專利名稱：嵌入式數(shù)字化控制的管板全位置自動(dòng)焊接逆變電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種焊接電源，特別涉及一種嵌入式數(shù)字化控制的管板全位置 自動(dòng)焊接逆變電源。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，為了滿足用電需求，全國(guó)各地抓緊建設(shè)新電廠和電廠增容，在 電建行業(yè)中，中、大型冷凝器/換熱器的制造尤為重要。管頭管板接頭的連接 是整個(gè)冷凝器/換熱器制造過(guò)程的關(guān)鍵工序。這種焊接接頭的數(shù)量大，焊接位 置間距小，管口接頭長(zhǎng)期承受壓差對(duì)管子產(chǎn)生的軸向負(fù)荷、多次反復(fù)加熱、 冷卻、高壓和介質(zhì)腐蝕疲勞強(qiáng)度破壞的作用，對(duì)焊縫的致密性和力學(xué)性能要 求嚴(yán)格。以前冷凝器/換熱器的制造常采用紫銅管漲接工藝，設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間服役 后會(huì)產(chǎn)生銅綠及銅管漲接處泄漏問(wèn)題，從而嚴(yán)重影響換熱效率和使用壽命， 后期維修成本高。目前，為了防止冷凝器換熱管腐蝕，國(guó)內(nèi)普遍將材質(zhì)改為 鈦合金或者奧氏體耐蝕不銹鋼，采用強(qiáng)度漲接加密封焊工藝，徹底解決泄漏
問(wèn)題。由于整個(gè)冷凝器管板焊口數(shù)量多達(dá)4 8萬(wàn)個(gè)，工作量大、手工操作難 度大、工期緊、焊縫質(zhì)量要求高，諸多因素決定了電建行業(yè)冷凝器迫切需要 全位置自動(dòng)管板焊設(shè)備。為了提高管子管板焊接質(zhì)量和可靠性，使之具有良 好的致密性，并大幅度提高焊接效率，采用輕便小巧、控制精度高和動(dòng)態(tài)響 應(yīng)能力好的全位置管板自動(dòng)焊機(jī)具有重要意義。
全位置管板焊的焊接包括平焊，上坡焊，下坡焊，仰焊等，熔池受力的 情況各不相同。在平焊位置，重力易造成熔池往管口內(nèi)流淌；而在仰焊位置， 重力易使熔池偏離焊縫，造成焊縫成型不均勻。為了減小重力對(duì)熔池的影響， 全位置管板焊一般采用脈沖焊方式，即在峰值時(shí)間形成熔池，基值時(shí)間維持 電弧不熄滅，采用較高而持續(xù)時(shí)間又短的脈沖電流和較小的基值電流(又稱 維弧電流)，可使平均焊接電流值保持在較低水平。在不增大焊接熱輸入量 的條件下，高的脈沖電流可以增加熔深，使母材充分熔化，改善溶透情況； 調(diào)整基值電流大小和基值時(shí)間則可以控制熔融金屬的表面張力和凝固速度。
采用脈沖電弧還可以增加電弧的軸向穩(wěn)定性，加強(qiáng)對(duì)熔池的攪拌作用，有利 于管子管板的全位置焊接和改善焊縫的結(jié)晶組織，并消除氣孔。其平均焊接 電流小，故焊接熱輸入量較小，熔池尺寸小，熱影響區(qū)窄，且焊縫由很致密 的焊點(diǎn)疊加而成，易于獲得熔合良好、外觀成形均勻的焊縫。
國(guó)內(nèi)有些廠家從國(guó)外引進(jìn)管板全自動(dòng)焊機(jī)，由于國(guó)產(chǎn)管子的尺寸精度不 高及裝配質(zhì)量問(wèn)題，從而使這些對(duì)管子質(zhì)量要求很高的設(shè)備難以得到正常使 用。我國(guó)從上世紀(jì)80年代后期引進(jìn)了多臺(tái)管板自動(dòng)焊機(jī)，但使用效果都不理 想。國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)制造的管板自動(dòng)焊機(jī)大多是仿制國(guó)外的產(chǎn)品，采用模擬控制模 式，制造精度和操作性能均不如國(guó)外產(chǎn)品，使用過(guò)程中存在可調(diào)靈活性差， 面向工作范圍窄，自動(dòng)化程度低，使得工作效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大等不足,很難 在生產(chǎn)實(shí)踐中得到推廣。
焊接電源的數(shù)字化是大勢(shì)所趨。數(shù)字化技術(shù)使焊接電源更可靠，性能更好， 功能更全， 一致性更好。焊接電源的數(shù)字化包括兩大含義， 一是主電路的數(shù)字 化，二是控制電路的數(shù)字化，逆變技術(shù)的應(yīng)用使得主電路的數(shù)字化己經(jīng)成為現(xiàn) 實(shí)。而在控制電路的數(shù)字化方面，由于功能強(qiáng)大、價(jià)格低廉的微處理器的快速 發(fā)展，先進(jìn)的控制方法和智能控制算法有了較好硬件物質(zhì)基礎(chǔ)，使得焊接電源
的智能化程度更高，性能更加完美;控制系統(tǒng)靈活，系統(tǒng)升級(jí)方便，易于實(shí)現(xiàn)
多參數(shù)的協(xié)同控制，甚至可以在線修改控制算法及控制參數(shù)，而不必改動(dòng)硬件
線路，大大縮短了設(shè)計(jì)周期；控制電路的元器件數(shù)量明顯減少，因此縮小了控 制板體積，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性；控制系統(tǒng)的可靠性提高， 易于標(biāo)準(zhǔn)化；系統(tǒng)的一致性較好，生產(chǎn)制造方便。
要達(dá)到強(qiáng)實(shí)時(shí)控制下的穩(wěn)定性和安全性，這是是否采用嵌入式操作系統(tǒng) 以及嵌入式系統(tǒng)是否符合應(yīng)用要求的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)字化焊接電源是一個(gè)典型 的對(duì)時(shí)間要求比較苛刻的實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)。ARM具有豐富的控制接口，強(qiáng)大 的運(yùn)算能力，綜合性能好，可以作為數(shù)字化焊機(jī)控制系統(tǒng)的微控制器； IJC/0S-II是1992年出現(xiàn)并在1999年推出的嵌入式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，在 2000年得到了美國(guó)聯(lián)邦航空管理局(FAA)對(duì)用于商用飛機(jī)的、符合RTCA D0178B標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)可，從而證明pC/OS-ll具有足夠的穩(wěn)定性和安全性。 IjC/OS-ll是基于優(yōu)先級(jí)的可剝奪型內(nèi)核，特別適合于焊接電源這種多任務(wù)、 對(duì)時(shí)間要求比較苛刻的場(chǎng)合。據(jù)檢索，目前還未有以32位ARM嵌入式微處理
器以及IJC/0S-M作為數(shù)字化控制核心的全位置管板自動(dòng)逆變焊機(jī)的相關(guān)技術(shù)
成果，市場(chǎng)上更沒有相關(guān)產(chǎn)品的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于公開一種基于ARM的嵌入式數(shù)字化管板全位置自動(dòng) 焊接電源。該電源以32位arm嵌入式微處理器為核心，將ijC/OS-II嵌
入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)移植到焊機(jī)的控制中，使焊機(jī)具備優(yōu)異的一致性、可靠性 和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，基于電弧瞬態(tài)能量的精細(xì)化控制技術(shù)，優(yōu)化利用焊接電弧 能量，提高熱效率，保證良好的電弧穩(wěn)定性，以獲得優(yōu)質(zhì)的管板接頭焊接質(zhì)
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的采用如下技術(shù)方案 一種嵌入式數(shù)字化控制的管板 全位置自動(dòng)焊接逆變電源，分別連接三相交流輸入電源和負(fù)載，其包括主電 路、控制電路和高頻引弧電路；其中，所述主電路由整流濾波模塊、高頻逆變 模塊、功率變壓模塊、整流平滑模塊依次連接組成，所述整流濾波模塊與三相 交流輸入電源相連接，所述整流平滑模塊與負(fù)載相連接；所述控制電路包括過(guò) 壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模塊、電流電壓采樣檢測(cè)與反饋模塊、ARM微處理器和高頻 驅(qū)動(dòng)模塊，所述過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模塊分別與三相交流輸入電源和ARM微處 理器相連接，所述電流電壓采樣檢測(cè)與反饋模塊分別與ARM微處理器和負(fù)載 相連接，所述ARM微處理器分別與過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模塊、電流電壓采樣檢 測(cè)與反饋模塊和高頻驅(qū)動(dòng)模塊相連接，所述高頻驅(qū)動(dòng)模塊分別與ARM微處理 器和主電路中的高頻逆變模塊相連接；所述高頻引弧電路分別與ARM微處理 器和負(fù)載相連接。
為了更好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，所述嵌入式數(shù)字化控制的管板全位置自動(dòng)焊接 逆變電源還包括分別與ARM微處理器相連接的人機(jī)對(duì)話模塊、溫度檢測(cè)模 塊和機(jī)頭調(diào)速驅(qū)動(dòng)模塊。
所述主電路由整流橋、LC濾波電路、逆變橋、變壓器、整流電路及外圍 電路相互連接組成。
所述過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模塊由橋式檢測(cè)電路、與非門及外圍電路相互連 接組成。
所述ARM微處理器是指固化有pC / OS - II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的32
位高速ARM嵌入式微處理器。
所述高頻驅(qū)動(dòng)模塊由IGBT驅(qū)動(dòng)芯片TLP250、芯片MC7824及外圍電路
相互連接組成。
所述高頻引弧電路由芯片IC1555、脈沖變壓器及外圍電路相互連接組成。 所述溫度檢測(cè)模塊由熱敏電阻、運(yùn)算放大器及外圍電路相互連接組成。 所述機(jī)頭調(diào)速驅(qū)動(dòng)模塊由線性光藕芯片PC817及外圍電路相互連接組成。
本發(fā)明的原理是這樣的本發(fā)明為基于ARM微處理器的嵌入式數(shù)字化控 制的全位置管板自動(dòng)焊接逆變電源，主電路采用全橋逆變式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用高 頻脈沖引弧方式。脈寬調(diào)制是通過(guò)在|JC / OS - II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中進(jìn)行 軟件編程，來(lái)實(shí)現(xiàn)給定信號(hào)與反饋信號(hào)的比較運(yùn)算，并通過(guò)ARM微處理器的 PWM模塊直接輸出數(shù)字化的PWM信號(hào)，通過(guò)高頻驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行隔離放大， 來(lái)控制功率開關(guān)管IGBT按照一定的時(shí)序?qū)ㄅc關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)高頻交直流轉(zhuǎn)變。 電流反饋是在負(fù)載電流輸出端用霍爾元件檢測(cè)輸出電流，得到采樣信號(hào)，經(jīng)過(guò) 放大、比較，再輸送到ARM微處理器，來(lái)改變功率管IGBT的導(dǎo)通與截止時(shí) 間，實(shí)現(xiàn)占空比的調(diào)節(jié)以達(dá)到功率調(diào)節(jié)的目的，使電弧的瞬時(shí)輸出能量保持穩(wěn) 定，達(dá)到焊接過(guò)程精細(xì)化控制的目的。ARM微處理器還輸出一路數(shù)字化的 PWM信號(hào)給管板焊接機(jī)頭調(diào)速驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)管板焊接機(jī)頭轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)和 控制。
相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)和有益效果是
1、 本發(fā)明的嵌入式數(shù)字化管板全位置自動(dòng)焊接電源，基于ARM微處理 器實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化控制，使管板接頭全位置焊接電源具有更好的一致性、動(dòng) 態(tài)響應(yīng)性能和可擴(kuò)展性。
2、 本發(fā)明的嵌入式數(shù)字化管板全位置自動(dòng)焊接電源，基于ARM微處理 器，對(duì)焊接電弧的瞬態(tài)能量進(jìn)行實(shí)時(shí)精細(xì)化控制，使管板全位置焊接過(guò)程的 電弧能量得到精確和柔性控制，保證良好的電弧穩(wěn)定性和挺度，更易于獲得 優(yōu)質(zhì)的焊接質(zhì)量。
3、 本發(fā)明的嵌入式數(shù)字化管板全位置自動(dòng)焊接電源，基于ARM微處理 器，采用高頻IGBT逆變技術(shù)，進(jìn)一步提高了電能的轉(zhuǎn)換效率、節(jié)省制造材 料、減少了焊接電源的體積，提高了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的適應(yīng)性。


圖1是本發(fā)明嵌入式數(shù)字化控制的管板全位置自動(dòng)焊接逆變電源的結(jié)構(gòu)
方框圖2是本發(fā)明嵌入式數(shù)字化控制的管板全位置自動(dòng)焊接逆變電源的主電 路的電路原理圖3是本發(fā)明嵌入式數(shù)字化控制的管板全位置自動(dòng)焊接逆變電源的控制 電路中高頻驅(qū)動(dòng)模塊的電路原理圖4是本發(fā)明嵌入式數(shù)字化控制的管板全位置自動(dòng)焊接逆變電源的控制 電路中ARM微處理器的具體連接圖5是本發(fā)明嵌入式數(shù)字化控制的管板全位置自動(dòng)焊接逆變電源的高頻 引弧電路的電路原理圖6是本發(fā)明嵌入式數(shù)字化控制的管板全位置自動(dòng)焊接逆變電源的控制 電路中電流電壓采樣檢測(cè)與反饋模塊的電路原理圖7是本發(fā)明嵌入式數(shù)字化控制的管板全位置自動(dòng)焊接逆變電源的機(jī)頭 調(diào)速驅(qū)動(dòng)模塊的電路原理圖8是本發(fā)明嵌入式數(shù)字化控制的管板全位置自動(dòng)焊接逆變電源的溫度 檢測(cè)模塊的電路原理圖9是本發(fā)明嵌入式數(shù)字化控制的管板全位置自動(dòng)焊接逆變電源的控制 電路中過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模塊的電路原理圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方 式不限于此。
如圖1所示，本發(fā)明的嵌入式數(shù)字化控制的管板全位置自動(dòng)焊接逆變電源 由主電路、控制電路、高頻引弧電路相互連接組成。主電路由整流濾波模塊 101、高頻逆變模塊102、功率變壓模塊103、整流平滑模塊104依次連接組 成，整流濾波模塊101與三相交流輸入電源相連接，整流平滑模塊104與電 弧負(fù)載相連接?？刂齐娐酚蛇^(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模塊109、電流電壓采樣檢測(cè)與 反饋模塊107、 ARM微處理器105和高頻驅(qū)動(dòng)模塊106相互連接組成，其中，
三相交流輸入電源通過(guò)過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模塊109和ARM微處理器105相連 接，ARM微處理器105與高頻驅(qū)動(dòng)模塊106、高頻逆變模塊102依次連接， 電弧負(fù)載通過(guò)電流電壓采樣檢測(cè)與反饋模塊107與ARM微處理器105相連 接，ARM微處理器105與高頻引弧電路111、電弧負(fù)載依次連接。ARM微處 理器105還分別連接人機(jī)對(duì)話模塊108、溫度檢測(cè)模塊110和機(jī)頭調(diào)速驅(qū)動(dòng)模 塊112。其中，溫度檢測(cè)模塊110包括過(guò)熱檢測(cè)電路與過(guò)熱故障分析電路，其 與散熱器和功率變壓器上的溫度傳感器相連接，同時(shí)與ARM微處理器芯片的 中斷輸入引腳相連；人機(jī)對(duì)話模塊108包括對(duì)給定信號(hào)、輸出信號(hào)的處理以及 顯示電路；機(jī)頭調(diào)速驅(qū)動(dòng)模塊112主要包括隔離電路、供電電路以及驅(qū)動(dòng)放大 電路等應(yīng)用電路。
主電路的電路原理圖如圖2所示，三相交流輸入電源連接整流濾波模塊 101中的整流橋BR1，然后連接濾波環(huán)節(jié)L1、 C5 C8，再連接高頻逆變模塊 102的逆變橋VT1~4、 C11~14、 R5~8。高頻逆變模塊102的輸出連接功率變 壓模塊103的高頻功率變壓器T1的初級(jí)，變壓器T1的次級(jí)連接整流平滑模 塊104中的高頻全波整流電路D1 D3、濾波環(huán)節(jié)L2、C9~10、C15~16、R1~2、 R9后輸出直流電，與電弧負(fù)載相連接，以上環(huán)節(jié)構(gòu)成功率主電路。高頻逆變 模塊102包括TR1和TR2兩個(gè)逆變橋臂，每個(gè)橋臂包含了兩個(gè)單元的IGBT。
高頻驅(qū)動(dòng)模塊106主要起到數(shù)模隔離以及功率放大作用，由于ARM微處 理器105輸出的兩路PWM脈沖波形均為峰值電壓3.3V的方波，不能滿足驅(qū) 動(dòng)IGBT的功率要求，而且也無(wú)法實(shí)現(xiàn)控制電路與IGBT間的隔離。因此，本 發(fā)明采用東芝的TLP250 IGBT專用驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)組成驅(qū)動(dòng)電路。高頻驅(qū)動(dòng)模塊 106的電路原理圖如圖3所示，ARM產(chǎn)生的兩路PWM信號(hào)PWM1和PWM2 分別作為圖中U2、U4和U3、U5的光藕TLP250的輸入信號(hào)，TP1 2、TP3-4、 TP5 6、TP7 8等四對(duì)測(cè)試點(diǎn)的輸出信號(hào)分別作為高頻逆變模塊102中VT1~4 的IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，這樣，由ARM微處理器105輸出給TLP250的3.3V 的PWM信號(hào)不需要電平轉(zhuǎn)換只需通過(guò)高頻驅(qū)動(dòng)模塊106，就可直接驅(qū)動(dòng)高頻 逆變模塊102中的IGBT:當(dāng)來(lái)自ARM的PWM高電平信號(hào)來(lái)到時(shí)，通過(guò)高 頻驅(qū)動(dòng)模塊106， IGBT的柵極得到一個(gè)+ 15V的驅(qū)動(dòng)信號(hào)而導(dǎo)通；當(dāng)PWM 低電平信號(hào)到來(lái)時(shí)，通過(guò)高頻驅(qū)動(dòng)模塊106， IGBT的柵極得到一個(gè)一7V的電 壓而截止。這樣，就能很好滿足快速開關(guān)功率管的要求。圖3中，B1 4分別
為整流橋、U10 13分別為三端穩(wěn)壓器件。
如圖4所示，ARM微處理器模塊105采用32位高速ARM嵌入式微處理 器芯片，以固化于arm微處理器芯片內(nèi)的|jc / os - ii嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 為逆變焊機(jī)的操作系統(tǒng)平臺(tái)。ARM微處理器將電流電壓采樣檢測(cè)與反饋模塊 107檢測(cè)到的負(fù)載電流電壓與設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比較，并由固化在ARM微處理 器上的mC / OS - II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理，再經(jīng)過(guò)ARM 微處理器105的PWM引腳輸出兩路PWM信號(hào)PWM1和PWM2，信號(hào)PWM1 和PWM2通過(guò)高頻驅(qū)動(dòng)模塊106隔離和放大后去控制高頻逆變模塊102的開 關(guān)管開通和關(guān)斷。ARM微處理器芯片主要實(shí)現(xiàn)電源的輸出特性控制、焊接過(guò) 程的時(shí)序控制、管板焊接接頭轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制和外部監(jiān)控與人機(jī)對(duì)話的功能。外 部監(jiān)控信號(hào)如電源指示、故障指示、欠過(guò)壓指示等是通過(guò)ARM芯片來(lái)控制的， 脈沖焊接時(shí)的脈沖頻率、電流上升下降時(shí)間、焊接基值和峰值電流、高頻引弧、 電流電壓顯示信號(hào)的控制也都是通過(guò)ARM芯片來(lái)完成的。其中，過(guò)壓欠壓保 護(hù)檢測(cè)模塊109檢測(cè)到的欠過(guò)壓檢測(cè)信號(hào)、溫度檢測(cè)模塊110檢測(cè)到的過(guò)熱 檢測(cè)信號(hào)等信號(hào)與ARM微處理器的中斷端口相連接。利用ARM芯片控制外 部監(jiān)控與人機(jī)對(duì)話使得本焊接電源的多參數(shù)調(diào)節(jié)與控制更方便，使用更簡(jiǎn)易， 易于推廣。
如圖5所示，高頻引弧電路111采用弱電流高頻高壓引弧技術(shù)。脈沖變壓 器T5的一端通過(guò)電阻R106與輸入供電整流部分相連接，另一端與高頻場(chǎng)效 應(yīng)管Q1相連，Q1的型號(hào)為IRF850，由IC1 555芯片構(gòu)成的脈沖發(fā)生電路控 制高頻場(chǎng)效應(yīng)管Q1的開通和關(guān)斷，來(lái)控制脈沖變壓器T5的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn) 脈沖轉(zhuǎn)換功能；火花放電器(P1、 P2)、電容C108、脈沖變壓器T5構(gòu)成了 高頻振蕩回路。ARM微處理器的高頻引弧控制信號(hào)控制ICI 555觸發(fā)器的工 作狀態(tài)，高頻引弧電路111通過(guò)IC1 555觸發(fā)器控制高頻開關(guān)場(chǎng)效應(yīng)管Q1快 速開通與關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)脈沖變壓器T5的原邊產(chǎn)生高頻信號(hào)，變壓器T5的次級(jí) 通過(guò)與電弧負(fù)載電路耦合，使輸出端得到高頻信號(hào)。引弧時(shí)，讓鎢極末端與焊 接表面之間保持一定的小間隙，然后接通高頻振蕩器脈沖引弧電路，使間隙擊 穿放電而引燃電弧，實(shí)現(xiàn)可靠的非接觸引弧，還可防止焊縫產(chǎn)生夾鎢缺陷。
如圖6所示為電流電壓采樣檢測(cè)與反饋電路。電流、電壓信號(hào)的檢測(cè)結(jié)果 除了可以用于反饋控制(電流、電壓的信號(hào)由傳感器①②③④⑤⑥⑦采集后，
經(jīng)過(guò)信號(hào)處理傳送到ARM微處理器的A/D轉(zhuǎn)換引腳)獲得電源所需的外特性 外，也可以用于電源動(dòng)態(tài)特性、波形控制和時(shí)序控制以及過(guò)電流保護(hù)控制。電
流電壓的采樣檢測(cè)是這樣實(shí)現(xiàn)的采用霍爾傳感器①②③④對(duì)電流信息進(jìn)行采
集，并經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器U25B、 U26A等進(jìn)行處理后得到與焊機(jī)輸出電流成線 性關(guān)系的電壓信號(hào)，輸入到ARM處理器的檢測(cè)引腳；電壓信號(hào)通過(guò)圖中傳感 器⑤(D⑦采集，采用電阻分壓(R128和RP10進(jìn)行分壓)的方法對(duì)輸出電壓 進(jìn)行檢測(cè)，并經(jīng)過(guò)電感L3、 L7與電容C128~129， R129濾波，之后經(jīng)過(guò)運(yùn) 算放大器U27B和U28A進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，再經(jīng)過(guò)線性光耦芯片PC817 (U29)、 運(yùn)算放大器U30A進(jìn)行隔離、調(diào)整，成為與輸出電壓成線性關(guān)系的電壓信號(hào)， 送到ARM處理器的檢測(cè)引腳。
如圖7所示是機(jī)頭調(diào)速驅(qū)動(dòng)模塊112的電路原理圖。管板焊接機(jī)頭的旋轉(zhuǎn) 速度直接影響著焊縫的質(zhì)量，同時(shí)在焊接過(guò)程的控制上起著重要作用。機(jī)頭調(diào) 速驅(qū)動(dòng)模塊112的工作原理為從ARM處理器105輸出的速度調(diào)節(jié)控制模擬 信號(hào)(速度給定信號(hào))經(jīng)過(guò)由型號(hào)為L(zhǎng)F353N的運(yùn)算放大器U18A和U18B等 構(gòu)成的運(yùn)放電路進(jìn)行放大處理，再經(jīng)過(guò)線性光藕芯片PC817 (U17)進(jìn)行光耦 隔離，同時(shí)利用反饋控制，得到與由ARM處理器輸出的速度調(diào)節(jié)控制模擬信 號(hào)(速度給定信號(hào))成線性變化的并與速度給定信號(hào)隔離的機(jī)頭調(diào)速信號(hào)，此 機(jī)頭調(diào)速信號(hào)通過(guò)機(jī)頭電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)頭的調(diào)速控制。其反饋控制是 這樣實(shí)現(xiàn)的PC817 (U17)是線性光電耦合器，它能夠傳輸連續(xù)變化的模擬 電壓或電流信號(hào)，這樣隨著輸入信號(hào)的強(qiáng)弱變化會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的光信號(hào)，從而使 光敏晶體管的導(dǎo)通程度也不同，輸出的電壓或電流也隨之不同。該器件能夠提 供兩路信號(hào)的同步隔離，它的兩個(gè)輸入端1/2， 3/4串聯(lián)在一起，這樣兩者流 過(guò)的電流大小是一樣的，它里面集成的光敏晶體管導(dǎo)通程度也是一樣的，也就 是說(shuō)它的兩個(gè)輸出端5/6和7/8輸出的電信號(hào)大小也是一樣的，因此，可以用 5/6引腳的輸出來(lái)進(jìn)行機(jī)頭調(diào)速控制，同時(shí)利用7/8引腳的輸出信號(hào)作為反饋 信號(hào)，將該信號(hào)反饋回由U18B， R68， C59， RP1構(gòu)成的反饋運(yùn)算電路，來(lái) 調(diào)節(jié)PC817的輸入電信號(hào)的強(qiáng)弱，由RP1調(diào)節(jié)反饋的深度，達(dá)到反饋控制的 效果。
如圖8所示為溫度檢測(cè)模塊110的電路原理圖。其原理是用一個(gè)電阻R150 與CN25中的熱敏電阻①②來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)VCC的分壓，得到的電壓信號(hào)輸入到運(yùn)
算放大器U50反相端，U50作為比較器進(jìn)行電壓比較。比較器U50同相端為 給定參考電壓，當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，比較器U50的輸出端輸出低電平， 當(dāng)溫度高于設(shè)定溫度時(shí)比較器U50的輸出端輸出高電平。比較器U50的輸出 端與ARM處理器故障檢測(cè)引腳相連，當(dāng)過(guò)熱檢測(cè)信號(hào)反映散熱器和功率變壓 器溫度過(guò)高時(shí)，比較器U50輸出端的輸出為高電平，此信號(hào)可引發(fā)ARM處理 器內(nèi)中斷服務(wù)程序，完成中斷處理和顯示。
如圖9所示為過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模塊109的電路原理圖，其原理是將 三相交流輸入電源用橋式電路、三相電路及變壓器降壓，整流成直流信號(hào)后再 進(jìn)行檢測(cè)；調(diào)節(jié)橋式電路電阻R200， R201， R202， R203的大小，就可改變 電網(wǎng)過(guò)電壓、欠電壓的閥值電壓，即可以起到電網(wǎng)過(guò)電壓、欠電壓保護(hù)作用。 圖中，與非門U62的輸出端與ARM處理器的故障檢測(cè)引腳相連，當(dāng)與非門 U62輸出端輸出的欠過(guò)壓檢測(cè)信號(hào)出現(xiàn)過(guò)電壓或欠壓故障時(shí)，與非門U62輸 出低電平，作為中斷的觸發(fā)信號(hào)傳送到ARM處理器的故障檢測(cè)引腳，引發(fā)中 斷服務(wù)程序，完成中斷處理與顯示。
本發(fā)明嵌入式數(shù)字化控制的管板全位置自動(dòng)焊接逆變電源是這樣工作的 三相380V工頻交流電經(jīng)過(guò)整流濾波模塊101后成為平滑直流電，進(jìn)入高頻逆 變模塊102， ARM微處理器105將電流電壓采樣檢測(cè)與反饋模塊107檢測(cè)到 的負(fù)載的電流值與設(shè)定值進(jìn)行高速數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理，經(jīng)過(guò)ARM微處理器105 中的PWM模塊輸出死區(qū)時(shí)間可調(diào)的兩路PWM信號(hào)，這兩路PWM信號(hào)通過(guò) 高頻驅(qū)動(dòng)模塊106進(jìn)行數(shù)模隔離與功率放大后轉(zhuǎn)變?yōu)樗穆夫?qū)動(dòng)信號(hào)，去控制高 頻逆變模塊102，實(shí)現(xiàn)IGBT功率開關(guān)管的開通和關(guān)斷，并得到20~30KHz高 頻高壓電，高頻高壓電再經(jīng)過(guò)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(guò)整流平滑模塊104得到更加平滑的直流電；通 過(guò)脈寬調(diào)制的方式實(shí)現(xiàn)逆變焊機(jī)直流脈沖輸出，這就是整個(gè)的閉環(huán)控制過(guò)程。 溫度檢測(cè)模塊110檢測(cè)散熱片溫度，送給ARM微處理器105從而控制高頻逆 變模塊102，形成過(guò)熱保護(hù)控制環(huán)節(jié)，以保證電源的安全工作；過(guò)壓欠壓保護(hù) 檢測(cè)模塊109檢測(cè)三相工頻交流輸入電壓，把檢測(cè)到的電壓信號(hào)送給ARM微 處理器105，用給定電壓電流與采樣電壓電流信號(hào)進(jìn)行比較，控制PWM模塊 的輸出，如出現(xiàn)過(guò)壓、欠壓的現(xiàn)象，ARM微處理器105將關(guān)閉其PWM模塊 的輸出，從而保障電源的安全。ARM處理器105與機(jī)頭調(diào)速驅(qū)動(dòng)模塊112相連接，由ARM處理器輸出控制量，經(jīng)過(guò)機(jī)頭調(diào)速驅(qū)動(dòng)模塊處理之后直接驅(qū)動(dòng)機(jī)頭的電機(jī)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。上述實(shí)施例具有以下特點(diǎn)1 、全數(shù)字化本實(shí)施例首次以32位高速ARM嵌入式微處理器為核心， 以|JC / OS - II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為弧焊電源的數(shù)字化控制平臺(tái)，充分利用 ARM芯片在嵌入式控制方面的優(yōu)越性能，采用模塊化、可移植的設(shè)計(jì)方法， 通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)電源輸出特性控制、焊接時(shí)序控制、外圍監(jiān)控與人機(jī)對(duì)話以 及機(jī)頭調(diào)速控制功能，PWM信號(hào)直接由ARM芯片通過(guò)編程方式輸出，最終 實(shí)現(xiàn)弧焊電源的全數(shù)字化控制，使焊機(jī)具有更好的一致性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和可 擴(kuò)展性。2、 精細(xì)化本實(shí)施例充分利用了 32位ARM嵌入式微處理器的高速運(yùn)算 和數(shù)據(jù)處理能力，對(duì)焊接電弧的瞬態(tài)能量(焊接電流與焊接電壓)進(jìn)行實(shí)時(shí)釆 集、計(jì)算、分析、推理以及綜合智能判斷，根據(jù)不同焊接位置時(shí)的各種電弧狀 態(tài)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制焊接電源的輸出特性，以達(dá)到對(duì)焊接電弧瞬態(tài)能量?jī)?yōu)化輸出和 調(diào)節(jié)的目的，跟蹤電弧狀態(tài)快速響應(yīng)電弧變化和焊接電流的設(shè)定，同時(shí)通過(guò)整 流平滑模塊的能量調(diào)節(jié)作用，使焊接過(guò)程的控制更精確和柔性化，保證電弧即 使在低電流情況下依然可以穩(wěn)定的燃燒，以獲得優(yōu)質(zhì)的焊接質(zhì)量。3、 高效化本實(shí)施例采用高頻IGBT逆變技術(shù)，提高能量轉(zhuǎn)換效率、節(jié) 省制造材料，降低焊機(jī)體積和重量，節(jié)約了制造成本。與過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、 過(guò)熱檢測(cè)與保護(hù)等電路相結(jié)合，進(jìn)一步提高了焊機(jī)的安全性和可靠性。4、 柔性化本實(shí)施例能夠?qū)崿F(xiàn)多種脈沖參數(shù)柔性組合能力，能夠滿足管 板焊接的不同階段對(duì)焊接參數(shù)調(diào)節(jié)的需求。在起弧階段，采用高頻引弧模塊控 制引弧，實(shí)現(xiàn)非接觸引弧，起弧容易；通過(guò)電流緩升功能，使得起弧瞬間電流 沖擊小，飛濺??；在收弧過(guò)程，通過(guò)電流的緩降功能，弧坑可以得到良好填充， 焊縫成形美觀；在正常焊接過(guò)程，利用脈沖基值電流維持電弧的燃燒，通過(guò)脈 沖峰值實(shí)現(xiàn)金屬的熔化和熔滴的均勻穩(wěn)定過(guò)渡，保證良好的焊縫質(zhì)量。上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí) 施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、 替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種嵌入式數(shù)字化控制的管板全位置自動(dòng)焊接逆變電源，分別連接三相交流輸入電源和負(fù)載，其特征是，包括主電路、控制電路和高頻引弧電路；其中，所述主電路由整流濾波模塊、高頻逆變模塊、功率變壓模塊、整流平滑模塊依次連接組成，所述整流濾波模塊與三相交流輸入電源相連接，所述整流平滑模塊與負(fù)載相連接；所述控制電路包括過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模塊、電流電壓采樣檢測(cè)與反饋模塊、ARM微處理器和高頻驅(qū)動(dòng)模塊，所述過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模塊分別與三相交流輸入電源和ARM微處理器相連接，所述電流電壓采樣檢測(cè)與反饋模塊分別與ARM微處理器和負(fù)載相連接，所述ARM微處理器分別與過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模塊、電流電壓采樣檢測(cè)與反饋模塊和高頻驅(qū)動(dòng)模塊相連接，所述高頻驅(qū)動(dòng)模塊分別與ARM微處理器和主電路中的高頻逆變模塊相連接；所述高頻引弧電路分別與ARM微處理器和負(fù)載相連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述嵌入式數(shù)字化控制的管板全位置自動(dòng)焊接逆變電 源，其特征是，所述嵌入式數(shù)字化控制的管板全位置自動(dòng)焊接逆變電源還包 括分別與ARM微處理器相連接的人機(jī)對(duì)話模塊、溫度檢測(cè)模塊和機(jī)頭調(diào)速驅(qū) 動(dòng)模塊。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述嵌入式數(shù)字化控制的管板全位置自動(dòng)焊接逆變電 源，其特征是，所述主電路由整流橋、LC濾波電路、逆變橋、變壓器、整流 電路及外圍電路相互連接組成。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述嵌入式數(shù)字化控制的管板全位置自動(dòng)焊接逆變電 源，其特征是，所述過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模塊由橋式檢測(cè)電路、與非門及外圍電 路相互連接組成。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述嵌入式數(shù)字化控制的管板全位置自動(dòng)焊接逆變電 源，其特征是，所述ARM微處理器是指固化有iJC/OS-ll嵌入式實(shí)時(shí)操作 系統(tǒng)的32位高速ARM嵌入式微處理器。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述嵌入式數(shù)字化控制的管板全位置自動(dòng)焊接逆變電源， 其特征是，所述高頻驅(qū)動(dòng)模塊由IGBT驅(qū)動(dòng)芯片TLP250、芯片MC7824及外圍 電路相互連接組成。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述嵌入式數(shù)字化控制的管板全位置自動(dòng)焊接逆變電源， 其特征是，所述高頻引弧電路由芯片IC1 555、脈沖變壓器及外圍電路相互連接組成。
8、 根據(jù)權(quán)利要求2所述嵌入式數(shù)字化控制的管板全位置自動(dòng)焊接逆變電源， 其特征是，所述溫度檢測(cè)模塊由熱敏電阻、運(yùn)算放大器及外圍電路相互連接組成。
9、 根據(jù)權(quán)利要求2所述嵌入式數(shù)字化控制的管板全位置自動(dòng)焊接逆變電源， 其特征是，所述機(jī)頭調(diào)速驅(qū)動(dòng)模塊由線性光藕芯片PC817及外圍電路相互連接組成。
全文摘要
本發(fā)明為一種嵌入式數(shù)字化控制的管板全位置自動(dòng)焊接逆變電源，包括主電路、控制電路和高頻引弧電路；主電路由整流濾波模塊、高頻逆變模塊、功率變壓模塊、整流平滑模塊依次連接組成，整流濾波模塊連接三相交流輸入電源，整流平滑模塊連接負(fù)載；控制電路包括過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模塊、電流電壓采樣檢測(cè)與反饋模塊、ARM微處理器和高頻驅(qū)動(dòng)模塊，過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模塊分別連接三相交流輸入電源和ARM微處理器，電流電壓采樣檢測(cè)與反饋模塊分別連接ARM微處理器和負(fù)載，ARM微處理器還分別與高頻驅(qū)動(dòng)模塊和高頻引弧電路連接；高頻驅(qū)動(dòng)模塊還與高頻逆變模塊連接；高頻引弧電路還與負(fù)載連接。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)管板自動(dòng)焊接逆變電源的全數(shù)字化控制。
文檔編號(hào)B23K9/10GK101391336SQ20081021863
公開日2009年3月25日 申請(qǐng)日期2008年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月24日
發(fā)明者晉 李, 王則靈, 王振民, 黃石生 申請(qǐng)人:廣東火電工程總公司;華南理工大學(xué)