逆變軟開(kāi)關(guān)數(shù)字化氬弧焊機(jī)的設(shè)計(jì)

陳軍根

(湖南工程學(xué)院電氣信息學(xué)院,湘潭 411101)

逆變軟開(kāi)關(guān)數(shù)字化氬弧焊機(jī)的設(shè)計(jì)

陳軍根

(湖南工程學(xué)院電氣信息學(xué)院,湘潭 411101)

介紹逆變軟開(kāi)關(guān)數(shù)字化氬弧焊機(jī)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn).其硬件電路主要包括單片機(jī)系統(tǒng)、IGBT驅(qū)動(dòng)電路以及逆變主電路組成.軟件部分實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)的控制以及焊接過(guò)程控制,通過(guò)對(duì)軟硬件的整體調(diào)試使系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求.

氬弧焊機(jī);數(shù)字化;軟開(kāi)關(guān)

鎢極氬弧焊的電弧燃燒穩(wěn)定,熱量集中,電極損耗小,弧長(zhǎng)容易保持,焊接時(shí)無(wú)熔劑、涂藥層,不受焊件位置限制,可進(jìn)行全位置焊接;同時(shí),氬弧焊幾乎能焊接所有金屬,特別是一些難熔金屬、易氧化金屬,如鎂、鈦、鉬、鋯、鋁等及其合金;因此氬弧焊機(jī)成為各種金屬結(jié)構(gòu)焊接中必不可少的工具.逆變軟開(kāi)關(guān)數(shù)字化氬弧焊機(jī)的平臺(tái)融合了傳感器技術(shù)、電力電子、計(jì)算機(jī)控制等技術(shù).

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)字化氬弧焊機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制系統(tǒng)、顯示面板、逆變主電路和多傳感器系統(tǒng)組成.其中單片機(jī)系統(tǒng)的處理器采用ATMEL公司的ATMEGA32L,包含10 Bit的ADC以及串口、I2C等通用串行接口,超過(guò)16 MIPS的速度完全可以勝任本系統(tǒng)的計(jì)算和處理速度.

圖1 數(shù)字化氬弧焊機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

顯示面板主要采集用戶設(shè)置的焊接參數(shù)和實(shí)際電壓、電流以及故障代碼的顯示.主電路通過(guò)ACDC-AC-DC變換,提供適合焊接的直流電能.傳感器系統(tǒng)主要由電流傳感器、電壓傳感器、熱傳感器、按槍信號(hào)傳感器、缺水傳感器等組成.其中,電流傳感器用于采樣焊接電流;電壓傳感器用于采樣電壓;熱傳感器用于檢測(cè)IGBT散熱器的溫度,一旦IGBT散熱器的溫度超過(guò)設(shè)定值,系統(tǒng)自動(dòng)切斷輸出,進(jìn)入空載狀態(tài);按槍信號(hào)傳感器用于采集氬弧焊槍的狀態(tài),根據(jù)槍的狀態(tài)進(jìn)入相應(yīng)的焊接模式;缺水傳感器采集水閥的狀態(tài),當(dāng)采用水冷焊槍時(shí),如果水閥是閉合的,則系統(tǒng)自動(dòng)切斷輸出,保護(hù)水冷焊槍.

各個(gè)系統(tǒng)都采用模塊化設(shè)計(jì),可擴(kuò)展性高、升級(jí)維護(hù)方便、二次開(kāi)發(fā)周期短.

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 逆變主電路

逆變主電路由EMI電路、整流濾波電路、IGBT一次逆變電路、高頻整流電路組成.整流濾波電路先把50 Hz的交流電壓變成直流電壓.在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制下,IGBT逆變電路再將直流電壓變換成20 kHz以上的高頻電能.通過(guò)高頻整流電路變換成適合于焊接的直流電能實(shí)現(xiàn)直流手弧焊和直流氬弧焊的功能.

2.2 主控系統(tǒng)

主控系統(tǒng)采用ATMEGA32L單片機(jī),最高速度16 MIPS,8路AD輸入,采用16 M晶振,和單片機(jī)的所有輸入、輸出都用光耦隔離以提高系統(tǒng)的抗干擾性能.

2.3 顯示面板

顯示面板采用鍵盤(pán)顯示芯片CH451,CH451是以硬件實(shí)現(xiàn)的多功能外圍芯片,使用串行接口,支持顯示驅(qū)動(dòng)和鍵盤(pán)掃描以及μ P監(jiān)控,外圍元器件極少,非常適合作為單片機(jī)的外圍輔助芯片,CH451可以動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng) 8個(gè)數(shù)碼管或者64位 LED,具有BCD譯碼、閃爍、移位等功能,同時(shí)還可以進(jìn)行64鍵的掃描.本系統(tǒng)顯示面板有三個(gè)數(shù)碼管,26個(gè)LED和 5個(gè)按鍵,由一片 CH451驅(qū)動(dòng)和掃描.CH451芯片連線簡(jiǎn)單,僅需要3根信號(hào)線就可以實(shí)現(xiàn).3根信號(hào)線包括:串行數(shù)據(jù)輸入線DIN、串行數(shù)據(jù)時(shí)鐘線DCLK、串行數(shù)據(jù)加載線LOAD.硬件電路如圖2所示.

圖2 顯示面板硬件電路

2.4 傳感器系統(tǒng)

2.4.1 霍爾電流傳感器

控制過(guò)程中需要采集焊接電流瞬時(shí)值,電流數(shù)值一般比較高,難以直接進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,同時(shí)考慮主電路要和控制電路隔離,本系統(tǒng)采用霍爾傳感器對(duì)焊接電流取樣,被測(cè)電流母線從傳感器中穿過(guò),副邊端子即可輸出成比例的電壓值.電流互感器規(guī)格為100∶1,即當(dāng)主電路輸出電流為100 A時(shí),電流互感器輸出為1 V.

從霍爾傳感器輸入的電流從A7進(jìn)入,經(jīng)過(guò)濾波和跟隨電路送入單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換.

2.4.2 電壓傳感器

圖3 電流傳感器電路

焊接電壓來(lái)自于焊機(jī)輸出的正負(fù)極,經(jīng)A10進(jìn)入主控板的電壓經(jīng)電阻分壓后濾波,然后通過(guò)快速光耦隔離及放大器跟隨后送入 單片機(jī)的A/D接口,通過(guò)調(diào)節(jié)電阻VR5的阻值,采樣和輸入單片機(jī)的電壓比值設(shè)計(jì)為40∶1.焊接電壓反饋電路如圖4所示.

圖4 電壓傳感器電路

2.4.3 溫度開(kāi)關(guān)

在焊接過(guò)程中,焊機(jī)散熱器由于某種原因?qū)е聹囟冗^(guò)高,由于IGBT是安裝在散熱器上,如果溫度過(guò)高,IGBT的安全性就會(huì)受到影響,當(dāng)溫度達(dá)到75℃時(shí),溫度開(kāi)關(guān)就會(huì)給出一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào),單片機(jī)根據(jù)這個(gè)信號(hào),關(guān)斷IGBT驅(qū)動(dòng),并進(jìn)入待機(jī)狀態(tài).

2.4.4 按槍開(kāi)關(guān)

按槍信號(hào)傳感器用于采集氬弧焊槍的狀態(tài),根據(jù)槍的狀態(tài)進(jìn)入相應(yīng)的焊接模式.而在高壓脈沖引弧過(guò)程中,高壓通過(guò)焊炬引線傳輸?shù)芥u極,在鎢極與工件之間產(chǎn)生火花,放電引弧,因此按槍開(kāi)關(guān)的連線必定會(huì)感應(yīng)很高的干擾電壓,重則會(huì)擊壞控制板上的元件,輕則會(huì)對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾.為此,按槍開(kāi)關(guān)的操作電路必須隔離,本系統(tǒng)采用隔離變壓器和光隔雙重隔離以提高抗干擾性能,硬件電路如圖5所示.

圖5 按槍信號(hào)采集電路

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)字化氬弧焊機(jī)的軟件部分使用單片機(jī)C語(yǔ)言編程設(shè)計(jì),根據(jù)實(shí)際的控制要求實(shí)現(xiàn)氬弧焊機(jī)的功能.軟件部分盡量使用查詢代替中斷,增加了軟件的健壯性.多種焊接方式的過(guò)程控制和參數(shù)管理是軟件的主要部分.

3.1 軟件總體結(jié)構(gòu)

主程序主要執(zhí)行初始化以及焊機(jī)的五種焊接方式:兩步恒流氬弧焊;兩步脈沖氬弧焊;四步恒流氬弧焊;四步脈沖氬弧焊;焊條手工焊.在外部中斷中,面板按鍵中斷、短路信號(hào)中斷和保護(hù)部分的信號(hào)是主要外部中斷的來(lái)源,用于實(shí)時(shí)響應(yīng)這些事件.

圖6 軟件流程圖

3.2 焊接參數(shù)的管理和顯示

氬弧焊機(jī)規(guī)范參數(shù)多,一共有13個(gè)參數(shù)要調(diào)節(jié)和顯示,如果每個(gè)參數(shù)用一個(gè)電位器調(diào)節(jié),則面板電位器很多、復(fù)雜.用戶調(diào)節(jié)很不方便.本系統(tǒng)巧妙的利用焊接過(guò)程曲線,用一個(gè)編碼旋鈕和兩個(gè)按鍵加LED指示燈和數(shù)碼管解決了復(fù)雜參數(shù)的顯示問(wèn)題.減少了旋鈕的個(gè)數(shù),大大簡(jiǎn)化了用戶的操作流程,一個(gè)LED燈對(duì)應(yīng)一個(gè)焊接參數(shù),燈亮,則數(shù)碼管顯示該參數(shù),通過(guò)按鍵切換參數(shù),左按鍵表示參數(shù)左向順序切換,右按鍵表示參數(shù)右向順序切換.整個(gè)焊機(jī)面板簡(jiǎn)潔大方,如圖7所示.

圖7 顯示面板結(jié)構(gòu)圖

4 系統(tǒng)總體調(diào)試

數(shù)字化氬弧焊機(jī)整體調(diào)試步驟:①單片機(jī)控制系統(tǒng)的測(cè)試;②驅(qū)動(dòng)和逆變主電路的調(diào)試;③主電路和控制電路相結(jié)合的整機(jī)調(diào)試;④焊接效果測(cè)試.

首先單獨(dú)測(cè)試單片機(jī)系統(tǒng),測(cè)試通過(guò)后進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和逆變主電路的測(cè)試,其中重點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)波形的測(cè)試,因?yàn)轵?qū)動(dòng)直接影響IGBT的工作狀態(tài).在確應(yīng)各模塊工作無(wú)誤、主電路連線正確后可進(jìn)行整機(jī)調(diào)試,最終實(shí)現(xiàn)氬弧焊機(jī)恒流、脈沖、兩步、四步等功能.

數(shù)字化氬弧焊機(jī)系統(tǒng)借鑒了國(guó)內(nèi)外氬弧焊機(jī)的經(jīng)驗(yàn),特別加強(qiáng)了功率器件IGBT安全性和可靠性的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了更好的控制.采用多重保護(hù)措施,保證了焊接的正常進(jìn)行以及意外情況的及時(shí)應(yīng)對(duì).從性能方面,采用性能優(yōu)越、抗干擾能力強(qiáng)的單片機(jī)控制系統(tǒng),相比傳統(tǒng)模擬控制焊機(jī),精度更高,一致性更好,焊接效果更好.從功能方面,基本實(shí)現(xiàn)了氬弧焊機(jī)應(yīng)有的功能,并且調(diào)節(jié)面板更簡(jiǎn)潔清晰、更方便.通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明,數(shù)字化氬弧焊機(jī)控制精確度高,具有優(yōu)良的焊接性能.

[1]童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].第三版.北京:高等教育出版社,2007.

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[5]常 濤.數(shù)字化IGBT逆變焊機(jī)的研究[D].北京:北京交通大學(xué),2007.

Design of Soft-switch Digital Argon Welder

CHEN Jun-gen
(College of Electrical and Information Engineering,Hunan Institute of Engineering,Xiangtan 411101,China)

This article introduces the design and realization of soft-switch digtal argon welder.Its hardware circuit mainly includes MCU controller,IGBT drive circuit and inverter Main-Circuit.The software is mainly about the MCU control and welding processes control.Through the general adjustment of the hardware and software,the system can meet the design requirement.

argon welder;digtal;soft-switch

TG434.3

A

1671-119X(2011)02-0009-04

2010-10-30

陳軍根(1975-),男,講師 ,研究方向:智能控制和機(jī)電一體化.