[發明專利]基于ARM的嵌入式數字化多功能逆變式軟開關弧焊電源

有效

• 申請號: 200710031393.2
• 申請日: 2007-11-15
• 公開（公告）號: CN101157154A
• 公開（公告）日: 2008-04-09
• 發明（設計）人: 王振民;白中啟
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: B23K9/10
• 分類號: B23K9/10
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司
• 代理人: 李衛東;羅觀祥

技術領域

本發明涉及光機電一體化技術領域，還涉及電力電子技術、高頻逆變技術、數字化控制技術以及自動控制理論與技術，具體是指一種基于ARM的嵌入式數字化多功能逆變式軟開關弧焊電源。

背景技術

目前，在焊接電源領域，由于其工藝所需要的大電流、大功率，傳統的焊接電源主要以硅整流和晶閘管整流式為主，體積龐大、笨重、能耗低、效率低，且由于其結構原因，動、靜態特性均不夠理想。采用逆變技術是解決這些問題的最好辦法。首先，逆變技術大幅度提高電源的頻率使得電源主變壓器的體積、質量大幅度的減小；同時，由于電子功率器件工作于開關狀態，變壓器等可以采用鐵損很小的磁芯材料，效率得到極大提高；由于主電路中存在電容，功率因數得到提高，節能效果明顯；此外，由于工作頻率很高，主電路中濾波電感值小，電磁慣性小，易于獲得良好的動特性，因此可控性好。

弧焊逆變電源的數字化控制是大勢所趨。弧焊逆變電源的數字化控制技術，使逆變電源更可靠，性能更好，功能更全，一致性更好。弧焊逆變電源的數字化控制技術主要有兩個目的：一是使用數字化技術迅速解決弧焊逆變電源自身問題；二是用數字化技術提升弧焊逆變電源的功能，滿足先進制造技術的需求。數字化控制易于采用先進的控制方法和智能控制算法，使得弧焊電源的智能化程度更高，性能更加完美；控制系統靈活，系統升級方便，易于實現多參數的協同控制，甚至可以在線修改控制算法及控制參數，而不必改動硬件線路，大大縮短了設計周期；控制電路的元器件數量明顯減少，因此縮小了控制板體積，提高了系統的抗干擾能力和系統穩定性；控制系統的可靠性提高，易于標準化；系統的一致性較好，生產制造方便；由于控制方法靈活，便于多個逆變電源并聯運行控制，從而實現更大功率輸出。

目前，嚴重制約弧焊逆變電源發展的問題之一就是其對環境的污染問題，“電磁污染”已經繼“水、氣、渣、聲”之后被確定為第五大環境污染源。為進一步提高我國電氣電子產品的安全性和可靠性，電氣電子產品的電磁兼容性要求將納入國家強制性產品認證范圍。在出口方面，由于受歐盟指令的限制，我國逆變焊機產品很難進入歐洲市場。中國已經加入世界貿易組織，隨著世界經濟一體化進程的加快，焊機行業如不加快逆變電源的“綠色化”改造進程，國產的逆變焊機很可能被擠出國際甚至國內市場。采用軟開關高頻逆變技術，不僅可以有效改善功率器件工作環境、提高系統可靠性，還可以有效地降低逆變焊機電磁干擾，提高逆變焊機的電磁兼容性，實現“綠色化”設計，對國產逆變焊機占領國內外市場，推動焊機行業技術進步具有重要意義。

數字化焊接電源是一個典型的對時間要求比較苛刻的嵌入式系統。對每一個異步事件，系統都必須在規定的有限時間內給出響應。例如，對焊槍手動開關的響應，對起弧和收弧是否成功的信號的響應，對過流、過熱信號的響應等。在這種系統中，響應時間短、速度快是關系到焊接過程的正確性和焊接質量的重要因素。對異步事件的處理，不僅要輸出正確的結果，而且還要看它的處理時間是否在指定的時間范圍內，否則難以達到預期的焊接效果，甚至會出現焊接時序混亂的情況。為追求更快的響應速度，除了在控制電路上采用性能更好、速度更快的微處理器外，運行于微處理器上的操作系統的采用和選擇也是一個十分重要的環節。要達到強實時控制下的穩定性和安全性，這是是否采用嵌入式操作系統以及嵌入式系統是否符合應用要求的評價標準。

據統計，目前全世界嵌入式控制領域，ARM微處理器憑借其高性能、低功耗、低成本的優勢，應用最為廣泛，占有近70％的市場。在逆變焊機的嵌入式數字化控制方面，ARM具有豐富的控制接口，較強大的運算能力，綜合性能好；μC/OS-II嵌入式實時操作系統得到了美國聯邦航空管理局的穩定性與安全性標準的認證，是一個完整的、可移植、固化、裁剪的占先式實時多任務內核，它的函數調用和服務執行的時間具有確定性，是可知的。該時間不依賴于用戶應用程序任務數目的多少；除此之外，它是完全剝奪型的實時內核，總是運行就緒條件下優先級最高的任務，因此特別適合于焊接電源這種多任務、對時間要求比較苛刻的場合。據檢索，目前還未有以32位ARM嵌入式微處理器作為數字化核心的軟開關逆變焊機相關技術成果，市場上更沒有相關的產品；在將μC/OS-II嵌入式實時操作系統與ARM相結合，利用模塊化、可移植的設計方法，實現對軟開關逆變焊機的實時精密化控制方面，還沒有相關的報道，均屬于空白。

發明內容