CN101259557A - 一种嵌入式***控制的数字化软开关逆变弧焊机 - Google Patents
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Abstract
一种嵌入式***控制的数字化软开关逆变弧焊机。它主要是解决传统焊机控制性能及动态响应方面的不足，很难实现对焊接电弧的实时控制以及提高逆变焊机的可靠性等技术问题。由控制电路控制主电路实现弧焊，脉冲宽度调制采用软开关移相电路；脉冲驱动及保护电路采用一驱二的磁罐型脉冲变压器，同时增加电容、双绞线和TVS管及电阻继续保护，防止过压和过压引起的IGBT误导通。主要是用于各类焊接。
Description
技术领域
本发明涉及一种嵌入式***控制的数字化软开关逆变弧焊机。
背景技术
到目前为止，直流焊机经历了四个发展阶段，即旋转式直流弧焊机、硅整流弧焊机、晶闸管(可控硅)直流焊机和IGBT(绝缘栅双极晶体管)逆变焊机，其先进性依次升高，其中IGBT逆变焊机是现阶段主要机种，它与晶闸管焊机比较的主要优势是：体积小、重量轻，利于存放和方便移动；动态响应较快、电弧稳定、焊缝成型好；控制性能好、易于实现焊接过程的适时控制及组成自动焊接***；允许电网电压波动范围宽，IGBT逆变焊机的主要工作原理可简单表示为：工频交流(经整流滤波)、直流(经逆变器)、中频交流(降压、整流、滤波)、直流。
传统焊机由于其控制性能及动态响应方面存在严重不足，很难实现对焊接电弧的实时控制。晶闸管整流焊接电源虽然其控制性能及动态响应方面有所进步，但工作频率太低，***响应速度慢，用于波形控制，有失控问题，不能实现对短路过渡实时、精确控制。IGBT逆变焊机工作频率达20KHz，每秒控制电弧的次数达到4万次，即最小可控制时间为2.5us，确保实现对短路过渡实时、精确控制。
传统的硬开关控制技术是指开关管上的电压或电流不为零时，强迫开关管开通或关断，这时开关管的电压和电流有一个交叠的过程，将导致开关管在开关过程中产生开关损耗，而且开关损耗与开关的工作频率成正比，在硬开关状态下的工作变换器，随着频率的上升，一方面开关管的损耗会大幅度上升，变换器的效率大大降低，另一方面还将产生严重的电磁干扰(EMI)。硬开关控制技术的缺陷限制了工作在硬开关状态下的变换器工作频率的进一步提升，限制了变换器减小体积和重量，难以实现高度集成化和小型化。
发明内容
本发明的目的是提供一种嵌入式***控制的数字化软开关逆变弧焊机。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：由嵌入式***控制电路控制主电路实现弧焊，脉冲宽度调制采用软开关移相电路(5)与峰值电流保护模式；脉冲驱动及保护(4)电路采用一驱二的磁罐型脉冲变压器，同时增加电容、双绞线和TVS管及电阻继续保护，防止过压和过压引起的IGBT误导通。
采用以单片机软件编程控制***，和以专用软开关移相控制芯片为核心的ZVZCS全桥IGBT逆***开关控制主电路，工频电源输入进行三相整流及滤波(1)之后连接ZVZCS全桥软开关变换电路(2)，由IGBT逆变器进行高频逆变，再经高频变压器降压之后，连接通过二次整流及滤波(3)之后输出；控制电路主要由最小控制***(7)接收电压反馈(12)信号后输出控制信号送入进行D/A转换(6)，形成模拟信号，再经过软开关移相电路(5)产生PWM控制信号，后经脉冲驱动及保护电路(4)进行驱动放大和抗干扰保护，送入ZVZCS全桥软开关变换电路(2)中的IGBT，进行全桥软开关逆变，实现闭环控制。
主电路构成如下：
(1)输入保护及整流滤波电路，包括三个压敏电阻，三个CBB电容和一个环型滤波器；
(2)全桥软开关变换电路，采用IGBT逆***开关电路，采用ZVZCS PWM全桥变换器；
(3)输出整流滤波。
控制电路构成如下：
(1)最小控制***，包括：
A：89C51为核心的程序控制电路，该系列单片机采用静态80C51；
B：串行A/D转换，并行D/A转换电路，主要是进行数字信号和模拟信号的相互转换；
C、复位及时钟电路；
D、保护电路；
E、电流电压显示电路(9)；
F、输入开关变量信号等模块；
(2)由软开关移相芯片UCC3895构成的软开关移相电路(5)及峰值过流保护电路；
(3)驱动电路及保护电路；
(4)电源电路，由控制变压器通过整流、滤波后转换成直流电源，根据各种芯片的工作电源要求，通过线性稳压电源进行不同直流电源的转换。
本发明的有益效果是：采用软开关后，IGBT的损耗小，发热少，整机效率高，大大提高了IGBT的可靠性和整机的可靠性。移相全桥软开关PWM控制器是一种应用广泛，适用于较大功率，低电压等场合的控制器，该控制器采用PWM移相控制，在不附加其他额外元气件，电路成本和复杂程度基本不变的情况下，利用控制器的漏感和功率开关管的电容进行谐振。
ZVZCS零电流和零电压的开通和关断，使得IGBT的电压电流应力大为减小，减小了电磁辐射，增强了整机的可靠性。从而减小了开关损耗，并且开关电压应力的减小使得开关频率可以进一步提高，实现逆变弧焊机的进一步高频化，高效化。
采用单片机进行数字化设计能够在硬件电路基本不变的情况下通过改***件编程实现各种不同焊机的程序功能，同时能够方便进行产品升级，通过数字化设计，将原来很多通过模拟信号进行处理的数据信号，都进行数字信号处理，大大增强了可靠性，方便进行故障诊断。
附图说明
图1是本发明框图。
图2是输入保护及整流滤波电路图。
图3全桥软开关变换电路图。
图4是控制电路图。
图5是软开关移相电路及峰值过流保护电路图。
图中：1.输入保护及整流滤波电路，2.全桥软开关变换电路，3.输出整流滤波，4.脉冲驱动及保护，5.软开关移相电路，6.D/A转换，7.最小控制***，8.过流/欠压保护，9.电流电压显示电路，10.输入开关变量信号，11.A/D转换，12.电压反馈，13.电流反馈。
具体实施方式
由图1至图5可知，本发明采用了IGBT软开关逆变技术，工频三相380V电源输入整流后由IGBT逆变器变为高频交流，经高频变压器降压，经整流器整流，滤波后输出适合于焊接的直流电。控制的电路设计实现整机闭环控制，使焊接电源具有良好的抗电网波动能力。由以下几个部分组成：主电路、以单片机89C51为核心控制的程序控制电路、以专用软开关移相芯片UCC3895构成的ZVZCS软开关全桥移相控制电路、驱动及保护电路等构成，***框图如图1。
1、主电路包括：
(1)输入保护及整流滤波电路1，如图2。输入及保护电路包括三个压敏电阻，三个CBB电容和一个环型滤波器构成。整流之后包括一个10U-50UF构成的滤波电容和一个LC电路构成缓启动电路。其中风机采用380V电源，保证与控制变压器的输入电源在相同的两个相序上，以防止出现当缺其中一相时，会出现控制变压器工作，控制电路工作正常，但风机不转而导致IGBT或输出整流二极管烧毁。电感L2采用在U形铁氧体磁柱上缠绕12-25匝的多股线。
(2)ZVZCS全桥软开关变换电路2。本弧焊机采用IGBT逆***开关电路，主电路采用新型ZVZCS PWN全桥变换器如图3。传统的硬开关控制技术是指开关管上的电压或电流不为零时，强迫开关管开通或关断，这时开关管的电压和电流有一个交叠的过程，将导致开关管在开关过程中产生开关损耗，而且开关损耗与开关的工作频率成正比，在硬开关状态下的工作变换器，随着频率的上升，一方面开关管的损耗会大幅度上升，变换器的效率大大降低，另一方面还将产生严重的EMI干扰。硬开关控制技术的缺陷限制了工作在硬开关状态下的变换器工作频率的进一步提升，限制了变换器减小体积和重量，实现高度集成化和小型化。而上图说示ZVZCS全桥软开关电路中，由四个IGBTQ1-Q4组成全桥电路，与一般硬开关电路不同的是Q1和Q2构成超前桥臂，Q3和Q4构成滞后桥臂，以上主电路配合IGBT的时序控制实现ZVZCS控制，即配合Q1和Q2两端的电容实现IGBT的零电压的开通和关闭，而串联在超微晶变压器初级的电容和电感构成的谐振电路实现Q3和Q4的零电流的开通和关闭。其中所述的电容由特制高频大容量无极性电容组成，所述的谐振电感由铁氧体磁环1-4个缠绕3-10匝多股线构成，设计简单，成本低。采用软开关的主要作用是：IGBT的损耗小，发热少，整机效率高，大大提高了IGBT的可靠性和整机的可靠性。通过实现ZVZCS零电流和零电压的开通和关断，使得IGBT的电压电流应力大为减小，减小了电磁辐射，增强了整机的可靠性。(3)输出整流滤波3
2、控制电路，如图4。所述的控制电路包括由89C51单片机为核心构成的最小控制***(7)电路、由专用软开关移相芯片UCC3895构成的软开关移相电路(5)及峰值过流保护电路、IGBT脉冲驱动及保护4电路、电源电路。
(1)、由89C51单片机构成的最小控制***(7)。包括A：89C51为核心的程序控制电路，该系列单片机是采用高性能的静态80C51设计，由先进CMOS工艺制造并带有非易失性Flash程序存储器，无需外接存储器，通过软件编程实现各种程序功能，储器全部支持12时钟和6时钟操作。同时具有内部RAM存储器，无需外接RAM，使得设计电路简单可靠。B：串行A/D转换(11)，并行D/A转换(6)电路，主要是进行数字信号和模拟信号的相互转换。C、复位及时钟电路。D、过流/欠压保护(8)电路、E、电流电压显示电路(9)、F输入开关变量信号(10)等模块。
控制电路主要实现程序是：数字电压、电流显示，电压或电流可以精确预置，能够方便进行规范调节；电流电压连续可调；提前送气和延迟断气功能；收弧功能，能够填满弧坑。还可以根据不同焊机进行软件程序更改，以实现不同的焊接功能。
采用单片机进行数字化设计的最大优点是能够在硬件电路基本不变的情况下通过改***件编程实现各种不同焊机的程序功能，比如在最小控制***(7)基本不变的情况下，能够通过改***件程序实现气体保护焊机、直流焊机、氩弧焊机等产品的设计；同时能够方便进行产品升级，比如通过升级软件版本，增强原有功能，或者修改原来的错误。使得产品开发周期大大缩短，降低后续产品设计成本。同时通过数字化设计，将原来很多通过模拟信号进行处理的数据信号，都进行数字信号处理，大大增强了可靠性。同时方便进行故障诊断。
串行A/D转换(11)，并行D/A(6)转换电路，主要是进行数字信号和模拟信号的相互转换。复位和时钟电路主要是对单片机进行上电复位。时钟电路是提供单片机工作的振荡时钟。
(2)由专用软开关移相芯片UCC3895构成的软开关移相电路(5)及峰值过流保护电路，如图5。移相全桥软开关PWM控制器是一种应用广泛，适用于较大功率，低电压等场合的控制器，该控制器采用PWM移相控制，在不附加其他额外元气件，电路成本和复杂程度基本不变的情况下，利用控制器的漏感和功率开关管的电容进行谐振，实现ZVZCS，从而减小了开关损耗，并且开关电压应力的减小使得开关频率可以进一步提高，故可以实现当前逆变弧焊机的进一步高频化，高效化的发展趋势，前景十分广阔。
实现移相全桥软开关PWM控制的方法很多，比如：采用分离器件进行逻辑组合，采用专用的集成控制芯片，采用DSP或CPLD或FPGA数字逻辑电路实现等。第一种方法较为复杂，不利用实际应用，第三种方法的成本相对较高，设计比较复杂，而采用专用的集成控制芯片则是设计者采用较多的方法。当前应用较多的移相全桥软开关PWM控制芯片主要是UC3879或UC3875系列等。UC3879作为UC3875的改进型，其工作原理和结构是相同的，但在一些功能上进行了改进。而UCC3895是TI公司生产的又一种高性能的PWM移相全桥软开关控制器，它是UC3879的改进型，除了UC3879的功能外，最大的改进是增加了自适用死区时间设置，以适用负载变化时不同的准谐振软开关要求。新增加了PWM软关断能力，同时由于它采用了BCDMOS工艺，使得它的功耗更小，工作频率更高，因而更适合于高效率、高频率、高可靠性的要求。
以下是几种控制芯片的参数比较：
| 参数 | UC3875 | UC3879 | UCC3895 |
| 工作电流 | 30mA | 23mA | 5mA |
| 电流检测延时 | 85ns | 160ns | 75ns |
| 输出驱动电流 | 200mA | 100mA | 100mA |
| 延时调节范围 | 150-400ns | 300-600ns | 450-600ns |
控制器的四路输出OUTA-OUTD产生的脉冲信号送入到驱动电路中，进行去驱动放大后再送到四个IGBT进行控制IGBT的开通和关断。控制器的工作频率由电阻R28，R29和电容C52共同决定。电流反馈(13)信号通过放大后送入到UCC3895的第一脚进行处理。
同时由于采用峰值电流模式控制PWM(Peak Current-mode Control PWM)，峰值电流的检测信号是通过在主电路初级线圈中串入一个磁环绕成的线圈。通过绕制线圈检测出电流送入UCC3895进行处理的。对电流控制型而言，只要电流脉冲达到设定的幅值，脉宽比较器就动作，开关管关断，保证了输出电压的稳定。相对于电压控制型而言，检测电路对电流的变化没有直接的反映，一直等到输出电压发生变化后才去调节脉宽，由于滤波电路的滞后效应，这种变化需要多个周期后才能表现出来，显然动态响应速度要慢得多，且输出电压的稳定性也受到一定的影响。峰值电流模式控制PWM的优点：①暂态闭环响应较快，对输入电压的变化和输出负载的变化的瞬态响应均快；②控制环易于设计；③输入电压的调整可与电压模式控制的输入电压前馈技术相媲美；④瞬时峰值电流限流功能，即内在固有的逐个脉冲限流功能等等。所以通过这种设计方式，也能够有效的保护IGBT在瞬间大电流时的保护作用，有效的降低的逆变焊机的故障率，大大提高了焊机的可靠性。
(3)驱动电路及保护电路：采用一驱二的磁罐型脉冲变压器进行驱动，阻抗匹配合适，能保证脉冲驱动信号的过冲控制在IGBT容限范围以内，防止过压导致IGBT误导通。绝缘栅双极晶体管(IGBT)所用驱动线等长，驱动线为两根并绕的双绞线，在双绞线前并联电容；在绝缘栅双极晶体管(IGBT)的控制极和发射极之间增加瞬态电压抑制二极管(TVS)和电阻。
(4)电源电路：由控制变压器通过整流、滤波后转换成直流电源，然后根据各种芯片的工作电源要求，通过线性稳压电源进行不同直流电源的转换。如提供给89C51、A/D转换芯片、UCC3895等芯片的工作电源。
采用以89C51为核心的单片机软件编程控制***，和以专用软开关移相控制芯片UCC3895为核心的ZVZCS全桥IGBT逆***开关控制主电路，工频三相380V电源输入进行三相整流及滤波(1)之后连接ZVZCS全桥软开关变换电路(2)，由IGBT逆变器进行高频逆变，变为高频交流，再经高频变压器降压之后，连接通过二次整流及滤波(3)之后输出适合于焊接的直流电，通过这个过程，IGBT损耗小，节能效果显著，输出电源稳定，飞溅小，焊接效果好，大大增强整机可靠性，同时提高了焊机的动态响应速度，减小了焊机的体积和重量。控制电路主要是由最小控制***(7)接收电压采集信号后输出控制信号送入进行D/A转换(6)，形成模拟信号，再经过专用软开关移相电路(5)产生PWM控制信号，后经脉冲驱动及保护(4)电路进行驱动放大和抗干扰保护，最终送入ZVZCS全桥软开关变换电路(2)中的4个IGBT，进行全桥软开关逆变，通过数字化实进行闭环控制，使焊接电源具有良好的抗电网波动能力，焊接性能优异。同时实现电流、电压采集、显示及控制和各种应用功能的数字化处理，大大提高产品的可靠性和降低综合成本。
Claims (4)
1、一种嵌入式***控制的数字化软开关逆变弧焊机，其特征是：由嵌入式***控制电路控制主电路实现弧焊，脉冲宽度调制采用软开关移相电路与峰值电流保护模式(5)；脉冲驱动及保护(4)电路采用一驱二的磁罐型脉冲变压器，同时增加电容、双绞线和瞬态电压抑制二极管(TVS)及电阻继续保护防止过压和过压引起的IGBT误导通。
2、根据权利要求1所述的一种嵌入式***控制的数字化软开关逆变弧焊机，其特征是：采用以单片机软件编程控制***，和以专用软开关移相控制芯片为核心的ZVZCS全桥IGBT逆***开关控制主电路，工频电源输入进行三相整流及滤波(1)之后连接ZVZCS全桥软开关变换电路(2)，由IGBT逆变器进行高频逆变，再经高频变压器降压之后，连接通过二次整流及滤波(3)之后输出；控制电路主要由最小控制***(7)接收电压反馈(12)信号后输出控制信号送入进行D/A转换(6)，形成模拟信号，再经过软开关移相电路(5)产生PWM控制信号，后经脉冲驱动及保护电路(4)进行驱动放大和抗干扰保护，送入ZVZCS全桥软开关变换电路中(2)的IGBT，进行全桥软开关逆变，实现闭环控制。
3、根据权利要求1所述的一种嵌入式***控制的数字化软开关逆变弧焊机，其特征是：主电路构成如下：
(1)输入保护及整流滤波电路，包括三个压敏电阻，三个CBB电容和一个环型滤波器；
(2)全桥软开关变换电路，采用IGBT逆***开关电路，采用ZVZCS PWM全桥变换器；
(3)输出整流滤波。
4、根据权利要求1所述的一种嵌入式***控制的数字化软开关逆变弧焊机，其特征是：控制电路构成如下：
(1)最小控制***，包括：
A：89C51为核心的程序控制电路，该系列单片机采用静态80C51；
B：串行A/D转(11)，并行D/A转换电路，主要是进行数字信号和模拟信号的相互转换；
C、复位及时钟电路；
D、保护电路；
E、电流电压显示电路；
F、输入开关变量信号等模块；
(2)由软开关移相芯片UCC3895构成的软开关移相电路及峰值过流保护电路；
(3)驱动电路及保护电路；
(4)电源电路，由控制变压器通过整流、滤波后转换成直流电源，根据各种芯片的工作电源要求，通过线性稳压电源进行不同直流电源的转换。
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