單片機(jī)控制脈沖TIG焊設(shè)備斬波電路研究?

許芙蓉

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州 730060）

單片機(jī)控制脈沖TIG焊設(shè)備斬波電路研究?

許芙蓉

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州 730060）

采用時(shí)代逆變?yōu)榍凹壓懔髟矗x用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）作為斬波電路的開關(guān)管。控制電路以8位高性能單片機(jī)AT89C2051為核心，對整個(gè)電源進(jìn)行實(shí)時(shí)精確控制。產(chǎn)生的脈沖信號，再經(jīng)IGBT專用驅(qū)動模塊2SD315AI－33進(jìn)行功率放大觸發(fā)IGBT，以實(shí)現(xiàn)功率的輸出。通過調(diào)試和試驗(yàn)，測出了一系列的波形，并對這些波形進(jìn)行分析。試驗(yàn)表明，該逆變電源的主電路和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行可靠，實(shí)現(xiàn)了脈沖TIG焊功能。

逆變電源；IGBT；單片機(jī)；脈沖TIG焊

1 引 言

脈沖TIG焊是一種應(yīng)用非常廣泛的焊接方法，其焊縫表面質(zhì)量好，內(nèi)部組織細(xì)密，焊縫組織性能好。電弧能量易于控制，在高熱敏感性材料和薄板焊接方面有獨(dú)特的優(yōu)越性［1］。特別是隨著鋁，鎂及其合金材料在車輛、建筑、航空航天等工業(yè)中的大量應(yīng)用，使脈沖TIG焊得到了進(jìn)一步的推廣。

脈沖TIG焊有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，但通常的脈沖TIG焊電源控制元器件多，電路復(fù)雜，很大程度上影響了其可靠性。將單片機(jī)用于脈沖TIG焊有許多優(yōu)點(diǎn)［2］：如控制電路簡化，提高規(guī)范調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性，并能避免出現(xiàn)不合理的焊接規(guī)范，易于實(shí)現(xiàn)一機(jī)多功能。采用單片機(jī)控制可在不改變電源硬件的情況下，通過調(diào)整軟件實(shí)現(xiàn)多種功能，為電源的后續(xù)開發(fā)提供有利條件。

2 脈沖電源主電路工作分析

筆者設(shè)計(jì)的脈沖電源的總體電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)電路主要由三大部分組成：前級恒流源，后級IGBT斬波電路，單片機(jī)控制電路。

電源的主電路主要包括前級恒流源，后級IGBT斬波電路。前級恒流源用于調(diào)節(jié)整個(gè)電源的靜特性及動特性，后級斬波電路主要是把前級輸出的直流斬波為脈沖電流輸出。筆者研究采用的是某公司的WS－400逆變直流弧焊電源，為前級恒流源。

圖1 脈沖電源的總體電路

3 后級斬波電路的研究

（1）斬波電路開關(guān)元件和驅(qū)動模塊的選擇 IG?BT是MOSFET與雙極晶體管的復(fù)合器件，它兼有MOSFET易驅(qū)動和功率晶體管電壓、電流容量大的優(yōu)點(diǎn)。其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十千赫茲頻率范圍內(nèi)，在較高頻率的大中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。故而，選用IGBT作為本電路主控開關(guān)功率器件。

由于常用的IGBT驅(qū)動模塊EX841、M57959等的驅(qū)動功率有限，且外圍電路復(fù)雜。為此選用瑞士Concept公司生產(chǎn)的2SD315AI－33作驅(qū)動模塊，該模塊驅(qū)動功率大，有完善的保護(hù)功能，控制電路和驅(qū)動模塊之間采用了光纖隔離，避免了主電路對控制電路的干擾，保證了系統(tǒng)的可靠運(yùn)行［3］。

（2）2SD315AI－33輸出波形 圖2為直接模式下驅(qū)動模塊輸出的脈沖波形，從波形圖上可看出輸出脈沖的幅值為±15V，并有快速的上升沿及過沖，能夠較容易開通功率開關(guān)管并減小開通損耗。

圖2 直接模式輸出脈沖波形

4 單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

此究選用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C2051單片機(jī)。該單片機(jī)的控制系統(tǒng)，主要由時(shí)鐘電路和復(fù)位電路構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 脈沖信號產(chǎn)生電路

在本單片機(jī)系統(tǒng)中，采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，只需提供振蕩源，如圖3所示，將石英晶體振蕩器和2個(gè)片電容組成外部振蕩源。片內(nèi)的高增益反相放大器通過XTAL1和XTAL2外接，作為反饋元件的片外晶體振蕩器（呈感性），與電容組成的并聯(lián)諧振回路構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器，向內(nèi)部時(shí)鐘電路提供振蕩時(shí)鐘。振蕩器的頻率取決于晶振的振蕩頻率，振蕩頻率可在1.2～12 MHz之間。工作應(yīng)用時(shí)通常采用6 MHz或12 MHz。電容C1，C2可在10～30 PF之間選擇，電容的大小對振蕩頻率有微小的影響，可起頻率微調(diào)作用。在本系統(tǒng)中，電容C1，C2取30 PF，晶振頻率采用12 MHz。

如圖3所示，本系統(tǒng)采用的是一種簡單的上電復(fù)位電路，即自動復(fù)位電路。當(dāng)接通電源的瞬間，RST端與VCC同電位，隨著電容上電壓的逐漸上升，RST端的電壓逐漸下降，于是在RST端便形成了一個(gè)正脈沖，只要該正脈沖的寬度持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平，就可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動復(fù)位。其參數(shù)為C＝220 uF，R＝2.2 K。

在本系統(tǒng)中，單片機(jī)主要用來提供脈沖信號，此脈沖信號是利用軟件編程來實(shí)現(xiàn)的。編制的程序要實(shí)現(xiàn)頻率為50 Hz，占空比為40%的脈沖波形。

經(jīng)軟件編程調(diào)試，在單片機(jī)P1.6端口所測得脈沖波形如圖4所示，通過改變定時(shí)器的計(jì)數(shù)初值，可調(diào)節(jié)頻率和導(dǎo)通比，使頻率可調(diào)范圍為0～500 Hz，導(dǎo)通比范圍為10%～90%。

圖4 脈沖波形

5 系統(tǒng)調(diào)試

為了檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的印刷電路板以及編制的系統(tǒng)軟件是否滿足要求，首先對該部分進(jìn)行了脫機(jī)調(diào)試?？刂葡到y(tǒng)調(diào)試，實(shí)測的脈沖波形如圖4所示，可以滿足要求。2SD315AI－33輸出的驅(qū)動波形如圖2所示，滿足要求。

圖5 實(shí)驗(yàn)電路

脫機(jī)調(diào)試通過后，進(jìn)行了靜負(fù)載實(shí)驗(yàn)。按圖5所示電路，連接好各器件，將焊槍拋開，將焊機(jī)面板上的焊槍插座接上帶有夾具的焊把線，并將其夾在電阻兩端，按下焊槍開關(guān)，測試并記錄輸出的電壓波形。圖6所示為脈沖電壓波形其頻率為50 Hz，占空比為40%的脈沖電壓波形。由于所接電阻是固定電阻性負(fù)載，故而圖6的脈沖電壓波形能夠反映實(shí)際脈沖電流的波形。

圖6 脈沖電壓波形

6 結(jié) 論

（1）所研制的脈沖TIG弧焊電源采用WS－400逆變式直流弧焊電源為前級恒流源，選用絕緣柵雙極晶體管IGBT為斬波電路開關(guān)元件。經(jīng)試驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的主電路結(jié)構(gòu)合理，性能穩(wěn)定。

（2）整個(gè)控制系統(tǒng)采用以高性能的單片機(jī)為控制核心。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)電路簡單，控制精度高，產(chǎn)生的脈沖信號穩(wěn)定。

（3）編制的軟件程序，精確可靠。通過改變程序，可得到不同頻率和占空比的脈沖波形。使頻率可調(diào)范圍為0～500 Hz，導(dǎo)通比范圍為10%～90%。

［1］ 楊春利，林三寶.電弧焊基礎(chǔ)［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003.

［2］ 韓贊東.單片機(jī)控制IGBT逆變脈沖TIG焊電源的研究［J］.電焊機(jī)，1996（3）：8－11.

［3］ 王 威.高壓大功率IGBT的驅(qū)動保護(hù)方案研究［J］.通信電源技術(shù)，2005（2）：11－14.

Study on Microcomputer Control for Pulsed TIG Welding Equipment Chopper Circuit

XU Fu－rong
（Lanzhou Petrochemical College of Vocational Technology，Lanzhou Gansu 730060，China）

Time inverter is applied to former step constant current power source and the Insulated Gate Bipolar Transistor（IG?BT）is selected in this paper.In order to obtain accurate and real－time control，high performance 8－bit single－chip micro?computer AT89C2051 is adopted for control kernel.The pulse signal from single－chip microcomputer are used to spring IGBT after they are magnified by driving module 2SD315AI－33.A series of waves are measured and analyzed by testing and experi?ments.Some conclusions are drawn from those waves.It is shown in this paper that the main circuit and the controlling system work well in the welding process，and pulse TIG welding is realized.

inverter power source；IGBT；single－chip microcomputer；pulse TIG welding

TH122

A

1007－4414（2013）04－0188－03

2013－05－25

許芙蓉（1983－），女，湖北荊門人，碩士，講師，主要從事焊接電弧物理，焊接自動化及有色金屬焊接方面的研究工作。