[發明專利]一種嵌入式系統控制的數字化軟開關逆變弧焊機

無效

• 申請號: 200710035552.6
• 申請日: 2007-08-10
• 公開（公告）號: CN101259557A
• 公開（公告）日: 2008-09-10
• 發明（設計）人: 謝越群;浣喜明;趙振興;徐森林;陳軍根;趙葵銀;揚青
• 申請（專利權）人: 湖南超宇科技有限公司
• 主分類號: B23K9/10
• 分類號: B23K9/10
• 代理公司: 湘潭市匯智專利事務所
• 代理人: 魏娟

技術領域

本發明涉及一種嵌入式系統控制的數字化軟開關逆變弧焊機。

背景技術

到目前為止，直流焊機經歷了四個發展階段，即旋轉式直流弧焊機、硅整流弧焊機、晶閘管(可控硅)直流焊機和IGBT(絕緣柵雙極晶體管)逆變焊機，其先進性依次升高，其中IGBT逆變焊機是現階段主要機種，它與晶閘管焊機比較的主要優勢是：體積小、重量輕，利于存放和方便移動；動態響應較快、電弧穩定、焊縫成型好；控制性能好、易于實現焊接過程的適時控制及組成自動焊接系統；允許電網電壓波動范圍寬，IGBT逆變焊機的主要工作原理可簡單表示為：工頻交流(經整流濾波)、直流(經逆變器)、中頻交流(降壓、整流、濾波)、直流。

傳統焊機由于其控制性能及動態響應方面存在嚴重不足，很難實現對焊接電弧的實時控制。晶閘管整流焊接電源雖然其控制性能及動態響應方面有所進步，但工作頻率太低，系統響應速度慢，用于波形控制，有失控問題，不能實現對短路過渡實時、精確控制。IGBT逆變焊機工作頻率達20KHz，每秒控制電弧的次數達到4萬次，即最小可控制時間為2.5us，確保實現對短路過渡實時、精確控制。

傳統的硬開關控制技術是指開關管上的電壓或電流不為零時，強迫開關管開通或關斷，這時開關管的電壓和電流有一個交疊的過程，將導致開關管在開關過程中產生開關損耗，而且開關損耗與開關的工作頻率成正比，在硬開關狀態下的工作變換器，隨著頻率的上升，一方面開關管的損耗會大幅度上升，變換器的效率大大降低，另一方面還將產生嚴重的電磁干擾(EMI)。硬開關控制技術的缺陷限制了工作在硬開關狀態下的變換器工作頻率的進一步提升，限制了變換器減小體積和重量，難以實現高度集成化和小型化。

發明內容

本發明的目的是提供一種嵌入式系統控制的數字化軟開關逆變弧焊機。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：由嵌入式系統控制電路控制主電路實現弧焊，脈沖寬度調制采用軟開關移相電路(5)與峰值電流保護模式；脈沖驅動及保護(4)電路采用一驅二的磁罐型脈沖變壓器，同時增加電容、雙絞線和TVS管及電阻繼續保護，防止過壓和過壓引起的IGBT誤導通。

采用以單片機軟件編程控制系統，和以專用軟開關移相控制芯片為核心的ZVZCS全橋IGBT逆變軟開關控制主電路，工頻電源輸入進行三相整流及濾波(1)之后連接ZVZCS全橋軟開關變換電路(2)，由IGBT逆變器進行高頻逆變，再經高頻變壓器降壓之后，連接通過二次整流及濾波(3)之后輸出；控制電路主要由最小控制系統(7)接收電壓反饋(12)信號后輸出控制信號送入進行D/A轉換(6)，形成模擬信號，再經過軟開關移相電路(5)產生PWM控制信號，后經脈沖驅動及保護電路(4)進行驅動放大和抗干擾保護，送入ZVZCS全橋軟開關變換電路(2)中的IGBT，進行全橋軟開關逆變，實現閉環控制。

主電路構成如下：

(1)輸入保護及整流濾波電路，包括三個壓敏電阻，三個CBB電容和一個環型濾波器；

(2)全橋軟開關變換電路，采用IGBT逆變軟開關電路，采用ZVZCS?PWM全橋變換器；

(3)輸出整流濾波。

控制電路構成如下：

(1)最小控制系統，包括：

A：89C51為核心的程序控制電路，該系列單片機采用靜態80C51；

B：串行A/D轉換，并行D/A轉換電路，主要是進行數字信號和模擬信號的相互轉換；

C、復位及時鐘電路；

D、保護電路；

E、電流電壓顯示電路(9)；

F、輸入開關變量信號等模塊；

(2)由軟開關移相芯片UCC3895構成的軟開關移相電路(5)及峰值過流保護電路；

(3)驅動電路及保護電路；

(4)電源電路，由控制變壓器通過整流、濾波后轉換成直流電源，根據各種芯片的工作電源要求，通過線性穩壓電源進行不同直流電源的轉換。

本發明的有益效果是：采用軟開關后，IGBT的損耗小，發熱少，整機效率高，大大提高了IGBT的可靠性和整機的可靠性。移相全橋軟開關PWM控制器是一種應用廣泛，適用于較大功率，低電壓等場合的控制器，該控制器采用PWM移相控制，在不附加其他額外元氣件，電路成本和復雜程度基本不變的情況下，利用控制器的漏感和功率開關管的電容進行諧振。

ZVZCS零電流和零電壓的開通和關斷，使得IGBT的電壓電流應力大為減小，減小了電磁輻射，增強了整機的可靠性。從而減小了開關損耗，并且開關電壓應力的減小使得開關頻率可以進一步提高，實現逆變弧焊機的進一步高頻化，高效化。