專利名稱：協(xié)同控制的軟開關(guān)逆變式雙絲脈沖mig弧焊電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機電一體化技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及高頻軟開關(guān)逆變技術(shù)和雙絲焊技術(shù)，具體涉及一種協(xié)同控制的軟開關(guān)逆變式雙絲脈沖MIG弧焊電源。
背景技術(shù)：
目前，在雙絲脈沖焊領(lǐng)域，由于其工藝所需要的大電流、大功率，國內(nèi)外傳統(tǒng)的雙絲脈沖焊電源主要以硅整流和晶閘管整流式為主，整流式電源工作相對可靠，技術(shù)上也比較成熟，但設(shè)備體積龐大、笨重、能耗低、效率低，且由于結(jié)構(gòu)其原因，動靜態(tài)特性方面也不夠理想。較先進的硬開關(guān)逆變器，體積小、效率高，技術(shù)含量較高、附加值高，但期間的工作環(huán)境比較惡劣，尤其是開關(guān)損耗低，高次諧波會造成電網(wǎng)污染，需要吸收緩沖電路，逆變頻率的提高也受到限制。具體說來，大功率硬開關(guān)逆變弧焊電源主要存在以下幾個方面的問題(1)可靠性問題。由于弧焊電源的使用環(huán)境惡劣，有些焊接現(xiàn)場是二十四小時連續(xù)作業(yè)，所以對其可靠性要求非常高。目前，硬開關(guān)逆變弧焊電源由于高頻寄生振蕩、負載頻繁復(fù)雜變化、電磁干擾、偏磁等原因，特別是大功率焊接條件下，弧焊電源存在可靠性的不夠的問題。
(2)開關(guān)損耗大。由于大功率逆變弧焊電源主要以硬開關(guān)工作方式工作，不可避免開通和關(guān)斷損耗大、二極管反向恢復(fù)等問題，尤其在高頻焊接時產(chǎn)生較大的開關(guān)損耗。
(3)弧焊電源的控制性能問題。由于逆變弧焊電源的控制周期短，整機的動態(tài)響應(yīng)快，負載變化復(fù)雜，很難用精確的數(shù)學模型對其進行精確的控制。
(4)功率因數(shù)的問題。硬開關(guān)工作的逆變弧焊電源，其工作波形都存在畸形，還存在高次諧波干擾，降低了功率因數(shù)，在開關(guān)過程中產(chǎn)生的諧波還會反饋到電網(wǎng)，對電網(wǎng)造成污染，同時還會造成嚴重的電磁干擾。
(5)發(fā)熱問題。高頻功率變壓器傳遞功率大，大量的損耗使得溫升嚴重，限于磁性材料生產(chǎn)水平以及弧焊電源生產(chǎn)成本，磁性材料窗口和有效導(dǎo)磁面積不可能太大，增加了變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱設(shè)計及電氣設(shè)計的技術(shù)難度。
采用軟開關(guān)逆變技術(shù)是解決這些問題的最好辦法，零電壓軟開關(guān)電路拓撲結(jié)構(gòu)簡單，軟開關(guān)控制容易實現(xiàn)、可靠性好，而且特別適合較大功率焊接應(yīng)用場合。但軟開關(guān)逆變技術(shù)相對于硬開關(guān)技術(shù)，存在技術(shù)起點較高的問題，對軟開關(guān)逆變器的開發(fā)，需要對軟開關(guān)的工作機理有較深入的認識和研究，對器件寄生電容、電感等參數(shù)要有充分的理解，并要掌握軟開關(guān)諧振換流的規(guī)律和機理。目前，在研的軟開關(guān)逆變弧焊電源，基本采用普通的全橋移相軟開關(guān)拓撲，雖然實現(xiàn)方式比較簡單，但存在軟開關(guān)范圍窄、換流損耗大，在輸入電壓較高輸出電流較小的時候難以實現(xiàn)零電壓開通和關(guān)斷，普通的全橋移相軟開關(guān)拓撲還有一個突出的局限，就是占空比損失較大，在脈沖峰值階段電源的輸出電流和電壓都很大時很可能造成脈沖階段功率輸出的失敗，熔滴過渡不規(guī)則，影響焊接質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提出一種協(xié)同控制的軟開關(guān)逆變式雙絲脈沖MIG弧焊電源，保證主、從弧焊電源脈沖嚴格按一前一后時序關(guān)系輸出，且損耗低，可靠性高，焊接速度快，焊接工藝可實現(xiàn)多參數(shù)優(yōu)化匹配，焊接質(zhì)量高，并減少對電網(wǎng)的干擾，適合大功率焊接。
本發(fā)明的目的通過如下技術(shù)實現(xiàn)協(xié)同控制的軟開關(guān)逆變式雙絲脈沖MIG弧焊電源，包括主機脈沖MIG弧焊電源、從機脈沖MIG弧焊電源以及分別與主機脈沖MIG弧焊電源和從機脈沖MIG弧焊電源連接的數(shù)字化協(xié)調(diào)控制模塊，數(shù)字化協(xié)調(diào)控制模塊之間通過CAN總線連接，所述主機脈沖MIG弧焊電源和從機脈沖MIG弧焊電源結(jié)構(gòu)相同，都包括主電路、外環(huán)均值電流閉環(huán)控制電路和內(nèi)環(huán)峰值電流閉環(huán)控制電路；所述主電路由依次連接的整流濾波模塊、高頻逆變模塊、功率變壓模塊和整流平滑模塊組成，整流濾波模塊與三相交流輸入電源相接，整流平滑模塊與負載相接；所述外環(huán)均值電流閉環(huán)控制電路包括電流電壓檢測模塊、脈沖參數(shù)給定模塊、比較器、單片機控制系統(tǒng)、移相脈寬調(diào)制模塊和高頻驅(qū)動模塊，電流電壓檢測模塊一端與負載相接，另一端與比較器輸入端連接，脈沖參數(shù)給定模塊與比較器另一輸入端連接，比較器輸出端與單片機控制系統(tǒng)連接，單片機控制系統(tǒng)與移相脈寬調(diào)制模塊連接，移相脈寬調(diào)制模塊與高頻驅(qū)動模塊連接，高頻驅(qū)動模塊與高頻逆變模塊連接；所述內(nèi)環(huán)峰值電流的閉環(huán)控制電路包括峰值電流斜率補償模塊、電流檢測模塊、比較補償裝置以及移相脈寬調(diào)制模塊和高頻驅(qū)動模塊；所述電流檢測模塊一端與功率變壓模塊初級連接，另一端與比較補償裝置輸入端連接，峰值電流斜率補償模塊與比較補償裝置另一輸入端連接，峰值電流斜率補償模塊輸出端與移相脈寬調(diào)制模塊連接，移相脈寬調(diào)制模塊與高頻驅(qū)動模塊連接，高頻驅(qū)動模塊與高頻逆變模塊連接。
為進一步實現(xiàn)本發(fā)明目的，所述雙絲脈沖MIG弧焊電源還包括主電路安全保護電路，所述安全保護電路包括網(wǎng)壓檢測模塊、電壓保護模塊；所述網(wǎng)壓檢測模塊一端與接入的三相交流電源連接，另一端與電壓保護模塊連接，電壓保護模塊與移相脈寬調(diào)制模塊連接。
所述單片機控制系統(tǒng)主要由單片機80C320、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器TLC7528、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX118、譯碼器74LS139連接組成；單片機控制系統(tǒng)根據(jù)電流電壓檢測模塊檢測到負載的電流、電壓信號與脈沖參數(shù)給定模塊給定的參數(shù)比較后的輸出信號進行模糊控制算法運算，發(fā)給移相脈寬調(diào)制模塊一個控制信號，使移相脈寬調(diào)制模塊產(chǎn)生四路PWM信號，并通過高頻驅(qū)動模塊放大去控制高頻逆變模塊的開關(guān)管在零電壓下的開通和關(guān)斷，實現(xiàn)軟開關(guān)。
所述數(shù)字化協(xié)調(diào)控制模塊主要由總線控制器SJA1000、高速光耦6N137、總線驅(qū)動器82C250連接組成，使主機脈沖MIG弧焊電源通過CAN總線逐個脈沖向從機脈沖MIG弧焊電源發(fā)送協(xié)同同步信號，從機脈沖MIG弧焊電源在接收到這個同步信號后才進行脈沖輸出，保證主、從脈沖MIG弧焊電源脈沖輸出嚴格反相，避免了主、從電弧之間的干擾。
所述移相脈寬調(diào)制模塊主要由誤差放大電路、集成移相控制芯片UC3879連接組成，產(chǎn)生四路兩兩互補的移相信號分別進入高頻驅(qū)動模塊的集成驅(qū)動芯片EXB841。
所述高頻驅(qū)動模塊主要由四個驅(qū)動芯片EXB841構(gòu)成，將移相脈寬調(diào)制模塊輸出的四路信號進行加強，作為高頻逆變模塊的逆變橋開關(guān)管VT1～VT4的驅(qū)動信號。
所述脈沖參數(shù)給定模塊112由四個電位器組成，給定脈沖參數(shù)。
所述比較器采用常用的NE5532P比較器，對外環(huán)檢測信號與脈沖給定參數(shù)進行比較。
所述比較補償裝置為是在比較器的上添加了一個補償電容，改善電流外環(huán)控制特性。
所述峰值電流斜率補償模塊利用UC3879自身的定時電容CT，將該電壓信號分壓之后與峰值電流信號進行疊加實現(xiàn)補償。
所述電流檢測模塊為電流傳感器，連接在功率變壓模塊初級線圈上。所述電流電壓檢測模塊為電流電壓傳感器，與負載連接。所述網(wǎng)壓檢測模塊檢測三相交流電壓，為常用的電壓檢測器。所述電壓保護模塊為一常用的比較器，實現(xiàn)欠壓或者過壓保護。
本發(fā)明的原理本發(fā)明分為主機脈沖MIG弧焊電源和從機脈沖MIG弧焊電源，主機脈沖MIG弧焊電源和從機脈沖MIG弧焊電源具有的相同結(jié)構(gòu)，它們之間通過數(shù)字化協(xié)同控制模塊連接進行協(xié)同控制通訊。主機在峰值脈沖輸出結(jié)束時向從機發(fā)送協(xié)同控制信號，從機收到協(xié)同控制信號后立即由基值電流輸出轉(zhuǎn)為峰值脈沖輸出，從機峰值脈沖輸出結(jié)束后，主機由基值電流輸出轉(zhuǎn)為峰值脈沖輸出，如此循環(huán)反復(fù)，保證主、從脈沖MIG弧焊電源一前一后的時序關(guān)系。三相工頻交流電經(jīng)過濾波模塊后成為平滑直流電后進入高頻逆變模塊，然后通過功率變壓模塊、整流平滑模塊進入負載。與此同時，單片機控制系統(tǒng)根據(jù)電流電壓檢測模塊檢測到負載的電流、電壓信號與脈沖參數(shù)給定模塊給定的參數(shù)進行比較，經(jīng)過單片機控制系統(tǒng)的模糊控制算法運算，發(fā)給移相脈寬調(diào)制模塊一個信號，移相脈寬調(diào)制模塊根據(jù)單片機控制系統(tǒng)的算法產(chǎn)生四路PWM信號，這四路PWM信號通過高頻驅(qū)動模塊放大去控制高頻逆變模塊的開關(guān)管在零電壓下的開通和關(guān)斷，從而得到25KHz高頻高壓電，高頻高壓電再經(jīng)過功率變壓模塊轉(zhuǎn)換成符合焊接工藝要求的大電流低電壓的脈沖電流，再經(jīng)過整流平滑模塊等到更加平滑的脈沖電流，也就是外環(huán)均值電流模糊閉環(huán)控制過程；電流檢測模塊檢測功率變壓模塊的初級電流，初級電流信號與峰值電流補償模塊進行補償后，送給移相脈寬調(diào)制模塊從而控制高頻逆變模塊，形成內(nèi)環(huán)峰值電流的閉環(huán)控制，以提高脈沖MIG弧焊電源的動態(tài)性能；網(wǎng)壓檢測模塊檢測三相工頻電壓，把檢測到的電壓信號送給電壓保護模塊，如出現(xiàn)過壓、欠壓的現(xiàn)象，電壓保護模塊將送給移相脈寬調(diào)制模塊一個信號，產(chǎn)生低電平通過高頻驅(qū)動模塊關(guān)斷高頻逆變模塊的開關(guān)管，保護主電路安全工作。
本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點和有益效果1.本發(fā)明采用軟開關(guān)逆變技術(shù)，實現(xiàn)了全范圍的軟開關(guān)，大大減少了功率管的開關(guān)損耗和電應(yīng)力，改善了工作條件，降低了電磁干擾，提高了整機效率。在雙絲脈沖MIG弧焊電源中引入外環(huán)均值電流閉環(huán)控制電路和內(nèi)環(huán)峰值電流閉環(huán)控制電路，提高了弧焊電源的動靜態(tài)特性以及抗輸入干擾能力。
2.本發(fā)明以嵌入式單片機、CAN現(xiàn)場總線為核心的協(xié)同控制技術(shù)，實現(xiàn)了軟開關(guān)逆變式雙絲高速脈沖MIG焊接系統(tǒng)對雙電弧精密、穩(wěn)定的數(shù)字化協(xié)同控制和多焊接參數(shù)的優(yōu)化匹配，完成高速高效的優(yōu)質(zhì)焊接工藝。
3.本發(fā)明采用基于CAN總線技術(shù)的協(xié)同控制，嚴格保證了主、從弧焊電源之間的時序關(guān)系，避免了電弧之間的強烈干擾，提高了焊縫質(zhì)量。


圖1是本發(fā)明的協(xié)同控制的軟開關(guān)逆變式雙絲脈沖MIG弧焊電源組成結(jié)構(gòu)示意框圖；圖2是本發(fā)明的主機脈沖MIG弧焊電源組成示意框圖；圖3是本發(fā)明的主電路原理圖；圖4是移相脈寬調(diào)制模塊和高頻驅(qū)動模塊電路原理圖；圖5是本發(fā)明的單片機控制系統(tǒng)電路原理圖；圖6是本發(fā)明的數(shù)字化協(xié)調(diào)控制模塊電路原理圖；
圖7是本發(fā)明的主機脈沖MIG弧焊電源控制過程流程圖；圖8是本發(fā)明的從機脈沖MIG弧焊電源控制過程流程圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明做進一步的詳細說明。但本發(fā)明要求保護的范圍并不局限于實施例表示的范圍。
如圖1所示，協(xié)同控制的軟開關(guān)逆變式雙絲脈沖MIG弧焊電源包括主機脈沖MIG弧焊電源100、從機脈沖MIG弧焊電源200以及分別與主機脈沖MIG弧焊電源100和從機脈沖MIG弧焊電源200連接的數(shù)字化協(xié)調(diào)控制模塊114，數(shù)字化協(xié)調(diào)控制模塊之間通過CAN總線連接。其中主機脈沖MIG弧焊電源100和從機脈沖MIG弧焊電源200具有相同的結(jié)構(gòu)。
如圖2所示，主機脈沖MIG弧焊電源100或從機脈沖MIG弧焊電源200包括主電路、外環(huán)均值電流閉環(huán)控制電路和內(nèi)環(huán)峰值電流閉環(huán)控制電路。主電路由依次連接的整流濾波模塊101、高頻逆變模塊102、功率變壓模塊103和整流平滑模塊104組成，整流濾波模塊101與三相交流輸入電源相接，整流平滑模塊104與負載相接。外環(huán)均值電流閉環(huán)控制電路包括電流電壓檢測模塊111、脈沖參數(shù)給定模塊112、比較器115、單片機控制系統(tǒng)113、移相脈寬調(diào)制模塊107和高頻驅(qū)動模塊108，電流電壓檢測模塊111一端與負載相接，另一端與比較器115輸入端連接，脈沖參數(shù)給定模塊112與比較器115另一輸入端連接，比較器115輸出端與單片機控制系統(tǒng)113連接，單片機控制系統(tǒng)113與移相脈寬調(diào)制模塊107連接，移相脈寬調(diào)制模塊107與高頻驅(qū)動模塊108連接，高頻驅(qū)動模塊108與高頻逆變模塊102連接。所述內(nèi)環(huán)峰值電流的閉環(huán)控制電路包括峰值電流斜率補償模塊110、電流檢測模塊109、比較補償裝置116以及移相脈寬調(diào)制模塊107和高頻驅(qū)動模塊108；所述電流檢測模塊109一端與功率變壓模塊103初級連接，另一端與比較補償裝置116輸入端連接，峰值電流斜率補償模塊110與比較補償裝置116另一輸入端連接，比較補償裝置116輸出端與移相脈寬調(diào)制模塊連接，移相脈寬調(diào)制模塊107與高頻驅(qū)動模塊108連接，高頻驅(qū)動模塊108與高頻逆變模塊102連接。圖2中還包括主電路安全保護電路，該電路包括網(wǎng)壓檢測模塊105、電壓保護模塊106；網(wǎng)壓檢測模塊105一端與接入的三相交流電源連接，另一端與電壓保護模塊106連接，電壓保護模塊106與移相脈寬調(diào)制模塊107連接。所述網(wǎng)壓檢測模塊105檢測三相交流輸入電壓，為常用的電壓檢測裝置。所述電壓保護模塊106為一常用的比較器，實現(xiàn)欠壓或者過壓保護。所述脈沖參數(shù)給定模塊112由四個電位器組成，給定脈沖參數(shù)。所述比較器115采用常用的NE5532P比較器，對外環(huán)檢測信號與脈沖給定參數(shù)進行比較。所述比較補償裝置116是在比較器的上添加了一個補償電容，改善電流外環(huán)控制特性。所述峰值電流斜率補償模塊11 0利用UC3879自身的定時電容CT，將該電壓信號分壓之后與峰值電流信號進行疊加實現(xiàn)補償。所述電流檢測模塊109為電流傳感器。所述電流電壓檢測模塊111為電流電壓傳感器。
如圖3所示，主電路依次連接的整流濾波模塊101、高頻逆變模塊102、功率變壓模塊103和整流平滑模塊104組成。整流濾波模塊101與三相交流輸入電源相接，整流平滑模塊104與負載相接。具體是，三相交流輸入電源接整流濾波模塊101的整流塊B1，然后連接濾波環(huán)節(jié)L1、C2、C3、C4、C5、R1、R2，再連接高頻逆變模塊2的逆變橋VT1～VT4，C6～C8，輸出接功率變壓模塊的高頻功率變壓器T1初級，變壓器次級串接整流平滑模塊4的飽和電感LS1、LS2，再經(jīng)過高頻全波整流電路D1～D8、續(xù)流二極管D9～D12、濾波環(huán)節(jié)L2、C12、C13、C14、后輸出直流電，以上環(huán)節(jié)構(gòu)成功率主電路，高頻逆變模塊102的包括兩個兩單元的IGBT VT1～VT4。同時，電流檢測模塊109為傳感器HALL1，連接在功率變壓模塊103初級線圈上；電流電壓檢測模塊111為傳感器HALL2，與負載連接。
如圖4所示，移相脈寬調(diào)制模塊107和高頻驅(qū)動模塊108主要由移相脈寬調(diào)制模塊107的誤差放大電路和集成移相控制芯片UC3879以及高頻驅(qū)動模塊108的四個相同的EXB841驅(qū)動芯片及輔助電路相互連接組成。其中，J2接電壓保護模塊輸出端，與集成移相控制芯片UC3879的引腳4相連，J4接單片機系統(tǒng)113輸出端，與集成移相控制芯片UC3879的引腳3相連，作為集成移相芯片UC3879的輸入信號，J3為內(nèi)環(huán)峰值電流反饋信號，與補償信號疊加后進入集成UC3879的管腳19，在集成UC3879內(nèi)部與誤差信號比較，使集成移相控制芯片UC3879輸出相應(yīng)的移相四路PWM信號。該四路兩兩互補的PWM信號分別進入集成驅(qū)動芯片EXB841，作為逆變橋開關(guān)管VT1～VT4的驅(qū)動信號。同時，電流檢測模塊109同峰值電流補償模塊110通過比較補償裝置116與移相脈寬調(diào)制模塊107的集成移相控制芯片UC3879相連。
如圖5所示，單片機控制系統(tǒng)113主要由單片機80C320、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器TLC7528、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX118、譯碼器74LS139以及輔助電路相互連接組成。單片機80C320系統(tǒng)作為外環(huán)電流模糊控制的核心，外環(huán)采樣電流與給定信號的偏差在單片機內(nèi)部進行模糊運算過程，輸出信號作為移相脈寬調(diào)制模塊中集成移相控制芯片UC3879的腳3輸入信號，該信號同注入的電流比較，確定驅(qū)動信號移相的大小，從而控制電源的輸出。其中單片機80C320中的I/O端口P25、P26、P27作為片選信號通過譯碼器74LS139選擇外圍芯片，譯碼器74LS139的引腳Y1與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX118的18引腳相連，單片機80C320的端口P00～P07分別與MAX118的引腳D0～D7相連，MAX118的IN1～IN7分別與電流電壓檢測模塊、脈沖參數(shù)給定模塊相連，完成模擬信號給定、采樣信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；譯碼器74LS139的引腳Y2與數(shù)/模轉(zhuǎn)換器TLC7528的15引腳相連，單片機端口P00～P07分別與數(shù)/模轉(zhuǎn)換器TLC7528的DB0～DB7相連，數(shù)/模轉(zhuǎn)換器TLC7528的模擬信號輸出OUT-A、OUT-B分別經(jīng)過比例放大，通過移相脈寬調(diào)制模塊107和高頻驅(qū)動模塊108對焊接電流和弧壓進行控制。數(shù)字化協(xié)同控制模塊114的總線控制器SJA1000的引腳CSCAN直接與譯碼器74LS139的Y3相連，由單片機80C320通過中斷控制協(xié)同通訊。
如圖6所示，數(shù)字化協(xié)同控制模塊114主要由總線控制器SJA1000、高速光耦6N137、總線驅(qū)動器82C250以及輔助電路相互連接組成?？偩€控制器SJA1000的引腳CSCAN直接與譯碼器74LS139的Y3相連，直接由高速單片機80C320控制通訊。總線控制器SJA1000通過高速光耦6N137后與總線驅(qū)動器82C250相連，這樣很好的實現(xiàn)了主機脈沖MIG弧焊電源和從機脈沖MIG弧焊電源的CAN接點的電氣隔離。另外，兩根通訊總線與地之間并聯(lián)了兩個小電容，慮除總線上的高頻干擾，也具有一定的防電磁輻射的能力。主機脈沖MIG弧焊電源通過CAN總線逐個脈沖向從機脈沖MIG弧焊電源發(fā)送協(xié)同同步信號，從機脈沖MIG弧焊電源在受到這個同步信號后才進行脈沖輸出，這樣就通過協(xié)同控制保證了主、從脈沖MIG弧焊電源脈沖輸出嚴格反相，避免了主、從電弧之間的強烈干擾，提高了焊縫質(zhì)量。
上述電路中，圖3中的電流電壓檢測模塊111為傳感器HALL2，同比較器115連接、再與單片機控制系統(tǒng)113的單片機80C320通過J1接口連接。單片機控制系統(tǒng)113輸出端同移相脈寬調(diào)制模塊107的集成移相控制芯片UC3879的引腳3相連，集成移相控制芯片UC3879的輸出端7、8、12、13腳分別與高頻驅(qū)動模塊108的四個驅(qū)動環(huán)節(jié)EXB841的14、15管腳相連，驅(qū)動環(huán)節(jié)的輸出分別與高頻逆變模塊102的四個開關(guān)管的G、E極相連，上述環(huán)節(jié)構(gòu)成外環(huán)均值電流閉環(huán)控制電路。圖3中，逆變后的高頻(25KHz)高頻高壓電經(jīng)變壓器T1降壓后通過磁開關(guān)(LS1，LS2)，高頻整流由快速二極管(D1～D2，D5～D8)并聯(lián)構(gòu)成的全波整流電路完成，再經(jīng)輸出電感L2濾波后輸出。電壓檢測環(huán)節(jié)實現(xiàn)脈寬限定；由4只IGBT功率管VT1～VT4構(gòu)成全橋逆變器，C6～C8為諧振電容，協(xié)助軟開關(guān)的實現(xiàn)。
如圖7、8所示，結(jié)合主機和從機的流程圖可以看出，軟開關(guān)雙絲脈沖MIG弧焊電源在兩個弧焊電源之間先驗證協(xié)同控制的通訊線路是否正常，接著開始引弧，引弧成功后進入正常的焊接過程，由協(xié)同控制保證主、從脈沖輸出之間嚴格的反相，收到焊接結(jié)束命令后，主、從脈沖MIG弧焊電源同時進行收弧控制。在初始化過程中，主機系統(tǒng)首先向CAN總線發(fā)送“確認通訊”請求指令，從機系統(tǒng)收到改指令后，向CAN總線回復(fù)“正確接受”信號。一旦主機系統(tǒng)收到從機回復(fù)的信號，說明主從機協(xié)同控制之間通訊正常，通訊得到驗證，可以等待焊接啟動指令。此時，主機系統(tǒng)通過查詢焊接啟動信號，當該信號有效時，通知從機系統(tǒng)，同時進入引弧控制，引弧成功后進入正常焊接過程，此時，主機電源輸出的是峰值電流，從機則是輸出是基值電流。當主機輸出峰值電流結(jié)束時，向從機系統(tǒng)發(fā)送“協(xié)同同步”指令，并進入峰值電流輸出狀態(tài)；如此循環(huán)反復(fù)，保證主、從電源脈沖輸出相位相差180°。焊接結(jié)束時，主機系統(tǒng)向從機系統(tǒng)發(fā)送“收弧”指令，使主、從電源同時進入收弧控制程序。收弧結(jié)束后，主、從控制系統(tǒng)回到等待下一次焊接的循環(huán)狀態(tài)。
應(yīng)用本發(fā)明的協(xié)同控制的軟開關(guān)逆變式雙絲脈沖MIG弧焊電源時，三相工頻交流電經(jīng)過濾波模塊101后成為平滑直流電后進入高頻逆變模塊102，單片機控制系統(tǒng)113根據(jù)電流電壓檢測模塊111檢測到負載的電流、電壓信號與脈沖參數(shù)給定模塊112給定的參數(shù)進行比較，經(jīng)過單片機控制系統(tǒng)113的模糊控制算法運算，發(fā)給移相脈寬調(diào)制模塊107一個信號，移相脈寬調(diào)制模塊根據(jù)單片機控制系統(tǒng)113設(shè)定的算法產(chǎn)生四路PWM信號，這四路PWM信號通過高頻驅(qū)動模塊108放大去控制高頻逆變模塊102的開關(guān)管在零電壓下的開通和關(guān)斷，實現(xiàn)軟開關(guān)，從而得到25KHz高頻高壓電，高頻高壓電再經(jīng)過功率變壓模塊103轉(zhuǎn)換成符合焊接工藝要求的大電流低電壓的脈沖電流，再經(jīng)過整流平滑模塊104得到更加平滑的脈沖電流，也就是外環(huán)均值模糊閉環(huán)控制過程。電流檢測模塊109檢測功率變壓模塊103的初級電流，初級電流信號與峰值電流補償模塊110進行補償后，送給移相脈寬調(diào)制模塊107從而控制高頻逆變模塊102，形成內(nèi)環(huán)峰值電流的閉環(huán)控制，以提高脈沖MIG弧焊電源的動態(tài)性能；網(wǎng)壓檢測模塊105檢測三相工頻電壓，把檢測到的電壓信號送給電壓保護模塊106，如出現(xiàn)過壓、欠壓的現(xiàn)象，電壓保護模塊106將送給移相脈寬調(diào)制模塊107一個信號，產(chǎn)生低電平通過高頻驅(qū)動模塊108關(guān)斷高頻逆變模塊102的開關(guān)管，保護主電路安全工作。
本發(fā)明首次提出了協(xié)同控制的軟開關(guān)逆變式雙絲脈沖MIG弧焊電源，雙絲脈沖MIG弧焊電源的逆變主電路采用了飽和電感、充分利用勵磁能量拓寬軟開關(guān)范圍的新型軟開關(guān)電路拓撲；并首次在雙絲脈沖MIG弧焊電源中引入外環(huán)均值電流閉環(huán)控制電路和內(nèi)環(huán)峰值電流閉環(huán)控制電路，提高了弧焊電源的動靜態(tài)特性以及抗輸入干擾能力。本發(fā)明利用嵌入式高速微機控制系統(tǒng)及CAN現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)了雙絲焊裝備的數(shù)字化協(xié)同控制問題，設(shè)計了協(xié)同控制模式使主機和從機脈沖MIG弧焊電源在不同組合和切換方式下，獲得雙路脈沖輸出和提高了熔滴過渡可控性，利用模糊控制技術(shù)成功解決雙絲焊接過程中的電弧弧長控制問題。
權(quán)利要求
1.協(xié)同控制的軟開關(guān)逆變式雙絲脈沖MIG弧焊電源，其特征在于包括主機脈沖MIG弧焊電源、從機脈沖MIG弧焊電源以及分別與主機脈沖MIG弧焊電源和從機脈沖MIG弧焊電源連接的數(shù)字化協(xié)調(diào)控制模塊，數(shù)字化協(xié)調(diào)控制模塊之間通過CAN總線連接，所述主機脈沖MIG弧焊電源和從機脈沖MIG弧焊電源結(jié)構(gòu)相同，都包括主電路、外環(huán)均值電流閉環(huán)控制電路和內(nèi)環(huán)峰值電流閉環(huán)控制電路；所述主電路由依次連接的整流濾波模塊、高頻逆變模塊、功率變壓模塊和整流平滑模塊組成，整流濾波模塊與三相交流輸入電源相接，整流平滑模塊與負載相接；所述外環(huán)均值電流閉環(huán)控制電路包括電流電壓檢測模塊、脈沖參數(shù)給定模塊、比較器、單片機控制系統(tǒng)、移相脈寬調(diào)制模塊和高頻驅(qū)動模塊，電流電壓檢測模塊一端與負載相接，另一端與比較器輸入端連接，脈沖參數(shù)給定模塊與比較器另一輸入端連接，比較器輸出端與單片機控制系統(tǒng)連接，單片機控制系統(tǒng)與移相脈寬調(diào)制模塊連接，移相脈寬調(diào)制模塊與高頻驅(qū)動模塊連接，高頻驅(qū)動模塊與高頻逆變模塊連接；所述內(nèi)環(huán)峰值電流的閉環(huán)控制電路包括峰值電流斜率補償模塊、電流檢測模塊、比較補償裝置以及移相脈寬調(diào)制模塊和高頻驅(qū)動模塊；所述電流檢測模塊一端與功率變壓模塊初級連接，另一端與比較補償裝置輸入端連接，峰值電流斜率補償模塊與比較補償裝置另一輸入端連接，峰值電流斜率補償模塊輸出端與移相脈寬調(diào)制模塊連接，移相脈寬調(diào)制模塊與高頻驅(qū)動模塊連接，高頻驅(qū)動模塊與高頻逆變模塊連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述協(xié)同控制的軟開關(guān)逆變式雙絲脈沖MIG弧焊電源，其特征在于所述雙絲脈沖MIG弧焊電源還包括主電路安全保護電路，所述安全保護電路包括網(wǎng)壓檢測模塊、電壓保護模塊；所述網(wǎng)壓檢測模塊一端與接入的三相交流電源連接，另一端與電壓保護模塊連接，電壓保護模塊與移相脈寬調(diào)制模塊連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述協(xié)同控制的軟開關(guān)逆變式雙絲脈沖MIG弧焊電源，其特征在于所述單片機控制系統(tǒng)主要由單片機80C320、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器TLC7528、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX118、譯碼器74LS139連接組成；單片機控制系統(tǒng)根據(jù)電流電壓檢測模塊檢測到負載的電流、電壓信號與脈沖參數(shù)給定模塊給定的參數(shù)比較后的輸出信號進行模糊控制算法運算，發(fā)給移相脈寬調(diào)制模塊一個控制信號，使移相脈寬調(diào)制模塊產(chǎn)生四路PWM信號，并通過高頻驅(qū)動模塊放大去控制高頻逆變模塊的開關(guān)管在零電壓下的開通和關(guān)斷，實現(xiàn)軟開關(guān)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述協(xié)同控制的軟開關(guān)逆變式雙絲脈沖MIG弧焊電源，其特征在于數(shù)字化協(xié)調(diào)控制模塊主要由總線控制器SJA1000、高速光耦6N137、總線驅(qū)動器82C250連接組成，使主機脈沖MIG弧焊電源通過CAN總線逐個脈沖向從機脈沖MIG弧焊電源發(fā)送協(xié)同同步信號，從機脈沖MIG弧焊電源在接收到這個同步信號后才進行脈沖輸出，保證主、從脈沖MIG弧焊電源脈沖輸出嚴格反相，避免了主、從電弧之間的干擾。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述所述協(xié)同控制的軟開關(guān)逆變式雙絲脈沖MIG弧焊電源，其特征在于所述移相脈寬調(diào)制模塊主要由誤差放大電路、集成移相控制芯片UC3879連接組成，產(chǎn)生四路兩兩互補的移相信號分別進入高頻驅(qū)動模塊的集成驅(qū)動芯片EXB841。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述所述協(xié)同控制的軟開關(guān)逆變式雙絲脈沖MIG弧焊電源，其特征在于所述高頻驅(qū)動模塊主要由四個驅(qū)動芯片EXB841構(gòu)成，將移相脈寬調(diào)制模塊輸出的四路信號進行加強，作為高頻逆變模塊的逆變橋開關(guān)管VT1～VT4的驅(qū)動信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了協(xié)同控制的軟開關(guān)逆變式雙絲脈沖MIG弧焊電源，包括主機弧焊電源、從機弧焊電源以及分別與主機弧焊電源和從機弧焊電源連接的數(shù)字化協(xié)調(diào)控制模塊，數(shù)字化協(xié)調(diào)控制模塊之間通過CAN總線連接，主機弧焊電源和從機弧焊電源的結(jié)構(gòu)相同，都包括主電路、外環(huán)均值電流閉環(huán)控制電路和內(nèi)環(huán)峰值電流閉環(huán)控制電路。外環(huán)均值電流閉環(huán)控制電路包括電流電壓檢測模塊、脈沖參數(shù)給定模塊、比較器、單片機控制系統(tǒng)、移相脈寬調(diào)制模塊和高頻驅(qū)動模塊。本發(fā)明首次在雙絲脈沖MIG弧焊電源中引入外環(huán)均值電流閉環(huán)控制電路和內(nèi)環(huán)峰值電流閉環(huán)控制電路，提高了弧焊電源的動靜態(tài)特性以及抗輸入干擾能力，焊接損耗低，速度快，質(zhì)量高，適合大功率焊接。
文檔編號B23K9/10GK1868655SQ20061003610
公開日2006年11月29日 申請日期2006年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月27日
發(fā)明者黃石生, 李遠波, 蔣曉明, 王振民, 蔣東 申請人:華南理工大學