專利名稱：逆變焊接電源智能偏磁檢測與處理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及焊接技術(shù)領(lǐng)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(shù)：
自20世紀80年代始，經(jīng)過二三十年的發(fā)展，逆變焊接電源以其高效節(jié)能、動態(tài)響應(yīng)快、控制靈活、便于波形的精細控制等優(yōu)點，已經(jīng)成為國際焊接設(shè)備市場中的主要發(fā)展方向。但可靠性低的問題是制約焊接電源快速發(fā)展的瓶頸，其中偏磁現(xiàn)象的存在是最為關(guān)鍵的問題。由于多種因素導(dǎo)致兩個PWM半周期內(nèi)，施加在主變壓器上的脈沖幅度或?qū)挾炔幌嗟?，將在主變壓器中產(chǎn)生直流分量，勵磁電流發(fā)生急劇變化，磁化曲線嚴重畸變，導(dǎo)致主變壓器偏磁，從而使主變壓器一次側(cè)電流陡升(一般為幾個微秒)。短時間內(nèi)過流，將使功率器件熱損耗加大，發(fā)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(dǎo)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(cè)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，但由于主變壓器的工作狀況還要受到二次側(cè)輸出電流的影響，偏磁無法完全消除。(3)申請?zhí)枮?00910215161. 1的發(fā)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(cè)串聯(lián)線性電感，來增加系統(tǒng)抗偏磁能力。然而該方法抑制了電流上升率，降低了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)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?zhí)枮?9235012. 3的專利“開關(guān)電源抗偏磁的控制電路裝置”針對開關(guān)電源設(shè)計了一種抗偏磁控制電路，該方法將變壓器一次側(cè)反饋電流進行斜坡補償電路，然后與預(yù)置的給定進行比較，輸出信號送到模擬PWM芯片中，來切斷發(fā)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，如脈沖MIG焊、冷金屬過渡焊等，該方法單一的給定比較和傳統(tǒng)的模擬PWM芯片控制，已難以滿足目前高效的焊接工藝和高性能的數(shù)字焊接電源的需求。上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷是僅能在一定程度上抑制偏磁，且降低系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)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(shù)字焊接電源系統(tǒng)的需求問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了解決現(xiàn)有技術(shù)僅能在一定程度上抑制偏磁，且會降低系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)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(shù)字焊接電源系統(tǒng)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(dǎo)致一次側(cè)電流急劇增大時，本系統(tǒng)中的偏磁檢測電路通過主變壓器一次側(cè)電流和焊接電流的同時采集，由檢測電路立即檢測到偏磁信號及其寬度，并將信息反饋給數(shù)字控制器，由相應(yīng)的控制策略調(diào)整PWM輸出脈沖，實現(xiàn)偏磁快速、有效地抑制；具有一致性好，穩(wěn)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(yōu)點。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)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(diào)理模塊，加/ 減法器模塊，比例調(diào)節(jié)器，比較器，控制器輸入信號調(diào)理模塊，數(shù)字控制器，調(diào)節(jié)電壓輸入模塊；采集焊接電流的傳感器及信號調(diào)理模塊，將經(jīng)傳感器及信號調(diào)理模塊處理的焊接電流信號輸送至加/減法器模塊，調(diào)節(jié)電壓輸入模塊將信號輸送至加/減法器模塊，信號經(jīng)加/ 減法器模塊處理后輸送至比較器；主變壓器一次側(cè)電流經(jīng)傳感器及信號調(diào)理模塊處理后輸送至比例調(diào)節(jié)器，比例調(diào)節(jié)器輸送信號至比較器，比較器將加/減法器模塊，以及比例調(diào)節(jié)器輸送的信號進行比較，比較器輸出的信號經(jīng)過控制器輸入信號調(diào)理模塊，輸送至數(shù)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(shù)字控制器采用單片機、DSP或FPGA。本發(fā)明的工作原理為同時采集主變壓器一次側(cè)電流和焊接電流，并進行信號調(diào)理，將變壓器一次側(cè)電流調(diào)整為同相脈沖信號，與焊接反饋電流分別由加法器/減法器和比例調(diào)節(jié)器進行調(diào)幅，然后由比較器輸出，獲得偏磁信號產(chǎn)生的位置和寬度，經(jīng)信號調(diào)理環(huán)節(jié)后，發(fā)送給數(shù)字控制器。根據(jù)偏磁信號出現(xiàn)的位置和強弱，由相應(yīng)控制策略快速調(diào)節(jié)PWM 占空比，改變當前方向的伏秒積，產(chǎn)生適當?shù)腜WM驅(qū)動信號，使正、反方向伏秒積趨于平衡， 主變壓器迅速脫離飽和，恢復(fù)正常的磁滯回線工作區(qū)，達到消除偏磁的目的。同時還可通過監(jiān)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，并轉(zhuǎn)換成電壓信號Uil，與由電阻Rl和電位器R2分壓產(chǎn)生的Um —起，經(jīng)由電阻R3、 R4、R5、R6和運算放大器U1ia構(gòu)成的減法器累加，輸出幅度可調(diào)的電流反饋信號，其中電位器R2的作用是調(diào)節(jié)反饋電流幅值，確定偏磁現(xiàn)象出現(xiàn)的臨界點；同時，由電流互感器獲取主變壓器一次側(cè)電流信號，并轉(zhuǎn)換成同相脈沖電流信號，經(jīng)由電阻R7、R8和運算放大器U1ib 構(gòu)成的比例調(diào)節(jié)器，輸出幅值可調(diào)的反饋信號；將獲取并變換的主變壓器一次側(cè)電流和輸出的焊接電流信號，經(jīng)比較器U2_1A比較，可及時獲得偏磁信號送至數(shù)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后， 調(diào)整后續(xù)PWM驅(qū)動脈沖的占空比，使主變壓器恢復(fù)正常的磁滯回線工作區(qū)，達到消除偏磁的目的，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。數(shù)字控制器可以采用單片機、DSP或FPGA，無論哪種方式，均要保證此程序的最高優(yōu)先級。焊接電源一旦發(fā)生偏磁，檢測電路立刻輸出觸發(fā)信號給數(shù)字控制器，使計數(shù)器開始工作計時，當偏磁持續(xù)時間小于m，則認為系統(tǒng)本身能夠自動調(diào)節(jié)此次偏磁現(xiàn)象，不必進行干擾；當偏磁持續(xù)時間超過m(m的值很小，一般為幾個微秒)，則立即關(guān)閉各路PWM輸出，提前結(jié)束本周期PWM脈沖，并且增加下個周期的PWM占空比(下周期PWM占空比=本周期PWM占空比XN，N> 1)，促使主變壓器磁芯工作曲線回歸正常狀態(tài)，從而消除偏磁現(xiàn)象。由于偏磁檢測電路全部采用了模擬器件搭建，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(shù)字控制器，可編程實現(xiàn)多種控制策略，適應(yīng)不同工藝、不同場合和應(yīng)用背景下的偏磁現(xiàn)象處理。另外，主變壓器偏磁時，勵磁電流將發(fā)生急劇變化，使主變壓器飽和，主變壓器一次側(cè)電流波形發(fā)生畸變，然而此時在焊接電流中不會產(chǎn)生明顯的特征信號，且系統(tǒng)偏磁時，變壓器一次側(cè)電流陡升時間一般在幾個微秒之內(nèi)，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(cè)電流反饋閉環(huán)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(tǒng)穩(wěn)定性。本發(fā)明的有益效果本方法充分利用逆變焊接電源主回路輸入輸出的變比關(guān)系和先進的數(shù)字控制技術(shù)，同時采集和處理主變壓器一次側(cè)電流和焊接電流，具有以往措施沒有的優(yōu)點(1) 一致性好，穩(wěn)定性高。由模擬電路搭建檢測平臺和數(shù)字技術(shù)構(gòu)筑控制系統(tǒng)的設(shè)計理念，將完全能夠滿足快速偏磁現(xiàn)象的處理要求，并且大大提高系統(tǒng)抗擾動性，一致性好，便于實現(xiàn)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。(2)通用性強，普適度高。因本方法采用了變壓器一次側(cè)電流和焊接電流同時采集與處理的方法，所以無論是直流焊、脈沖焊、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(tǒng)的模擬電路搭建的控制平臺，本方法可根據(jù)實際工程應(yīng)用的多樣性和特殊性，設(shè)計不同的控制策略(本例中給出的是典型的控制方法)，實現(xiàn)偏磁現(xiàn)象的自動處理。


圖1是本發(fā)明偏磁檢測及控制系統(tǒng)功能框圖；圖2本發(fā)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(jié)合附圖與實施案例對本發(fā)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(diào)理模塊，加/減法器模塊，比例調(diào)節(jié)器，比較器，控制器輸入信號調(diào)理模塊，數(shù)字控制器，調(diào)節(jié)電壓輸入模塊。采集焊接電流的傳感器及信號調(diào)理模塊，將經(jīng)傳感器及信號調(diào)理模塊處理的焊接電流信號輸送至加/減法器模塊，調(diào)節(jié)電壓輸入模塊將信號輸送至加/減法器模塊， 信號經(jīng)加/減法器模塊處理后輸送至比較器；主變壓器一次側(cè)電流經(jīng)傳感器及信號調(diào)理模塊處理后輸送至比例調(diào)節(jié)器，比例調(diào)節(jié)器輸送信號至比較器，比較器將加/減法器模塊，以及比例調(diào)節(jié)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(diào)理模塊，信號調(diào)理模塊將信號輸送至數(shù)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(shù)字控制器采用單片機、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(fā)生偏磁，檢測電路立刻輸出觸發(fā)信號給數(shù)字控制器，數(shù)字控制器接收到偏磁信號后，其內(nèi)的計數(shù)器開始工作計時。根據(jù)不同的焊接條件，當偏磁持續(xù)時間小于3微秒時，則認為系統(tǒng)本身能夠自動調(diào)節(jié)此次偏磁現(xiàn)象，不必進行干擾；當偏磁持續(xù)時間超過3微秒時，則立即關(guān)閉各路PWM輸出，提前結(jié)束本周期PWM脈沖，并且增加下個周期的PWM占空比(N > 1)，促使主變壓器磁芯工作曲線回歸正常狀態(tài)，從而消除偏磁現(xiàn)象。 上述雖然結(jié)合附圖對發(fā)明的具體實施方式
進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種逆變焊接電源智能偏磁檢測與處理裝置，其特征是，包括傳感器及信號調(diào)理模塊，加/減法器模塊，比例調(diào)節(jié)器，比較器，控制器輸入信號調(diào)理模塊，數(shù)字控制器，調(diào)節(jié)電壓輸入模塊。采集焊接電流的傳感器及信號調(diào)理模塊，將經(jīng)傳感器及信號調(diào)理模塊處理的焊接電流信號輸送至加/減法器模塊，調(diào)節(jié)電壓輸入模塊將信號輸送至加/減法器模塊，信號經(jīng)加/減法器模塊處理后輸送至比較器；主變壓器一次側(cè)電流經(jīng)傳感器及信號調(diào)理模塊處理后輸送至比例調(diào)節(jié)器，比例調(diào)節(jié)器輸送信號至比較器，比較器將加/減法器模塊，以及比例調(diào)節(jié)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(diào)理模塊，信號調(diào)理模塊將信號輸送至數(shù)字控制器。
2.如權(quán)利要求1所述的逆變焊接電源智能偏磁檢測與處理裝置，其特征是，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(diào)節(jié)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(quán)利要求1所述的逆變焊接電源智能偏磁檢測與處理裝置，其特征是，所述比例調(diào)節(jié)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(quán)利要求1所述的逆變焊接電源智能偏磁檢測與處理裝置，其特征是，所述數(shù)字控制器采用單片機、DSP或FPGA。全文摘要
本發(fā)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(diào)理模塊，加/減法器模塊，比例調(diào)節(jié)器，比較器，控制器輸入信號調(diào)理模塊，數(shù)字控制器，調(diào)節(jié)電壓輸入模塊。采集焊接電流的傳感器及信號調(diào)理模塊，將信號輸送至加/減法器模塊，調(diào)節(jié)電壓輸入模塊將信號輸送至加/減法器模塊，信號經(jīng)加/減法器模塊處理后輸送至比較器；主變壓器一次側(cè)電流經(jīng)傳感器及信號調(diào)理模塊處理后輸送至比例調(diào)節(jié)器，比例調(diào)節(jié)器輸送信號至比較器，比較器將加/減法器模塊、比例調(diào)節(jié)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(diào)理模塊，信號調(diào)理模塊將信號輸送至數(shù)字控制器；穩(wěn)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(yōu)先權(quán)日2011年11月10日
發(fā)明者孫興, 張光先, 張承慧, 段彬, 黃長偉 申請人:山東大學(xué)