專利名稱：一種鋁合金雙絲雙脈沖數(shù)字化軟開關(guān)逆變焊接電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于鋁合金高速弧焊加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及鋁合金雙絲雙脈沖焊接 技術(shù)領(lǐng)域，具體是指一種鋁合金雙絲雙脈沖數(shù)字化軟開關(guān)逆變焊接電源。
背景技術(shù)：
鋁及其合金不僅具有比重小、強度高、抗腐蝕性能強的特點，并且擁有優(yōu)良的擠壓 性能、良好的可焊性、較高的比強，所以近年來已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在航空、航天、核能以及軍事 工業(yè)等各個領(lǐng)域，而隨之相應(yīng)的鋁合金焊接技術(shù)也在突飛猛進的發(fā)展。按照現(xiàn)有技術(shù)，鋁及鋁合金其焊接工藝和方法除了直流單脈沖MIG焊以外，還有 以下幾種。(I)TIG 焊(Tungsten Inert Gas)TIG焊是鋁合金焊接中應(yīng)用最廣的一種焊接方法。從焊接工藝特點分為直流正接 TIG焊、直流反接TIG焊和交流TIG鋁焊。直流正接TIG焊，鎢極可以承受很大的電流而不 被燒損，長時期保持鎢極端部形狀的穩(wěn)定性，易于獲得性能一致的焊接接頭，但是沒有陰極 霧化作用，不易清除掉焊接過程中產(chǎn)生的氧化膜。直流反接TIG焊，鋁合金表面陰極斑點能 量密度高，并且氧化膜的電子逸出功小，電弧陰極斑點容易在它上面建立，受到質(zhì)量很大的 正離子的撞擊時，表面氧化膜破碎蒸發(fā)被清除掉，從而達到陰極清理的目的。交流TIG鋁焊 較好的熔深和清除氧化膜分別是正、負(fù)極性鎢極氣保焊的基本特性，使用交流電源的鎢極 氣保焊在這兩種特性上取得了平衡，在正極性的半周，電弧有效地破除了附著在材料表面 的氧化鋁薄膜，而在負(fù)極性的半周，則將材料熔合。(2)交流 MIG 焊交流MIG焊發(fā)展較早，它可以有效克服直流電弧的磁偏吹。交流MIG焊可以看成 是交替切換DCEP PMIG電弧及DCEN PMIG電弧形成的。它的電弧力及電弧熱的特點介于 DCEP PMIG及DCEN PMIG之間，其熔深介于二者之間，有利于穩(wěn)定焊接過程及焊接質(zhì)量。在 許多國家，特別是日本，仍在不斷的加強、完善它，如過零技術(shù)、起弧技術(shù)等等。交流MIG焊 可用于焊非常薄的鋁板。焊絲位于負(fù)極時，可加快焊絲的熔化速度。當(dāng)焊絲為正極時，可實 現(xiàn)陰極破碎作用，因此可很靈活地調(diào)節(jié)電流波形來滿足焊接現(xiàn)場的要求。(3)鋁合金變極性等離子弧焊(VPPA)在航空、航天領(lǐng)域，飛行器的制造過程經(jīng)常涉及到鋁合金厚件的焊接，由于TIG焊 熱效率較低，一般只能焊接3mm以下的鋁合金板材，厚度增加必須開坡口，厚度達到一定值 時需要采用多層焊的方法，大大降低了生產(chǎn)效率，且電極燒損較快。采用變極性等離子弧焊 技術(shù)能有效地解決上述問題。變極性等離子弧焊接方法與鎢極氬弧焊(電弧溫度8000K) 相比較，具有能量集中、電弧溫度高(16000 33000K)、穿透性強、穩(wěn)定性好、焊接速度快等 特點，焊縫質(zhì)量好、熱影響區(qū)小，變形小等優(yōu)點，能一次性焊透12mm的鋁合金板材，而不用 開坡口，大大提高了焊接生產(chǎn)效率。通過小孔型立焊工藝可消除氣孔等焊接缺陷，實現(xiàn)“無 缺陷”焊接，從而可解決長期以來難以解決的鋁合金構(gòu)件焊接質(zhì)量不穩(wěn)定的問題。[0010](4)低頻調(diào)制型脈沖焊(雙脈沖MIG焊)低頻調(diào)制型脈沖焊是用0. 5-50HZ的低頻脈沖對頻率較高的單位脈沖(控制熔滴過渡的脈沖)的峰值和時間進行調(diào)制，使單位脈沖的強度在強和弱之間低頻周期性切換， 得到周期性變化的強弱脈沖群，電弧力和熱輸入相應(yīng)地也隨低頻調(diào)制頻率而變化。用于焊 鋁及其合金，不僅能獲得魚鱗狀焊縫表面，而且能擴大可焊焊接接頭的間隙變化范圍，減少 焊接氣孔，細化焊縫晶粒，降低焊縫裂紋敏感性。(5)激光焊用于鋁合金的激光焊設(shè)備從介質(zhì)上分，主要有兩種，一種是CO2激光裝置，目前已開發(fā)用于工業(yè)焊接的整機功率已達45KW ；另一種是一個帶釔鋁石榴石涂層的釹單晶棒的 激光Nd: YAG裝置，已開發(fā)的整機功率已達5KW。激光焊的主要特點是焊速高，變形小，較易 實現(xiàn)焊接的自動化，例如鋁制汽車車體的焊接。激光焊用于鋼鐵件的焊接是非常成功的，但 用于鋁的焊接工作時，就會出現(xiàn)問題。由于鋁件表面對激光的反射作用以及鋁的高熱傳導(dǎo) 率，需要增大激光能量密度，在有的激光裝置中，經(jīng)過聚焦，其能量密度已大于107W/cm2。在 CO2激光裝置中，能量密度應(yīng)大于4X 106W/cm2，否則焊束缺乏穿透力；焊縫氣孔較多，并且 容易產(chǎn)生裂紋。在Nd:YAG激光裝置中，由于所產(chǎn)生的激光波長較短，為1. 06 μ m，鋁合金表 面對其產(chǎn)生的反射作用較小，所以以上問題尚不突出。其中，低頻調(diào)制型脈沖焊(雙脈沖MIG焊)生產(chǎn)率高、易實現(xiàn)自動化，是鋁合金焊 接生產(chǎn)的主要工藝方法之一。以往幾乎所有脈沖焊的研究和應(yīng)用都是針對鋼，而隨著鋁的 廣泛應(yīng)用，最近幾年關(guān)于鋁合金脈沖焊接的研究也逐漸增多。但是在實際的鋁焊接應(yīng)用中 依然存在著很多的問題，為了獲得更好的焊接質(zhì)量，對雙脈沖MIG焊鋁的工藝特點進行研 究具有重要的意義。雙脈沖MIG焊是在常規(guī)脈沖MIG焊技術(shù)的基礎(chǔ)上針對鋁合金焊接而設(shè)計的一種新 工藝。如果參數(shù)設(shè)置得當(dāng)，就可以降低氣孔發(fā)生率，細化焊縫晶粒，擴寬焊接頭間隙范圍，從 而在確保焊接質(zhì)量的前提下，實現(xiàn)較高的焊接效率。然而，在進行雙脈沖MIG焊的時候需要 調(diào)節(jié)的參數(shù)非常多，所以它也是一項相對比較復(fù)雜的工藝.一些重要參數(shù)，如強弱脈沖的 基值峰值電流大小和時間，強弱脈沖的頻率和占空比，送絲速度和焊接速度等，對于焊接過 程的穩(wěn)定性和焊縫成形都有直接的影響。如果要在每次焊接前正確搭配好所有的參數(shù)，無 疑給焊接人員帶來了巨大挑戰(zhàn)。并且鋁合金的物理特性與鋼差別較大，對焊接參數(shù)的搭配 要求比較高，任何一個參數(shù)選擇不合理都有可能導(dǎo)致焊接效果急劇惡化。所以如何進行各 項參數(shù)的合理匹配，并形成一元化調(diào)節(jié)的專家數(shù)據(jù)庫，是擺在焊接領(lǐng)域研究人員面前的重 要課題?？梢钥闯觯瑪?shù)字控制在這個過程當(dāng)中能夠起到顯著的作用。因此，在MIG焊工藝研 究的基礎(chǔ)上進行鋁合金雙脈沖MIG焊的數(shù)字控制研究，對獲得優(yōu)異的鋁合金自動焊效果具 有極其重要的意義。在國外，F(xiàn)R0NIUS公司和CLOOS公司都已經(jīng)開發(fā)出了一系列帶有專家數(shù)據(jù)庫的數(shù)字化逆變式脈沖MIG/MAG焊機，這些焊機售價高昂，其核心技術(shù)就是其中可以不斷升級的 專家數(shù)據(jù)庫。但在國內(nèi)，雙脈沖焊鋁技術(shù)正在研究之中，國內(nèi)產(chǎn)焊機都還不能進行雙脈沖 MIG焊的穩(wěn)定焊接，更不用說帶有雙脈沖焊接專家?guī)煜到y(tǒng)了。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于針對鋁合金焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢，為擴大焊接電源使用范圍并提高焊接效率，提供一種適用于鋁合金雙脈沖MIG焊接的，系統(tǒng)穩(wěn)定性好、焊接效率 高、調(diào)試方便、具有良好操作界面、使用簡單、帶有焊接專家系統(tǒng)的鋁合金雙絲雙脈沖數(shù)字 化軟開關(guān)逆變焊接電源。為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型包括一種由絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)作為開 關(guān)元件的移相軟開關(guān)全橋逆變主電路、DSP控制電路以及人機交互系統(tǒng)。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、整流平滑 模塊組成。整流濾波輸入模塊與三相交流電相連，再連接高頻逆變模塊，高頻逆變模塊的輸出 連接功率變壓模塊。整流平滑模塊與負(fù)載相連。同時，過流檢測模塊的傳感器連接在功率變 壓模塊初級線圈上；傳感器與負(fù)載連接獲得電流采樣信號，電壓信號直接從負(fù)載兩端取得。所述DSP控制電路主要由DSP控制器TI DSP 2808與外圍電路構(gòu)成。包括過壓欠 壓保護檢測模塊、DSP控制器、電流電壓采樣檢測與反饋模塊、高頻驅(qū)動模塊、過流檢測模塊 和溫度檢測模塊，另還有一 JTAG 口用于程序的下載燒錄。DSP控制器分別與高頻驅(qū)動模塊、 電流電壓采樣檢測與反饋模塊、過壓欠壓保護檢測模塊和過流檢測模塊相連接。所述電流 電壓采樣檢測與反饋模塊的另一端還與負(fù)載相連接。過壓欠壓保護檢測模塊的另一端還與 三相交流輸入端相連接。高頻驅(qū)動模塊還與高頻逆變模塊相連接。過流檢測模塊的另一端 與功率變壓模塊的初級相連。溫度檢測模塊的另一端還與散熱器連接。DSP控制器還連接 有人機交互系統(tǒng)，電流電壓采樣檢測與反饋模塊也與人機交互系統(tǒng)相連。同時，DSP控制器 還設(shè)有一個DSP控制軟件模塊。所述高頻驅(qū)動模塊主要起到數(shù)模隔離以及功率放大作用，一個模塊中包括4個由 光耦TLP250與外圍電路構(gòu)成的高頻驅(qū)動單元。光耦輸入EPWM3A接到DSP控制器的PWM輸 出I/O 口，由DSP控制器輸出的四路相位差可調(diào)、死區(qū)時間可調(diào)的PWM信號，隔離和放大之 后變成能夠驅(qū)動IGBT功率器件的四路兩兩互補的驅(qū)動信號。所述電流電壓采樣檢測與反饋模塊由霍爾元件檢測輸出電流，得到采樣信號，經(jīng) 過分壓，濾波，限壓到DSP控制器。電壓采樣反饋電路直接與負(fù)載相連，對輸出端電壓進行 取樣，信號經(jīng)過濾波、運放、光耦隔離、分壓和限壓送給DSP。此外，調(diào)理出來的電流電壓采樣 信號亦會送至人機交互系統(tǒng)，由其進行A/D轉(zhuǎn)換并于人機交互系統(tǒng)上顯示實際焊接電流、 電壓的值。所述過流檢測模塊主要對功率變壓模塊的初級端的電流進行檢測，由運放，光耦 等元件構(gòu)成。所述過壓欠壓保護檢測模塊主要起到在電網(wǎng)電壓的波動時關(guān)斷PWM信號輸出的 作用，由運放，光耦等元件構(gòu)成。所述溫度檢測模塊包括溫度傳感器、過熱光耦、外圍電路，其一端與散熱器上的溫 度傳感器相連接，另一端與DSP控制器的中斷輸入引腳相連。所述人機交互系統(tǒng)主要作用是用于參數(shù)給定的數(shù)字輸入以及電源工作過程中的 各種參數(shù)的數(shù)字顯示，其以一塊LM3S818作為控制核心，結(jié)合CPLD實現(xiàn)接收焊接開關(guān)命令， 處理鍵盤與編碼器的操作，負(fù)責(zé)參數(shù)的選擇與輸入，并對電流電壓采樣檢測與反饋模塊所 產(chǎn)生的焊接狀態(tài)參數(shù)進行采樣處理，并利用RS232串行總線和GPIO腳與主控芯片DSP通信。同時，該面板采用模塊化的設(shè)計思想，具有良好的可移植性，該面板包括電源及通訊接口模塊、數(shù)字編碼器輸入模塊，顯示及按鍵模塊、主控模塊，其中主控模塊包括ARM和CPLD 最小系統(tǒng)。其中，LM3S818接收DSP控制電路發(fā)送的焊接開關(guān)命令，處理鍵盤與編碼器的操 作，負(fù)責(zé)參數(shù)的選擇與輸入，并對電流電壓采樣檢測與反饋模塊所產(chǎn)生的焊接狀態(tài)參數(shù)進 行采樣處理。對EPM240T100 CPLD復(fù)雜可編程邏輯器件進行編程處理后，LM3S818與CPLD 之間通過SPI單方向通信，由ARM向CPLD發(fā)送顯示指令，CPLD經(jīng)過編譯后對數(shù)碼管和LED 作出控制，使顯示與鍵盤操作相對應(yīng)。人機交互系統(tǒng)控制系統(tǒng)采用了 MCU+CPLD的設(shè)計方式來對數(shù)字化面板的輸入輸出 設(shè)備進行控制，這樣既可以利用MCU的控制和運算能力對面板的輸入輸出操作進行程序 控制，產(chǎn)生相應(yīng)控制命令；又可以利用CPLD豐富的I/O引腳和可靈活編程的特點，把MCU 發(fā)送的命令轉(zhuǎn)化為面板上數(shù)碼管和相應(yīng)LED的顯示。LM3S818的GPIO Fl F5與CPLD EPM240T100的PA2 PA4引腳相連接，進行SPI通信，傳輸需顯示的數(shù)據(jù)。正交編碼器的 A、B引腳與CPLD的G3、G2腳相連接，對編碼器的輸入信號進行去毛刺處理，然后將處理后 的信號送入MCU的QEI接口，即CPLD的GO和Gl與LM3S818的PC6、PC7相連，用編碼器來 改變參數(shù)的值。CPLD同時控制著面板上所有的LED燈與2個數(shù)碼管的顯示，按鍵則由ARM 控制器控制。ARM控制器還與MAX232相連接，用于接受主控DSP的命令并向其傳輸人機交 互系統(tǒng)所設(shè)定的參數(shù)。電源系統(tǒng)還包括一個對電源系統(tǒng)進行具體控制的設(shè)在DSP控制器中的DSP控制軟 件模塊，DSP控制軟件模塊進行系統(tǒng)控制的具體流程為1)參數(shù)初始化后，向人機交互系統(tǒng)發(fā)送焊接開始信號，接收獲取面板設(shè)定的參數(shù)， 并根據(jù)已設(shè)定的參數(shù)進行一元化設(shè)置，由專家系統(tǒng)自動獲得其它與此相對應(yīng)的參數(shù)；2)進入起弧子程序，開始引弧，引弧成功后進入正常焊接過程，此時開始進入瞬時 能量熔滴過渡波形控制階段；3) DSP首先控制主電路1進入強脈沖階段，主電路2比主電路1滯后一定相位進入 強脈沖控制階段，此相位可調(diào)；4)主電路1先進入強脈沖的峰值控制階段，主電路2進入基值控制階段；5)主電路1強脈沖峰值控制階段時間到，則進入強脈沖基值控制階段，主電路2進 入強脈沖峰值控制階段；6)主電路1和主電路2分別進行強脈沖的峰值、基值交替控制，直至主電路1強脈 沖控制階段結(jié)束；7) DSP控制主電路1進入弱脈沖控制階段，主電路2在完成強脈沖控制階段后，依 然比主電路1滯后相應(yīng)的相位進入弱脈沖控制階段；8)主電路1先進入弱脈沖峰值控制階段，主電路2進入基值控制階段；9)主電路1弱脈沖峰值控制時間到，則進入弱脈沖基值控制階段，主電路2進入弱 脈沖峰值控制階段；10)主電路1和主電路2分別進行弱脈沖的峰值、基值交替控制，直至主電路1弱 脈沖控制階段結(jié)束；11)若焊槍沒有松開，則繼續(xù)進行3)_10)所述強弱脈沖的交替的瞬時能量熔滴過渡波形控制；若焊槍松開，則結(jié)束瞬時能量熔滴過渡波形控制階段，主電路1與主電路2同時進入到收弧階段，收弧結(jié)束并向人機交互系統(tǒng)發(fā)送焊接結(jié)束信號，焊機進入等待焊接命 令狀態(tài)。在DSP控制軟件模塊中，還包括一專家系統(tǒng)，所述專家系統(tǒng)是針對鋁合金焊接所 建立的專家系統(tǒng)，可對各類鋁合金按照雙脈沖焊接工藝特點進行焊接性分析，焊接人員可 方便地查詢到分析結(jié)果，同時還可以對系統(tǒng)提供的焊接性分析結(jié)果進行瀏覽、修改、添加、 刪除。專家系統(tǒng)中還內(nèi)置了各種焊接特性的參考條件和各種參數(shù)的參考范圍，可以直接選 擇相應(yīng)的焊接條件進行一元化調(diào)節(jié)，也可以在專家系統(tǒng)推薦參數(shù)范圍中自行選擇、設(shè)置和 調(diào)整。在DSP控制軟件模塊中，還包括瞬時能量熔滴過渡波形控制過程與小波濾波控制 算法。所述瞬時能量指電弧的瞬時電流和瞬時電壓的乘積，它的大小決定了電弧的長短和 熔滴的過渡形式，它對焊縫成形、飛濺、焊接缺陷以及焊縫的力學(xué)性能有很大的影響。本系 統(tǒng)通過檢測電源輸出的瞬時電流、電壓波形，控制熔滴的能量，以達到減小飛濺和熔滴大小 一致過渡均勻的目的。在對脈沖峰值和基值的波形控制過程中，需要對電流或者電壓的檢測采樣信號進 行小波濾波算法控制，經(jīng)小波濾波后得到更精確的采樣信號，與給定的控制要求信號進行 比較，調(diào)整下次輸出。本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點和有益效果1)本實用新型實現(xiàn)了全數(shù)字化的雙絲雙脈沖焊機控制，通過DSP TMS320F2808直 接對雙絲的協(xié)同控制，使焊機具有更好的一致性、動態(tài)響應(yīng)性能。利用軟件實現(xiàn)雙脈沖波形 的控制，從而使焊接波形更為精確；2)本實用新型區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的特點就是雙絲在同一個主機中，利用同一個DSP 直接控制兩臺焊機，不再是傳統(tǒng)的主從式雙絲焊機結(jié)構(gòu)，一方面節(jié)約體積，降低成本，另外 一方面減少通信所帶來的問題；3)本實用新型專利對通過軟件實現(xiàn)了雙脈沖的波形控制，其次將前期研究成 果_瞬時能量熔滴過渡波形控制、小波濾波控制算法、焊接速度與焊縫成形的定量關(guān)系等 運用在脈沖波形控制過程中，在專家系統(tǒng)中設(shè)計了參數(shù)的參考區(qū)間，可以使焊接過程的控 制更精確，參數(shù)設(shè)置更可靠。從而實現(xiàn)穩(wěn)定的焊接過程，提高焊接質(zhì)量；4)本實用新型專利針對雙絲雙脈沖焊接控制波形參數(shù)眾多，控制參數(shù)調(diào)節(jié)復(fù)雜的 現(xiàn)狀，設(shè)計并開發(fā)了雙絲雙脈沖工藝專家系統(tǒng)，利用智能的專家系統(tǒng)實現(xiàn)了參數(shù)的一元化 調(diào)節(jié)，大大的提高了焊機的智能程度，降低了操作難度。

圖1是本實用新型的一具體實施例的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本實用新型的一具體實施例的軟開關(guān)主電路的電路原理圖；圖3是本實用新型的一具體實施例的驅(qū)動和脈寬調(diào)制模塊的電路原理圖；圖4是本實用新型的一具體實施例的DSP控制器電路原理圖；圖5(a)是本實用新型的一具體實施例的檢測和保護環(huán)節(jié)電路原理圖(多圖)；圖5 (b)是本實用新型的一具體實施例的檢測和保護環(huán)節(jié)電路原理圖；[0055]圖5(c)是本實用新型的一具體實施例的檢測和保護環(huán)節(jié)電路原理圖；圖5 (d)是本實用新型的一具體實施例的檢測和保護環(huán)節(jié)電路原理圖；圖6是本實用新型的一具體實施例的人機交互系統(tǒng)原理框圖；圖7是本實用新型的一具體實施例的人機交互系統(tǒng)控制系統(tǒng)電路圖；圖8是本實用新型的一具體實施例的工作過程軟件控制流程圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例，對本實用新型做進一步的詳細說明，但是本實用新型的實施方法和要求保護的范圍并不局限于此。如圖1所示，為本實用新型的多功能數(shù)字化雙絲軟開關(guān)焊接電源，由主電路1和 主電路2，驅(qū)動與檢測電路1和驅(qū)動與檢測電路2，DSP控制器108，過壓欠壓保護檢測模塊 109，以及人機交互系統(tǒng)110構(gòu)成。其中，主電路1和主電路2的結(jié)構(gòu)組成是相同的，驅(qū)動和 檢測電路1和驅(qū)動和檢測電路2也是如此。以主電路1為例，由依次連接整流濾波模塊101、 高頻逆變模塊102、功率變壓模塊103、整流平滑模塊104組成。整流濾波模塊101和三相 交流輸入電源相連接，整流平滑模塊104與負(fù)載相連接。此外，驅(qū)動與檢測電路1由溫度檢 測模塊106、高頻驅(qū)動模塊105、過流檢測模塊111、電流電壓采樣檢測與反饋模塊107組成。 DSP控制器108分別與高頻驅(qū)動模塊105、電流電壓采樣檢測與反饋模塊107、過壓欠壓保護 檢測模塊109和過流檢測模塊111相連接，電流電壓采樣檢測與反饋模塊107的另一端還 與負(fù)載相連接，過壓欠壓保護檢測模塊109的另一端還與三相交流輸入端相連接，高頻驅(qū) 動模塊105還與高頻逆變模塊102相連接，過流檢測模塊111的另一端與功率變壓模塊103 的初級相連。DSP控制器108還分別連接有人機交互系統(tǒng)110、溫度檢測模塊106。其中，溫 度檢測模塊106包括溫度傳感器、過熱光耦、外圍電路，其一端與散熱器上的溫度傳感器相 連接，另一端與DSP控制器108的中斷輸入引腳相。人機交互系統(tǒng)110包括給定信號、輸出 信號處理以及顯示電路。如圖2所示，以主電路1為例，三相交流輸入電源連接整流模塊101的整流橋，然 后連接濾波器件U、C5_8，再連接高頻逆變模塊102的逆變橋VI\_4、Cn_14、R5_8，其中，R5_8在 實際電路中用零電阻線代替，Cn_14為外接的諧振電容。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Tl初級，變壓器次級通過高頻全波整流電路Dy、濾波環(huán) 節(jié)L2、C9_1(1、C15_16、YRh，R9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包 括TRl和TR2兩個逆變橋臂(分別為超前橋臂和之后橋臂)，每個橋臂包含了兩個單元的 IGBT0同時，過流檢測模塊111的傳感器Hl連接在功率變壓模塊103初級線圈上；電流電 壓采樣檢測與反饋模塊107為傳感器H2與負(fù)載連接獲得電流采樣信號，電壓信號直接從負(fù) 載兩端取得。另一主電路2與此相同。如圖3、4所示，高頻驅(qū)動模塊105主要起到數(shù)模隔離以及功率放大作用，一個模塊 中包括4個由光耦TLP250與外圍電路構(gòu)成的高頻驅(qū)動單元。圖3為其中一路驅(qū)動的電路 圖，光耦輸入EPWM3A接到DSP控制器108的PWM輸出I/O 口，由DSP控制器108輸出的四 路相位差可調(diào)、死區(qū)時間可調(diào)的PWM信號，通過高頻驅(qū)動模塊105的隔離和放大之后變成能 夠驅(qū)動IGBT功率器件的四路兩兩互補的驅(qū)動信號，驅(qū)動單邊主電路中的超前和滯后逆變 橋臂TRl、TR2的四個IGBT開關(guān)器件VT1-VT4,由DSP控制器108提供的PWM信號經(jīng)過高頻驅(qū)動模塊105隔離放大之后，轉(zhuǎn)變?yōu)檎氩ㄗ罡叻?15V，負(fù)半波最低幅值-15V的交流脈 沖信號，可以滿足大功率IGBT可靠開啟和關(guān)斷的需要。通過控制超前臂和滯后臂的相位差 異，也即控制PWM的移相角，逆變主回路中的外接諧振電容、寄生電容和功率變壓器的寄生 電感、漏感等構(gòu)成了一個LC諧振回路，在功率開關(guān)器件開關(guān)過程中實現(xiàn)零電壓諧振換流， 開關(guān)損耗低，器件的電磁應(yīng)力大幅度降低。 如圖4所示，DSP控制器主要由DSP TMS320F2808最小系統(tǒng)和串口電平轉(zhuǎn)換芯片 MAX3232相互連接組成，另還有一 JTAG 口用于程序的下載燒錄。DSP的ADCINA0 ADCINA5 與電流電壓檢測模塊連接，完成采樣的模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換；GPI04 GPIOll輸 出8路PWM信號與高頻驅(qū)動模塊105連接；GPI012、GPI013、GPI016分別與變壓器初級電 過流檢測模塊111流檢測模塊、過壓欠壓保護檢測模塊109、溫度檢測模塊106連接。DSP TMS320F2808作為控制的核心，采樣信號與給定信號在DSP內(nèi)進行運算，確定PWM信號移 向的的大小，輸出4路移向脈寬調(diào)制信號，從而控制電源的輸出。DSP的I/O端口 GPI014/ SCITXDB、GPI015/SCIRXDB分別與MAX3232的引腳Dim和DOUTl相連接，用于與人機交互 系統(tǒng)110之間的通訊。如圖4、5(a)所示，電流電壓采樣檢測與反饋模塊107主要起到電流電壓的采樣反 饋作用，以實現(xiàn)閉環(huán)控制。電流采樣檢測與反饋電路中，在電源輸出端采用了電流霍爾傳感 器H2，P15與H2相連，當(dāng)電流霍爾傳感器采集端電流為100A時，傳感器輸出電流為100mA。 通過采用適當(dāng)?shù)碾娮柙?，使得?dāng)焊接電流從0-400A變化時，反饋電路處理后的信號變化 范圍是0-4V。再經(jīng)過分壓，濾波，限壓等調(diào)整后得到信號⑶RRENT-FBK送給DSP，由DSP進 行運算。電壓采樣檢測與反饋電路中直接對輸出端電壓進行取樣，經(jīng)過低通濾波去除信號 中的高頻信號，再經(jīng)過運放、光耦隔離，調(diào)理成0-5V的直流電壓信號，最后再通過分壓和限 壓得到信號V0LTAGE-FBK，送給DSP。此外，調(diào)理出來的電流電壓采樣信號亦會送至人機交 互系統(tǒng)的ADC端口，由其進行A/D轉(zhuǎn)換并于人機交互系統(tǒng)上顯示實際焊接電流、電壓的值。如圖4、5 (b)所示，P7與傳感器Hl連接，過流檢測模塊主要對功率變壓模塊103的 初級端的電流進行檢測。當(dāng)初級電流超過一定值時，產(chǎn)生過流信號，光耦導(dǎo)通，CURRENT-EXC 電平被拉低，DSP不需要經(jīng)過程序即將PWM信號切斷，切斷過程由DSP硬件完成。DSP的I/ 0 口 GPI012/TZ1電平被拉低同時也會觸發(fā)一個中斷，在中斷程序里，DSP可以進行進一步的 處理和動作。如圖4、5(c)所示，P18與溫度傳感器THl相連接。溫度檢測模塊的溫度傳感器安 裝在IGBT模塊所在散熱器上，用以檢測IGBT發(fā)熱是否超過規(guī)定量。溫度傳感器是常閉開 關(guān)，若觸發(fā)則斷開，產(chǎn)生過熱信號，使過熱光耦導(dǎo)通，⑶RRENT-EXC電平被拉低，即DSP的I/O 口 GPI016/TZ5電平被拉低，此時DSP程序中可以根據(jù)此I/O判斷是否產(chǎn)生過熱信號，并進 行處理。如圖4、5(d)所示，過壓欠壓保護檢測模塊109主要起到在電網(wǎng)電壓的波動時關(guān)斷 PWM信號輸出的作用。三相電路經(jīng)變壓器降壓、整流成直流信號VFB，所以VFB正比例于電 網(wǎng)電壓。當(dāng)VFB過高于設(shè)定值或低于設(shè)定值時，兩個比較器比較結(jié)果做相“與”運算，結(jié)果 為低電平“0”，V0LTAGE-EXC電平被拉高，即DSP的I/O 口 GPI013/TZ2電平被拉高，DSP關(guān) 斷PWM信號輸出，并進行故障處理。如圖6所示，人機交互系統(tǒng)110主要作用是用于參數(shù)給定的數(shù)字輸入以及電源工作過程中的各種參數(shù)的數(shù)字顯示。LM3S818接收DSP控制器108發(fā)送的焊接開關(guān)命令，處理鍵盤與編碼器的操作，負(fù)責(zé)參數(shù)的選擇與輸入，并對電流電壓采樣檢測與反饋模塊107所 產(chǎn)生的焊接狀態(tài)參數(shù)進行采樣處理。對EPM240T100 CPLD復(fù)雜可編程邏輯器件進行編程處 理后，LM3S818與CPLD之間通過SPI單方向通信，由ARM向CPLD發(fā)送顯示指令，CPLD經(jīng)過 編譯后對數(shù)碼管和LED作出控制，使顯示與鍵盤操作相對應(yīng)。如圖7所示，人機交互系統(tǒng)110控制系統(tǒng)采用了 MCU+CPLD的設(shè)計方式來對數(shù)字化 面板的輸入輸出設(shè)備進行控制。這樣既可以利用MCU的控制和運算能力對面板的輸入輸出 操作進行程序控制，產(chǎn)生相應(yīng)控制命令；又可以利用CPLD豐富的I/O引腳和可靈活編程的 特點，把MCU發(fā)送的命令轉(zhuǎn)化為面板上數(shù)碼管和相應(yīng)LED的顯示。LM3S818的GPIO Fl F5與CPLD EPM240T100的PA2 PA4引腳相連接，進行SPI通信，傳輸需顯示的數(shù)據(jù)。正交 編碼器的A、B引腳與CPLD的G3、G2腳相連接，對編碼器的輸入信號進行去毛刺處理，然后 將處理后的信號送入MCU的QEI接口，即CPLD的GO和Gl與LM3S818的PC6、PC7相連，用 編碼器來改變參數(shù)的值。CPLD同時控制著面板上所有的LED燈與2個數(shù)碼管的顯示，按鍵 則由ARM控制器控制。ARM控制器還與MAX232相連接，用于接受主控DSP的命令并向其傳 輸人機交互系統(tǒng)所設(shè)定的參數(shù)。如圖8所示為控制軟件流程圖，參數(shù)初始化后，DSP控制軟件模塊向人機交互系統(tǒng) 發(fā)送焊接開始信號，并接收獲取焊接參數(shù)，同時根據(jù)此參數(shù)進行一元化調(diào)節(jié)，自動獲取其它 相對應(yīng)的焊接參數(shù)，開始引弧，引弧成功后進入正常焊接過程，在此過程中進行瞬時能量熔 滴過渡波形控制。DSP首先控制主電路1進入強脈沖階段，主電路2比主電路1滯后一定相 位進入強脈沖控制階段，此相位可調(diào)。主電路1和主電路2分別進行強脈沖的峰值、基值交 替控制，直至強脈沖控制階段結(jié)束。DSP控制主電路1進入弱脈沖控制階段，主電路2比主 電路1依然滯后強脈沖階段時的相位。主電路1和主電路2進行弱脈沖峰值、基值交替控 制，直至弱脈沖控制階段結(jié)束。若焊槍沒有松開，則繼續(xù)進行強弱脈沖的交替瞬時能量熔滴 過渡波形控制，若焊槍松開，則同時進入到收弧階段，收弧結(jié)束則焊機進入等待焊接命令狀 態(tài)。應(yīng)用本實用新型的多功能數(shù)字化雙絲軟開關(guān)焊接電源時，人機交互系統(tǒng)110選擇 焊接方式并設(shè)定參數(shù)，三相工頻交流電經(jīng)過濾波模塊101后變成平滑直流電后進入高頻逆 變模塊102，DSP控制器108根據(jù)電流電壓采樣檢測與反饋模塊107檢測到負(fù)載的電流、電 壓信號與給定的參數(shù)進行比較，經(jīng)過DSP控制器108的PI運算，產(chǎn)生四路兩兩互補的帶死 區(qū)的移相PWM信號，這四路PWM信號通過高頻驅(qū)動模塊105放大后控制高頻逆變模塊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)換成大電流低電壓的交流脈沖電流，再經(jīng)過整流模塊104得到 更加平滑的直流脈沖電流。過流檢測模塊111檢測功率變壓模塊103的初級電流，如出現(xiàn) 過流情況，則出發(fā)DSP的一個中斷，關(guān)閉高頻逆變模塊102，保護主電路安全工作。過壓欠壓 保護檢測模塊109檢測三相工頻電壓，如出現(xiàn)過壓或者欠壓現(xiàn)象，則觸發(fā)DSP中斷，關(guān)閉高 頻逆變模塊102。本實用新型體現(xiàn)了輕便高速的特性。本實施例首次以高速的嵌入式數(shù)字信號處理 器DSP TMS320F2808為核心，充分利用DSP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)計方法，通過軟件編程實現(xiàn)電源輸出特性控制、焊接控制波形、人機交互系統(tǒng)。兩個主電路的8路移相PWM信號都直接由DSP通過編程方式輸出，最終實現(xiàn)弧焊電源 的全數(shù)字化控制。其次通過同一個控制核心實現(xiàn)了兩個主電路的控制，兩個主電路集中在 同一個電源中，與以往的雙絲主從機結(jié)構(gòu)有較大區(qū)別，通過對焊機結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計，使電源 體積減小30%以上。此外，主從機之間不再需要通信，使雙絲雙脈沖焊機具有更好的一致 性、動態(tài)響應(yīng)性能和可擴展性。整體設(shè)計充分體現(xiàn)了輕便高速的特性。本實用新型實現(xiàn)了高效節(jié)能。本實施例采用兩根焊絲，通過高低頻率脈沖的配合， 實現(xiàn)雙脈沖雙絲焊。在取得優(yōu)良的焊接質(zhì)量的同時，利用雙絲焊技術(shù)可以獲得更高的焊接 效率。此外，利用前期成果_軟開關(guān)雙絲弧焊技術(shù)，使能源利用率達到90%以上，在進一步 提高雙絲雙脈沖焊機的效率的同時有效減少能源消耗。本實用新型控制精確。本實施例充分利用了 DSP嵌入式微處理器的高速運算和數(shù)據(jù)處理能力，對焊接電弧的瞬時能量進行實時采集和分析，根據(jù)電弧狀態(tài)實時自動控制焊 接電源的輸出特性，以達到對焊接電弧瞬時能力優(yōu)化輸出和調(diào)節(jié)的目的。其次通過檢測反 饋輸出電流電壓，對電弧變化進行快速響應(yīng)，并及時調(diào)整輸出能量，使控制更精確，以獲得 優(yōu)質(zhì)的焊接質(zhì)量。其次利用熔滴過渡波形控制方法進行了精確的波形控制。本實用新型具有智能宜人的特征。本實施例內(nèi)集成了雙脈沖焊接工藝專家系統(tǒng)，能通過一元化調(diào)節(jié)的方式，實現(xiàn)雙脈沖參數(shù)的自動調(diào)節(jié)，有效解決了雙脈沖焊接工藝參數(shù) 過多的問題，降低了操作難度，實現(xiàn)了系統(tǒng)智能化操作。其次，借助ARM控制核心，開發(fā)了專 用的人機交互系統(tǒng)，從而增強了系統(tǒng)的宜人性。本實用新型可以實現(xiàn)產(chǎn)品的美觀優(yōu)質(zhì)。本實施例通過對兩根焊絲之間的相位控 制，能獲得比一般的雙脈沖焊接獲得更為細致的魚鱗紋，還可以通過調(diào)節(jié)雙絲之間的相位 差，從而控制魚鱗紋的間距，獲得更為美觀的外形。其次可以進一步雙絲相位的配合，減少 氣孔發(fā)生率、細化焊縫晶粒、降低裂紋敏感性，使焊縫質(zhì)量更優(yōu)良。綜上，本實用新型提供了一種適用于鋁合金焊接的，具有系統(tǒng)穩(wěn)定性好、焊接效率高、調(diào)試方便、具有良好操作界面、使用簡單、帶有焊接專家系統(tǒng)的雙絲雙脈沖數(shù)字化軟開 關(guān)焊接電源系統(tǒng)。在此說明書中，本實用新型已參照其特定的實施例作了描述。但是，很顯然仍可以作出各種修改和變換而不背離本實用新型的精神和范圍。因此，說明書和附圖應(yīng)被認(rèn)為是 說明性的而非限制性的。
權(quán)利要求一種鋁合金雙絲雙脈沖數(shù)字化軟開關(guān)逆變焊接電源，主要是用于鋁合金的高速焊接，其特征在于包括一體化的IGBT軟開關(guān)主電路，DSP控制電路以及人機交互系統(tǒng)，其中，所述的IGBT軟開關(guān)主電路包括依次連接的整流濾波模塊、高頻逆變模塊、功率變壓模塊、整流平滑模塊，DSP控制電路包括過壓欠壓保護檢測模塊、DSP控制器、電流電壓采樣檢測與反饋模塊、高頻驅(qū)動模塊、過流檢測模塊和溫度檢測模塊，以及一JTAG口，同時，DSP控制器內(nèi)設(shè)有一個DSP控制軟件模塊，進一步，所述的電源系統(tǒng)具體由一個DSP控制電路控制兩個IGBT軟開關(guān)主電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋁合金雙絲雙脈沖數(shù)字化軟開關(guān)逆變焊接電源，其特征 在于，所述的整流濾波模塊的輸入與三相交流電相連，整流濾波模塊的輸出連接高頻逆變 模塊，高頻逆變模塊的輸出連接功率變壓模塊，連接功率變壓模塊的輸出連接整流平滑模 塊，整流平滑模塊的輸出與負(fù)載相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋁合金雙絲數(shù)字化軟開關(guān)逆變焊接電源，其特征在于， 所述的溫度檢測模塊包括溫度傳感器、過熱光耦、外圍電路，溫度檢測模塊的一端與散熱器 相連接，另一端與DSP控制器的中斷輸入引腳相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋁合金雙絲雙脈沖數(shù)字化軟開關(guān)逆變焊接電源，其特征 在于，所述的DSP控制器分別與高頻驅(qū)動模塊、電流電壓采樣檢測與反饋模塊、過壓欠壓保 護檢測模塊、溫度檢測模塊和過流檢測模塊相連接，同時，DSP控制器與人機交互系統(tǒng)相連 接，電流電壓采樣檢測與反饋模塊與人機交互系統(tǒng)相連接，所述的過流檢測模塊的另一端 與功率變壓模塊的初級相連，所述電流電壓采樣檢測與反饋模塊的另一端與負(fù)載相連接， 所述的過壓欠壓保護檢測模塊的另一端與三相交流輸入端相連接，所述的高頻驅(qū)動模塊與 高頻逆變模塊相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋁合金雙絲雙脈沖數(shù)字化軟開關(guān)逆變焊接電源，其特征 在于，所述的過流檢測模塊的傳感器連接在功率變壓模塊初級線圈上，傳感器與負(fù)載連接 獲得電流采樣信號，電壓信號直接從負(fù)載兩端取得。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋁合金雙絲雙脈沖數(shù)字化軟開關(guān)逆變焊接電源，其特征 在于，所述的高頻驅(qū)動模塊包括4個由光耦TLP250與外圍電路構(gòu)成的高頻驅(qū)動單元，其中 每個光耦的輸入都與DSP控制器的輸出相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋁合金雙絲雙脈沖數(shù)字化軟開關(guān)逆變焊接電源，其特征 在于，所述的人機交互系統(tǒng)以一塊LM3S818作為控制核心，用RS232串行總線和GPIO腳與 DSP控制電路通信，包括電源及通訊接口模塊、數(shù)字編碼器輸入模塊、顯示及按鍵模塊、主控 模塊，其中主控模塊包括ARM和CPLD，進一步，所述的LM3S818與CPLD之間通過SPI單方向 通信，并由ARM向CPLD發(fā)送指令。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋁合金雙絲雙脈沖數(shù)字化軟開關(guān)逆變焊接電源，其特征 在于，所述的人機交互系統(tǒng)包括一人機交互控制系統(tǒng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種鋁合金雙絲雙脈沖數(shù)字化軟開關(guān)逆變焊接電源，其特征 在于，所述的人機交互系統(tǒng)控制系統(tǒng)采用MCU+CPLD的方式控制人機交互系統(tǒng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋁合金雙絲雙脈沖數(shù)字化軟開關(guān)逆變焊接電源，其特 征在于所述的DSP控制軟件模塊包含專家系統(tǒng)。
專利摘要本實用新型涉及一種鋁合金雙絲雙脈沖數(shù)字化軟開關(guān)逆變焊接電源，主要包括一體化的IGBT軟開關(guān)主電路、DSP控制電路以及人機交互系統(tǒng)。本實用新型首次提出在雙絲焊機上實現(xiàn)雙脈沖鋁合金焊接，利用TI DSP 2808作為控制核心實現(xiàn)了全數(shù)字化控制，利用軟件直接產(chǎn)生8路PWM信號，控制兩個主電路，減少了通信所帶來的控制上的問題，提高了系統(tǒng)反應(yīng)速度和可靠性。通過將兩個主電路集中于同一焊機中，使整體結(jié)構(gòu)比主從式焊機大為減小，焊機更加輕便靈活，最后利用對雙絲相位的合理調(diào)節(jié)控制，從而獲得更加美觀優(yōu)良的焊縫外觀與質(zhì)量。
文檔編號B23K9/10GK201552368SQ20092023834
公開日2010年8月18日 申請日期2009年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月31日
發(fā)明者姚屏, 蒙萬俊, 薛家祥, 魏仲華 申請人:華南理工大學(xué)