專利名稱：數字控制多功能逆變弧焊機的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種逆變弧焊機，具體為一種數字控制多功能逆變弧焊機。
背景技術：
逆變與整流是兩個相反的概念，整流是把交流電變換為直流電的過程，而逆變則是把直流電改變為交流電的過程，采用逆變技術的弧焊電源稱為逆變焊機，也稱為逆變弧焊機。逆變過程需要大功率電子開關器件，采用絕緣柵雙極晶體管IGBT作為開關器件的的逆變焊機稱為IGBT逆變焊機。逆變焊割設備由逆變電源與外接設備組成。逆變電源是逆變焊割設備的主要設備，其工作過程為工頻交流一直流一高頻交流一變壓一直流，其是將三相或單相50Hz工頻交流電整流、濾波后得到一個較平滑的直流電，由IGBT或場效應管組成的逆變電路將該直流電變為15 IOOkHz的交流電，經中頻主變壓器降壓后，再次整流濾波獲得平穩的直流輸出焊接電流或再次逆變輸出所需頻率的交流電。逆變焊割設備的控制電路由給定電路和驅動電路等組成，通過對電壓、電流信號的回饋進行處理，實現整機循環控制，采用脈寬調制PWM為核心的控制技術，從而獲得快速脈寬調制的恒流特性和優異的焊割工藝效果。逆變焊機發展到現在，經歷了三個階段，第一代為晶閘管逆變焊機，其逆變頻率為2 3kHz ;第二代是大功率晶體管逆變焊機，逆變頻率近20kHz ;第三代為絕緣柵極半導體開關器件(IGBT模塊、單管M0SFET)逆變焊機，逆變頻率可提高到15 IOOkHz以上，成為逆變焊機的主流。目前的逆變焊機已經發展到了第四代產品，既數字化控制的逆變焊機，一定程度上克服了前三代產品的模擬控制中出現的諸多問題，例如，復雜數據處理的能力有限、元器件數量多，并且控制器的參數由電阻、電容等分立元件的參數決定，控制器的調試復雜、靈活性差；同時電阻、電容的參數分布對控制器的影響不一致性，參數的穩定性差，很難做到高精度控制；而且要實現多功能的選擇，不僅電路設計困難，而且電路元器件的兼容和協調也十分龐大。但是現有的數字化控制的逆變焊機中，采用的是數字信號處理器(dsp)進行電路的控制，其具有很強的數值計算能力，但是其事件管理能力較差，輸出特性單一，雖然能夠實現單功能的精確控制，但是對多功能的實現上仍然不能很好的實現；同時由于技術的限制，其都采用的是PFM或PWM的單模式控制開關電源，雖然應用最廣泛的PWM模式具有噪音低，滿負載是效率高的優勢，但是其在低負載時缺不能很好的發揮出特點，其效率也遠低于PFM模式的控制，因此影響了逆變焊機效率的提升。
實用新型內容本實用新型為了解決以上所述的現有技術中存在的問題，提供一種全數字化控制，具有多輸出特性，工作效率高，動態響應快的數字控制多功能逆變弧焊機。本實用新型數字控制多功能逆變弧焊機，包括依次連接的主電路系統1，數字控制系統2和人機交換系統3，主電路系統I包括IGBT逆變電路101，其特征在于，所述的數字控制系統2采用數字信號控制器4做核心控制單元，還包括分別與數字信號控制器4連接的輔助電路5，用于處理采集到的主電路系統I數據的信號調理電路6，和用于對IGBT逆變電路101進行驅動控制的IGBT驅動電路7 ;數字信號控制器4的型號為dsPIC30F4011，其通過IGBT驅動電路7與IGBT逆變電路101連接，用于對主電路系統I進行調節控制；所述的IGBT驅動電路7中設置有用于PWM和PFM聯合調制的PWM/PFM調制模塊701。進一步，所述的IGBT驅動電路7通過其控制信號輸入端與數字信號控制器4上的PWM信號輸入端口(PWM1L-PWM2H)連接。進一步，所述的人機交換系統3，包括顯示驅動電路301，用于對主電路系統I的參數通過顯示驅動電路301連接到數字信號控制器4進行預置調節的參數預置調節電路302 ；顯示驅動電路301上連接有用于選擇焊接方式的功能選擇電路304和用于顯示主電路系統I信息的顯不器303。更進一步，所述的顯示驅動電路301與數字信號控制器4上的輸入輸出端口( I/O)連接。更進一步，所述的人機交換系統3，還包括用于對主電路系統I的參數通過數字信號控制器4進行直接實時調節的參數實時調節電路305 ;參數實時調節電路305與數字信號控制器4上的模擬通道端口(AN)連接。 進一步，所述的數字信號控制器4通過輔助電路5與外圍設備8相連接，輔助電路5包括通過數字信號控制器4上的同步串行端口(SPIl)連接的RS-232C接口 501，外圍設備8包括與RS-232C接口 501連接的計算機801。更進一步，所述的輔助電路5，還包括與數字信號控制器4上的晶振輸入端口(OSCl)和晶振輸出端口(0SC2)連接的振蕩電路502，與數字信號控制器4上的復位輸入端口(MCLR)連接的復位電路503，與數字信號控制器4上的模擬參考電壓輸入端口(VREF+和VREF-)連接的參考電壓電路504，與數字信號控制器4上的故障輸入端口( FLTA)連接的PWM故障封鎖電路505，以及分別與數字信號控制器4上的輸入輸出端口(I/O)連接的報警電路506、水壓檢測電路507、電子氣閥控制電路508和高頻引弧控制電路509。進一步，所述的主電路系統1，還包括依次連接在IGBT逆變電路101輸入端的電源102、LC濾波電路103、輸入整流電路104、濾波電路105，以及依次連接在IGBT逆變電路101輸出端的功率變壓器106、輸出整流電路107和輸出端子；所述的輸出端子包括分別連接在輸出整流電路107上的負輸出端子108和正輸出端子109。更進一步，所述的輸出整流電路107和負輸出端子108之間設置有電流傳感器110，輸出整流電路107和正輸出端子109之間依次設置有電壓傳感器111與高頻引弧器112 ;所述的電流傳感器110和電壓傳感器111分別與信號調理電路6連接，并一同組成連接在數字信號控制器4上模擬通道端口(AN)的采樣電路9。再進一步，所述的高頻引弧器112與數字信號控制器4上的輸入輸出端口(I/O)連接。采用本實用新型所述的技術方案，對比現有技術，其有益效果如下。I)通過數字信號控制器4的核心控制，配合IGBT驅動電路7中PWM/PEM調制模塊701的配合，實現了全數字化的脈寬調制技術，動態響應速度快，靜態性能精確，使主電路系統I中輸出的電流動態范圍大大增加，使其短路電流能夠到2A，同時能夠實現電流調節的無縫切換和高精度控制，控制迅速，節能高效，得到較理想的外特性曲線形狀，滿足焊接工藝要求。2)由于數字信號控制器4采用選取了 dsPIC30F4011芯片，因此能夠在不增加額外電路元器件的條件下，利用其出眾的數據處理和邏輯控制能力，能夠體現出多種輸出特性，提供了實現多種功能的平臺，能夠實現集直流/脈沖TIG焊、MMA連續/斷續焊四種功能于一體，功能豐富，適應性強，產品一致性好，性能穩定可靠。3)利用在人機交換系統3中設置的參數預置調節電路302和參數實時調節電路305能夠對主電路系統I中輸出電流的參數實現參數的全過程調節，而且能夠預先通過功能選擇電路304對焊接方式和功能進行選擇，并通過顯示器303進行顯示，適用于全位置及薄板的焊接。4)經輔助電路5中的RS-232C接口能夠與外接的計算機801連接，實現對焊接過程的遠程升級、控制、診斷、調試與監測，同時還能夠實現焊接數據的植入和儲存，以及程序下載等；還能夠利用輔助電路5中設置的其他電路對焊機行進全面的監控、管理和保護，設計合理，結構簡單，安全可靠。
圖1為本實用新型實例中所述的結構原理框圖。圖2為本實用新型實例中所述的數字控制系統結構原理框圖。圖中:主電路系統1，數字控制系統2，人機交換系統3，數字信號控制器4，輔助電路5，信號調理電路6，IGBT驅動電路7，外圍設備8，采樣電路9，IGBT逆變電路101，電源102，LC濾波電路103，輸入整流電路104，濾波電路105，功率變壓器106，輸出整流電路107，負輸出端子108，正輸出端子109，電流傳感器110，電壓傳感器111，高頻引弧器112，顯示驅動電路301，參數 預置調節電路302，顯示器303，功能選擇電路304，參數實時調節電路305，RS-232C接口 501，振蕩電路502，復位電路503，參考電壓電路504，PWM故障封鎖電路505，報警電路506，水壓檢測電路507，電子氣閥控制電路508，高頻引弧控制電路509，PWM/PFM調制模塊701，計算機801，？麗信號輸入端口(？￥111^￥12!0，模擬通道端口(八幻，晶振輸入端口(0SC1)，晶振輸出端口(0SC2)，復位輸入端口(MCLR)，模擬參考電壓輸入端口(VREF+和VREF-)，故障輸入端口(FLTA)，輸入輸出端口(I/O)。
具體實施方式
以下結合具體的實施例，對本實用新型進一步的進行描述、解釋和說明。本實用新型數字控制多功能逆變弧焊機，如圖1所示，其包括依次連接的主電路系統I，數字控制系統2和人機交換系統3，主電路系統I包括IGBT逆變電路101，其中，數字控制系統2采用數字信號控制器4做核心控制單元，還包括分別與數字信號控制器4連接的輔助電路5，用于處理采集到的主電路系統I數據的信號調理電路6，和用于對IGBT逆變電路101進行驅動控制的IGBT驅動電路7 ;數字信號控制器4的型號為dsPIC30F4011，其通過IGBT驅動電路7與IGBT逆變電路101連接，用于對主電路系統I進行調節控制；所述的IGBT驅動電路7中設置有用于PWM和PFM聯合調制的PWM/PFM調制模塊701。數字型號控制器4所采用的dsPIC30F4011芯片，能夠通過設置和輸入軟件算法來對其輸出的波形、脈沖進行多類型的控制，從而達到多功能的要求，還無需增加其他的電子元器件，使得焊機的一致性好，性能穩定可靠，而再加上PWM/PFM調制模塊701的配合實現對IGBT逆變電路101的數字化精確控制，和PWM和PFM的聯合調制，達到電流的無縫切換和對電流的高精度控制，減少了無功損耗，提高了功率因數。其中，如圖2所示，IGBT驅動電路7通過其控制信號輸入端與數字信號控制器4上的PWM信號輸入端口(PWM1L-PWM2H)連接，實現數字化脈寬調制；其中，如圖1所示，所述的人機交換系統3，包括顯示驅動電路301，用于對主電路系統I的參數通過顯示驅動電路301連接到數字信號控制器4進行預置調節的參數預置調節電路302 ;顯示驅動電路301上連接有用于選擇焊接方式的功能選擇電路304和用于顯示主電路系統I信息的顯示器303，能夠實現對電流參數的前置調節；其中，如圖2所示，顯示驅動電路301與數字信號控制器4上的輸入輸出端口(I/O)連接；其中，如圖1和圖2所示，人機交換系統3，還包括用于對主電路系統I的參數通過數字信號控制器4進行直接實時調節的參數實時調節電路305 ；參數實時調節電路305與數字信號控制器4上的模擬通道端口(AN)連接，通過模擬信號的輸入，由數字信號控制4完成信號的數字化轉換，來實現對電流的實時控制，用于焊接電流/推力電流和峰值電流/基值電流模擬信號的置入；配合電流的前置調節，達到了對電流的全過程調控。其中，如圖1所示，數字信號控制器4通過輔助電路5與外圍設備8相連接，輔助電路5包括通過數字信號控制器4上的同步串行端口(SPIl)連接的RS-232C接口 501，外圍設備8包括與RS-232C接口 501連接的計算機801，能夠通過計算機801實現對焊機的整體進行集中監測、在線調試、程序下載等。其中，如圖2所示，輔助電路5還包括與數字信號控制器4上的晶振輸入端口(OSCl)和晶振輸出端口(0SC2)連接的振蕩電路502 ;與數字信號控制器4上的復位輸入端口(MCLR)連接的復位電路503，數字信號控制器4與振蕩電路和復位電路構成了最小計算機系統；與數字信號控制器4上的模擬參考電壓輸入端口(VREF+和VREF-)連接的參考電壓電路504 ;與數字信號控制器4上的故障輸入端口(FLTA)連接的PWM故障封鎖電路505，用于檢測互補驅動信號導致的直通現象，能夠代替軟件的介入實現對IGBT驅動電路7的保護，穩定可靠；以及分別與數字信號控制器4上的輸入輸出端口( I/O)連接的報警電路506、水壓檢測電路506、電子氣閥控制電路508和高頻引弧控制電路809。其中，報警電路506是防止各種由意外故障(過壓/欠壓、過流、過熱)對焊接電源造成破壞，接在dsPIC30F4011芯片上相應的I/O 口出現低電平，關斷芯片PWM輸出波形，從而關斷焊機的主電路系統1，并由顯示器303進行故障顯示；其中利用水壓檢測電路506和電子氣閥控制電路508對用于冷卻焊機的水路和氣路進行控制。其中，主電路系統I中能夠進行多次的逆變，從而得到更加穩定的輸出特性，本優選實施例以一次逆變為例進行所說明，如圖1所示，主電路系統1，還包括依次連接在IGBT逆變電路101輸入端的電源102、LC濾波電路103、輸入整流電路104、濾波電路105，以及依次連接在IGBT逆變電路101輸出端的功率變壓器106、輸出整流電路107和輸出端子；所述的輸出端子包括分別連接在輸出整流電路107上的負輸出端子108和正輸出端子109 ；其中，如圖1所示，輸出整流電路107和負輸出端子108之間設置有電流傳感器110，輸出整流電路107和正輸出端子109之間依次設置有電壓傳感器111與高頻引弧器112 ;所述的電流傳感器110和電壓傳感器111分別與信號調理電路6連接，并一同組成連接在數字信號控制器4上模擬通道端口(AN)的采樣電路9，采樣電路9用于將來自電流傳感器110和電壓傳感器111的電信號通過信號調理電路6的閉環控制調節到合適的大小并對電壓信號實時顯示，進入數字信號控制器4的模擬通道端口(AN)，然后分別進行A/D轉換，從而使數字信號控制器4得到了輸出特性的反饋，于此同時在實現電信號的實時顯示。其中，如圖1和圖2所示，高頻引弧器112與數字信號控制器4上的輸入輸出端口(I/O)連接，通過高頻引弧控制電路809的輔助，從而對高頻引弧器112進行調節控制。本實用新型的實施例是參照附圖中圖1和圖2所示的優選的結構，進行的描述和說明，并不是對本實用新型的限制，在本實用新型權利要求的范圍內進行的任何修改和變換都屬于本實用新型的保護范圍。
權利要求1.數字控制多功能逆變弧焊機，包括依次連接的主電路系統(1)，數字控制系統(2)和人機交換系統(3)，主電路系統(I)包括IGBT逆變電路(101)，其特征在于，所述的數字控制系統(2)采用數字信號控制器(4)做核心控制單元，還包括分別與數字信號控制器(4)連接的輔助電路(5)，用于處理采集到的主電路系統(I)數據的信號調理電路(6)，和用于對IGBT逆變電路(101)進行驅動控制的IGBT驅動電路(7);數字信號控制器(4)的型號為dsPIC30F4011，其通過IGBT驅動電路(7)與IGBT逆變電路(101)連接，用于對主電路系統(I)進行調節控制；所述的IGBT驅動電路(7)中設置有用于PWM和PFM聯合調制的PWM/PFM調制模塊(701)。
2.如權利要求1所述的數字控制多功能逆變弧焊機，其特征在于，所述的IGBT驅動電路(7)通過其控制信號輸入端與數字信號控制器(4)上的PWM信號輸入端口(PWM1L-PWM2H)連接。
3.如權利要求1所述的數字控制多功能逆變弧焊機，其特征在于，所述的人機交換系統(3 )，包括顯示驅動電路(301)，用于對主電路系統(I)的參數通過顯示驅動電路(301)連接到數字信號控制器(4)進行預置調節的參數預置調節電路(302);顯示驅動電路(301)上連接有用于選擇焊接方式的功能選擇電路(304 )和用于顯示主電路系統(I)信息的顯示器(303)。
4.如權利要求3所述的數字控制多功能逆變弧焊機，其特征在于，所述的顯示驅動電路(301)與數字信號控制器(4)上的輸入輸出端口(I/O)連接。
5.如權利要求3所述 的 數字控制多功能逆變弧焊機，其特征在于，所述的人機交換系統(3 )，還包括用于對主電路系統(I)的參數通過數字信號控制器(4 )進行直接實時調節的參數實時調節電路(305);參數實時調節電路(305)與數字信號控制器(4)上的模擬通道端口(AN)連接。
6.如權利要求1所述的數字控制多功能逆變弧焊機，其特征在于，所述的數字信號控制器(4 )通過輔助電路(5 )與外圍設備(8 )相連接，輔助電路(5 )包括通過數字信號控制器(4)上的同步串行端口(SPIl)連接的RS-232C接口(501)，外圍設備(8)包括與RS-232C接口( 501)連接的計算機(801)。
7.如權利要求6所述的數字控制多功能逆變弧焊機，其特征在于，所述的輔助電路(5)，還包括與數字信號控制器(4)上的晶振輸入端口(OSCl)和晶振輸出端口(0SC2)連接的振蕩電路(502)，與數字信號控制器(4)上的復位輸入端口(MCLR)連接的復位電路(503)，與數字信號控制器(4)上的模擬參考電壓輸入端口(VREF+和VREF-)連接的參考電壓電路(504)，與數字信號控制器(4)上的故障輸入端口(FLTA)連接的PWM故障封鎖電路(505)，以及分別與數字信號控制器(4)上的輸入輸出端口(I/O)連接的報警電路(506)、水壓檢測電路(507 )、電子氣閥控制電路(508 )和高頻弓I弧控制電路(509 )。
8.如權利要求1或2或3或6所述的數字控制多功能逆變弧焊機，其特征在于，所述的主電路系統(I)，還包括依次連接在IGBT逆變電路(101)輸入端的電源(102 )、LC濾波電路(103)、輸入整流電路(104)、濾波電路(105)，以及依次連接在IGBT逆變電路(101)輸出端的功率變壓器(106)、輸出整流電路(107)和輸出端子；所述的輸出端子包括分別連接在輸出整流電路(107)上的負輸出端子(108)和正輸出端子(109)。
9.如權利要求8所述的數字控制多功能逆變弧焊機，其特征在于，所述的輸出整流電路(107)和負輸出端子(108)之間設置有電流傳感器(110)，輸出整流電路(107)和正輸出端子(109)之間依次設置有電壓傳感器(111)與高頻引弧器(112);所述的電流傳感器(110 )和電壓傳感器(111)分別與信號調理電路(6 )連接，并一同組成連接在數字信號控制器(4)上模擬通道端口(AN)的采樣電路(9)。
10.如權利要求9所述的數字控制多功能逆變弧焊機，其特征在于，所述的高頻引弧器(112)與數字 信號控制器(4)上的輸入輸出端口(I/O)連接。
專利摘要本實用新型涉及一種逆變弧焊機，具體為一種工作效率高，動態響應快的數字控制多功能逆變弧焊機。其包括依次連接的包括IGBT逆變電路(101)的主電路系統(1)，數字控制系統(2)和人機交換系統(3)，其中，數字控制系統(2)采用數字信號控制器(4)做核心控制單元，還包括分別與數字信號控制器(4)連接的輔助電路(5)，用于處理采集到的主電路系統(1)數據的信號調理電路(6)，和用于對IGBT逆變電路(101)進行驅動控制的IGBT驅動電路(7)；數字信號控制器(4)的型號為dsPIC30F4011，其通過IGBT驅動電路(7)與IGBT逆變電路(101)連接，用于對主電路系統(1)進行調節控制。
文檔編號B23K9/10GK202910439SQ20122063095
公開日2013年5月1日 申請日期2012年11月26日 優先權日2012年11月26日
發明者尚天德, 馬躍洲, 李承文, 余小榕, 錢勇, 趙小軍 申請人:甘肅西柴動力機電制造有限公司