通信。
用于本發(fā)明的電焊機(jī)軟開關(guān)逆變焊接電源的單片機(jī)控制系統(tǒng)，包括單片機(jī)控制裝置、A/D 轉(zhuǎn)化器、PI調(diào)節(jié)單元、PWM芯片、及用于驅(qū)動(dòng)開關(guān)逆變焊接電源的IGBT的驅(qū)動(dòng)變壓器，所 述單片機(jī)控制裝置包括單片機(jī)控制單元、分別與所述單片機(jī)控制單元連接的上電復(fù)位單元和 時(shí)針單元，所述單片機(jī)控制單元通過所述A/D轉(zhuǎn)化器連接所述Pl調(diào)節(jié)單元，所述PI調(diào)節(jié)單 元通過所述PWM芯片連接所述驅(qū)動(dòng)變壓器。
較佳地，所述單片機(jī)控制裝置還包括表頭單片機(jī)，所述表頭單片機(jī)連接所述單片機(jī)控制 單元。
較佳地，所述單片機(jī)控制裝置還包括遙控器單片機(jī)，所述遙控器單片機(jī)連接所述單片機(jī) 控制單元。
較佳地，所述單片機(jī)控制單元連接所述PWM芯片。
上述的單片機(jī)控制系統(tǒng)的軟開關(guān)逆變焊接電源的功率電路原理如圖1所示。功率電路采 用飽和電感式FB-ZVZCS-PWM變換器拓樸，超前橋臂(IGBT！和IGBT2組成的橋臂)實(shí)現(xiàn)零電 壓開關(guān)，滯后橋臂(IGBT3和IGBT4組成的橋臂)實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)逆變焊機(jī) 的零電壓零電流開關(guān)(ZVZCS)。阻斷電容Cb衰減環(huán)流電流，飽和電感Lr阻斷電流反向增加。 t/in為輸入直流電壓源，VD廣VD4分別是與IGBT廣IGBT4(型號(hào)為BSM75GB120DN2)反向并聯(lián) 的二極管，C,, C2分別是IGBT!， IGBT2的輸出電容和外接電容之和，Lk為變壓器Tr的漏感， VDw和VDr2(型號(hào)MUR200)為輸出整流二極管，Lf為輸出濾波電感，R為電弧等效電阻?，F(xiàn) 以圖1所示電路拓樸并采用有限雙極性控制為例，說明超前臂零電壓、滯后臂零電流的實(shí)現(xiàn) 原理。
IGBT, IGB丁4的控制信號(hào)、兩橋臂中點(diǎn)電壓UAB、變壓器一次電流ip和電容Cb兩端電壓 Ucb的波形如圖2所示。
to時(shí)刻關(guān)斷l(xiāng)GBTp由于IGBT,并^^電容d兩端電壓不能突變，所以IGBL零電壓關(guān)斷。 此后C,， C2開始充放電，t!時(shí)刻充放電結(jié)束，VD2導(dǎo)通為IGBT2開通創(chuàng)造了零電壓開通的條 件， 一次電流環(huán)流開始。此時(shí)，電容Cb的電壓Ucb全加在變壓器的漏感上， 一次電流很快衰 減，t2時(shí)刻一次電流衰減到零，飽和電感阻斷電流反向增加，使一次電流保持為零，從而實(shí) 現(xiàn)IGBT4零電流關(guān)斷。另半個(gè)周期的軟開關(guān)過程與此類似。
單片機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成原理如圖3所示。以Atmegal6為核心，與上電復(fù)位電路、時(shí)鐘電 路一起構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)，PD(0 7)輸出的給定電流經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器7537轉(zhuǎn)換成模擬量和 反饋電流if進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，PI調(diào)節(jié)后的值送入電流才莫式的PWM芯片UC3846，然后輸出PWM 驅(qū)動(dòng)脈沖，經(jīng)驅(qū)動(dòng)變壓器隔離放大驅(qū)動(dòng)IGBT。當(dāng)過熱、欠電壓或空載時(shí)，單片機(jī)輸出封鎖信 號(hào)封鎖UC3846,從而封鎖輸出。另外，單機(jī)利用通用同步和異步串行接收器和轉(zhuǎn)發(fā)器(USART) 與表頭的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，實(shí)時(shí)把焊接數(shù)據(jù)發(fā)送給表頭單片機(jī)，利用串行外設(shè)接口 SPI通過 485總線實(shí)現(xiàn)與遙控器的遠(yuǎn)距離通信。
單片機(jī)控制系統(tǒng)共采用了 3片Atmega單片機(jī)，主控板、表頭和遙控器分別用 一片單片 機(jī)，主控單片機(jī)與表頭單片機(jī)和遙控單片機(jī)實(shí)現(xiàn)通信。下面以SMAW焊機(jī)為例，介紹3片單 片機(jī)的功能。
(1 )主控單片機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)焊機(jī)的管理功能，并實(shí)時(shí)與表頭單片機(jī)和遙控器單片機(jī)實(shí)現(xiàn)通 信。它具有參數(shù)設(shè)定和開關(guān)量輸入功能，設(shè)定參數(shù)包括焊接電流、推力電流、引弧電流、引
弧時(shí)間、電纜長(zhǎng)度，開關(guān)量輸入包括過熱保護(hù)信號(hào)、弧壓狀態(tài)Vinn、引弧成功信號(hào)等，PD(0~7) 口輸出不同焊接狀態(tài)時(shí)刻的給定電流(即疊加引弧電流、推力電流)，并根據(jù)需要及時(shí)輸出保 護(hù)信號(hào)封鎖輸出。
(2)表頭單片機(jī)負(fù)責(zé)采樣三相電輸入、弧壓和反饋電流，并和主控單片機(jī)發(fā)送過來的焊 接參數(shù)一并顯示。因有專門的單片機(jī)負(fù)責(zé)顯示，所以顯示參數(shù)大大增加(顯示參數(shù)5個(gè)焊 接電流、推力電流、引弧電流、引弧時(shí)間、電纜長(zhǎng)度；焊接參數(shù)6個(gè)焊接時(shí)電流、A， B， C三相輸入電壓、弧壓、累計(jì)焊接時(shí)間)。
(3 )遙控器單片機(jī)可以在遙控方式時(shí)設(shè)定焊接電流和推力電流，實(shí)時(shí)顯示主控單片機(jī)發(fā) 送過來的焊接電流和弧壓參數(shù)，而且能及時(shí)根據(jù)故障情況點(diǎn)亮故障燈。
ATmegal6單片機(jī)是基于增強(qiáng)AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先 進(jìn)的指令集和單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmegal6的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MTPS/MHz,從而可 以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。它具有16kB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash (具有同時(shí)讀 寫能力，即RWW)， 512B的EEPROM, lkB的SRAM, 32個(gè)通用I/O 口線，32個(gè)通用工作 寄存器，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，3個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、片內(nèi)/外中斷，可 編程串行USART, 8路0位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益的ADC，振蕩器的可編程看門 狗定時(shí)器，1個(gè)SPI串行端口，而且價(jià)格適中，因此具有極高的性價(jià)比。
以SMAW焊機(jī)為例，主控單片機(jī)的軟件主要由以下幾個(gè)部分組成主程序、初始化程序、 A/D轉(zhuǎn)換程序、引弧程序、電纜補(bǔ)償程序、加減推力中斷程序、通信程序。主程序流程圖如 圖4所示。
上電后復(fù)位后，程序從002AH開始運(yùn)行。系統(tǒng)先執(zhí)行初始化子程序，并封鎖焊機(jī)輸出， 然后完成各參數(shù)的初始值設(shè)定。當(dāng)選用遙控方式時(shí)，接受遙控器上的設(shè)定參數(shù)，否則接受本 機(jī)參數(shù)。單片機(jī)根據(jù)輸入的電纜長(zhǎng)度和焊接電流值計(jì)算出輸出電纜壓降，自動(dòng)計(jì)算出疊加推 力電流弧壓拐點(diǎn)值。隨后焊機(jī)檢測(cè)弧壓狀態(tài)Vin。是否為l(即焊條是否與工件接觸)，為1時(shí)， 焊機(jī)解除封鎖，開中斷，并開始執(zhí)行引弧程序，即輸出疊加了引弧電流后的焊接電流給定值， 當(dāng)引弧時(shí)間到了以后取消引弧電流，輸出正常的焊接電流值。焊機(jī)檢測(cè)弧壓，當(dāng)弧壓低于單 片機(jī)計(jì)算后的拐點(diǎn)值時(shí)利用外部中斷進(jìn)入中斷子程序疊加推力，輸出疊加推力值后的焊接電 流給定值。
由于系統(tǒng)采用Atmega單片機(jī)，占用空間富余多，可以在線編程對(duì)焊接電源進(jìn)行升級(jí)。 ZVZCS-PWM軟開關(guān)控制電路以電流模式的UC3846芯片為核心，UC3846芯片采用峰
值電流模式控制方法，即開關(guān)器件在固定時(shí)間開通，電流瞬時(shí)值達(dá)到電流給定值時(shí)，開關(guān)器
件關(guān)斷。UC3846外圍電路見圖5。
給定值和反饋值經(jīng)PI調(diào)節(jié)后的值輸入U(xiǎn)C3846的5腳(誤差放大器同向輸入端)、6腳(誤 差放大器反向輸入端)和7腳(補(bǔ)償端)相連，接成跟隨器形式，形成電壓外環(huán)輸入反饋。
一次電流檢測(cè)值輸入4腳(電流檢測(cè)放大器正輸入端)，進(jìn)行瞬時(shí)電流反饋，形成電流內(nèi) 環(huán)反饋.
因?yàn)殡娏髂Ｊ阶儞Q器工作在占空比大于50%和連續(xù)電感電流條件下會(huì)產(chǎn)生分諧波振蕩， 它是由固定頻率和峰值電流取樣同時(shí)工作狀況所引起的。為此，利用8腳(振蕩輸出端)輸出 的鋸齒波對(duì)4腳進(jìn)行斜率補(bǔ)償。
11,14腳輸出2路PWM信號(hào)，分別送U5為核心的脈寬展寬電路，形成滯后橋臂的2路 固定脈寬觸發(fā)信號(hào)；10腳(同步信號(hào)輸出端)輸出的脈沖送固定脈寬展寬電路形成2路固定脈 寬的死區(qū)；16腳接保護(hù)信號(hào)，只要有高電平的保護(hù)信號(hào)輸入，11,14腳停止PWM信號(hào)的輸出， 從而封鎖超前橋臂。
針對(duì)所設(shè)計(jì)的控制電路，利用四通道記憶示波器進(jìn)行檢測(cè)，圖6、圖7分別為采集到的2 種不同負(fù)載情況下的4個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。由圖可知在焊接電流和弧壓較高(焊接電流 400A,弧壓36V)時(shí)，超前橋臂IGBT。 IGBT2脈寬較大，滯后橋臂IGB丁3, IGBT4固定脈寬， IGBT, IGBT44組驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)有限雙極性控制方式；當(dāng)焊接電流58A，弧壓6V時(shí)，超 前橋臂IGBT,, KHm壓縮脈寬，滯后橋臂IGBT3， IGB丁4固定脈寬。經(jīng)過試驗(yàn)和聯(lián)機(jī)調(diào)試， 結(jié)果表明控制電路各部分工作正常。
綜上所述，本發(fā)明的電焊機(jī)軟開關(guān)逆變焊接電源的單片機(jī)控制方法可設(shè)定焊接參數(shù)和監(jiān) 控電源工作、操作簡(jiǎn)單、效率高、由其控制的電源用途范圍廣。
在此說明書中，本發(fā)明已參照其特定的實(shí)施例作了描述。但是，很顯然仍可以作出各種 修改和變換而不背離本發(fā)明的精神和范圍。因此，說明書和附圖應(yīng)被認(rèn)為是說明性的而非限 制性的。
權(quán)利要求
1. 一種電焊機(jī)軟開關(guān)逆變焊接電源的單片機(jī)控制方法，其特征在于，通過單片機(jī)控制單元設(shè)定焊接參數(shù)，輸出給定電流，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量和反饋電流進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，PI調(diào)節(jié)后的值送入電流模式的PWM芯片，然后輸出PWM驅(qū)動(dòng)脈沖，經(jīng)驅(qū)動(dòng)變壓器隔離放大后用于驅(qū)動(dòng)軟開關(guān)逆變焊接電源的IGBT。
2. 如權(quán)利要求1所述的電焊機(jī)軟開關(guān)逆變焊接電源的單片機(jī)控制方法，其特征在于，還包 括當(dāng)過熱、欠電壓或空載時(shí)，單片機(jī)控制裝置輸出封鎖信號(hào)封鎖PWM芯片，從而封 鎖輸出。
3. 如權(quán)利要求1所述的電焊機(jī)的軟開關(guān)逆變焊接電源數(shù)控方法，其特征在于，還包括步驟 單片機(jī)控制單元利用通用同步和異步串行接收器和轉(zhuǎn)發(fā)器與表頭單片機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，實(shí)時(shí) 把焊接數(shù)據(jù)發(fā)送給表頭單片機(jī)。
4. 如權(quán)利要求1所述的電焊機(jī)的軟開關(guān)逆變焊接電源數(shù)控方法，其特征在于，還包括步驟 單片機(jī)控制單元利用串行外設(shè)接口通過總線實(shí)現(xiàn)與遙控器的遠(yuǎn)距離通信。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電焊機(jī)軟開關(guān)逆變焊接電源的單片機(jī)控制方法，通過單片機(jī)控制單元設(shè)定焊接參數(shù)，輸出給定電流，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量和反饋電流進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，PI調(diào)節(jié)后的值送入電流模式的PWM芯片，然后輸出PWM驅(qū)動(dòng)脈沖，經(jīng)驅(qū)動(dòng)變壓器隔離放大后用于驅(qū)動(dòng)軟開關(guān)逆變焊接電源的IGBT，當(dāng)過熱、欠電壓或空載時(shí)，單片機(jī)控制裝置輸出封鎖信號(hào)封鎖PWM芯片，從而封鎖輸出，單片機(jī)控制單元利用通用同步和異步串行接收器和轉(zhuǎn)發(fā)器與表頭單片機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，實(shí)時(shí)把焊接數(shù)據(jù)發(fā)送給表頭單片機(jī)，利用串行外設(shè)接口通過總線實(shí)現(xiàn)與遙控器的遠(yuǎn)距離通信，本發(fā)明可設(shè)定焊接參數(shù)和監(jiān)控電源工作、操作簡(jiǎn)單、效率高、由其控制的電源用途范圍廣。
文檔編號(hào)B23K9/095GK101386098SQ200810201850
公開日2009年3月18日 申請(qǐng)日期2008年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月28日
發(fā)明者聶先明 申請(qǐng)人:上海滬工電焊機(jī)制造有限公司