基于單片機的中頻逆變電阻點焊機的研制

楊毅博（中山市鷹飛電器有限公司，廣東中山，528463）

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基于單片機的中頻逆變電阻點焊機的研制

楊毅博
（中山市鷹飛電器有限公司，廣東中山，528463）

摘要：介紹了中頻逆變電阻點焊機的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵器件的選擇以及控制系統(tǒng)的工作方式，說明了數(shù)字PI調(diào)節(jié)的工作流程及驅(qū)動PWM信號的工作方法。

關(guān)鍵詞：硬件結(jié)構(gòu)；關(guān)鍵器件；數(shù)字PI調(diào)節(jié)器

0 引言

電阻點焊機目前在國內(nèi)市場上還是以工頻變壓器類型的機器為主，此類機器因價格低廉市場占有率還很高，但其缺點也很明顯。工頻電阻點焊機的輸出是交流電，輸出電流頻繁反向并出現(xiàn)過零點，導(dǎo)致焊點成型不好，焊接過程飛濺大等缺點。本文描述了基于單片機的中頻逆變電阻點焊機的研制。介紹了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和硬件結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵器件的選擇以及控制系統(tǒng)的設(shè)計等方面。

1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要由三相整流電路、逆變器、中頻變壓器、全波整流電路、電流反饋電路、Atmega32微處理控制電路、LCD液晶顯示及人機交互電路和驅(qū)動電路組成。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)的具體工作過程如下，輸入三相380V交流電經(jīng)過整流濾波后形成537V的直流電，經(jīng)由逆變器變換為交變的方波信號，然后通過中頻變壓器進行功率變換，生成低壓大電流的交流輸出，最后在全波整流電路的作用下，轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流輸出電。在整個系統(tǒng)工作過程中，電流反饋電路采集輸出電流信號，并將其傳遞給系統(tǒng)主控電路，系統(tǒng)主控微處理器為Atmega32，通過對比用戶預(yù)設(shè)電流輸出值和電流反饋值，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的數(shù)字PI算法，調(diào)節(jié)逆變器驅(qū)動信號的輸出，從而形成穩(wěn)定的恒流輸出。

圖1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)關(guān)鍵器件的選擇

在逆變電阻點焊機中，器件的選擇和設(shè)計決定了系統(tǒng)電流輸出的大小和穩(wěn)定性，其具體分析如下：

（1）中頻變壓器材料選擇。在現(xiàn)有的逆變焊機技術(shù)中多為采用1K-2KHZ的逆變頻率，根據(jù)其頻率特性多采用硅鋼片作為變壓器的磁芯。本方案的逆變頻率為8KHZ，所以選擇鐵基非晶合金作為變壓器的磁芯。鐵基非晶合金其具有狹窄的B-H回路和高導(dǎo)磁性、低損耗的特點，其空載損耗與采用硅鋼片的傳統(tǒng)變壓器相比，減少了75%左右，鐵基非晶合金與硅鋼片的比較，導(dǎo)磁率、鐵損等各方面都優(yōu)于硅鋼片。其具體物理性能見圖2。

圖2 鐵基非晶合金的物理性能

（2）IGBT模塊的選擇。本方案中的中頻逆變電阻點焊機，選擇三相380V的交流電做為其輸入電壓，三相交流380V交流電經(jīng)過整流后的電壓為，設(shè)定空載電壓為25V。則中頻變壓器的匝比為N=540/25=21.6，實際取值為22。根據(jù)設(shè)定的最大輸出電流12000A，則流過IGBT的電流為I=12000/22=545A。而為了保證IGBT安全工作，其參數(shù)應(yīng)留有余量，實際選擇為800A/1200V的IGBT模塊。

（3）輸出整流二極管的選擇。 關(guān)于輸出整流二極管的選型，首先需要考慮輸出電流大小，設(shè)定輸出電流為12000A。因為是選用全波整流電路，所以二極管電流大只需取一半的輸出電流值，即為6000A。因空載電壓設(shè)定為25V，所以二極管上的輸出尖峰電壓大概為4倍的空載電壓，即100V左右，最終為留有余量，選擇200V/7000A的圓餅二極管。圓餅二極管采用鋁型材散熱器進行安裝，使其保持良好的散熱，防止器件過熱損壞。并配備了水泵，對鋁型材散熱器進行循環(huán)水的冷卻方式，以提高系統(tǒng)的負載持續(xù)率。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計

（1）主控芯片及控制系統(tǒng)的組成

本款中頻逆變電阻點焊機使用AVR的8位微處理器Atmega32作為主控芯片，該芯片的外設(shè)包括8路10位AD模數(shù)轉(zhuǎn)換、兩個具有獨立預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時器/計數(shù)器、一個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器/計數(shù)器、四通道PWM，TWI兩線通信接口和SPI串行通信接口等。系統(tǒng)的控制系統(tǒng)包括：LCD液晶顯示及人機交互電路、保護模塊、輸出電流反饋模塊、數(shù)字PI控制器和PWM驅(qū)動模塊。

（2）保護模塊的設(shè)計

系統(tǒng)的保護模塊包括溫度保護、過流保護、缺相保護和欠壓保護。其中溫度保護采取熱敏開關(guān)，將熱敏開關(guān)裝在輸出整流二極管的散熱器上，當溫度過高，系統(tǒng)將立刻終止焊接電流輸出，進入保護模式，并在液晶上顯示溫度過熱及發(fā)出警報。

中頻變壓器的初級電流反饋，如圖三所示，是由電流互感器采集到的電流信號，通過由四個肖特基二極管組成的BR2整流橋，整流后形成電壓信號，當初級電流超過限值時，如圖3所示，將通過擊穿穩(wěn)壓管Z1并驅(qū)動可控硅Q1，將輸出電壓拉低并鎖定，并將輸出過流低電平信號傳遞給控制系統(tǒng)，從而進入保護模式，并在液晶上面顯示過流信號及發(fā)出警報。

圖3 初級電流反饋保護電路

（3）輸出電流反饋模塊的設(shè)計

如圖四所示，HALL為輸出電流的霍爾反饋信號，通過U6A的電壓跟隨器輸出到U6B，通過調(diào)節(jié)零漂的電位器VR3調(diào)節(jié)反相放大器的輸出，使系統(tǒng)沒有輸出電流時運放U6的輸出電壓為0V，保證輸入霍爾信號與運放7腳的輸出是完全的線性，保證電流信號采集的正確。

圖4 電流反饋模塊的設(shè)計

（4）數(shù)字PI調(diào)節(jié)與PWM驅(qū)動模塊的設(shè)計

數(shù)字PI調(diào)節(jié)器的數(shù)學模型是模擬PI控制器推導(dǎo)出的，其控制規(guī)律為：

其中u（t）為PI控制器的輸出，e（t）為PI調(diào)節(jié)器的輸入，為比例系數(shù)，T為積分時間常數(shù)。比例環(huán)節(jié)，起快速調(diào)節(jié)作用，當反饋量與預(yù)設(shè)量存在偏差，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。積分環(huán)節(jié)，主要用于消除穩(wěn)態(tài)偏差，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和無差度。相比傳統(tǒng)的模擬PI控制器，數(shù)字PI調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)靈活、邏輯清晰、可控性強。

在此款中頻逆變電阻點焊機中，單片機定時讀取霍爾電流傳感器反饋回的輸出電信數(shù)據(jù)，并將其與用戶設(shè)定的輸出電流值進行比較，當兩者之間存在偏差，系統(tǒng)將偏差量存儲，并結(jié)合之前存儲的偏差差量，根據(jù)設(shè)定的PI調(diào)節(jié)運算公式，調(diào)節(jié)系統(tǒng)PWM驅(qū)動輸出量，實現(xiàn)對輸出電流的穩(wěn)定控制。

在本系統(tǒng)中，主控芯片Atmega32，使用其自帶的16位定時器/計數(shù)器生成兩路頻率固定脈寬可調(diào)的互為反相的PWM波作為IGBT的驅(qū)動信號。IGBT的驅(qū)動電路如圖5所示。驅(qū)動信號通過光耦TLP250進行隔離放大，將5V的驅(qū)動放大到15V。圖中R14為驅(qū)動電阻，R13為關(guān)斷電阻，因R13小于R14使得IGBT開通的速度相對較慢，關(guān)斷的相對較快，保證IGBT能夠安全工作。同時加入穩(wěn)壓管Z1，以限制IGBT的驅(qū)動干擾信號的伏值，避免了IGBT的誤觸發(fā)，保護IGBT不被損壞。因為本機使用是全橋整流電路，即四路IGBT輸出，因此系統(tǒng)需要兩組反相的PWM波，各驅(qū)動兩路IGBT，將三相整流輸出的直流電轉(zhuǎn)換為中頻方波，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動PWM的脈寬，來調(diào)節(jié)經(jīng)流中頻方波的脈寬，經(jīng)中頻變壓器降壓增流，后續(xù)電路濾波整流后達到調(diào)節(jié)輸出電流的目的。

圖5 PWM驅(qū)動電路

4 結(jié)論

（1）選擇了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，并對其內(nèi)部進行了描述。

（2）系統(tǒng)關(guān)鍵器件的選擇，分析了中頻變壓器的材料選擇、IGBT模塊的選擇、輸出整流二極管的選擇。

（3）描述了主控芯片及控制系統(tǒng)的組成、保護模塊的設(shè)計、輸出電流反饋模塊的設(shè)計。

（4）說明了數(shù)字PI調(diào)節(jié)與PWM驅(qū)動模塊的設(shè)計，說明了數(shù)字PI的原理和實習方法，描述了PWM驅(qū)動模塊的設(shè)計過程。

參考文獻

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Research of medium frequency inverter resistance spot welding machine based on MCU

Yang Yibo
（Zhongshan Eagle-Fly Electrical Appliance Co.，Ltd.，Zhongshan Guangdong，528463）

Abstract：This text introduces a kind of medium-frequency resistance spot welding inverter，includes hardware structure of this machine and the key components and the working mode of control system.The detailed description of the working process of the digital PI regulator and driving method of PWM signal is also included.

Keywords：hardware structure；key device；digital PI regulator