CN201231371Y - 一种新型的斜特性式脉冲co2焊逆变电源 - Google Patents

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Abstract

一种新型的斜特性式脉冲CO2焊逆变电源，对恒流控制电流波形的CO2焊逆变电源进行改造，以提高稳弧性能。本实用新型的主要在普通CO2焊逆变电源中引入斜特性式弧长自动调节***，该***主要由单片机弧长自动调节模块、波控参数转换电路、恒流负反馈控制电路、PWM控制电路等部分组成。单片机弧长自动调节模块采用独创的斜特性式弧长自动调节算法，可实时求出脉冲CO2焊峰值电流脉宽调节量，以自动调节CO2焊弧长，从而使本实用新型具有自适应调节弧长功能的脉冲CO2焊逆变电源的优点。

Description

一种新型的斜特性式脉冲CO2焊逆变电源
技术领域
本实用新型涉及一种逆变电源，更具体的说涉及一种脉冲CO2气体保护焊逆变电源。
背景技术
目前，CO2气体保护焊设备已广泛采用逆变式直流焊接电源，CO2逆变电源不仅具有体积小、重量轻、效率高等优点，而且开拓了发展各种脉冲式或波控式CO2焊机的新局面。基于IGBT逆变电源的工作频率高达20KHz，逆变式CO2焊电源的控制周期仅为50us，具有非常优良的动态响应特性，能以0.1ms的响应速度控制CO2焊燃弧过程及短路过程的电流波形，在焊接过程中，CO2焊燃弧阶段的电流峰值与基值被精确控制在设定值，实现了理想的电流波形控制使每个熔滴的能量得到定量控制，从而大幅度提高了设备的焊接性能。
但是，脉冲CO2焊逆变电源是通过对电流峰值与基值进行恒流闭环控制而实现电流波形控制的。也就是说，脉冲CO2焊逆变电源必须采用恒流控制模式来控制电流波形。
众所周知，在等速送丝式CO2焊设备中，传统是采用平特性CO2焊整流电源来解决电弧电压自动调节问题。否则电弧就不能稳定，则焊接过程也无法稳定。即，在CO2焊接过程中当弧长变长或变短时，平特性CO2电源就会产生自调节作用使输出电流反向变化，则焊丝熔化速度相应减小或增加，相应使焊丝端部与熔池表面的距离变小或变大，从而自动恢复弧长。
然而脉冲CO2焊设备采用恒流控制时，其外特性也就变为恒流特性，不能满足电弧电压自动调节性能，不能满足生产需要，因此需要改进。
发明内容
本实用新型的目的是克服现有技术的缺点，提供一种新型的斜特性式脉冲CO2焊逆变电源，对恒流控制电流波形的CO2焊逆变电源进行改造，以提高稳弧性能。本实用新型从电弧能量控制的角度研究了通过控制CO2焊燃弧过程峰值电流脉宽tp的途径来闭环控制CO2焊电弧电压的方法，建立以脉冲CO2焊逆变电源外特性斜率为判据，以峰值电流脉宽为控制量的自动控制模型。在此基础上提出了一种新型的斜特性式脉冲CO2焊电源。此电源以脉冲CO2焊逆变电源峰值电流脉宽为控制量，通过电弧电压反馈控制峰值电流脉宽使电源获得可调的斜降伏安特性，从而在保持恒流控制峰值与基值电流特性的同时，还使脉冲CO2气体保护焊逆变电源具有足够强烈的电弧电压自动调节特性。
本实用新型的技术方案是这样实现的：
一种新型的斜特性式脉冲CO2焊逆变电源，是对恒流控制电流波形的CO2焊逆变电源的改造和性能提高，它包括逆变电源，其特殊之处在在于，它还包括斜特性式弧长自动调节***，该***是以脉冲CO2焊逆变电源峰值电流脉宽为控制量，以电源外特性斜率为判据，对电源电压进行负反馈控制，使脉冲CO2焊电源输出电流平均值随电弧电压下降而线性增加，从而将基于恒流控制电流波形的脉冲CO2焊逆变电源转变为斜特性式脉冲CO2焊逆变电源；所述的斜特性式弧长自动调节***，该***以单片机与弧长自动调节模块为核心，与基本电路连接而成，其电路包括控制面板、AD转换电路、波控参数转换电路、电源负反馈电路、恒流负反馈控制电路、PWM控制电路、焊接电流传感电路、焊接电压传感电路；通过电流与电压传感电路实时检测焊接电流Ih值与焊接电压Uh值，并将传感电路处理得的焊接电压模拟量Uv经过AD转换电路送入单片机CPU，再送入弧长自动调节模块；同时用户在控制面板设定的脉冲峰值电流Ip、基值电流Ib与外特性斜率K也送入单片机；弧长自动调节模块根据电弧电压变化量ΔUh与外特性斜率K实时计算出峰值电流脉宽tp的调节量Δtp；波控参数转换电路则根据峰值电流脉宽的调节量Δtp实时切换对恒流负反馈电路输出的电流设定值，使恒流负反馈电路实时切换对PWM控制电路的控制信号uk，继而使CO2焊逆变主电路改变脉冲电流波形宽度，从而使脉冲CO2焊逆变电源自动调节焊接电流平均值来调节焊丝熔化速度，稳定电弧长度。
所述的斜特性式弧长自动调节***基本电路为：(A)由单片机***实现弧长自动调节算法与信号A/D、D/A转换；(B)由电子电路实现波控参数(电流波形峰值和基值)转换，焊接电流负反馈控制与逆变主电路脉宽调制(PWM)控制；其中：
(1)所述的焊接电流波控参数转换电路，是由多路开关u1与运算放大器u2组成；多路开关u1的输入端x0，x1分别接单片机***D/A模块的电流峰值Ip、模拟量up输出端与电流基值Ib模拟量ub输出端，其控制信号输入端A接单片机***I/O接口电路的电流峰值时间tp开关脉冲信号ut输出端，ut脉冲信号为高电平时，多路开关u1的输入端x。与输出端x1选通，电路输出焊接电流波形峰值的设定值模拟量up，ut脉冲信号为低电平时，电路输出焊接电流波形基值的设定值模拟量ub。运算放大器U2电路用以调整从多路开关输出的电流设定值模拟信号至Us值，使之符号焊接电源负反馈控制电路输入要求，其放大倍数由WR1调节；
(2)所述的焊接电源负反馈电路由运算放大器U3与U4同相放大电器组成；其中运算放大器U3用以调理焊接电流传感的模拟量信号Ui使之与焊接电流波控参数转换电路输出值相匹配，其放大倍数由WR2调节，其输出值Uif送入运算放大器U4的反相端；运算放大器U4的同相端入焊接电流波形参数模拟量Us，使之与焊接电流模拟量Uif进行负反馈处理并输出控制信号Uk，其负反馈强度由WR3调节；
(3)脉宽调制电路PWM采用SG3525芯片组成，其输入端1接焊接电流负反馈电路输出端，其输出端产生对逆变器主电路IGBT元件的开关脉冲信号。
本实用新型的单片机弧长自动调节模块采用独创的斜特性式弧长自动调节算法，可实现求出峰值电流脉宽调节量。
Δtp＝-K*T0/Ip*ΔUhp
式中：ΔUhp为弧长变化引起的脉冲CO2焊电弧电压平均值变化量；
T0为脉冲CO2焊熔滴过渡平均时间；
Tp为脉冲CO2焊峰值电流设定值；
K为斜特性脉冲CO2焊电源外特性斜率设定值其功能是当脉冲CO2焊弧长发生变化时，单片机弧长自动调节模块可根据弧长变化引起的电弧电压变化量ΔUhp，通过改变峰值电流脉宽来产生相应的电流自动调节量ΔIhp，有ΔIhp＝T0/Tp*Δtp。
由于Δtp与ΔIhp相对ΔUhp为负值，其作用是使弧长变化减少的负反馈作用。
单片机弧长自动调节模块的自动调节作用：
(1)当弧长增加，使ΔUhp增加超过参考值Uh0时，弧长自动调节模块输出的峰值电流脉宽脉冲Ut的脉宽就由设定值tp0降为(tp0-Δtp)，使焊接电流减小；
(2)当弧长减小，使ΔUh降低时，此模块就使Ut脉宽增加为(tp0-Δtp)，自动增加焊接电流平均值，以恢复弧长。
此***实现了以脉冲CO2焊逆变电源峰值电流脉宽为控制量，以电源外特性斜率为判据，对电源电压进行负反馈控制，使脉冲CO2焊电源输出电流平均值随电弧电压下降而线性增加，将基于恒流控制电流波形的脉冲CO2焊逆变电源转变为斜特性式脉冲CO2焊逆变电源，从而使本实用新型具有自适应调节弧长功能的脉冲CO2焊逆变电源。
由于采用了上述技术方案，本实用新型具有如下优点与效果：
(1)本实用新型斜特性式脉冲CO2焊逆变电源具有自适应的弧长自动调节功能，在焊接过程中，当弧长变化时，此电源就能自动调节焊接电流平均值，以此改变焊丝熔化速度而恢复电弧长度。
(2)本实用新型斜特性式脉冲CO2焊逆变电源对弧长自动调节强度可由其外特性斜率定量调整，通过控制面板减小外特性斜率K值，就可以增加脉冲CO2焊逆变电源的自动调节弧长强度。
(3)本实用新型提出的斜特性式脉冲CO2焊逆变电源具有自适应确定焊接稳定工作点的功能。在焊丝送进速度一定改变焊接电流峰值或焊接电流峰值一定改变焊丝送进速度时，本实用新型均能使焊接平均电流与平均电压稳定在新的工作点，即电源斜特性曲线与焊机等速送丝特性曲线的交点，从而解决了电弧电压自寻优问题。
(4)本实用新型提出的斜特性式脉冲CO2焊逆变电源能够既保持恒流控制特性以精确控制脉冲电流峰值与基值，又使电源具有足够强烈的弧长自动调节特性与电弧电压自寻优功能，较好地改进了波控式CO2焊逆变电源的性能。
附图说明
图1为新型的斜特性式脉冲CO2焊逆变电源弧长自动调节***框图
图2为新型的斜特性式脉冲CO2焊逆变电源控制***电路原理图
图3为新型的斜特性式脉冲CO2焊逆变电源自动调节弧长工作原理图
图4为微机弧长自动调节模块工作原理图
图5为斜特性式脉冲CO2焊逆变电源控制***单片机控制流程图
图6为斜特性式脉冲CO2焊逆变电源实测电压与电流波形图
具体实施方式
现结合附图详细描述本实用新型最佳实施例：
一种斜特性式脉冲CO2焊逆变电源，其技术特征为：
1、采用斜特性式弧长自动调节***。如图1所示，该***包括单片机弧长自动调节模块、波控参数转换电路、电源负反馈电路、恒流负反馈控制电路、PWM控制电路、焊接电流传感电路、焊接电压传感电路、AD转换电路以及控制面板。此***在焊接过程中，通过电流与电压传感电路实时检测焊接电流Ih值与焊接电压Uh值，并将传感电路处理得的焊接电压模拟量Uv经过AD转换电路送入单片机CPU，再送入弧长自动调节模块；同时用户在控制面板设定的脉冲峰值电流Ip、基值电流Ib与外特性斜率K也送入单片机；弧长自动调节模块根据电弧电压变化量ΔUh与外特性斜率K实时计算出峰值电流脉宽tp的调节量Δtp；波控参数转换电路则根据峰值电流脉宽的调节量Δtp实时切换对恒流负反馈电路输出的电流设定值，使恒流负反馈电路实时切换对PWM控制电路的控制信号uk，继而使CO2焊逆变主电路改变脉冲电流波形宽度，从而使脉冲CO2焊逆变电源自动调节焊接电流平均值来调节焊丝熔化速度，稳定电弧长度。
2、采用斜特性式弧长自动调节***电路。如图2所示。此电路的基本特征为：由单片机***实现弧长自动调节算法与信号A/D、D/A转换；由电子电路实现波控参数(电流波形峰值和基值)转换，焊接电流负反馈控制与逆变主电路脉宽调制(PWM)控制。其具体情况为：
(1)多路开关u1与运算放大器u2组成焊接电流波控参数转换电路。多路开关u1的输入端x0，x1分别接单片机***D/A模块的电流峰值Ip、模拟量up输出端与电流基值Ib模拟量ub输出端，其控制信号输入端A接单片机***I/O接口电路的电流峰值时间tp开关脉冲信号ut输出端，ut脉冲信号为高电平时，多路开关u1的输入端x。与输出端x1选通，电路输出焊接电流波形峰值的设定值模拟量up，ut脉冲信号为低电平时，电路输出焊接电流波形基值的设定值模拟量ub。运算放大器U2电路用以调整从多路开关输出的电流设定值模拟信号至Us值，使之符号焊接电源负反馈控制电路输入要求，其放大倍数由WR1调节；
(2)运算放大器U3与U4同相放大电器组成焊接电源负反馈电路。其中运算放大器U3用以调理焊接电流传感的模拟量信号Ui使之与焊接电流波控参数转换电路输出值相匹配，其放大倍数由WR2调节，其输出值Uif送入运算放大器U4的反相端；运算放大器U4的同相端入焊接电流波形参数模拟量Us，使之与焊接电流模拟量Uif进行负反馈处理并输出控制信号Uk，其负反馈强度由WR3调节；
(3)脉宽调制电路PWM采用SG3525芯片组成，其输入端1接焊接电流负反馈电路输出端，其输出端产生对逆变器主电路IGBT元件的开关脉冲信号。
3、单片机弧长自动调节模块采用独创的斜特性式弧长自动调节算法，可实现求出峰值电流脉宽调节量
Δtp＝-K*T0/Ip*ΔUhp
式中：ΔUhp为弧长变化引起的脉冲CO2焊电弧电压平均值变化量；
T0为脉冲CO2焊熔滴过渡平均时间；
Tp为脉冲CO2焊峰值电流设定值；
K为斜特性脉冲CO2焊电源外特性斜率设定值其功能是当脉冲CO2焊弧长发生变化时，单片机弧长自动调节模块可根据弧长变化引起的电弧电压变化量ΔUhp，通过改变峰值电流脉宽来产生相应的电流自动调节量ΔIhp，有ΔIhp＝T0/Tp*Δtp由于Δtp与ΔIhp相对ΔUhp为负值，其作用是使弧长变化减少的负反馈作用。
4、单片机弧长自动调节模块使基于恒流控制电流波形的脉冲CO2焊逆变电源转变为斜特性式脉冲CO2焊逆变电源。如图3示；
(1)当弧长增加，使ΔUhp增加超过参考值Uh0时，弧长自动调节模块输出的峰值电流脉宽脉冲Ut的脉宽就由设定值tp0降为(tp0-Δtp)，使焊接电流减小，使脉冲CO2焊电源输出的峰值电流脉宽随电弧电压增加而线性减小，则电源输出电流平均值也随电弧电压增加而线性下降；
(2)当弧长减小，使ΔUh降低时，此模块就使Ut脉宽增加为(tp0-Δtp)，自动增加焊接电流平均值，使脉冲CO2焊电源输出的峰值电流脉宽随电弧电压下降而线性增加，则电源输出电流平均值也随电弧电压下降而线性增加，由此，本实用新型的单片机弧长自动调节模块将基于恒流控制电流波形的脉冲CO2焊逆变电源转变为斜特性式脉冲CO2焊逆变电源。
5、斜特性脉冲CO2焊逆变电源自动调节弧长的机理是：以峰值电流脉宽为控制量，以电源外特性斜率为判据，对电源电压进行负反馈控制。
如图4所示，图中斜外特性与等速送丝特性曲线交点O为稳定工作点，在焊接过程中，当弧长从λ1增到λ2时，斜外特性与电弧静特***点变为O’点，其电流值比稳定工作点减少ΔIh量，即，电源自动产生电弧电流调节量ΔIh来减小焊丝熔化速度，使之低于焊丝送进速度，焊丝末端向熔池移动，焊接工作点从波动点O’逐渐恢复至稳定工作点O，保持弧长稳定。
6、本实用新型的自动调节强烈性弧长可由脉冲CO2焊逆变电源外特性斜率值K进行调节。
随斜率K值调大，电源的外特性曲线趋于平缓，即单位电弧电压变化引起的电源输出电流调节量变大，则斜特性脉冲CO2焊电源的弧长自动调节作用变强。
7、采用了电弧电流与电弧电压双闭环负反馈控制。本实用新型通过弧长自动调节***后使电源既保持了脉冲CO2焊机能按设定值精确控制电流波形的特性，包括控制燃弧时的电流峰值与基值以及短路过渡的电流波形；同时使电源获得斜率可调的斜外特性，从而具备与平特性电源相当的弧长自动调节功能。
8、本实用新型采用单片机控制程序对燃弧过程与短路过程电流波形进行实时闭环控制。
如图5示，单片机***实时控制焊接过程中的燃弧电流峰值时间与短路过渡过程中的短路电流波形设定值。在CO2焊燃弧阶段，单片机对焊接电压与电流进行闭环控制，根据焊接电压Uh的采样值来确定对峰值电流脉宽tp的调节量，即通过实时调节tp值控制燃弧电流峰值波形，使电源具有自动调节弧长功能。在CO2焊短路阶段，采用单片机对恒流负反馈控制电路输出短路电流设定波形来精确控制短路电流波形，使之按照单片机设定值进行变化。
图6为本实用新型一个实例的实测结果。此实例的脉冲CO2焊逆变电源外特性斜率为4A/V，脉冲CO2焊的峰值电流设定值为400A，基值电流设定值为50A。由图可见，脉冲CO2焊过程稳定，脉冲电源外特性斜率电流峰值和基值与设定值一致。

Claims (2)

1、一种新型的斜特性式脉冲CO2焊逆变电源，是对恒流控制电流波形的CO2焊逆变电源的改造和性能提高，它包括逆变电源，其特征在于：它还包括斜特性式弧长自动调节***，该***是以脉冲CO2焊逆变电源峰值电流脉宽为控制量，以电源外特性斜率为判据，对电源电压进行负反馈控制，使脉冲CO2焊电源输出电流平均值随电弧电压下降而线性增加，从而将基于恒流控制电流波形的脉冲CO2焊逆变电源转变为斜特性式脉冲CO2焊逆变电源；所述的斜特性式弧长自动调节***，该***以单片机与弧长自动调节模块为核心，与基本电路连接而成，其电路包括控制面板、AD转换电路、波控参数转换电路、电源负反馈电路、恒流负反馈控制电路、PWM控制电路、焊接电流传感电路、焊接电压传感电路；通过电流与电压传感电路实时检测焊接电流Ih值与焊接电压Uh值，并将传感电路处理得的焊接电压模拟量Uv经过AD转换电路送入单片机CPU，再送入弧长自动调节模块；同时用户在控制面板设定的脉冲峰值电流Ip、基值电流Ib与外特性斜率K也送入单片机；弧长自动调节模块根据电弧电压变化量ΔUh与外特性斜率K实时计算出峰值电流脉宽tp的调节量Δtp；波控参数转换电路则根据峰值电流脉宽的调节量Δtp实时切换对恒流负反馈电路输出的电流设定值，使恒流负反馈电路实时切换对PWM控制电路的控制信号uk，继而使CO2焊逆变主电路改变脉冲电流波形宽度，从而使脉冲CO2焊逆变电源自动调节焊接电流平均值来调节焊丝熔化速度，稳定电弧长度。
2、根据权利要求1所述的新型的斜特性式脉冲CO2焊逆变电源，其特征在于：所述的斜特性式弧长自动调节***基本电路为：(A)由单片机***实现弧长自动调节算法与信号A/D、D/A转换；(B)由电子电路实现波控参数(电流波形峰值和基值)转换，焊接电流负反馈控制与逆变主电路脉宽调制(PWM)控制；其中：(1)所述的焊接电流波控参数转换电路，是由多路开关u1与运算放大器u2组成；多路开关u1的输入端x0，x1分别接单片机***D/A模块的电流峰值Ip、模拟量up输出端与电流基值Ib模拟量ub输出端，其控制信号输入端A接单片机***I/O接口电路的电流峰值时间tp开关脉冲信号ut输出端，ut脉冲信号为高电平时，多路开关u1的输入端x。与输出端x1选通，电路输出焊接电流波形峰值的设定值模拟量up，ut脉冲信号为低电平时，电路输出焊接电流波形基值的设定值模拟量ub。运算放大器U2电路用以调整从多路开关输出的电流设定值模拟信号至Us值，使之符号焊接电源负反馈控制电路输入要求，其放大倍数由WR1调节；
(2)所述的焊接电源负反馈电路由运算放大器U3与U4同相放大电器组成；其中运算放大器U3用以调理焊接电流传感的模拟量信号Ui使之与焊接电流波控参数转换电路输出值相匹配，其放大倍数由WR2调节，其输出值Uif送入运算放大器U4的反相端；运算放大器U4的同相端入焊接电流波形参数模拟量Us，使之与焊接电流模拟量Uif进行负反馈处理并输出控制信号Uk，其负反馈强度由WR3调节；(3)脉宽调制电路PWM采用SG3525芯片组成，其输入端1接焊接电流负反馈电路输出端，其输出端产生对逆变器主电路IGBT元件的开关脉冲信号。
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