CN103170710A

CN103170710A - 多功能数字熔化极电焊机

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Publication number: CN103170710A
Application number: CN2013101030669A
Authority: CN
Inventors: 徐旦; 刘清江
Original assignee: WUXI ZHOUXIANG COMPLETE SET OF WELDING EQUIPMENT CO Ltd
Current assignee: WUXI ZHOUXIANG COMPLETE SET OF WELDING EQUIPMENT CO Ltd
Priority date: 2013-03-27
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2033-03-27
Also published as: CN103170710B

Abstract

本发明提供一种多功能数字熔化极电焊机，其特征在于：包括主线路、控制线路、供电变压线路；所述主线路包括依次电连接的EMI防干扰电路、输入整流电路、软开关逆变电路、输出变压器、输出整流电路和电焊机输出端；所述控制线路包括：连接电焊机输出端的取样电路，采集电焊机输出的电压和电流信号；焊接参数设定模块，用于设定焊接参数值；连接取样电路和焊接参数设定模块的数字控制电路，接收并处理取样电路采集的电焊机输出电压和电流信号，接收并处理焊接参数设定模块所设定的焊接参数值，输出产生焊接控制信号；连接数字控制电路和软开关逆变电路的软开关驱动电路。本电焊机焊接精度高，性能稳定。

Description

多功能数字熔化极电焊机

技术领域

本发明涉及一种电焊机，尤其是一种电焊机的电源。

背景技术

传统的焊机电源一般都是用模拟技术通过电流或电压反馈来控制电源，这种方式用在一般的焊接方式（手工焊，氩弧焊和等离子切割等），一般可以满足焊接要求,但在一些焊接要求比较高的方式（高效熔化极焊接)用一般的模拟技术来控制就不是很理想,主要是控制精度不能满足焊接要求。传统的焊机电源中主线路一般都是采用硬开关逆变技术,这种方式功率器件的损耗大易损坏可靠性差。传统的焊机电源中的功率器件的保护也做得不够完善。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种多功能数字熔化极电焊机，增强了过流保护措施，采用高精度的电流传感器并结合数字单片机对反馈的输出电压和输出电流进行控制，优化了开关逆变电路的驱动逻辑。本发明采用的技术方案是：

一种多功能数字熔化极电焊机，包括主线路、控制线路、供电变压线路；

所述主线路包括依次电连接的EMI防干扰电路、输入整流电路、软开关逆变电路、输出变压器、输出整流电路和电焊机输出端；

所述控制线路包括：

连接电焊机输出端的取样电路，采集电焊机输出的电压和电流信号；

焊接参数设定模块，用于设定焊接参数值；

连接取样电路和焊接参数设定模块的数字控制电路，接收并处理取样电路采集的电焊机输出电压和电流信号，接收并处理焊接参数设定模块所设定的焊接参数值，输出产生焊接控制信号；

连接数字控制电路和软开关逆变电路的软开关驱动电路，接受数字控制电路输出的焊接控制信号的控制，产生驱动时序信号并传给软开关逆变电路；驱动时序信号使得软开关逆变电路中的功率器件IGBT管工作在“软开关”模式下。

所述供电变压线路的输入端连接EMI防干扰电路的输出端，供电变压线路的输出端分别连接所述软开关驱动电路、焊接参数设定模块、数字控制电路；供电变压线路提供工作电源给所述控制线路中的模块或电路。

优选地，所述软开关逆变电路，其输出回路里设置有电流保护器W1，电流保护器W1的输出端连接软开关驱动电路；电流保护器W1采集软开关逆变电路的输出电流，传给软开关驱动电路，以使软开关驱动电路在软开关逆变电路的输出电流大于设定阈值时产生保护信号，以关断软开关逆变电路中的IGBT管。

优选地，所述控制线路中还包括一个连接数字控制电路的焊接专家模块；焊接专家模块内置有通过大量的焊接试验得到的焊接数据库，还有国内外的焊接专家提供的焊接数据库，能够为数字控制电路提供焊接参数的对比。

本发明的优点：采用新型的单片机STM32F103通过高精度的电流和电压反馈对焊接进行精确计算和对比来控制主线路，使焊接电弧的稳定度大幅度的提高。主线路采用数字软开关技术,降低了功率器件的开关损耗。使用新型的功率器件IGBT,使整机的损耗大幅度的降低并提高了可靠性。加强了对功率器件IGBT的保护。

附图说明

图1为本发明的电路逻辑框图。

图2为本发明的电路原理图。

图3为本发明的驱动时序信号示意图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示：

一种多功能数字熔化极电焊机，包括主线路、控制线路、供电变压线路11；

所述主线路包括依次电连接的EMI防干扰电路1、输入整流电路2、软开关逆变电路3、输出变压器4、输出整流电路5和电焊机输出端；

所述控制线路包括：

连接电焊机输出端的取样电路6，采集电焊机输出的电压和电流信号；

焊接参数设定模块8，用于设定焊接参数值；

连接取样电路6和焊接参数设定模块8的数字控制电路7，接收并处理取样电路6采集的电焊机输出电压和电流信号，接收并处理焊接参数设定模块8所设定的焊接参数值，输出产生焊接控制信号；

连接数字控制电路7和软开关逆变电路3的软开关驱动电路10，接受数字控制电路7输出的焊接控制信号的控制，产生驱动时序信号并传给软开关逆变电路3；

所述供电变压线路11的输入端连接EMI防干扰电路1的输出端，供电变压线路11的输出端分别连接所述软开关驱动电路10、焊接参数设定模块8、数字控制电路7；供电变压线路11提供工作电源给所述控制线路中的模块或电路。

优选地，所述软开关逆变电路3，其输出回路里设置有电流保护器W1，电流保护器W1的输出端连接软开关驱动电路10；电流保护器W1采集软开关逆变电路3的输出电流，传给软开关驱动电路10，以使软开关驱动电路10在软开关逆变电路3的输出电流大于设定阈值时产生保护信号，以关断软开关逆变电路3中的IGBT管。

优选地，所述控制线路中还包括一个连接数字控制电路7的焊接专家模块9；焊接专家模块9内置有通过大量的焊接试验得到的焊接数据库，还有国内外的焊接专家提供的焊接数据库，能够为数字控制电路7提供焊接参数的对比。

本发明的电路原理如图2所示，工频交流电输入本电焊机以后，首先进入EMI防干扰电路1，EMI防干扰电路1由一系列的滤波电感和滤波电容组成，可以有效滤除电网中的干扰。

EMI防干扰电路1后一级连接的是输入整流电路2，所述输入整流电路2包括整流桥QL1，滤波电容C1、C2、C3；滤波电容C1并联在整流桥QL1的两个输出端，滤波电容C2和C3串联后再并联在整流桥QL1的两个输出端；滤波电容C2和C3的连接节点接地。输入整流电路2为下一级软开关逆变电路3提供直流电。

输入整流电路2后一级连接的是软开关逆变电路3，所述软开关逆变电路3主要由IGBT管Q1、Q2、Q3、Q4组成，各IGBT管均采用内置阻尼二极管的IGBT（图2中未画出内置的阻尼二极管）。IGBT管Q1和Q2的集电极连接在一起并连接输入整流电路2的正输出端，IGBT管Q3和Q4的发射极连接在一起并连接输入整流电路2的负输出端；IGBT管Q2的发射极和IGBT管Q4的集电极相连，作为软开关逆变电路3的第一输出端，IGBT管Q1的发射极和IGBT管Q3的集电极相连，作为软开关逆变电路3的第二输出端；IGBT管Q1、Q2、Q3、Q4的各栅极和发射极分别连接软开关驱动电路10的输出端，接受软开关驱动电路10输出的驱动时序信号；

所述输出变压器4包括初级L10、带有中间抽头的次级L11、L12和L13；上述软开关逆变电路3的第一输出端连接输出变压器4初级L10的一端，L10的另一端通过电容C4连接电流保护器W1,电流保护器W1连接软开关逆变电路3的第二输出端，形成了软开关逆变电路3的输出回路；本输出变压器4采用多个次级并联，可以有效地增大输出电流。

电流保护器W1采集软开关逆变电路3的输出电流，传给软开关驱动电路10，以便软开关驱动电路10在软开关逆变电路3的输出电流过大时产生保护信号，以及时关断IGBT管Q1、Q2、Q3、Q4，防止IGBT管Q1、Q2、Q3、Q4损坏。

所述输出整流电路5包括电阻R11、R12、R13，电容C11、C12、C13，整流二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6，电感L14；电阻R11和电容C11串联后再并联在输出变压器4次级L11的两端，电阻R12和电容C12串联后再并联在输出变压器4次级L12的两端，电阻R13和电容C13串联后再并联在输出变压器4次级L13的两端；输出变压器4次级L11、L12、L13各自的中间抽头连接在一起，并与电感L14的一端相连；整流二极管D1、D2、D3各自的阳极分别与L11的一端、L12的一端、L13的一端相连，整流二极管D4、D5、D6各自的阳极分别与L11的另一端、L12的另一端、L13的另一端相连；整流二极管 D1、D2、D3、D4、D5、D6各自的阴极连接在一起并同电焊机的正输出端连接。

所述取样电路6包括电压采样线路，其将电焊机的正输出端和负输出端分别连接至所述数字控制电路7，电压采样线路采集电焊机输出的电压信号，并反馈给数字控制电路7；所述取样电路6还包括一电流传感器W2，电流传感器W2串接在所述电感L14的另一端和电焊机的负输出端之间，电流传感器W2的输出端连接所述数字控制电路7，电流传感器W2采集电焊机输出的电流信号，并反馈给数字控制电路7。电流传感器W2选用了莱姆公司的LAH100-P，其精度高，稳定性好。

所述焊接参数设定模块8主要由单片机U2组成，用于设定焊接参数值；本实施例单片机U2采用STC12C5A60AD，可以设置各种焊接（铝，不锈钢，碳钢，铜）的详细参数，主要包括焊接电流，焊接电压，脉冲频率，收弧电流，收弧电压等，给数字控制电路7提供各种焊接参数的预设值。

所述焊接专家模块9主要由单片机U3组成，本实施例单片机U3采用STC12C5A60S2。焊接专家模块9内置有通过大量的焊接试验得到的焊接数据库，还有国内外的焊接专家提供的焊接数据库，能够为数字控制电路7提供焊接参数的对比。

所述数字控制电路7主要由单片机U1组成，本实施例单片机U1采用意法半导体公司的STM32F103，数字控制电路7处理所获得的静态焊接参数和动态焊接参数，给软开关驱动电路10提供最佳的焊接控制信号，使电焊机工作在最佳的状况，保证了各种焊接的成型和质量。所述静态焊接参数包括焊接参数设定模块8所设定的焊接参数值、调用焊接专家模块9提供的焊接数据库中的焊接参数。所述动态焊接参数是指接收到的取样电路6采集的电焊机输出电压和电流信号。

所述软开关驱动电路10主要由CPLD（复杂可编程逻辑器件）组成，其接受数字控制电路7输出的焊接控制信号的控制，产生驱动时序信号并传给软开关逆变电路3。由于采用了成熟的CPLD软开关驱动电路10,大幅减少电路中器件的使用数量,减小电路板的使用面积,缩短了线路板的线路长度,所以大幅降低线路板的故障点,增强了线路板的抗干扰能力,提高了线路板的可靠性，能精确的控制IGBT管的开关时序。

驱动时序信号如图3所示，驱动时序信号包含四路相同周期的电压驱动信号S1、S2、S3、S4，在一个周期内，S1和S4的正脉冲起始于同一时刻，S4的正脉冲宽度大于S1的正脉冲宽度，S4的正脉冲终止后，间隔一死区时间，S3和S2的正脉冲起始于同一时刻，S3和S1的正脉冲宽度相等，S2和S4的正脉冲宽度相等，S2的正脉冲终止后，又间隔一死区时间，才开始下一周期。

四路电压驱动信号S1、S2、S3、S4分别加到IGBT管Q1的栅极和发射极、IGBT管Q2的栅极和发射极、IGBT管Q3的栅极和发射极、IGBT管Q4的栅极和发射极。IGBT管的工作时序为：1，初始时候Q1和Q4同时开通，到Q1关断时由于Q4还是处于导通状态，因此Q1在关断时承受的电压很小。2，到Q4关断时，由于IGBT管内部的阻尼二极管有续流作用，削去了输出变压器4初级L10的自感电压，因此Q4在关断时承受的电压也很小。3，在Q4关断和Q3开通之间存在一死区时间，这样Q2和Q3在开通时输出变压器4初级L10的电压已经几乎为零。4，接着Q2和Q3的工作过程与Q1和Q4的工作过程是一样的，Q2导通结束后，下一周期前，在Q2关断和Q1开通之间也存在一死区时间。整个一个周期，四只IGBT管在开通和关闭时承受的电压都比较小，从而可以降低IGBT管的开关损耗。

所述供电变压线路11包括变压器TR1和TR2，从EMI防干扰电路1的输出端得到工频交流电，降压后供给软开关驱动电路10、焊接参数设定模块8、数字控制电路7、焊接专家模块9。

Claims

1.一种多功能数字熔化极电焊机，其特征在于：包括主线路、控制线路、供电变压线路；

所述控制线路包括：

焊接参数设定模块，用于设定焊接参数值；

连接数字控制电路和软开关逆变电路的软开关驱动电路，接受数字控制电路输出的焊接控制信号的控制，产生驱动时序信号并传给软开关逆变电路；

所述供电变压线路的输入端连接EMI防干扰电路的输出端，供电变压线路的输出端分别连接所述软开关驱动电路、焊接参数设定模块、数字控制电路。

2.如权利要求1所述的多功能数字熔化极电焊机，其特征在于：所述软开关逆变电路，其输出回路里设置有电流保护器W1，电流保护器W1的输出端连接软开关驱动电路；电流保护器W1采集软开关逆变电路的输出电流，传给软开关驱动电路，以使软开关驱动电路在软开关逆变电路的输出电流大于设定阈值时产生保护信号。

3.如权利要求1或2所述的多功能数字熔化极电焊机，其特征在于：所述控制线路中还包括一个连接数字控制电路的焊接专家模块。

4.如权利要求1或2所述的多功能数字熔化极电焊机，其特征在于：所述软开关逆变电路主要由IGBT管Q1、Q2、Q3、Q4组成，IGBT管Q1和Q2的集电极连接在一起并连接输入整流电路的正输出端，IGBT管Q3和Q4的发射极连接在一起并连接输入整流电路的负输出端；IGBT管Q2的发射极和IGBT管Q4的集电极相连，作为软开关逆变电路的第一输出端，IGBT管Q1的发射极和IGBT管Q3的集电极相连，作为软开关逆变电路的第二输出端；IGBT管Q1、Q2、Q3、Q4的各栅极和发射极分别连接软开关驱动电路的输出端，接受软开关驱动电路输出的驱动时序信号。

5.如权利要求4所述的多功能数字熔化极电焊机，其特征在于：所述软开关驱动电路输出的驱动时序信号包含四路相同周期的电压驱动信号S1、S2、S3、S4，在一个周期内，S1和S4的正脉冲起始于同一时刻，S4的正脉冲宽度大于S1的正脉冲宽度，S4的正脉冲终止后，间隔一死区时间，S3和S2的正脉冲起始于同一时刻，S3和S1的正脉冲宽度相等，S2和S4的正脉冲宽度相等，S2的正脉冲终止后，又间隔一死区时间，才开始下一周期；四路电压驱动信号S1、S2、S3、S4分别加到IGBT管Q1的栅极和发射极、IGBT管Q2的栅极和发射极、IGBT管Q3的栅极和发射极、IGBT管Q4的栅极和发射极。

6.如权利要求1或2所述的多功能数字熔化极电焊机，其特征在于：所述取样电路包括电压采样线路，其将电焊机的正输出端和负输出端分别连接至所述数字控制电路，电压采样线路采集电焊机输出的电压信号，并反馈给数字控制电路；所述取样电路还包括一电流传感器W2，电流传感器W2采集电焊机输出的电流信号，并反馈给数字控制电路。

7.如权利要求6所述的多功能数字熔化极电焊机，其特征在于：所述电流传感器W2为莱姆公司的LAH100-P。

8.如权利要求1或2所述的多功能数字熔化极电焊机，其特征在于：所述数字控制电路主要由单片机U1组成。

9.如权利要求1或2所述的多功能数字熔化极电焊机，其特征在于：所述输出变压器采用多个次级并联。