專利名稱：一種中頻逆變電阻點焊電源系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及焊接領(lǐng)域的點焊電源，尤其涉及一種中頻逆變電阻點焊電源系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
電阻點焊電源主要有以下幾種單相工頻式電源、三相低頻式電源、可控硅次級整流式電源、電容儲能式電源、逆變式電源等，前四種電源應用于點焊過程主要存在以下問題(1)能量輸出控制和時間控制精度不能滿足要求。目前主流的交流點焊電源其響應速度為20ms，控制響應速度和調(diào)節(jié)分辨率不足；(2)大部分電源采用工頻變壓器，體積大、笨重、效率低、耗材；(3)大部分為開環(huán)系統(tǒng)，部分帶電流、電壓反饋控制，電源穩(wěn)定性不夠。從控制電路所使用的電子元器件來看，電阻點焊控制系統(tǒng)可分為分立元件控制系統(tǒng)、集成電路控制系統(tǒng)、微機控制系統(tǒng)等。其中微機控制系統(tǒng)采用的核心器件又可分為單片機、數(shù)字信號處理器和可編程邏輯控制器。前兩種控制系統(tǒng)已漸出市場，目前廣為采用的是微機控制系統(tǒng)，數(shù)字信號處理器發(fā)展迅速。從質(zhì)量監(jiān)控方法來看，電阻點焊質(zhì)量控制方法包括恒電流控制、動態(tài)電阻監(jiān)測、 極間電壓監(jiān)測、熱膨脹電極位移監(jiān)控、超聲波法、表面溫度與紅外線法等。其中，前四種方法的研究較為成熟，恒電流控制應用最為廣泛。電流信號的采集直接在主電路上進行的，其輸出是脈動或者交流信號。為了直接反映點焊過程中的電流大小，需要對該采樣信號進行有效處理。逆變開關(guān)電源具有效率高，重量輕，電壓可升可降，輸出功率大等優(yōu)點。但由于電路工作在開關(guān)狀態(tài)，所以噪聲比較大，開關(guān)管的導通損耗、開關(guān)損耗也不容忽視。為解決此問題，傳統(tǒng)的硬開關(guān)模式正在被軟開關(guān)技術(shù)所取代。軟開關(guān)技術(shù)可以在中頻逆變的基礎(chǔ)上進一步提高電源效率、降低開關(guān)器件的損耗并提高電源可靠性。從控制實現(xiàn)方式上看，目前電阻點焊電源廣泛采用全橋逆變脈寬調(diào)制方法，其控制方式可分為雙極性控制、有限雙極性控制、移相控制三種。全橋移相變換器近年來得到了廣泛關(guān)注，在中大功率的通訊電源和電力操作電源中得到廣泛的應用。然而，這種控制方法有以下幾個明顯的缺點(1)滯后臂開關(guān)管在輕載下將失去零電壓開關(guān)功能；(2)為實現(xiàn)滯后臂的ZVS，必須在電路中串聯(lián)電感，這會引起占空比丟失，增大原邊電流定額；(3)原邊存在較大環(huán)流，增加了系統(tǒng)通態(tài)損耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足，提供一種電源控制精度高、 響應速度快的中頻逆變電阻點焊電源系統(tǒng)。
3
本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)一種中頻逆變電阻點焊電源系統(tǒng)，其特征在于包括主電路、控制系統(tǒng)，所述主電路包括依次連接的電源開關(guān)、輸入整流濾波電路、功率逆變電路、中頻變壓器、輸出整流濾波電路；所述控制系統(tǒng)包括控制變壓器、控制電路；所述控制變壓器、輸入整流濾波電路分別通過電源開關(guān)與工頻交流電網(wǎng)連接，輸出整流濾波電路與負載連接，控制電路與功率逆變電路、鍵盤、顯示設(shè)備分別連接，該控制電路還與功率逆變電路的輸出端連接。所述功率逆變電路由四個IGBT管以及反并聯(lián)二極管、電容和電阻組成的全橋式逆變轉(zhuǎn)換電路。所述控制電路包括處理器及與其連接的復位電路、電壓/電流采樣電路、過載保護電路、功率逆變驅(qū)動電路；所述功率逆變驅(qū)動電路還與一個功率逆變電路連接；所述電壓/電流采樣電路分別與輸出整流濾波電路的輸出端連接；所述處理器還與鍵盤、顯示設(shè)備連接。所述處理器包括A/D轉(zhuǎn)換模塊、比較模塊、PWM輸出模塊、顯示驅(qū)動模塊和鍵盤接口，其中A/D轉(zhuǎn)換模塊與電壓/電流采樣電路連接，PWM輸出模塊與功率逆變驅(qū)動電路連接， 顯示驅(qū)動模塊與顯示設(shè)備連接，鍵盤接口與鍵盤連接。本發(fā)明中頻逆變電阻點焊電源系統(tǒng)，還包括一有效值處理電路，用于直接計算出包含直流的交流分量的復雜輸入波形的真有效值，并將其轉(zhuǎn)換成直流輸出信號。與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的有益效果在于(1)甩掉了傳統(tǒng)的工頻變壓器，大大減輕了電源的體積和重量；(2)逆變頻率可為lkHZ，4kHz、8kHz，將電源的控制精度提高到毫秒級，大大提高系統(tǒng)的響應速度，顯著提升電源的調(diào)節(jié)分辨率和可控性；(3)通過有效值處理電路和增量式PID控制算法，能夠保證輸出的精確性；(4)采用有限雙極性控制，實現(xiàn)了 ZVZCS，大大降低了電源損耗；(5)具有恒流、恒壓、恒功率、定脈寬等多種輸出特性，提高設(shè)備的工藝適應性；(6) 15項焊接參數(shù)可調(diào)，20組焊接參數(shù)儲存，實現(xiàn)了多參數(shù)化；(7)采用IXD顯示，配有鍵盤輸入和RS232通訊接口，實現(xiàn)了人性化設(shè)計；(8)采用智能監(jiān)控，可在線監(jiān)控焊接電流、電壓或輸出功率，保證其工藝過程的一致性，簡化了控制電路，實現(xiàn)了電源的高效化、智能化；(9)本發(fā)明為各種高頻電子元器件、網(wǎng)絡(luò)元器件、各種貼片電感器、貼片變壓器， 各種感應式IC卡，各種鐘表線圈、微型喇口Λ、訊響器微型電機，各種集成塊、模塊、各種金屬線、金屬帶、金屬片的焊接，以及印刷線路板的修補等提供一種新型低成本、高可靠性、高效率的電阻點焊裝備，可增加產(chǎn)品技術(shù)含量，使之具有高效、節(jié)能、環(huán)保的特點，具有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。


圖1是本發(fā)明中頻逆變電阻點焊電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本發(fā)明中頻逆變電阻點焊電源系統(tǒng)的主電路圖；圖3是本發(fā)明中頻逆變電阻點焊電源系統(tǒng)的控制系統(tǒng)框圖；圖4是本發(fā)明電流電壓關(guān)系圖5是本發(fā)明有效值處理電路；圖6是本發(fā)明PID控制算法程序框圖。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步具體詳細描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此，對于未特別注明的工藝參數(shù)，可參照常規(guī)技術(shù)進行。實施例如圖1所示，本發(fā)明中頻逆變電阻點焊電源系統(tǒng)，包括主電路、控制系統(tǒng)，所述主電路包括依次連接的電源開關(guān)、輸入整流濾波電路、功率逆變電路、中頻變壓器、輸出整流濾波電路；所述控制系統(tǒng)包括控制變壓器、控制電路；所述控制變壓器、輸入整流濾波電路分別通過電源開關(guān)與工頻交流電網(wǎng)連接，輸出整流濾波電路與負載連接，控制電路與功率逆變電路、鍵盤、顯示設(shè)備分別連接，該控制電路還與功率逆變電路的輸出端連接。如圖2所示。所述功率逆變電路由四個IGBT管Q1、Q2、Q3、Q4以及反并聯(lián)二極管、 電容和電阻組成的全橋式逆變轉(zhuǎn)換電路。如圖3所示。所述控制電路包括處理器及與其連接的復位電路、電壓/電流采樣電路、過載保護電路、功率逆變驅(qū)動電路；所述功率逆變驅(qū)動電路還與一個功率逆變電路連接；所述電壓/電流采樣電路分別與輸出整流濾波電路的輸出端連接；所述處理器還與鍵盤、顯示設(shè)備、RS232通訊接口連接。所述處理器包括A/D轉(zhuǎn)換模塊、比較模塊、PWM輸出模塊、顯示驅(qū)動模塊和鍵盤接口、通訊接口，A/D轉(zhuǎn)換模塊與電壓/電流采樣電路連接，PWM輸出模塊與所述功率逆變驅(qū)動電路連接，顯示驅(qū)動模塊通過處理器的I/O 口、鎖存譯碼器與顯示設(shè)備連接，鍵盤接口通過處理器的I/O 口與鍵盤連接，RS232通過max232與處理器的通用異步收發(fā)器(UART)模塊連接。處理器采用數(shù)字信號處理器DSPIC30F6010，其具有16位比較PWM輸出功能，可以同時輸出8路PWM信號，4路用于控制驅(qū)動功率逆變電路。驅(qū)動電路將PWM信號轉(zhuǎn)換成能夠驅(qū)動所述功率逆變電路的IGBT管開關(guān)的驅(qū)動信號。電源提供給負載的輸出電壓/電流大小可以通過調(diào)節(jié)控制PWM信號的占空比來實現(xiàn)。電壓/電流采樣電路包括霍爾傳感器，電壓、電流變換電路；電源運行過程中一旦有過電流、過電壓、欠電壓、過熱、缺冷卻水現(xiàn)象產(chǎn)生，保護電路將使DSP控制系統(tǒng)產(chǎn)生中斷、復位，保證整個電源可靠工作。如圖1、2所示，輸入整流濾波電路采用單相二極管整流橋電路。所述輸出整流濾波電路采用二極管整流，電容、電感濾波電路；所述二極管為快速二極管。功率逆變電路采用適合于大功率輸出的全橋式逆變轉(zhuǎn)換電路，包括四個IGBT管 Q1、Q2、Q3、Q4以及反并聯(lián)二極管、電容和電阻組成，四個IGBT管組成橋的四臂，中頻變壓器連接在它們的中間。如圖2所示，功率逆變電路采用有限雙極性的控制方式，即超前臂IGBT 管Q1、Q2的驅(qū)動信號脈寬可以調(diào)節(jié)；滯后臂IGBT管Q3、Q4的驅(qū)動信號脈寬不可調(diào)，為固定值(即最大脈寬)；IGBT管Ql和Q3同時導通時間ton，IGBT管Q2和Q4也同時導通時間 ton。中頻變壓器初級電壓VAB和輸出電壓僅與IGBT管狀態(tài)有關(guān)，與負載性質(zhì)和大小無關(guān)， 這樣就保證了本中頻逆變電阻點焊電源輸出電壓/電流的穩(wěn)定性。為了避免同一橋臂上下兩管同時導通造成短路，上下管必須設(shè)置一個固定的死區(qū)時間；通過調(diào)節(jié)IGBT管Q1、Q2驅(qū)動信號脈寬可以實現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié)。如圖3、4所示，具體實施過程可分為四個階段tl_t2為功率傳輸階段；t2_t4實現(xiàn)超前臂IGBT管Ql的零電壓關(guān)斷；t4-t5實現(xiàn)滯后臂IGBT管Q4的零電壓關(guān)斷；t5_t6實現(xiàn)超前臂IGBT管Q2的零電壓、零電流導通、滯后臂IGBT管Q3的零電流導通；t7之后重新循環(huán)。其中UQ1、UQ2為超前橋臂的驅(qū)動脈沖，UQ3、UQ4為滯后橋臂的驅(qū)動脈沖，延時At時間(t6-t5)后關(guān)斷。延時時間At(下降沿)根據(jù)需要調(diào)整。更具體地，tl時刻，IGBT管 Ql和Q3同時導通，變壓器原邊電流ip開始上升，電流從IGBT管Ql經(jīng)變壓器流向IGBT管 Q3，功率從原邊流向副邊；t2時刻IGBT管Ql關(guān)斷，IGBT管Ql的關(guān)斷是ZVS關(guān)斷，原邊電流 ip通過IGBT管Q1、Q2并聯(lián)電容的充放電繼續(xù)按原方向流動，與Q2并聯(lián)的電容經(jīng)過一段時間的放電，在t3時刻電壓降到零，IGBT管Q2上的反并聯(lián)二極管開始導通續(xù)流；由于箝位電容上的電壓作用，t4時刻環(huán)流衰減到零在t4 t5時刻，箝位電容上的能量通過變壓器漏感對IGBT管Q2的并聯(lián)電容充電，由于時間常數(shù)很小，諧振過程很快結(jié)束，使IGBT管Q2兩端電壓保持穩(wěn)定；t5時刻IGBT管Q3關(guān)斷，這時IGBT管Q3上的電壓電流均為零，實現(xiàn)ZVZCS關(guān)斷。經(jīng)過一固定的死區(qū)時間后，在t6時刻，IGBT管Q2、Q4同時導通，此時對IGBT管Q2來說，環(huán)流已衰減到零，而電壓繼續(xù)保持，故而為ZVZCS導通；t6之后的電路工作過程和tl t6類似。本發(fā)明中頻變壓器輸出經(jīng)輸出整流濾波電路后提供負載。所述中頻變壓器的輸出電壓經(jīng)所述輸出整流濾波電路后提供直流輸出，供給負載。所述電壓/電流采樣電路包括霍爾傳感器，電壓、電流變換電路。電流信號的采集直接在主電路上進行的，其輸出是脈動或者交流信號。為了直接反映點焊過程中的電流大小，需要對該采樣信號進行有效處理。如圖5所示。所述有效值處理電路采用高精度的真有效值轉(zhuǎn)換器AD536作為有效值換算電路。AD536A可直接計算出任何包含直流的交流分量的復雜輸入波形的真有效值， 并將其轉(zhuǎn)換成直流輸出信號。利用AD536進行有效值轉(zhuǎn)換可以實時地獲得焊接電流有效值，在保證測量精度的同時大大節(jié)省DSP的軟件運算，保證系統(tǒng)控制的實時性。有效值轉(zhuǎn)換電路的核心器件為AD536A，信號從管腳4輸入，經(jīng)過處理后從管腳 8(圖6)輸出。為提高有效值轉(zhuǎn)換精度，在AD536A的外圍增加了誤差調(diào)整電路。如圖6所示。所述增量式PID控制算法，可以通過位置PID算法(1)式推導出。
權(quán)利要求
1.一種中頻逆變電阻點焊電源系統(tǒng)，其特征在于包括主電路、控制系統(tǒng)，所述主電路包括依次連接的電源開關(guān)、輸入整流濾波電路、功率逆變電路、中頻變壓器、輸出整流濾波電路；所述控制系統(tǒng)包括控制變壓器、控制電路；所述控制變壓器、輸入整流濾波電路分別通過電源開關(guān)與工頻交流電網(wǎng)連接，輸出整流濾波電路與負載連接，控制電路與功率逆變電路、鍵盤、顯示設(shè)備分別連接，該控制電路還與功率逆變電路的輸出端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述中頻逆變電阻點焊電源系統(tǒng)，其特征在于所述功率逆變電路由四個IGBT管以及反并聯(lián)二極管、電容和電阻組成的全橋式逆變轉(zhuǎn)換電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述中頻逆變電阻點焊電源系統(tǒng)，其特征在于所述控制電路包括處理器及與其連接的復位電路、電壓/電流采樣電路、過載保護電路、功率逆變驅(qū)動電路; 所述功率逆變驅(qū)動電路還與一個功率逆變電路連接；所述電壓/電流采樣電路分別與輸出整流濾波電路的輸出端連接；所述處理器還與鍵盤、顯示設(shè)備連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述中頻逆變電阻點焊電源系統(tǒng)，其特征在于所述處理器包括A/ D轉(zhuǎn)換模塊、比較模塊、PWM輸出模塊、顯示驅(qū)動模塊和鍵盤接口，其中A/D轉(zhuǎn)換模塊與電壓 /電流采樣電路連接，PWM輸出模塊與功率逆變驅(qū)動電路連接，顯示驅(qū)動模塊與顯示設(shè)備連接，鍵盤接口與鍵盤連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述中頻逆變電阻點焊電源系統(tǒng)，其特征在于還包括一有效值處理電路，用于直接計算出包含直流的交流分量的復雜輸入波形的真有效值，并將其轉(zhuǎn)換成直流輸出信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種中頻逆變電阻點焊電源系統(tǒng)，包括主電路、控制系統(tǒng)，所述主電路包括依次連接的電源開關(guān)、輸入整流濾波電路、功率逆變電路、中頻變壓器、輸出整流濾波電路；所述控制系統(tǒng)包括控制變壓器、控制電路；所述控制變壓器、輸入整流濾波電路分別通過電源開關(guān)與工頻交流電網(wǎng)連接，輸出整流濾波電路與負載連接，控制電路與功率逆變電路、鍵盤、顯示設(shè)備分別連接，該控制電路還與功率逆變電路的輸出端連接。本發(fā)明簡單、易行、高效，控制精度高，響應速度快，采用三段式加熱，具有恒流、恒壓、恒功率、定脈寬等輸出功能，15項焊接參數(shù)可調(diào)，20組焊接參數(shù)儲存。
文檔編號B23K11/24GK102259233SQ201110214519
公開日2011年11月30日 申請日期2011年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月29日
發(fā)明者曹彪, 曾敏, 黃增好 申請人:華南理工大學, 廣州市精源電子設(shè)備有限公司