專利名稱：全數(shù)字化雙逆變型交變磁控電弧發(fā)生裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁控電弧發(fā)生裝置，特別涉及一種全數(shù)字化雙逆變型交變磁控電
弧發(fā)生裝置。
背景技術(shù)：
隨著材料科學(xué)與工程技術(shù)的發(fā)展，各種新型焊接工藝不斷涌現(xiàn)，在焊接過程中引入磁場控制成為一種正在發(fā)展的先進焊接技術(shù)，這種技術(shù)被稱作磁控電弧焊接技術(shù)。從60年代初Brown等人最先在不銹鋼、鈦合金、鋁合金焊接中研究電磁攪拌的影響，并且發(fā)現(xiàn)晶粒細化現(xiàn)象以來，國內(nèi)外學(xué)者開始對外加磁場對焊接質(zhì)量的影響進行了廣泛地研究。在20世紀(jì)七、八十年代，國外的學(xué)者對磁場與電弧的相互作用進行了比較多的研究。綜合而言，磁控電弧焊接技術(shù)有以下特點1)外加磁場的種類較多，形式較豐富。外加磁場包括縱向磁場、橫向磁場、尖角磁場以及交變磁場等多種形式。能夠較好地滿足多種工礦條件下不同焊接工藝的要求；2)外加磁場裝置由電源和勵磁線圈兩部分組成，各部分具有相對獨立的結(jié)構(gòu)，設(shè)備體積比較小，使用十分簡單靈活；3)外加磁場所需的功率一般不大，電能損耗很少，外加磁場強度較小，頻率較低對環(huán)境不產(chǎn)生電磁污染，無接觸控制，無噪音；4)外加磁場控制的焊接技術(shù)適用材料的范圍較廣，除了普通的金屬材料外，也可以應(yīng)用在合金鋼、不銹鋼、鋁合金、鈦合金、銅及其合金等金屬材料；5)外加磁場控制的焊接技術(shù)所應(yīng)用的焊接方法包括GTAW、等離子焊接、MIG/MAG、C02焊接等焊接工藝方法；6)外加磁場能量的輸入是無觸點控制的，保證了能量輸入變化快，無觸點損耗，使得磁場控制焊接過程較為靈敏。
磁控電弧焊接技術(shù)以其附加裝置簡單、投入成本低、效益高、環(huán)保等優(yōu)點，在冶金、化工、壓力容器、電力、航空和航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。從目前有關(guān)磁控電弧焊接技術(shù)的文獻來看，研究內(nèi)容主要集中于磁控電弧工藝特性和實驗效果，而且局限于電弧焊領(lǐng)域。磁控電弧發(fā)生裝置作為磁控電弧焊接技術(shù)研究中的關(guān)鍵設(shè)備，對材料加工過程機理研究和質(zhì)量控制有著直接影響。磁控電弧發(fā)生裝置包括電磁攪拌電源(又稱為激磁電源)和勵磁線圈兩部分組成。激磁電源的輸出電流一般有直流、正弦波或交流方波，用于產(chǎn)生不同類型的磁場。直流輸出電流具有一定局限性；正弦波交流多采用R-L-C振蕩電路或雙T網(wǎng)絡(luò)，這種電路在磁控參數(shù)調(diào)節(jié)方面難度較大，不能連續(xù)調(diào)節(jié)；方波交流采用晶閘管_電抗器式電路或雙逆變技術(shù)來實現(xiàn)，前者在晶閘管斷續(xù)器和雙路時間調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上按照典型的基本電路制成的，裝置的可靠性較差，而且電路設(shè)計較為復(fù)雜，脈沖占空比和脈沖頻率的調(diào)節(jié)范圍較小，在正負半周轉(zhuǎn)換過程中過零時間較長，后者較短，但都以硬開關(guān)模式為主，處于模擬控制或者比較基本的數(shù)字控制階段。勵磁線圈一般為空心螺線管，用于產(chǎn)生磁場。
目前，"電磁污染"已經(jīng)繼"水、氣、渣、聲"之后被確定為第五大環(huán)境污染源。為進一步提高我國電氣電子產(chǎn)品的安全性和可靠性，電氣電子產(chǎn)品的電磁兼容性要求將納入國家強制性產(chǎn)品認(rèn)證范圍。隨著世界經(jīng)濟一體化進程的加快，電源行業(yè)如不加快逆變電源的"綠色化"改造進程，國產(chǎn)電源很可能被擠出國際甚至國內(nèi)市場。采用軟開關(guān)高頻逆變技術(shù)，不僅可以有效改善功率器件工作環(huán)境、提高系統(tǒng)可靠性，還可以有效地降低逆變電源電磁干擾，提高電磁兼容性，實現(xiàn)"綠色化"設(shè)計。 數(shù)字化電磁攪拌電源是一個對時間要求比較苛刻的實時嵌入式系統(tǒng)。 一些大的廠商對數(shù)字電源的應(yīng)用采用了穩(wěn)妥的應(yīng)對方案，將數(shù)字電源方案大多分為四個應(yīng)用級別。最簡單的實現(xiàn)方案中，主系統(tǒng)可以開關(guān)電源子系統(tǒng)。在第二個應(yīng)用級別中，系統(tǒng)電源控制器可以控制電源的輸出與響應(yīng)。微控制器只限于訪問環(huán)路中的某些元件，如電壓基準(zhǔn)等。第三個級別的應(yīng)用方案仍然依賴傳統(tǒng)的模擬反饋回路，但是微控制器可以修改電源的拓撲。第四個級別，則是實現(xiàn)真正的數(shù)字控制，它用一個數(shù)字控制器集成了所有P麗控制環(huán)路以及監(jiān)控管理通訊等功能。TI公司推出的基于Cortex-M3內(nèi)核的ARM芯片組，以及Silicon實驗室推出的Si8250都是面向這個等級的專用控制芯片。從目前的情況來看，絕大多數(shù)開關(guān)電源都采用傳統(tǒng)的模擬電路，數(shù)字控制電源作為一種新興技術(shù)還處于摸索階段，從設(shè)計人員切換到產(chǎn)品定義，再到廣泛應(yīng)用，數(shù)字電源的規(guī)模應(yīng)用仍需要一個過程，才會有相當(dāng)百分比的系統(tǒng)采用某些形式的數(shù)字電源。但可以預(yù)料，在不久的將來，數(shù)字電源產(chǎn)品將扮演重要的角色，其前景相當(dāng)可觀。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對目前磁控電弧發(fā)生裝置存在的問題以及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢，提供一種全數(shù)字化雙逆變型交變磁控電弧發(fā)生裝置。該裝置包括磁控電弧激磁電源和勵磁線圈兩大部分。以基于Cortex-M3內(nèi)核的32位ARM嵌入式微處理器為控制核心，以
yC/OS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)為控制系統(tǒng)的軟件平臺，實現(xiàn)磁控電弧發(fā)生裝置的全數(shù)字控制，改善裝置的一致性、可靠性和動態(tài)響應(yīng)能力；結(jié)合軟開關(guān)高頻逆變技術(shù)，使磁控電弧激磁電源體積小巧，具有良好的電能轉(zhuǎn)換效率和電磁兼容能力；采用雙逆變技術(shù)，易于實現(xiàn)輸出電流波形的多參數(shù)匹配，脈沖占空比和脈沖頻率的調(diào)節(jié)范圍大，正負半周轉(zhuǎn)換過程中過零時間短，提高了工藝適應(yīng)能力。 為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，采用如下技術(shù)方案全數(shù)字化雙逆變型交變磁控電弧發(fā)生裝置，其輸入端連接單相交流輸入電源，其特征是，包括磁控電弧激磁電源和勵磁線圈；所述磁控電弧激磁電源由雙逆變型主電路和全數(shù)字控制系統(tǒng)相互連接組成；其中雙逆變型主電路由單相整流濾波模塊、一次高頻逆變模塊、變壓整流模塊、二次逆變模塊依次連接組成，單相交流輸入電源連接單相整流濾波模塊的輸入，二次逆變模塊與勵磁線圈相連接；所述全數(shù)字控制系統(tǒng)包括電源模塊、異常檢測保護模塊、采樣檢測模塊、ARM微處理器系統(tǒng)、一次高頻驅(qū)動模塊和二次驅(qū)動模塊；其中，單相交流輸入電源通過異常檢測保護模塊和ARM微處理器系統(tǒng)相連接，單相交流輸入電源還通過電源模塊和ARM微處理器系統(tǒng)相連接；所述主電路中的變壓整流模塊還與采樣檢測模塊及ARM微處理器系統(tǒng)依次連接；所述ARM微處理器系統(tǒng)與一次高頻驅(qū)動模塊及雙逆變型主電路中的一次高頻逆變模塊依次連接；所述ARM微處理器系統(tǒng)與二次驅(qū)動模塊和雙逆變型主電路中的二次逆變模塊依次連接。
為了更好地實現(xiàn)本發(fā)明，所述全數(shù)字控制系統(tǒng)還包括人機交互模塊和串行總線通信模塊；所述串行總線通信模塊與ARM微處理器系統(tǒng)相互連接；所述人機交互模塊與ARM微處理器系統(tǒng)相連接。 所述磁控電弧激磁電源的雙逆變型主電路由單相整流橋、濾波電路、LC諧振換流電路、功率開關(guān)管、變壓器、高頻快速整流橋、吸收電路及其外圍電路相互連接組成；其中，一次高頻逆變模塊采用LC諧振移相全橋軟開關(guān)換流結(jié)構(gòu)、以高頻功率MOSFET作為功率開 關(guān)管；所述二次逆變模塊采用低頻P麗信號控制的全橋硬開關(guān)換流結(jié)構(gòu)。
所述磁控電弧激磁電源的全數(shù)字控制系統(tǒng)中，采樣檢測模塊由包括精密采樣電阻 Rl、光藕HCNR200、運算放大器LF353和LM324的轉(zhuǎn)換隔離電路及其外圍電路相互連接組成。
所述磁控電弧激磁電源的全數(shù)字控制系統(tǒng)中，ARM微處理器系統(tǒng)由32位基于 Cortex-M3內(nèi)核的、固化有P C/0S-II嵌入式實時操作系統(tǒng)、能夠產(chǎn)生6路數(shù)字P麗以及具 備可編程UART的ARM嵌入式微處理器LM3S818、晶振電路、濾波電路、復(fù)位電路及其外圍電 路相互連接組成。 所述磁控電弧激磁電源的全數(shù)字控制系統(tǒng)中， 一次高頻驅(qū)動模塊由能將ARM產(chǎn)生 的4路數(shù)字移相P麗信號進行隔離和放大的MC34152和KD101以及其他外圍電路相互連接 組成，所述一次高頻驅(qū)動模塊與32位ARM微處理器LM3S818的25、26、29和30引腳相連接， 將LM3S818產(chǎn)生的4路數(shù)字移相P麗信號進行隔離和放大。 所述磁控電弧激磁電源的全數(shù)字控制系統(tǒng)中，二次驅(qū)動模塊由兩組四路相互隔離 的、輸入P麗信號互為推挽的驅(qū)動電路構(gòu)成，每一路驅(qū)動電路由光電元件TLP250以及穩(wěn) 壓二極管、壓敏電阻、整流橋、穩(wěn)壓器件以及電阻電容相互連接組成；所述二次驅(qū)動模塊與 ARM微處理器LM3S818的35和36引腳相連接，將LM3S818產(chǎn)生的2路數(shù)字P麗信號隔離和 放大成4路驅(qū)動信號。 所述磁控電弧激磁電源的全數(shù)字控制系統(tǒng)中，異常檢測保護模塊由橋式檢測電 路、與非門及其外圍電路相互連接組成。 所述磁控電弧激磁電源的全數(shù)字控制系統(tǒng)中，串行總線通信模塊由芯片MAX232A 及其外圍電路相互連接組成，其中，芯片MAX232A的13和14引腳直接連接到ARM微處理器 系統(tǒng)中32位ARM微處理器LM3S818的17和18引腳；所述人機交互系統(tǒng)由3個電位器相互 連接組成。 本發(fā)明的原理是這樣的 本發(fā)明為全數(shù)字化雙逆變型交變磁控電弧發(fā)生裝置，一次逆變主電路為全橋拓撲 結(jié)構(gòu)，工作于LC諧振移相全橋軟開關(guān)模式，而二次逆變也采用全橋拓撲結(jié)構(gòu)，工作于硬開 關(guān)模式。ARM微處理器系統(tǒng)通過串行總線或者A/D轉(zhuǎn)換端口接收到相關(guān)工藝參數(shù)以及采 樣反饋信號之后，在P C/OS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)中進行給定信號與反饋信號的比較運 算，通過軟件編程產(chǎn)生4路移相的數(shù)字P麗信號和2路互為推挽的數(shù)字P麗信號，其中，4路 移相的P麗信號控制一次高頻逆變模塊的移相全橋逆變電路的4個功率MOSFET，實現(xiàn)一次 高頻逆變模塊功率管的軟開關(guān)換流，逆變頻率高達100KHz，動態(tài)性能好，易于實現(xiàn)輸出恒流 特性控制；而2路互為推挽的數(shù)字P麗信號經(jīng)過隔離放大之后變成4路P麗信號，直接控制 二次逆變器電路的四個功率MOSFET，硬開關(guān)換流，實現(xiàn)交流方波輸出；輸出的波形直接加 載于勵磁線圈上，由勵磁線圈產(chǎn)生交變的磁場。電流反饋是在變壓整流模塊之后使用串聯(lián) 采樣電阻的方式得到采樣信號，經(jīng)過放大、比較，再輸送到ARM微處理器的A/D轉(zhuǎn)換端口 ，通 過與給定值的比較來改變一次高頻模塊功率MOSFET的導(dǎo)通與截止時間，實現(xiàn)占空比的調(diào) 節(jié)從而達到二次逆變輸入恒流的目的；而對于交流方波輸出波形的頻率、占空比等參數(shù)，由 ARM微處理器控制其產(chǎn)生的兩路推挽P麗信號的頻率、占空比等來直接控制二次逆變模塊 M0SFET功率管的開通和關(guān)斷時間，實現(xiàn)輸出電流波形的調(diào)制。ARM微處理器系統(tǒng)也可以通過串行總線通信模塊與焊機的控制系統(tǒng)或者是上位控制計算機進行數(shù)字通信，獲取相關(guān)的 工藝參數(shù)，進行協(xié)同工作。 本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點和有益效果 1 、本發(fā)明全數(shù)字化雙逆變型交變磁控電弧發(fā)生裝置實現(xiàn)了對交變磁控電弧發(fā)生 裝置的全數(shù)字化控制，使交變磁控電弧發(fā)生裝置具有更好的一致性、動態(tài)響應(yīng)性能和可靠 性。 2、本發(fā)明全數(shù)字化雙逆變型交變磁控電弧發(fā)生裝置采用了軟開關(guān)高頻雙逆變技 術(shù)，一次逆變模塊逆變頻率高達100KHz，采用LC諧振移相軟開關(guān)拓撲，在提高電能轉(zhuǎn)換效 率的同時，極大的改善了電磁環(huán)境和功率M0SFET的工作狀況，而二次逆變?nèi)珮虻哪孀冾l率 很低，采用硬開關(guān)拓撲，電路設(shè)計簡單方便，易于實現(xiàn)對輸出電流波形的精密調(diào)制，工藝適 應(yīng)性好。 3、本發(fā)明全數(shù)字化雙逆變型交變磁控電弧發(fā)生裝置具有串行總線通信模塊，與焊 機控制系統(tǒng)連接方便，也能直接與上位計算機通過串行總線進行通信，整個裝置的可擴展 性和移植性好。


圖1是本發(fā)明全數(shù)字化雙逆變型交變磁控電弧發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)方框圖； 圖2是本發(fā)明全數(shù)字化雙逆變型交變磁控電弧發(fā)生裝置的雙逆變型主電路的電
路原理圖； 圖3是本發(fā)明全數(shù)字化雙逆變型交變磁控電弧發(fā)生裝置的全數(shù)字控制系統(tǒng)方框 圖； 圖4是本發(fā)明全數(shù)字化雙逆變型交變磁控電弧發(fā)生裝置的全數(shù)字控制系統(tǒng)的ARM 微處理器系統(tǒng)的電路原理圖； 圖5是本發(fā)明全數(shù)字化雙逆變型交變磁控電弧發(fā)生裝置的全數(shù)字控制系統(tǒng)的串 行總線通信模塊的電路原理圖； 圖6是本發(fā)明全數(shù)字化雙逆變型交變磁控電弧發(fā)生裝置的全數(shù)字控制系統(tǒng)的一 次高頻驅(qū)動模塊的電路原理圖； 圖7是本發(fā)明全數(shù)字化雙逆變型交變磁控電弧發(fā)生裝置的全數(shù)字控制系統(tǒng)的二 次驅(qū)動模塊的電路原理圖； 圖8是本發(fā)明全數(shù)字化雙逆變型交變磁控電弧發(fā)生裝置的全數(shù)字控制系統(tǒng)的采 樣檢測模塊的電路原理圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限 于此。 如圖l所示，本發(fā)明全數(shù)字化雙逆變型交變磁控電弧發(fā)生裝置包括磁控電弧激磁 電源100和勵磁線圈200兩大部分；所述磁控電弧激磁電源由雙逆變型主電路101、全數(shù) 字控制系統(tǒng)102組成，單相交流輸入電源作為雙逆變型主電路101的輸入，雙逆變型主電 路101的輸出直接連接到勵磁線圈200。勵磁線圈200采用現(xiàn)有的勵磁線圈200，其主要包括碳鋼管、多股漆包線以及固定支架等組成，其中，多股漆包線以碳鋼管為骨架依次分層繞 制，在碳鋼管兩端用固定支架固定。 如圖2所示，本發(fā)明全數(shù)字化雙逆變型交變磁控電弧發(fā)生裝置的雙逆變型主電路 101由單相整流濾波模塊1011、一次高頻逆變模塊1012、變壓整流模塊1013、二次逆變模塊 1014依次連接組成，所述單相整流濾波模塊1011與單相交流輸入電源相連接，所述二次逆 變模塊1014與勵磁線圈200相連接。單相交流輸入電源從插座P5接入，經(jīng)過DO整流橋整 流和電容Cl C4濾波之后變成平滑的直流電，進入由L1、C5以及功率M0SFET-NQ1 4構(gòu) 成的LC諧振移相軟開關(guān)逆變電路，進行高頻軟開關(guān)逆變，獲得高頻交流方波，然后進入高 頻功率變壓器Tl變壓，經(jīng)Dl整流，之后通過L2和C6平滑濾波，獲得恒流特性的直流電，進 入M0SFET-NQ5 Q8構(gòu)成的全橋逆變電路，獲得低頻的交流方波輸出，經(jīng)過插座P6接入到 勵磁線圈。其中，R22 R23， C20 C21為阻容吸收電路，Rl為電流采樣電阻。
如圖3所示，本發(fā)明全數(shù)字化雙逆變型交變磁控電弧發(fā)生裝置的全數(shù)字控制系統(tǒng) 102由異常檢測保護模塊1021、采樣檢測模塊1022、 ARM微處理器系統(tǒng)1023、一次高頻驅(qū) 動模塊1024、二次驅(qū)動模塊1025、人機交互模塊1026、串行總線通信模塊1027和電源模塊 1028相互連接組成；其中，所述單相交流輸入電源通過異常檢測保護模塊1021和ARM微處 理器系統(tǒng)1023相連接，所述主電路中的變壓整流模塊1013還與采樣檢測模塊1022及ARM 微處理器系統(tǒng)1023依次連接，所述ARM微處理器系統(tǒng)1023和一次高頻驅(qū)動模塊1024以及 主電路中的一次高頻逆變模塊1012依次連接；所述ARM微處理器系統(tǒng)1023與二次驅(qū)動模 塊1025和主電路中的二次逆變模塊1014依次連接；所述人機交互模塊1026與ARM微處理 器系統(tǒng)1023相連接；串行總線通信模塊1027與ARM微處理器系統(tǒng)1023相互連接；單相交 流輸入電壓作為電壓模塊1028的輸入，所述電源模塊1028與異常檢測保護模塊1021、采樣 檢測模塊1022、ARM微處理器系統(tǒng)1023、一次高頻驅(qū)動模塊1024、二次驅(qū)動模塊1025、人機 交互模塊1026、串行總線通信模塊1027等依次連接，給這些模塊供電。
如圖4所示，本發(fā)明全數(shù)字化雙逆變型交變磁控電弧發(fā)生裝置的全數(shù)字控制系 統(tǒng)的ARM微處理器系統(tǒng)1023主要由32位基于Cortex-M3內(nèi)核的ARM嵌入式微處理器 LM3S818、由Yl、 Cl C2構(gòu)成的晶振電路、C13 C16的濾波電路、由R61、 C18構(gòu)成的復(fù)位 電路及其外圍電路組成。 如圖5所示，本發(fā)明全數(shù)字化雙逆變型交變磁控電弧發(fā)生裝置的全數(shù)字控制系 統(tǒng)102的串行總線通信模塊1027主要由芯片MAX232A及其外圍電路相互連接組成，其中， MAX232A的13和14引腳直接連接到ARM微處理器系統(tǒng)1023的32位ARM微處理器LM3S818 的17和18引腳。 圖6所示為本發(fā)明全數(shù)字化雙逆變型交變磁控電弧發(fā)生裝置的全數(shù)字控制系統(tǒng) 102的一次高頻驅(qū)動模塊1024中的兩路驅(qū)動電路(另外兩路的構(gòu)成完全一致)，由MC34152 和KD101及其外圍電路相互連接組成，將ARM微處理器LM3S818的25、26、29和30引腳產(chǎn) 生的4路數(shù)字移相P麗信號進行隔離和放大。 圖7所示為本發(fā)明全數(shù)字化雙逆變型交變磁控電弧發(fā)生裝置的全數(shù)字控制系統(tǒng) 102的二次驅(qū)動模塊1025中的兩路驅(qū)動電路(另外兩路與此構(gòu)成完全一致)，由光電元件 TLP250以及穩(wěn)壓二極管、 敏電阻、整流橋、穩(wěn)壓器件以及電阻電容等構(gòu)成，完成驅(qū)動信號 的隔離和放大。
如圖8所示，本發(fā)明全數(shù)字化雙逆變型交變磁控電弧發(fā)生裝置的全數(shù)字控制系統(tǒng) 102的采樣檢測模塊1022由包括高線性度、高穩(wěn)定度、寬頻帶的光藕HCNR200、運算放大器 LF353以及LM324等構(gòu)成的轉(zhuǎn)換隔離電路和精密采樣電阻Rl (串聯(lián)于雙逆變型主電路101 的變壓整流模塊1013處)、及其外圍電路相互連接組成。 本發(fā)明是這樣工作的單相220V工頻交流電經(jīng)過單相整流濾波模塊1011后成為 平滑直流電，進入一次高頻逆變模塊1012，按ARM微處理器系統(tǒng)1023從人機交互模塊1026 或者串行總線通信模塊1027獲得的預(yù)設(shè)工藝參數(shù)值，從采樣檢測模塊1022檢測到的采樣 反饋信號，在P C/OS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)中進行給定信號與反饋信號的高速數(shù)據(jù)運算 和處理，通過軟件編程的方式經(jīng)過ARM微處理器系統(tǒng)1023的ARM微處理器LM3S818的數(shù)字 P麗端口輸出4路移相的數(shù)字P麗信號，經(jīng)過一次高頻驅(qū)動模塊1024隔離和放大之后，控制 一次高頻逆變模塊的移相全橋逆變電路的4個功率MOSFET，實現(xiàn)一次高頻逆變模塊功率管 的LC諧振軟開關(guān)換流，逆變頻率高達100KHz，動態(tài)性能好。 一次高頻逆變模塊1012輸出 高頻交流方波，輸入變壓整流模塊1013，變成平滑的直流電，由于采樣檢測模塊1022的精 密采樣電阻R1串聯(lián)在變壓整流模塊1013上，經(jīng)過該電阻R1采樣的電流信號經(jīng)處理之后反 饋回ARM微處理器系統(tǒng)1023，形成閉環(huán)反饋系統(tǒng)，實現(xiàn)恒流特性輸出；經(jīng)過變壓整流之后的 直流電輸入二次逆變模塊1014，此時，ARM微處理器系統(tǒng)1023根據(jù)工藝參數(shù)設(shè)定值，由ARM 微處理器LM3S818的數(shù)字P麗端口輸出2路互為推挽的低頻數(shù)字P麗信號，經(jīng)過二次驅(qū)動 模塊1025隔離放大之后變成4路低頻調(diào)制P麗信號，直接控制二次逆變器電路的四個功率 MOSFET，硬開關(guān)換流，實現(xiàn)交流方波輸出；二次逆變模塊1014輸出的波形直接加載于勵磁 線圈200上，由勵磁線圈產(chǎn)生交變的磁場。為保證系統(tǒng)工作的安全，ARM微處理器系統(tǒng)1023 通過異常檢測保護模塊1021與單相220V工頻交流電源相連接，一旦檢測到有異常情況出 現(xiàn)，系統(tǒng)立刻關(guān)斷所有P麗信號的輸出，停止工作。為提高本發(fā)明全數(shù)字化雙逆變型交變磁 控電弧發(fā)生裝置的可擴展性和移植性，本發(fā)明的數(shù)字化控制系統(tǒng)102可以通過串行總線通 信模塊1027與上位計算機進行通信，也可以直接與焊機控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信和協(xié)同工 作。
本發(fā)明的上述實施例具有以下特點 1、全數(shù)字化本實施例首次以Cortex-M3內(nèi)核的32位ARM嵌入式微處理器 LM3S818為控制核心，以y C/OS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)為軟件運行平臺，采用模塊化、可 移植的設(shè)計方法，通過數(shù)字編程方式集成了交變磁控電弧發(fā)生裝置激磁電源所有P麗控制 環(huán)路、輸出特性控制以及監(jiān)控管理通訊等功能，實現(xiàn)了磁控電弧發(fā)生裝置的全數(shù)字化控制， 使裝置具有更好的一致性、動態(tài)響應(yīng)性能和可擴展性。 2、工藝適應(yīng)性好本實施例充分利用了 Cortex-M3內(nèi)核的嵌入式微處理器 LM3S81832的豐富硬件資源和高速數(shù)據(jù)處理能力，利用輸出的數(shù)字P麗信號直接對二次逆 變?nèi)珮蜻M行低頻調(diào)制，可以直接通過軟件編程改變輸出交流方波的占空比、頻率和峰值電 流大小，能夠滿足不同金屬材料高性能焊接的需要，此外，由于外加磁場能量的輸入是無觸 點控制的，保證了能量輸入變化快，無觸點損耗，使得磁場控制焊接過程較為靈敏，具有很 寬的工藝適應(yīng)性。 3、能量轉(zhuǎn)換的效率高本實施例采用了雙逆變技術(shù)，一次逆變模塊逆變頻率高達 100KHz，采用LC諧振移相軟開關(guān)拓撲，在提高電能轉(zhuǎn)換效率的同時，極大的改善了電磁環(huán)境和功率MOSFET的工作狀況，而二次逆變?nèi)珮虻哪孀冾l率很低，采用硬開關(guān)拓撲，輸出電 流波形的調(diào)制簡單。整個裝置的能量轉(zhuǎn)換效率高，體積小巧，成本低。 4、擴展性好本實施例具有串行總線通信模塊，與焊機控制系統(tǒng)連接方便，也能直
接與上位計算機通過串行總線進行通信，整個裝置的可擴展性和移植性好。 上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的
限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，
均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
全數(shù)字化雙逆變型交變磁控電弧發(fā)生裝置，其輸入端連接單相交流輸入電源，其特征是，包括磁控電弧激磁電源和勵磁線圈；所述磁控電弧激磁電源由雙逆變型主電路和全數(shù)字控制系統(tǒng)相互連接組成；其中雙逆變型主電路由單相整流濾波模塊、一次高頻逆變模塊、變壓整流模塊、二次逆變模塊依次連接組成，單相交流輸入電源連接單相整流濾波模塊的輸入，二次逆變模塊與勵磁線圈相連接；所述全數(shù)字控制系統(tǒng)包括電源模塊、異常檢測保護模塊、采樣檢測模塊、ARM微處理器系統(tǒng)、一次高頻驅(qū)動模塊和二次驅(qū)動模塊；其中，單相交流輸入電源通過異常檢測保護模塊和ARM微處理器系統(tǒng)相連接，單相交流輸入電源還通過電源模塊和ARM微處理器系統(tǒng)相連接；所述主電路中的變壓整流模塊還與采樣檢測模塊及ARM微處理器系統(tǒng)依次連接；所述ARM微處理器系統(tǒng)與一次高頻驅(qū)動模塊及雙逆變型主電路中的一次高頻逆變模塊依次連接；所述ARM微處理器系統(tǒng)與二次驅(qū)動模塊和雙逆變型主電路中的二次逆變模塊依次連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全數(shù)字化雙逆變型交變磁控電弧發(fā)生裝置，其特征是，所述全數(shù)字控制系統(tǒng)還包括人機交互模塊和串行總線通信模塊；所述串行總線通信模塊與ARM微處理器系統(tǒng)相互連接；所述人機交互模塊與ARM微處理器系統(tǒng)相連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全數(shù)字化雙逆變型交變磁控電弧發(fā)生裝置，其特征是，所述磁控電弧激磁電源的雙逆變型主電路由單相整流橋、濾波電路、LC諧振換流電路、功率開關(guān)管、變壓器、高頻快速整流橋、吸收電路及其外圍電路相互連接組成；其中，一次高頻逆變模塊采用LC諧振移相全橋軟開關(guān)換流結(jié)構(gòu)、以高頻功率MOSFET作為功率開關(guān)管；所述二次逆變模塊采用低頻P麗信號控制的全橋硬開關(guān)換流結(jié)構(gòu)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的全數(shù)字化雙逆變型交變磁控電弧發(fā)生裝置，其特征是，所述磁控電弧激磁電源的全數(shù)字控制系統(tǒng)中，采樣檢測模塊由包括精密采樣電阻R1、光藕HCNR200、運算放大器LF353和LM324的轉(zhuǎn)換隔離電路及其外圍電路相互連接組成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全數(shù)字化雙逆變型交變磁控電弧發(fā)生裝置，其特征是，所述磁控電弧激磁電源的全數(shù)字控制系統(tǒng)中，ARM微處理器系統(tǒng)由32位基于Cortex-M3內(nèi)核的、固化有P C/0S-II嵌入式實時操作系統(tǒng)、能夠產(chǎn)生6路數(shù)字P麗以及具備可編程UART的ARM嵌入式微處理器LM3S818、晶振電路、濾波電路、復(fù)位電路及其外圍電路相互連接組成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述全數(shù)字化雙逆變型交變磁控電弧發(fā)生裝置，其特征是，所述磁控電弧激磁電源的全數(shù)字控制系統(tǒng)中，一次高頻驅(qū)動模塊由能將ARM產(chǎn)生的4路數(shù)字移相P麗信號進行隔離和放大的MC34152和KD101以及其他外圍電路相互連接組成，所述一次高頻驅(qū)動模塊與32位ARM微處理器LM3S818的25、26、29和30引腳相連接，將LM3S818產(chǎn)生的4路數(shù)字移相P麗信號進行隔離和放大。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述全數(shù)字化雙逆變型交變磁控電弧發(fā)生裝置，其特征是，所述磁控電弧激磁電源的全數(shù)字控制系統(tǒng)中，二次驅(qū)動模塊由兩組四路相互隔離的、輸入P麗信號互為推挽的驅(qū)動電路構(gòu)成，每一路驅(qū)動電路由光電元件TLP250以及穩(wěn)壓二極管、壓敏電阻、整流橋、穩(wěn)壓器件以及電阻電容相互連接組成；所述二次驅(qū)動模塊與ARM微處理器LM3S818的35和36引腳相連接，將LM3S818產(chǎn)生的2路數(shù)字P麗信號隔離和放大成4路驅(qū)動信號。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全數(shù)字化雙逆變型交變磁控電弧發(fā)生裝置，其特征是，所述磁控電弧激磁電源的全數(shù)字控制系統(tǒng)中，異常檢測保護模塊由橋式檢測電路、與非門及其外圍電路相互連接組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的全數(shù)字化雙逆變型交變磁控電弧發(fā)生裝置，其特征是，所述磁控電弧激磁電源的全數(shù)字控制系統(tǒng)中，串行總線通信模塊由芯片MAX232A及其外圍電路相互連接組成，其中，芯片MAX232A的13和14引腳直接連接到ARM微處理器系統(tǒng)中32位ARM微處理器LM3S818的17和18引腳；所述人機交互系統(tǒng)由3個電位器相互連接組成。
全文摘要
本發(fā)明為全數(shù)字化雙逆變型交變磁控電弧發(fā)生裝置，包括磁控電弧激磁電源和勵磁線圈；磁控電弧激磁電源由雙逆變型主電路、全數(shù)字控制系統(tǒng)組成。雙逆變型主電路由接入單相交流輸入電源的單相整流濾波模塊、一次高頻逆變模塊、變壓整流模塊、二次逆變模塊依次連接組成；全數(shù)字控制系統(tǒng)由異常檢測保護模塊、采樣檢測模塊、ARM微處理器系統(tǒng)、一次高頻驅(qū)動模塊、二次驅(qū)動模塊相互連接組成；勵磁線圈主要包括碳鋼管、多股漆包線以及固定支架等組成。該發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)雙逆變型交變磁控電弧發(fā)生裝置的全數(shù)字化控制，使裝置具有更好的一致性、動態(tài)響應(yīng)性能，而且工藝適應(yīng)性好，能量轉(zhuǎn)換效率高，可擴展性強。
文檔編號B23K9/08GK101698265SQ200910193428
公開日2010年4月28日 申請日期2009年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月29日
發(fā)明者吳祥淼, 張岑, 王振民 申請人:華南理工大學(xué)