專利名稱：雙arm控制的氣保埋弧焊數(shù)字化電源系統(tǒng)的制作方法
專利說(shuō)明本實(shí)用新型涉及焊接電源技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種雙ARM控制的氣保埋弧焊數(shù)字 化電源系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在造船、重型機(jī)械、輸氣和輸油管道、石油化工塔體等領(lǐng)域大量采用厚大鋼結(jié)構(gòu)。 隨著電站鍋爐和石化容器向大型化、高參數(shù)化的發(fā)展，鍋爐筒體和壓力容器殼體的壁厚不 斷增加，需要大量高效化的自動(dòng)焊接設(shè)備。埋弧焊與其他傳統(tǒng)弧焊方法相比，由于具有一系 列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如熔敷率高、焊縫質(zhì)量好和外表成形美觀等，使其在厚大部件的焊接上始終 占有較高的應(yīng)用比例。近10年來(lái)，高效MIG/MAG焊獲得了快速的發(fā)展，它激發(fā)了國(guó)內(nèi)外焊 接科技人員對(duì)埋弧焊工藝方法、埋弧焊設(shè)備及其控制系統(tǒng)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究和新技術(shù) 的開(kāi)發(fā)，并取得了卓有實(shí)效的成果。例如瑞典ESAB公司和我國(guó)蘭州理工大學(xué)相繼研制成功 微處理機(jī)控制的埋弧焊機(jī)，對(duì)于進(jìn)一步提高和穩(wěn)定焊接質(zhì)量發(fā)揮了重要的作用。近年來(lái)美 國(guó)Lincoln公司向世界市場(chǎng)推出了數(shù)字化控制的埋弧焊系統(tǒng)，使這種埋弧焊機(jī)不僅具有常 規(guī)的技術(shù)特性，而且還大大擴(kuò)展了埋弧焊方法的工藝適應(yīng)性，從而將傳統(tǒng)的埋弧焊技術(shù)推 進(jìn)到一個(gè)嶄新的發(fā)展階段。然而，傳統(tǒng)的埋弧焊機(jī)由于工作時(shí)需要在焊接區(qū)的上面覆蓋一層顆粒狀的焊劑， 電弧在焊劑層下燃燒，焊接電流一般較大。使得其存在適應(yīng)焊接的位置有限、操作性能不 佳、控制精度不高等缺陷。為了克服傳統(tǒng)埋弧焊機(jī)的上述缺陷，實(shí)現(xiàn)中厚板的高效化焊接，若將埋弧焊的粗 絲高熔敷率和氣保焊設(shè)備簡(jiǎn)單焊后不需清渣的特點(diǎn)相結(jié)合，提出將氣保焊接與埋弧焊接工 藝相結(jié)合的電源系統(tǒng)，則可以充分發(fā)揮氣保焊適應(yīng)焊接位置廣和埋弧焊適于厚大板焊接的 綜合優(yōu)勢(shì)，擴(kuò)大埋弧焊的應(yīng)用范圍。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，針對(duì)焊接電源的數(shù)字化發(fā)展趨 勢(shì)，提供一種適用于氣保埋弧多種焊接工藝下使用的雙ARM控制的氣保埋弧焊數(shù)字化電源 系統(tǒng)。本實(shí)用新型的技術(shù)方案為一種雙ARM控制的氣保埋弧焊數(shù)字化電源系統(tǒng)，包括 機(jī)箱和內(nèi)置電路，所述內(nèi)置電路包括主電路單元和主控制單元，主電路單元為有限雙極性 軟開(kāi)關(guān)全橋逆變主電路；(1)主電路單元包括依次連接的以下各模塊一次整流濾波模塊，用于將來(lái)自工頻交流電源的交流電轉(zhuǎn)換為直流電；開(kāi)關(guān)逆變模塊，通過(guò)控制其內(nèi)部IGBT的開(kāi)關(guān)周期，將整流濾波模塊輸出的直流電 轉(zhuǎn)換，提供25 30KHz的高頻高壓電；功率變壓模塊，用于將開(kāi)關(guān)逆變模塊提供的高頻高壓電轉(zhuǎn)換成符合焊接工藝要求的大電流低電壓高頻交流電 二次整流模塊，用于將大電流低電壓高頻交流電轉(zhuǎn)換為平滑的直流電，并輸出送 至電弧負(fù)載；一次整流濾波模塊的輸入端與三相工頻交流電源連接，二次整流模塊的輸出端外 接電弧負(fù)載；(2)主控制單元包括以下模塊溫度檢測(cè)模塊，用于檢測(cè)開(kāi)關(guān)逆變模塊的溫度，保證主電路單元正常工作；開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)模塊，用于接收控制器的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)逆變模塊中IGBT的導(dǎo)通 或關(guān)閉；過(guò)流檢測(cè)模塊，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)功率變壓模塊輸入端的電流值，保證主電路單元正 常工作；電流電壓采樣檢測(cè)反饋模塊，用于檢測(cè)主電路單元向電弧負(fù)載輸出的電流電壓 值，并反饋給控制器，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制；過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模塊，用于檢測(cè)主電路輸入端的電壓值，使電壓值保持在電網(wǎng) 電壓的波動(dòng)范圍內(nèi)，保證主電路單元正常工作；控制器，用于處理各模塊的檢測(cè)信號(hào)或反饋信號(hào)，控制電源系統(tǒng)使用過(guò)程中主電 路單元的工作流程；其中，溫度檢測(cè)模塊的輸入端與開(kāi)關(guān)逆變模塊連接，溫度檢測(cè)模塊的輸出端與控 制器連接；開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)模塊的輸入端與控制器連接，開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)模塊的輸出端與開(kāi)關(guān)逆變 模塊連接，過(guò)流檢測(cè)模塊的輸入端與功率變壓模塊的電流輸入端連接，過(guò)流檢測(cè)模塊的輸 出端與控制器連接；電流電壓采樣檢測(cè)反饋模塊的輸入端與二次整流模塊的輸出端連接， 電流電壓采樣檢測(cè)反饋模塊的輸出端與控制器連接；過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模塊的輸入端與一 次整流濾波模塊的輸入端連接，過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模塊的輸出端與控制器連接。所述控制器還外接有方便操作控制的人機(jī)交互單元。上述電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，所述人機(jī)交互單元采用ARM+CPLD的控制方式，以ARM芯片 LM3S818作為控制核心，以CPLD芯片EPM240T100作為擴(kuò)展I/O接口用的輔助模塊。所述控制器為ARM9S3C2440控制器，內(nèi)設(shè)有氣保埋弧焊軟件控制子模塊和以太網(wǎng) 通訊子模塊，氣保埋弧焊軟件控制子模塊通過(guò)以太網(wǎng)通訊子模塊分別與過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè) 模塊、溫度檢測(cè)模塊、開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)模塊、過(guò)流檢測(cè)模塊、電流電壓采樣檢測(cè)反饋模塊和人機(jī) 交互單元連接；控制器的A/D端口與電流電流電壓采樣檢測(cè)反饋模塊連接，PWM端口與開(kāi)關(guān)管驅(qū) 動(dòng)模塊連接，GPIO端口分別與溫度檢測(cè)模塊、過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模塊和過(guò)流檢測(cè)模塊連接， I/O端口通過(guò)MAX3232芯片與人機(jī)交互單元連接，開(kāi)關(guān)信號(hào)端口分別與電源按鈕和焊接開(kāi) 關(guān)連接，D/A端口外接送絲小車驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。所述溫度檢測(cè)模塊包括依次連接的溫度傳感器、信號(hào)比較電路、光耦隔離電路，溫 度傳感器設(shè)于開(kāi)關(guān)逆變模塊的散熱器上，光耦隔離電路的輸出端與控制器連接。所述過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模塊包括相連接的第一運(yùn)放子模塊和第一光耦隔離子模 塊，第一運(yùn)放子模塊的輸入端與一次整流濾波模塊的輸入端連接，第一光耦隔離子模塊的 輸出端與控制器連接；當(dāng)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)范圍超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模塊輸出信號(hào)，關(guān)斷PWM的信號(hào)輸出。所述開(kāi)關(guān)逆變模塊為有限雙極性軟開(kāi)關(guān)全橋逆變式結(jié)構(gòu)，包括LC諧振電路和兩 個(gè)并聯(lián)設(shè)置的IGBT管組，各IGBT管組分別包括兩個(gè)IGBT，各IGBT管組的輸出端與LC諧振 電路連接，LC諧振電路的輸出端與功率變壓模塊連接。所述 開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)設(shè)有用于對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行隔離放大的光耦 TLP250。所述電流電壓采樣檢測(cè)反饋模塊包括相連接的電流采樣檢測(cè)反饋電路和電壓采 樣檢測(cè)反饋電路。其中電流采用檢測(cè)反饋電路包括依次連接的霍爾傳感器、分壓子模塊、第 一濾波子模塊和第一限壓子模塊，霍爾傳感器設(shè)于二次整流模塊的輸出端，第一限壓子模 塊的輸出端與控制器的一個(gè)A/D端口連接；由霍爾傳感器檢測(cè)二次整流模塊的輸出電流， 得到電流采樣信號(hào)，經(jīng)過(guò)分壓子模塊、第一濾波子模塊和第一限壓子模塊依次進(jìn)行分壓、濾 波和限壓，然后送至控制器。電壓采樣檢測(cè)反饋電路包括依次連接的電阻、第二濾波子模 塊、第二運(yùn)放子模塊、第二光耦隔離子模塊和第二限壓子模塊，電阻與電弧負(fù)載并聯(lián)設(shè)置， 第二限壓子模塊的輸出端與控制器的另一個(gè)A/D端口連接；通過(guò)與電弧負(fù)載并聯(lián)的電阻取 得二次整流模塊的輸出電壓，得到電壓采樣信號(hào)，經(jīng)過(guò)第二濾波子模塊、第二運(yùn)放子模塊、 第二光藕隔離子模塊和第二限壓子模塊依次進(jìn)行濾波、運(yùn)放、光耦隔離和限壓，然后送至控 制器。此外，經(jīng)過(guò)調(diào)理后的電流或電壓采樣信號(hào)同時(shí)會(huì)送至人機(jī)交互單元，由其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn) 換后用于氣保埋弧焊過(guò)程動(dòng)態(tài)顯示的實(shí)際焊接電流值和電壓值。本實(shí)用新型通過(guò)上述電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一種雙ARM控制的氣保埋弧焊數(shù)字化電源控 制方法，包括以下步驟(1)在人機(jī)交互單元的控制面板上選擇焊接方式并設(shè)定相關(guān)的焊接參數(shù)，啟動(dòng)電 源系統(tǒng)；(2)控制器的軟件控制子模塊選擇與焊接方式相應(yīng)的控制程序，對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行 監(jiān)控；(3)三相工頻交流電源輸出三相工頻交流電，一次整流濾波模塊對(duì)三相工頻交流 電進(jìn)行轉(zhuǎn)換，向開(kāi)關(guān)逆變模塊輸出平滑直流電；(4)電流電壓采樣檢測(cè)反饋模塊將實(shí)時(shí)檢測(cè)到的電弧負(fù)載的電流信號(hào)和電壓信號(hào) 與設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比較，然后送至控制器，控制器進(jìn)行PI運(yùn)算，產(chǎn)生的PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、 隔離和放大后送至開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)模塊，開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)模塊控制開(kāi)關(guān)逆變模塊中各IGBT在零電 壓下開(kāi)通或關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)；(5)平滑直流電經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)逆變模塊后轉(zhuǎn)換為25 30KHz的高頻高壓電，功率變壓 模塊對(duì)高頻高壓電進(jìn)行轉(zhuǎn)換，輸出大電流低電壓的交流脈沖電，二次整流模塊對(duì)交流脈沖 電進(jìn)行轉(zhuǎn)換，向電弧負(fù)載輸出大電流低電壓的平滑直流電；(6)在主電路單元對(duì)三相工頻交流電進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出的同時(shí)，過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模 塊實(shí)時(shí)檢測(cè)三相工頻交流電源的電壓，若出現(xiàn)過(guò)壓或欠壓的現(xiàn)象，則控制器發(fā)出中斷信號(hào)， 關(guān)閉開(kāi)關(guān)逆變模塊；溫度檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)開(kāi)關(guān)逆變模塊的散熱器溫度，若出現(xiàn)IGBT過(guò) 熱，則控制器發(fā)出中斷信號(hào)，關(guān)閉開(kāi)關(guān)逆變模塊；過(guò)流檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)功率變壓模塊輸入 端的電流，若出現(xiàn)過(guò)流現(xiàn)象，則控制器發(fā)出中斷信號(hào)，關(guān)閉開(kāi)關(guān)逆變模塊。所述步驟(2)的具體過(guò)程如下[0038](2-1)控制器的軟件控制子模塊接收來(lái)自人機(jī)交互單元的焊接方式選擇信息及相 關(guān)的焊接方式，若焊接方式為脈沖氣保焊，則進(jìn)入步驟(2-2)，若焊接方式為埋弧焊，則進(jìn)入 (2-3) (2-2)軟件控制子模塊選擇脈沖氣保焊相應(yīng)的程序，調(diào)用起弧脈沖波形函數(shù) ’然 后判斷是否成功起弧，若否，則重新調(diào)用起弧脈沖波形函數(shù)，若是，則程序控制電源系統(tǒng)開(kāi) 始正常送絲并進(jìn)入焊接狀態(tài)；焊接過(guò)程中，軟件控制子模塊不斷檢測(cè)焊槍是否閉合，若否， 則調(diào)用收弧函數(shù)，發(fā)出焊接結(jié)束信號(hào)，結(jié)束焊接，若是，則進(jìn)行電弧參數(shù)的瞬時(shí)能量控制，并 返回檢測(cè)焊槍是否閉合；(2-3)軟件控制子模塊選擇埋弧焊相應(yīng)的程序，調(diào)用起弧控制子程序；然后判斷 是否成功起弧，若否，則重新調(diào)用起弧控制子程序，若是，則程序控制電源系統(tǒng)開(kāi)始正常送 絲，焊接小車行走，進(jìn)入焊接狀態(tài)；焊接過(guò)程中，軟件控制子模塊不斷檢測(cè)停止按鈕是否啟 動(dòng)，若否，則繼續(xù)執(zhí)行正常送絲，焊接小車行走，保持焊接狀態(tài)，若是，則調(diào)用收弧函數(shù)，發(fā)出 焊接結(jié)束信號(hào)，結(jié)束焊接。本實(shí)用新型相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果1、本實(shí)用新型在針對(duì)傳統(tǒng)埋弧焊機(jī)的適應(yīng)焊接位置有限、操作性能不佳、控制精 度不高等問(wèn)題，采用雙ARM控制架構(gòu)，以ARM9芯片S3C2440為主控制芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣保埋弧 焊逆變電源主電路的控制，在一臺(tái)焊機(jī)內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)氣保焊和埋弧焊接的功能，同時(shí)提高氣 保埋弧焊的工藝性能和焊接過(guò)程的穩(wěn)定性；利用ARM9強(qiáng)大的通訊接口功能，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通 訊，構(gòu)成多機(jī)自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線系統(tǒng)；以ARM芯片LM3S818作為控制核心，輔助以CPLD芯片 EPM240T100構(gòu)成氣保埋弧焊的數(shù)字化人機(jī)交互單元，以改善其操控性能。2、本實(shí)用新型的主電路單元采用有限雙極性的軟開(kāi)關(guān)逆變技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了全范圍的 軟開(kāi)關(guān)，大大減少了功率管的開(kāi)關(guān)損耗和電應(yīng)力，在增效節(jié)能的同時(shí)，可以有效地降低逆變 焊機(jī)的電磁干擾，提高了逆變焊機(jī)的電磁兼容性和可靠性。同時(shí)，采用數(shù)字化控制技術(shù)，使 得氣保埋弧焊電源已不再是單純的焊接能量提供源，還具有數(shù)字操作系統(tǒng)平臺(tái)、多特性適 應(yīng)調(diào)整、送絲驅(qū)動(dòng)外設(shè)及接口、焊接參數(shù)動(dòng)態(tài)自適應(yīng)調(diào)整、過(guò)程穩(wěn)定質(zhì)量評(píng)定、保護(hù)及自診 斷提示以及遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、生產(chǎn)質(zhì)量管理等功能，焊接電源的概念實(shí)際上已拓寬為焊接電 源系統(tǒng)。而ARM以其穩(wěn)定性、可重復(fù)性、實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理、柔性化編程、大規(guī)模集成等特點(diǎn) 成為焊接電源控制和數(shù)字信號(hào)處理的最佳器件。3、本實(shí)用新型利用雙ARM作為控制核心，實(shí)現(xiàn)了氣保埋弧焊的全數(shù)字化控制，通 過(guò)ARM 9高精度控制，使焊機(jī)具有更好的焊接質(zhì)量一致性和更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能；在氣保 埋弧焊接電源系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了氣保和埋弧焊專家數(shù)據(jù)庫(kù)功能，并且具有以太網(wǎng)通訊能力，使 氣保埋弧焊具有更廣闊的市場(chǎng)前景。4、本實(shí)用新型能在一臺(tái)焊機(jī)上提供埋弧焊和氣保焊這兩種不同的焊接工藝，氣保 焊包括MAG焊/CO2焊、脈沖MIG焊和雙脈沖等工藝，還能通過(guò)改變軟件程序?qū)崿F(xiàn)其他的焊 接工藝。

圖1是本實(shí)用新型的內(nèi)置電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1中主電路單元的電路原理圖。[0048]圖3是主控制單元中控制器各端口的連接框圖。圖4是電流電壓檢測(cè)反饋模塊的電路原理圖。圖5是過(guò)流檢測(cè)模塊的電路原理圖。圖6是過(guò)壓欠壓保護(hù) 檢測(cè)模塊的電路原理圖。圖7是溫度檢測(cè)模塊的電路原理圖。圖8是開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)模塊的電路原理圖。圖9人機(jī)交互單元的結(jié)構(gòu)示意圖。圖10是控制器中軟件控制子模塊的控制流程示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，但本實(shí)用新型的實(shí) 施方式不限于此。實(shí)施例本實(shí)施例一種雙ARM控制的氣保埋弧焊數(shù)字化電源系統(tǒng)，包括機(jī)箱和內(nèi)置電路， 其中內(nèi)置電路的結(jié)構(gòu)如圖1所示，內(nèi)置電路包括主電路單元和主控制單元，主電路單元為 有限雙極性軟開(kāi)關(guān)全橋逆變主電路；(1)主電路單元包括依次連接的以下各模塊一次整流濾波模塊101，用于將來(lái)自工頻交流電源的交流電轉(zhuǎn)換為平滑的直流 電；開(kāi)關(guān)逆變模塊102，通過(guò)控制其內(nèi)部IGBT的開(kāi)關(guān)周期，將整流濾波模塊輸出的直 流電轉(zhuǎn)換，提供25 30KHz的高頻高壓電；功率變壓模塊103，用于將開(kāi)關(guān)逆變模塊提供的高頻高壓電轉(zhuǎn)換成符合焊接工藝 要求的大電流低電壓高頻交流電；二次整流模塊104，用于將大電流低電壓高頻交流電轉(zhuǎn)換為平滑的直流電，并輸出 送至電弧負(fù)載；一次整流濾波模塊101的輸入端與三相工頻交流電源連接，二次整流模塊104的 輸出端外接電弧負(fù)載；(2)主控制單元包括以下模塊溫度檢測(cè)模塊106，用于檢測(cè)開(kāi)關(guān)逆變模塊的溫度，保證主電路單元正常工作；開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)模塊105，用于接收控制器的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)逆變模塊中IGBT的 導(dǎo)通或關(guān)閉；過(guò)流檢測(cè)模塊111，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)功率變壓模塊輸入端的電流值，保證主電路單元 正常工作；電流電壓采樣檢測(cè)反饋模塊107，用于檢測(cè)主電路單元向電弧負(fù)載輸出的電流電 壓值，并反饋給控制器，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制；過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模塊109，用于檢測(cè)主電路輸入端的電壓值，使電壓值保持在電 網(wǎng)電壓的波動(dòng)范圍內(nèi)，保證主電路單元正常工作；控制器108，用于處理各模塊的檢測(cè)信號(hào)或反饋信號(hào)，控制電源系統(tǒng)使用過(guò)程中主 電路單元的工作流程；[0072]其中，溫度檢測(cè)模塊106的輸入端與開(kāi)關(guān)逆變模塊102連接，溫度檢測(cè)模塊106的 輸出端與控制器108連接；開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)模塊105的輸入端與控制器108連接，開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)模 塊105的輸出端與開(kāi)關(guān)逆變模塊102連接，過(guò)流檢測(cè)模塊111的輸入端與功率變壓模塊103 的電流輸入端連接，過(guò)流檢測(cè)模塊111的輸出端與控制器108連接；電流電壓采樣檢測(cè)反饋 模塊107的輸入端與二次整流模塊104的輸出端連接，電流電壓采樣檢測(cè)反饋模塊107的 輸出端與控制器108連接；過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模塊109的輸入端與一次整流濾波模塊101 的輸入端連接，過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模塊109的輸出端與控制器108連接。其中主電路單元的電路原理如圖2所示。 控制器108還外接有方便操作控制的人機(jī)交互單元110。上述電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，人機(jī)交互單元110采用ARM+CPLD的控制方式，以ARM芯片 LM3S818作為控制核心，以CPLD芯片EPM240T100作為擴(kuò)展I/O接口用的輔助模塊。人機(jī) 交互單元110的主要是用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的參數(shù)給定輸入以及工作過(guò)程中的各種參數(shù)的數(shù) 字化顯示，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。ARM芯片LM3S818通過(guò)同步串行接口(SSI)與CPLD芯片 EPM240T100進(jìn)行通訊，ARM芯片通過(guò)GPIO與鍵盤(pán)通訊進(jìn)行參數(shù)的選擇與輸入，通過(guò)RS232 接口接收主控制單元的焊接狀態(tài)命令，并通過(guò)A/D端口對(duì)電流電壓采樣檢測(cè)反饋模塊107 所產(chǎn)生的焊接狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行采樣處理，CPLD主要控制LED燈和數(shù)碼管，用于顯示相應(yīng)操作 與焊接狀態(tài)信息。控制器108為ARM9S3C2440控制器，內(nèi)設(shè)有氣保埋弧焊軟件控制子模塊和以太網(wǎng) 通訊子模塊，氣保埋弧焊軟件控制子模塊通過(guò)以太網(wǎng)通訊子模塊分別與過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè) 模塊109、溫度檢測(cè)模塊106、開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)模塊105、過(guò)流檢測(cè)模塊111、電流電壓采樣檢測(cè)反 饋模塊107和人機(jī)交互單元110連接；如圖3所示，控制器108的A/D端口與電流電流電壓采樣檢測(cè)反饋模塊107連接， PWM端口與開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)模塊105連接，GPIO端口分別與溫度檢測(cè)模塊106、過(guò)壓欠壓保護(hù)檢 測(cè)模塊109和過(guò)流檢測(cè)模塊111連接，I/O端口通過(guò)MAX3232芯片與人機(jī)交互單元110連 接，開(kāi)關(guān)信號(hào)端口分別與電源按鈕和焊接開(kāi)關(guān)連接，D/A端口外接送絲小車驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。ARM9 芯片S3C2440作為控制的核心，采樣電流與給定信號(hào)在ARM9內(nèi)進(jìn)行比較后運(yùn)算，確定驅(qū)動(dòng) 信號(hào)的大小，由開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)模塊105分別輸出4路脈寬調(diào)制信號(hào)，從而控制主電路單元的輸 出ο溫度檢測(cè)模塊106包括依次連接的溫度傳感器、信號(hào)比較電路、光耦隔離電路，溫 度傳感器設(shè)于開(kāi)關(guān)逆變模塊102的散熱器上，光耦隔離電路的輸出端與控制器108連接。溫 度檢測(cè)模塊106的電路原理如圖7所示，溫度傳感器是常閉開(kāi)關(guān)，若觸發(fā)則斷開(kāi)，產(chǎn)生過(guò)熱 信號(hào)，使光藕導(dǎo)通，CURRENT-EXC電平被拉低，即ARM9的I/O 口 GPI016/TZ5電平被拉低，此 時(shí)ARM9程序可以根據(jù)此I/O狀態(tài)判斷是否產(chǎn)生過(guò)熱信號(hào)，并進(jìn)行處理。過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模塊109包括相連接的第一運(yùn)放子模塊和第一光耦隔離子模 塊，第一運(yùn)放子模塊的輸入端與一次整流濾波模塊的輸入端連接，第一光耦隔離子模塊的 輸出端與控制器108連接；當(dāng)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)范圍超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè) 模塊109輸出信號(hào)，關(guān)斷PWM的信號(hào)輸出。過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模塊109的電路原理如圖6所 示，三相電路經(jīng)變壓器降壓、整流成直流信號(hào)VFB，所以VFB正比于電網(wǎng)電壓。當(dāng)VFB高于設(shè) 定值或低于設(shè)定值時(shí)，兩個(gè)比較器比較結(jié)果做相“與”運(yùn)算，結(jié)果為低電平“0”，V0LTAGE_EXC電平被拉高，即ARM9的I/O 口 GPI013/TZ2電平被拉高，ARM9關(guān)斷PWM控制信號(hào)輸出，并進(jìn) 行故障處理。也就是說(shuō)，當(dāng)過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模塊109的VFB運(yùn)算結(jié)果為高電平時(shí)，電源系 統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。開(kāi)關(guān)逆變模塊102為有限雙極性軟開(kāi)關(guān)全橋逆變式結(jié)構(gòu)，包括LC諧振電路和兩個(gè) 并聯(lián)設(shè)置的IGBT管組，每個(gè)IGBT管組分別包括兩個(gè)IGBT，各IGBT管組的輸出端與LC諧振 電路連接，LC諧振電路的輸出端與功率變壓模塊連接。開(kāi)關(guān)逆變模塊102的電路原理如圖 2所示。開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)模塊105內(nèi)設(shè)有用于對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行隔離放大的光耦 TLP250。IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是由ARM輸出的PWM波形經(jīng)過(guò)放大隔離以后得到的，利用開(kāi)關(guān)管 驅(qū)動(dòng)模塊105能夠可靠 地驅(qū)動(dòng)IGBT的開(kāi)通與關(guān)斷。開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)模塊105的電路原理如圖 8所示，其驅(qū)動(dòng)電路利用光耦TLP250對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行隔離、放大，穩(wěn)壓二極管D2用來(lái)提供 IGBT柵極的反相偏置電壓，在IGBT的柵極和射極之間并聯(lián)壓敏電阻R6，為干擾的電壓尖峰 提供旁路通道，對(duì)開(kāi)關(guān)管進(jìn)行可靠保護(hù)。電流電壓采樣檢測(cè)反饋模塊107包括相連接的電流采樣檢測(cè)反饋電路和電壓采 樣檢測(cè)反饋電路。其中電流采用檢測(cè)反饋電路包括依次連接的霍爾傳感器、分壓子模塊、 第一濾波子模塊和第一限壓子模塊，霍爾傳感器設(shè)于二次整流模塊的輸出端，第一限壓子 模塊的輸出端與控制器108的一個(gè)A/D端口連接；由霍爾傳感器檢測(cè)二次整流模塊的輸出 電流，得到電流采樣信號(hào)，經(jīng)過(guò)分壓子模塊、第一濾波子模塊和第一限壓子模塊依次進(jìn)行分 壓、濾波和限壓，然后送至控制器108。電壓采樣檢測(cè)反饋電路包括依次連接的電阻、第二濾 波子模塊、第二運(yùn)放子模塊、第二光耦隔離子模塊和第二限壓子模塊，電阻與電弧負(fù)載并聯(lián) 設(shè)置，第二限壓子模塊的輸出端與控制器108的另一個(gè)A/D端口連接；通過(guò)與電弧負(fù)載并聯(lián) 的電阻取得二次整流模塊的輸出電壓，得到電壓采樣信號(hào)，經(jīng)過(guò)第二濾波子模塊、第二運(yùn)放 子模塊、第二光藕隔離子模塊和第二限壓子模塊依次進(jìn)行濾波、運(yùn)放、光耦隔離和限壓，然 后送至控制器108。此外，經(jīng)過(guò)調(diào)理后的電流或電壓采樣信號(hào)同時(shí)會(huì)送至人機(jī)交互單元，由 其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后用于氣保埋弧焊過(guò)程動(dòng)態(tài)顯示的實(shí)際焊接電流值和電壓值。電流電壓采 樣檢測(cè)反饋模塊107的電路原理如圖4所示。本實(shí)施例通過(guò)上述電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一種雙ARM控制的氣保埋弧焊數(shù)字化電源控制 方法，包括以下步驟(1)在人機(jī)交互單元110的控制面板上選擇焊接方式并設(shè)定相關(guān)的焊接參數(shù)，啟 動(dòng)電源系統(tǒng)；(2)控制器108的軟件控制子模塊選擇與焊接方式相應(yīng)的控制程序，對(duì)焊接過(guò)程 進(jìn)行監(jiān)控；其過(guò)程如圖10所示，具體如下(2-1)控制器108的軟件控制子模塊接收來(lái)自人機(jī)交互單元110的焊接方式選擇 信息及相關(guān)的焊接方式，若焊接方式為脈沖氣保焊，則進(jìn)入步驟(2-2)，若焊接方式為埋弧 焊，則進(jìn)入(2-3)；(2-2)軟件控制子模塊選擇脈沖氣保焊相應(yīng)的程序，調(diào)用起弧脈沖波形函數(shù) ’然 后判斷是否成功起弧，若否，則重新調(diào)用起弧脈沖波形函數(shù)，若是，則程序控制電源系統(tǒng)開(kāi) 始正常送絲并進(jìn)入焊接狀態(tài)；焊接過(guò)程中，軟件控制子模塊不斷檢測(cè)焊槍是否閉合，若否， 則調(diào)用收弧函數(shù)，發(fā)出焊接結(jié)束信號(hào)，結(jié)束焊接，若是，則進(jìn)行電弧參數(shù)的瞬時(shí)能量控制，控制完畢返回檢測(cè)焊槍是否閉合；(2-3)軟件控制子模塊選擇埋弧焊相應(yīng)的程序，調(diào)用起弧控制子程序；然后判斷 是否成功起弧，若否，則重新調(diào)用起弧控制子程序，若是，則程序控制電源系統(tǒng)開(kāi)始正常送 絲，焊接小車行走，進(jìn)入焊接狀態(tài)；焊接過(guò)程中，軟件控制子模塊不斷檢測(cè)停止按鈕是否啟 動(dòng)，若否，則繼續(xù)執(zhí)行正常送絲，焊接小車行走，保持焊接狀態(tài)，若是，則調(diào)用收弧函數(shù)，發(fā)出 焊接結(jié)束信號(hào)，結(jié)束焊接。(3)三相工頻交流電源輸出三相工頻交流電，一次整流濾波模塊101對(duì)三相工頻 交流電進(jìn)行轉(zhuǎn)換，向開(kāi)關(guān)逆變模塊102輸出直流電；(4)電流電壓采樣檢測(cè)反饋模塊107將實(shí)時(shí)檢測(cè)到的電弧負(fù)載的電流信號(hào)和電壓 信號(hào)與設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比較，然后送至控制器108，控制器108進(jìn)行PI運(yùn)算，產(chǎn)生的PWM信 號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、隔離和放大后送至開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)模塊105，開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)模塊105控制開(kāi)關(guān)逆變模 塊102中各IGBT在零電壓下開(kāi)通或關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)；(5)直流電經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)逆變模塊102后轉(zhuǎn)換為25 30KHz的高頻高壓電，功率變壓 模塊103對(duì)高頻高壓電進(jìn)行轉(zhuǎn)換，輸出大電流低電壓的交流脈沖電，二次整流模塊104對(duì)交 流脈沖電進(jìn)行轉(zhuǎn)換，向電弧負(fù)載輸出大電流低電壓的平滑直流電；(6)在主電路單元對(duì)三相工頻交流電進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出的同時(shí)，過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模 塊107實(shí)時(shí)檢測(cè)三相工頻交流電源的電壓，若出現(xiàn)過(guò)壓或欠壓的現(xiàn)象，則控制器108發(fā)出中 斷信號(hào)，關(guān)閉開(kāi)關(guān)逆變模塊102 ；溫度檢測(cè)模塊106實(shí)時(shí)檢測(cè)開(kāi)關(guān)逆變模塊102的散熱器溫 度，若出現(xiàn)IGBT過(guò)熱，則控制器108發(fā)出中斷信號(hào)，關(guān)閉開(kāi)關(guān)逆變模塊；過(guò)流檢測(cè)模塊111 實(shí)時(shí)檢測(cè)功率變壓模塊103輸入端的電流，若出現(xiàn)過(guò)流現(xiàn)象，則控制器108發(fā)出中斷信號(hào)， 關(guān)閉開(kāi)關(guān)逆變模塊。如上所述，便可較好地實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型，上述實(shí)施例僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施 例，并非用來(lái)限定本實(shí)用新型的實(shí)施范圍；即凡依本實(shí)用新型內(nèi)容所作的均等變化與修飾， 都為本實(shí)用新型權(quán)利要求所要求保護(hù)的范圍所涵蓋。
權(quán)利要求一種雙ARM控制的氣保埋弧焊數(shù)字化電源系統(tǒng)，其特征在于，包括機(jī)箱和內(nèi)置電路，所述內(nèi)置電路包括主電路單元和主控制單元，主電路單元為有限雙極性軟開(kāi)關(guān)全橋逆變主電路；(1)主電路單元包括依次連接的以下各模塊一次整流濾波模塊，用于將來(lái)自工頻交流電源的交流電轉(zhuǎn)換為直流電；開(kāi)關(guān)逆變模塊，通過(guò)控制其內(nèi)部IGBT的開(kāi)關(guān)周期，將整流濾波模塊輸出的直流電轉(zhuǎn)換，提供25～30KHz的高頻高壓電；功率變壓模塊，用于將開(kāi)關(guān)逆變模塊提供的高頻高壓電轉(zhuǎn)換成符合焊接工藝要求的大電流低電壓高頻交流電；二次整流模塊，用于將大電流低電壓高頻交流電轉(zhuǎn)換為平滑的直流電，并輸出送至電弧負(fù)載；一次整流濾波模塊的輸入端與三相工頻交流電源連接，二次整流模塊的輸出端外接電弧負(fù)載；(2)主控制單元包括以下模塊溫度檢測(cè)模塊，用于檢測(cè)開(kāi)關(guān)逆變模塊的溫度，保證主電路單元正常工作；開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)模塊，用于接收控制器的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)逆變模塊中IGBT的導(dǎo)通或關(guān)閉；過(guò)流檢測(cè)模塊，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)功率變壓模塊輸入端的電流值，保證主電路單元正常工作；電流電壓采樣檢測(cè)反饋模塊，用于檢測(cè)主電路單元向電弧負(fù)載輸出的電流電壓值，并反饋給控制器，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制；過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模塊，用于檢測(cè)主電路輸入端的電壓值，使電壓值保持在電網(wǎng)電壓的波動(dòng)范圍內(nèi)，保證主電路單元正常工作；控制器，用于處理各模塊的檢測(cè)信號(hào)或反饋信號(hào)，控制電源系統(tǒng)使用過(guò)程中主電路單元的工作流程；其中，溫度檢測(cè)模塊的輸入端與開(kāi)關(guān)逆變模塊連接，溫度檢測(cè)模塊的輸出 端與控制器連接；開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)模塊的輸入端與控制器連接，開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)模塊的輸出端與開(kāi)關(guān)逆變模塊連接，過(guò)流檢測(cè)模塊的輸入端與功率變壓模塊的電流輸入端連接，過(guò)流檢測(cè)模塊的輸出端與控制器連接；電流電壓采樣檢測(cè)反饋模塊的輸入端與二次整流模塊的輸出端連接，電流電壓采樣檢測(cè)反饋模塊的輸出端與控制器連接；過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模塊的輸入端與一次整流濾波模塊的輸入端連接，過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模塊的輸出端與控制器連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述雙ARM控制的氣保埋弧焊數(shù)字化電源系統(tǒng)，其特征在于，所述控 制器還外接有方便操作控制的人機(jī)交互單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述雙ARM控制的氣保埋弧焊數(shù)字化電源系統(tǒng)，其特征在于，所述 人機(jī)交互單元采用ARM+CPLD的控制方式，以ARM芯片LM3S818作為控制核心，以CPLD芯片 EPM240T100作為擴(kuò)展I/O接口用的輔助模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述雙ARM控制的氣保埋弧焊數(shù)字化電源系統(tǒng)，其特征在于，所述控 制器為ARM9S3C2440控制器，內(nèi)設(shè)有氣保埋弧焊軟件控制子模塊和以太網(wǎng)通訊子模塊，氣 保埋弧焊軟件控制子模塊通過(guò)以太網(wǎng)通訊子模塊分別與過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊、開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)模塊、過(guò)流檢測(cè)模塊、電流電壓采樣檢測(cè)反饋模塊和人機(jī)交互單元連接；控制器的A/D端口與電流電流電壓采樣檢測(cè)反饋模塊連接，PWM端口與開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)模 塊連接，GPIO端口分別與溫度檢測(cè)模塊、過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模塊和過(guò)流檢測(cè)模塊連接，I/O 端口通過(guò)MAX3232芯片與人機(jī)交互單元連接，開(kāi)關(guān)信號(hào)端口分別與電源按鈕和焊接開(kāi)關(guān)連 接，D/A端口外接送絲小車驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述雙ARM控制的氣保埋弧焊數(shù)字化電源系統(tǒng)，其特征在于，所述溫 度檢測(cè)模塊包括依次連接的溫度傳感器、信號(hào)比較電路、光耦隔離電路，溫度傳感器設(shè)于開(kāi) 關(guān)逆變模塊的散熱器上，光耦隔離電路的輸出端與控制器連接；所述過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模塊包括相連接的第一運(yùn)放子模塊和第一光耦隔離子模塊，第 一運(yùn)放子模塊的輸入端與一次整流濾波模塊的輸入端連接，第一光耦隔離子模塊的輸出 端與控制器連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述雙ARM控制的氣保埋弧焊數(shù)字化電源系統(tǒng)，其特征在于，所述 開(kāi)關(guān)逆變模塊為有限雙極性軟開(kāi)關(guān)全橋逆變式結(jié)構(gòu)，包括LC諧振電路和兩個(gè)并聯(lián)設(shè)置的 IGBT管組，各IGBT管組分別包括兩個(gè)IGBT，各IGBT管組的輸出端與LC諧振電路連接，LC 諧振電路的輸出端與功率變壓模塊連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述雙ARM控制的氣保埋弧焊數(shù)字化電源系統(tǒng)，其特征在于，所述開(kāi) 關(guān)管驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)內(nèi)設(shè)有用于對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行隔離放大的光耦TLP250。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述雙ARM控制的氣保埋弧焊數(shù)字化電源系統(tǒng)，其特征在于，所述電 流電壓采樣檢測(cè)反饋模塊包括相連接的電流采樣檢測(cè)反饋電路和電壓采樣檢測(cè)反饋電路； 其中電流采樣檢測(cè)反饋電路包括依次連接的霍爾傳感器、分壓子模塊、第一濾波子模塊和 第一限壓子模塊，霍爾傳感器設(shè)于二次整流模塊的輸出端，第一限壓子模塊的輸出端與控 制器的一個(gè)A/D端口連接；電壓采樣檢測(cè)反饋電路包括依次連接的電阻、第二濾波子模塊、 第二運(yùn)放子模塊、第二光耦隔離子模塊和第二限壓子模塊，電阻與電弧負(fù)載并聯(lián)設(shè)置，第二 限壓子模塊的輸出端與控制器的另一個(gè)A/D端口連接。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)一種雙ARM控制的氣保埋弧焊數(shù)字化電源系統(tǒng)，包括機(jī)箱和內(nèi)置電路，內(nèi)置電路包括主電路單元和主控制單元，主電路單元為有限雙極性軟開(kāi)關(guān)全橋逆變主電路，主控制單元中采用ARM9S3C2440控制器。本實(shí)用新型能在一臺(tái)焊機(jī)上提供埋弧焊和氣保焊這兩種不同的焊接工藝，且實(shí)現(xiàn)了全范圍的軟開(kāi)關(guān)，大大減少了功率管的開(kāi)關(guān)損耗和電應(yīng)力，在增效節(jié)能的同時(shí)，可以有效地降低逆變焊機(jī)的電磁干擾，提高了逆變焊機(jī)的電磁兼容性和可靠性。
文檔編號(hào)H02M5/458GK201717799SQ20102022536
公開(kāi)日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2010年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月11日
發(fā)明者豐斌, 姚屏, 楊錦輝, 王則靈, 甘煥春, 薛家祥 申請(qǐng)人:廣東火電工程總公司;華南理工大學(xué)