专利名称：多功能数字化焊机的制作方法
技术领域：
本发明属于多功能数字化逆变焊机，具体涉及一种基于数字信号处理器DSP和可编程逻辑控制器CPLD或FPGA的多功能数字化软开关逆变焊机。
背景技术：
由于传统焊机体积大，效率低，动静态特性不是很理想，导致焊机性能差；现有焊机在设置上还是逻辑电路控制的方式，未有多功能数字化焊机的设计。但多功能数字化焊机是集手工焊，直流氩弧焊，脉冲氩弧焊，气保焊，脉冲气保焊等多种焊接工艺与一体的新型焊机，其功能丰富，性能稳定可靠。多功能数字化逆变焊机主要是由DSP，单片机等嵌入式微处理器进行控制，数字化逆变焊机因为采用嵌入式微处理器构造弧焊逆变电源的控制器，利用计算机的智能模糊控制算法采用软件实现对焊机系统的双闭环控制，并取代了由众多分立元器件组成的模拟控制器，很好的实现了焊接电源的数字化控制，并且可以实时的调整与设置焊接的工艺参数与工作状态，很大程度上提高了焊机的工作效率，并且其控制方法更加灵活，响应速度更快。
发明内容
本发明的目的是提供一种功能稳定可靠，焊接性能优良的多功能数字化逆变焊机的设置方法及装置，该数字化焊机以数字信号处理器DSP与可编程逻辑控制器CPLD或FPGA 为核心，将DSP的高速实时处理能力融入到焊机系统中，并结合CPLD或FPGA以及软开关移相逆变技术，实现对焊接电源整体系统的双闭环控制，采用精细化能量控制，控制变换器的外特性配合电弧负载，解决小电流、低弧长焊接的弧长稳定性。本发明的技术方案如下多功能数字化逆变焊机的设置方法，其工作电路包括由 IGBT组成的全桥式逆变主电路，控制电路，基于CPLD或FPGA的对称载波的软开关PWM驱动电路。所述逆变主电路包括整流滤波模块b，IGBT全桥逆变模块c，主变压器d，以及二次整流滤波模块e。所述控制电路主要包括DSP控制处理器；控制板供电电源电路；手工降空载电路；焊机输出的反馈电流，电压信号调理检测与采样电路；焊机送丝速度与给定电压的采集与设定电路；与外部键盘的接口与参数显示电路；与PC机的(RS485)通信电路；
所述手工降空载电路首先将交流12V电源经过Bl整流桥整流后的直流17V电压作为工作电压Ud，Ud经过滤波以及稳压后再送入到光耦U6，以产生控制信号dv_IN输入到DSP 的捕捉功能引脚，当DSP启动工作检测到此引脚信号的电平后，根据实际工作方式判断选择是实际反馈的焊接电压UF-还是正常时的工作电压Ud ；由DSP的输出控制信号dV_SEL 控制三极管V3与继电器Kl组成，继电器Kl串联与三极管V3的集电极，未焊接即空载情况下，DSP检测到dv_IN为低电平时，DSP输出dV_SEL为高电平，控制继电器吸和，此时DSP未输出PWM信号，焊机的空载输出电压为Ud，当焊条和工件触碰后，Ud为接近OV ；当DSP检测到dv_IN为高电平，此时DSP输出dV_SEL为低电平，控制继电器断开，此时DSP输出PWM信号，这时焊机输出电压为实际输出电压。所述电流电压信号调理与采样电路包括用于检测输出电压的霍尔电压传感器与检测电流的霍尔电流传感器；采取相应的电流电压调理电路来进行限幅；对于反馈电弧电压信号，在经过电压传感器SEm进行隔离检测后，经电阻电容滤波之后，经运算放大器 Ul进行跟随放大后，将采样电压UFO限幅在0-3. 3V范围内再送入到DSP的模拟输入端口 ADCINO ；对于霍尔电流传感器检测的反馈电流信号，先经过阻容滤波电路之后，再由运放进行信号调理，先通过由运放U4组成的加法电路，再经过放大和跟随将采样电流IFO限制在 0-3. 3V范围内，然后送入到DSP的模拟输入引脚ADCmi ；
采样电路还包括送丝机面板上的给定电压与给定电流即送丝速度的采集，给定的电流电压值在经过运放调节放大后也同样送到DSP的模拟输入端口 ADCIN3与ADCIN4 ；
对于采集后的送丝机上的电流电压，通过DSP的事件管理器模块产生两路PWM信号，经过R56，C42，R58，C43的电阻电容滤波之后，由U12进行同相放大，便得到相应的送丝速度给定与电压给定信号。所述CPLD或FPGA移相软开关控制电路是由DSP Ul与CPLD或FPGA组成反馈电流IF0，反馈电压UFO与给定电流IG，给定电压UG分四路送入到DSP的片内AD，经过AD 采集后的数据，在DSP内实现电压电流闭环控制，采用数字PID调节，并对焊接过程进行精确的波形控制，计算出开关时间后由DSP的事件管理寄存器输出有效脉宽的PWM信号，再将 PWM信号送给CPLD或FPGA以确定移相角的大小，CPLD或FPGA做出移相处理后得到四路 PWM波，作为输出的驱动信号以实现IGBT的软开关电路。DSP与CPLD或FPGA的数据接口是通过外部存储器接口实现的，通过DSP的IS管脚将其扩展到外部IO 口空间，其地址总线与CPLD或FPGA的IO 口相连。DSP作为主控制器实现电流电压的采集计算与PID模糊算法外，实对焊接电源的外特性控制和焊机工艺时序的精确控制、包括提前送气，引弧，滞后关气、对气阀的控制，电机的制动，枪开关信号通过实时产生对送丝机构的外部控制信号来完成，由外部输入按键对于焊机不同工作模式的选择以及焊接电流电压的数字显示控制；
过热，过压，过流等信号的中断保护控制由DSP来实现。采样电流电压四路模拟信号在送到DSP之前，又通过二极管DDI，DD2，DD3，DD4进行限幅，以免模拟输入电压过高或过低进入DSP端口而损坏芯片。本发明多功能数字化焊机，包括由IGBT组成的全桥式逆变主电路，控制电路，基于CPLD或FPGA的对称载波的软开关PWM驱动电路。所述逆变主电路包括整流滤波模块b， IGBT全桥逆变模块c，主变压器d，以及二次整流滤波模块e ；
所述控制电路包括DSP控制处理器；控制板供电电源电路，手工降空载电路；焊机输出的反馈电流，电压信号调理检测与采样电路；焊机送丝速度与给定电压的采集与设定电路；与外部键盘的接口与参数显示电路；与PC机连接(RS485)通信电路；
所述手工降空载电路包括整流桥电路、滤波、稳压和光耦输入到DSP的捕捉功能引脚， DSP输出控制焊机的空载输出电压或满载输出电压的继电器的信号电路；
所述电流电压信号调理与采样电路包括用于检测焊机输出反馈电弧电压的霍尔电压传感器与检测焊机输出电流的霍尔电流传感器；采取相应的电流电压调理电路来进行限幅；经过电压传感器SEm进行隔离检测后，经电阻电容滤波之后，经运算放大器Ul进行跟随放大器，将采样电压UFO限幅在0-3. 3V范围内再接到DSP的模拟输入端口 ADCINO ；对于霍尔电流传感器检测的反馈电流信号，经过阻容滤波电路和运放进行信号调理及由运放U4 组成的加法电路，再经过放大和跟随将采样电流IFO限制在0-3. 3V范围内再接到DSP的模拟输入引脚ADCim ；
采样电路包括送丝机面板上的给定电压与给定电流即送丝速度的采集电路，给定的电流电压值在经过运放调节放大后也同样接DSP的模拟输入端口 ADCIN3与ADCIN4 ；根据采集送丝机上的电流电压，通过DSP的事件管理器模块产生两路PWM信号，经过电阻电容滤波之后并经同相放大，输出相应的送丝速度给定与电压给定信号。
所述CPLD或FPGA移相软开关控制电路是由DSPl与CPLD或FPGA组成反馈电流IF0，反馈电压UFO与给定电流IG，给定电压UG分四路送入到DSP的片内AD，经过AD采集后的数据，在DSP内实现电压电流闭环控制，DSP的事件管理寄存器输出有效脉宽的PWM 信号，再将PWM信号接CPLD或FPGA，CPLD或FPGA输出的四路PWM波，作为输出的驱动信号以实现IGBT的软开关电路；DSP与CPLD或FPGA的数据接口接外部存储器接口。本发明的有益效果是采用先进的数字信号处理器DSP与可编程逻辑控制器CPLD 或FPGA作为数字化焊机的核心，实时准确的采集焊接电源的反馈电压与电流量，并通过数字PID算法实现脉冲宽度调制与移相控制，通过移相控制实现IGBT超前臂与滞后臂的 ZVZCS的软开关技术，最终将多种焊接方式集与一台焊机上，实现了脉冲气保焊，脉冲氩弧焊，手工焊等多种焊接工艺方式，并且利用DSP的JTAG 口对焊机的时序以及控制进行在线调试，软件升级与更新速度快，控制方式更加灵活多样。本发明数字化焊机能降低飞溅，成型美观，实现高质量焊接，人机通信接口以及焊接工艺参数与工艺状态的实时选择与显示等，实现了手工，直流氩弧，脉冲氩弧，气保，脉冲气保等五种焊接方式，提高了焊机的动态响应能力，保证了焊机的焊接质量以及电弧的稳定性。
图1是多功能数字化焊机的整体结构图。图2是基于DSP的多功能数字化焊机的功能框图。图3是本发明基于DSP的主控制连接电路图。图4是控制电路的手工降空载部分电路图。图5是反馈电流电压以及送丝速度设定部分的信号调理与采样电路图。图6是CPLD或FPGA移相PWM信号产生的部分电路图。图7是RS485通信电路图。
具体实施例方式本发明多功能数字化焊机是基于数字信号处理器DSP与可编程逻辑控制器CPLD 或FPGA的软开关逆变式数字化焊机。其工作电路包括由IGBT组成的全桥式逆变主电路， DSP控制电路，基于CPLD或FPGA的对称载波的软开关PWM驱动电路。 所述主电路主要由图1所示的整流滤波模块b，IGBT全桥逆变模块c，主变压器d， 以及二次整流滤波模块e等组成。 所述控制电路主要包括DSP控制处理器；控制板供电电源电路；含有整流部分的手工降空载电路；焊机输出的反馈电流，电压信号调理检测与采样电路；焊机送丝速度与给定电压的采集与设定电路；与外部键盘的接口与参数显示电路；与PC机的RS485通信电路等。
所述手工降空载电路首先将交流12V电源经过Bl整流桥整流后的直流17V电压作为工作电压Ud，ud经过C23，E5滤波以及二极管Zl稳压后再送入到光耦U6，以产生控制信号dv_IN输入到DSP的捕捉功能引脚，当DSP启动工作检测到此引脚信号的电平后，根据实际工作方式判断选择是实际反馈的焊接电压UF-还是正常时的工作电压Ud，这一功能的实现是由DSP的输出控制信号dV_SEL控制三极管V3与继电器Kl组成，继电器Kl串联与三极管V3的集电极，未焊接即空载情况下，DSP检测到dv_IN为低电平时，DSP输出dV_SEL 为高电平，控制继电器吸和，此时DSP未输出PWM信号，焊机的空载输出电压为Ud，当焊条和工件触碰后，Ud为接近OV ；当DSP检测到dv_IN为高电平，此时DSP输出dV_SEL为低电平，控制继电器断开，此时DSP输出PWM信号，这时焊机输出电压为实际输出电压。所述电流电压信号调理与采样电路包括用于检测输出电压的霍尔电压传感器与检测电流的霍尔电流传感器，以确保采样输入信号与采样输出信号的完全隔离；由于经过电压电流传感器后的信号超出DSP的模拟信号电压范围(0-3. 3V)，要采取相应的电流电压调理电路来进行限幅；对于反馈电弧电压信号，在经过电压传感器SEm进行隔离检测后， 由R7与C31电阻电容滤波之后，经运算放大器Ul进行跟随，再通过运放Ul的两级放大后， 将电压UFO限幅在0-3. 3V范围内再送入到DSP的模拟输入端口 ADCINO ；对于反馈电流信号，同样是先经过R3，C29，R4，C30组成的阻容滤波电路之后，再由运放进行信号调理，具体是先通过由运放U4组成的加法电路，再经过U4放大和跟随将IFO限制在0-3. 3V范围内， 然后送入到DSP的模拟输入引脚ADCmi ；采样电路还包括送丝机面板上的给定电压与给定电流即送丝速度的采集，给定的电流电压值在经过运放U12调节放大后也同样送到DSP的模拟输入端口 ADCIN3与ADCIN4。四路模拟信号在送到DSP之前，又通过二极管DD1，DD2， DD3，DD4进行限幅，以免模拟输入电压过高或过低进入DSP端口而损坏芯片。对于采集后的送丝机上的电流电压，通过DSP的事件管理器模块产生两路PWM信号，经过R56，C42，R58， C43的电阻电容滤波之后，由U12进行同相放大，便得到相应的送丝速度给定与电压给定信号。所述通信电路由包含485通信信芯片的SN75176的通信电路构成，实现遥控器和上位机之间的串行通信。DSP自带异步通信接口，通过外接芯片U8(SN75176)转换成RS485 总线，电路中为实现总线与DSP的隔离，在DSP通信接口处与芯片U8之间采用光耦进行隔离，光耦U9，U10, Ull分别与DSP的异步串行口引脚通过电阻R38，R39，R30相连，经过光耦输出的三路通信信号与U8连接后，输出信号两端分别串联一个稳压管Z2，Z3组成吸收回路以防止总线上的干扰。所述CPLD或FPGA移相软开关控制电路是由DSP Ul与CPLD或FPGA U3组成反馈电流IF0，反馈电压UFO与给定电流IG，给定电压UG分四路送入到DSP的片内AD，经过 AD采集后的数据，在DSP内实现电压电流闭环控制，采用模糊控制方法，实现数字PID调节， 并对焊接过程进行精确的波形控制，计算出开关时间后由DSP的事件管理寄存器输出有效脉宽的PWM信号，再将PWM信号送给CPLD或FPGA以确定移相角的大小，CPLD或FPGA做出移相处理后得到四路PWM波，作为输出的驱动信号以实现IGBT的软开关电路。DSP与CPLD或FPGA的数据接口是通过外部存储器接口实现的，通过DSP的IS管脚将其扩展到外部IO 口空间，其地址总线与CPLD或FPGA的IO 口相连。
具体实施时，DSP作为主控制器除实现电流电压的采集计算与PID模糊算法外， 还要实现对焊接电源的外特性控制，如焊机工艺时序的精确控制，包括提前送气，引弧，滞后关气等；还会实时产生对送丝机构的外部控制信号，包括对气阀的控制，电机的制动，枪开关信号等；外部输入按键对于焊机不同工作模式的选择以及焊接电流电压的数字显示控制；对过热，过压，过流等信号的中断保护控制等，都由DSP来实现。
权利要求
1.多功能数字化逆变焊机的设置方法，其特征是数字化逆变焊机的工作电路包括由 IGBT组成的全桥式逆变主电路，控制电路，基于CPLD或FPGA的对称载波的软开关PWM驱动电路；所述逆变主电 路包括整流滤波模块、IGBT全桥逆变模块、主变压器d以及二次整流滤波模块；所述控制电路包括DSP控制处理器；控制板供电电源电路；手工降空载电路；焊机输出的反馈电流，电压信号调理检测与采样电路；焊机送丝速度与给定电压的采集与设定电路；与外部键盘的接口与参数显示电路；与上位PC机的通信电路；所述手工降空载电路首先将交流12V电源经过Bl整流桥整流后的直流17V电压作为工作电压Ud，Ud经过滤波以及稳压后再送入到光耦U6，以产生控制信号dv_IN输入到DSP 的捕捉功能引脚，当DSP启动工作检测到此引脚信号的电平后，根据实际工作方式判断选择是实际反馈的焊接电压UF-还是正常时的工作电压Ud ；由DSP的输出控制信号dV_SEL 控制三极管V3与继电器Kl组成，继电器Kl串联与三极管V3的集电极，未焊接即空载情况下，DSP检测到dv_IN为低电平时，DSP输出dV_SEL为高电平，控制继电器吸和，此时DSP未输出PWM信号，焊机的空载输出电压为Ud，当焊条和工件触碰后，Ud为接近OV ；当DSP检测到dv_IN为高电平，此时DSP输出dV_SEL为低电平，控制继电器断开，此时DSP输出PWM信号，这时焊机输出电压为实际输出电压；所述电流电压信号调理与采样电路包括用于检测输出电压的霍尔电压传感器与检测电流的霍尔电流传感器；采取相应的电流电压调理电路来进行限幅；对于反馈电弧电压信号，在经过电压传感器SEm进行隔离检测后，经电阻电容滤波之后，经运算放大器Ul进行跟随放大后，将采样电压UFO限幅在0-3. 3V范围内再送入到DSP的模拟输入端口 ADCINO ； 对于霍尔电流传感器检测的反馈电流信号，先经过阻容滤波电路之后，再由运放进行信号调理，先通过由运放U4组成的加法电路，再经过放大和跟随将采样电流IFO限制在0-3. 3V 范围内，然后送入到DSP的模拟输入引脚ADCmi ；采样电路还包括送丝机面板上的给定电压与给定电流即送丝速度的采集，给定的电流电压值在经过运放调节放大后也同样送到DSP的模拟输入端口 ADCIN3与ADCIN4 ；对于采集后的送丝机上的电流电压，通过DSP的事件管理器模块产生两路PWM信号，经过R56，C42，R58，C43的电阻电容滤波之后，由U12进行同相放大，便得到相应的送丝速度给定与电压给定信号；所述CPLD或FPGA移相软开关控制电路是由DSP Ul与CPLD或FPGA组成反馈电流 IF0,反馈电压UFO与给定电流IG，给定电压UG分四路送入到DSP的片内AD，经过AD采集后的数据，在DSP内实现电压电流闭环控制，采用数字PID调节，并对焊接过程进行精确的波形控制，计算出开关时间后由DSP的事件管理寄存器输出有效脉宽的PWM信号，再将PWM 信号送给CPLD或FPGA以确定移相角的大小，CPLD或FPGA做出移相处理后得到四路PWM 波，作为输出的驱动信号以实现IGBT的软开关电路；DSP作为主控制器实现电流电压的采集计算与PID模糊算法外，实对焊接电源的外特性控制和焊机工艺时序的精确控制、包括提前送气，引弧，滞后关气、对气阀的控制，电机的制动，枪开关信号通过实时产生对送丝机构的外部控制信号来完成，由外部输入按键对于焊机不同工作模式的选择以及焊接电流电压的数字显示控制；过热，过压，过流等信号的中断保护控制由DSP来实现。
2.多功能数字化逆变焊机的设置方法，其特征是采样电流电压四路模拟信号在送到 DSP之前，又通过二极管进行限幅。
3.多功能数字化焊机，其特征是包括由IGBT组成的全桥式逆变主电路，控制电路，基于CPLD或FPGA的对称载波的软开关PWM驱动电路；所述逆变主电路包括整流滤波模块， IGBT全桥逆变模块，主变压器以及二次整流滤波模块；所述控制电路包括DSP控制处理器；控制板供电电源电路，手工降空载电路；焊机输出的反馈电流，电压信号调理检测与采样电路；焊机送丝速度与给定电压的采集与设定电路；与外部键盘的接口与参数显示电路；与PC机连接的通信电路；所述手工降空载电路包括整流桥电路、滤波、稳压和光耦输入到DSP的捕捉功能引脚， DSP输出控制焊机的空载输出电压或满载输出电压的继电器的信号电路；所述电流电压信号调理与采样电路包括用于检测焊机输出反馈电弧电压的霍尔电压传感器与检测焊机输出电流的霍尔电流传感器；采取相应的电流电压调理电路来进行限幅；经过电压传感器SEm进行隔离检测后，经电阻电容滤波之后，经运算放大器UI进行跟随放大器，将采样电压UFO限幅在0-3. 3V范围内再接到DSP的模拟输入端口 ADCINO ；对于霍尔电流传感器检测的反馈电流信号，经过阻容滤波电路和运放进行信号调理及由运放U4 组成的加法电路，再经过放大和跟随将采样电流IFO限制在0-3. 3V范围内再接到DSP的模拟输入引脚ADCim ；采样电路包括送丝机面板上的给定电压与给定电流即送丝速度的采集电路，给定的电流电压值在经过运放调节放大后也同样接DSP的模拟输入端口 ADCIN3与ADCIN4 ；根据采集送丝机上的电流电压，通过DSP的事件管理器模块产生两路PWM信号，经过电阻电容滤波之后并经同相放大，输出相应的送丝速度给定与电压给定信号；所述CPLD或FPGA移相软开关控制电路是由DSPl与CPLD或FPGA组成反馈电流IF0， 反馈电压UFO与给定电流IG，给定电压UG分四路送入到DSP的片内AD，经过AD采集后的数据，在DSP内实现电压电流闭环控制，DSP的事件管理寄存器输出有效脉宽的PWM信号， 再将PWM信号接CPLD或FPGA，CPLD或FPGA输出的四路PWM波，作为输出的驱动信号以实现IGBT的软开关电路；DSP与CPLD或FPGA的数据接口接外部存储器接口。
4.根据权利要求1所述的多功能数字化焊机，其特征在于DSP处理器控制按键输入的信息与人机界面的显示，设置焊接参数，焊接状态切换，焊接信息的实时显示等都将在人机界面显示模块中显示。
全文摘要
多功能数字化焊机，包括由IGBT组成的全桥式逆变主电路，控制电路，基于CPLD或FPGA的对称载波的软开关PWM驱动电路。所述逆变主电路包括整流滤波模块，IGBT全桥逆变模块，主变压器以及二次整流滤波模块；所述控制电路包括DSP控制处理器和手工降空载电路；焊机输出的反馈电流，电压信号调理检测与采样电路；焊机送丝速度与给定电压的采集与设定电路；与外部键盘的接口与参数显示电路；与PC机连接的通信电路；所述电流电压信号调理与采样电路包括用于检测焊机输出反馈电弧电压的霍尔电压传感器与检测焊机输出电流的霍尔电流传感器；采样电路包括送丝机面板上的给定电压与给定电流即送丝速度的采集电路。
文档编号B23K9/09GK102350569SQ201110298748
公开日2012年2月15日 申请日期2011年9月29日 优先权日2011年9月29日
发明者王富林 申请人:南京熊猫电子股份有限公司, 南京熊猫电子装备有限公司, 熊猫电子集团有限公司