基于avr单片机的电弧焊接精确熔滴短路过渡控制电路的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于AVR单片机的电弧焊接精确熔滴短路过渡控制电路，其包括有：电流采样电路、电压采样电路、AVR单片机、D/A转换电路、给定信号切换电路和比例积分电路。本发明利用模拟电路实现焊接电流、焊接电压的实时精确采样，以及焊丝短路过渡过程中电压变化率的实时精确计算，然后将这些信号输入AVR单片机；AVR单片机根据反馈的信号，经过PID计算和逻辑判断，实时控制焊接过程中熔滴过渡每个阶段给定信号的大小和斩波管的实时开通与关断，从而实现了焊接过程中熔滴过渡每一个阶段的精确控制，有效地控制了焊接过程中熔滴的过渡频率、输入热量大小以及飞溅的大小，满足了用户对焊接性能的高要求。
【专利说明】基于AVR单片机的电弧焊接精确熔滴短路过渡控制电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及焊机，具体涉及的是一种基于AVR单片机的电弧焊接精确熔滴短路过渡控制电路。
【背景技术】
[0002]传统电焊机的焊接控制系统是依靠复杂的模拟电路来实现功能和逻辑控制的，即使增加一种简单的功能都需要增加很多电子元器件。如果焊机要具备两种以上的焊接功能就需要很多电路板，这样不仅会大幅度提高焊机成本，而且焊机的焊接性能和可靠性也会随元器件的增加而急剧下降，所以传统焊机很难将多种焊接功能综合到一台焊机中。
[0003]随着数字技术的发展，在焊机领域的应用也有了很大进步，出现了数字化面板的焊机和所谓的全数字焊机，这类焊机有的只是将焊接参数的调节系统进行数字化改造，焊机的焊接控制系统仍然是靠许多模拟和逻辑电路来实现的，有的则是将焊接参数的调节系统和简单的功能控制都用软件实现。这类焊机参数调节方便，功能多(比如有的焊机具有药皮手工焊、直流氩弧焊、脉冲氩弧焊、氩弧点焊、气保焊、碳弧气刨等焊接方式)，但是焊机的每种焊接性能却只能达到一般的水平，不能满足现在焊接行业对焊接工艺和焊接性能越来越高的要求。
[0004]针对传统电焊机和数字化面板焊机的焊接控制系统是靠许多模拟电路来实现的，存在增加焊接功能困难，焊机的可靠性低、产品一致性差等缺点，数字化技术在焊机领域的应用是必然趋势。但是简单的数字化改造虽然能在简化电路和增加功能等方面有一定帮助,却不能从根本上提闻焊机的焊接性能。
[0005]随着科学技术的发展，各种新型材料不断涌现，焊接工艺也发生着日新月异的变化，传统的焊机和焊接工艺已不能适应时代的需要。而且焊接过程中熔滴过渡是一个复杂的动态过程，会随着环境、材料等外界条件的变化而变化，不能靠一套固定的参数来完成整个焊接熔滴过渡过程的精确控制，需要实时采样输出参数反馈给控制系统来实时修正给定信号。
【发明内容】
[0006]为此，本发明的目的在于提供一种基于AVR单片机的电弧焊接精确熔滴短路过渡控制电路，以实现焊接过程中熔滴过渡频率、输入热量大小以及飞溅大小的精确控制。
[0007]本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
[0008]一种基于AVR单片机的电弧焊接精确熔滴短路过渡控制电路，包括:
[0009]一 AVR 单片机 IC6 ；
[0010]一电流采样电路，与焊机连接，用于对焊接过程中短路过渡阶段的实时电流进行采样，并输出稳定的电流反馈信号到AVR单片机，其包括电感L1、采样电阻R21、滤波电容C6、运放电路和第一有源滤波电路；所述运放电路由电阻R14、R15、R16、R17和运算放大器IC3C组成；所述第一有源滤波电路由电阻RIO、R11、R12、R13、电容C4、C5和有源滤波器IC3D组成；所述焊机电流采样信号通过电感LI滤波和采样电阻R21后，转化为电压信号，然后通过滤波电容C6进行初级滤波，之后再经过运放电路和第一有源滤波电路进一步滤波，输出两路稳定的电流反馈信号，一路输入到比例积分电路进行实时的比例积分计算，另一路经过电阻R9、电容C12滤波处理后输入到AVR单片机IC6-39脚，由AVR单片机IC6进行实时逻辑判断和PID运算，以获得修正后的实时电流给定值；
[0011]一电压采样电路，与焊机连接，用于对焊接过程中短路过渡阶段的实时电压进行采样，并输出稳定的电压反馈信号到AVR单片机；其包括差分电路、第二有源滤波电路、电阻R47和电容C28，所述差分电路由电阻R45、R58、R6、R59、R57、R55、R60和IC5C组成；所述第二有源滤波电路由电阻1?56、1?75、1?77、1?76、034、035和IC5B组成；所述焊机的输出电压、电弧电压通输入差分电路进行初级滤波和电压幅值比例降低，再经过第二有源滤波电路滤波输出稳定的电压反馈信号，该电压反馈信号经过电阻R47和电容C28滤波后输入到AVR单片机IC6-40脚，进行实时逻辑判断后得到准确的短路过渡阶段判定；
[0012]一 D/A转换电路，包括D/A转换芯片IC4，所述D/A转换芯片的IC4-1脚通过电阻R63与AVR单片机IC6-19脚连接，IC4-2脚通过电阻R64与AVR单片机IC6-20脚连接，IC4-3脚通过电阻R65与AVR单片机IC6-4脚连接，所述D/A转换芯片用于将AVR单片机每一个控制阶段都输出的短路过渡峰值电流值和基值电流值的数字信号转换为模拟信号，并由IC4-4输出基值电流信号，IC4-7输出峰值电流信号；
[0013]—给定信号切换电路，包括第一滤波和功率放大电路、第一电子开关IC1D、第二滤波和功率放大电路和第二电子开关IC1C，所述第一滤波和功率放大电路由R33、C21、IC2A组成；所述第二滤波和功率放大电路由电阻R34、电容C22和IC2B组成；所述D/A转换电路的IC4-7输出峰值电流信号经过第一滤波和功率放大电路后接入第一电子开关IClD ;所述D/A转换电路的IC4-4输出基值电流信号第二滤波和功率放大电路后接入第二电子开关IClC ;所述AVR单片机IC6-22脚输出峰值电流切换控制信号控制IClD的导通与断开，IC6-23脚输出基值电流切换控制信号控制电子开关IClC的导通与断开，以输出峰值电流值和基值电流值的实时给定信号；
[0014]一比例积分电路，包括电`阻R4、R8、电容C3和IC2C，所述峰值电流值和基值电流值的实时给定信号接入比例积分电路，再与电阻R20、可调电位器W2接入的实时电流反馈值进行比例积分运算，运算值由IC2-8脚输出到IGBT驱动电路进行PWM控制。
[0015]优选地，所述给定信号切换电路与比例积分电路之间还连接有一反向放大电路，该反向放大电路由电阻R30、R29、R3和IC2D组成。
[0016]优选地，所述电流采样电路中电感LI通过接线P2-3及一电流传感器与焊机连接，且通过所述电流传感器对焊机焊接过程中短路过渡阶段的电流进行实时采样。
[0017]优选地，所述电流采样电路中电容C12上还并联有一用于修正AVR单片机系统参数误差的可调电位器W4。
[0018]优选地，所述焊机的输出电压通过接线P4-4、P4_5输入电压采样电路的差分电路，所述焊机的电弧电压通过接线P4-9、P4-10输入到电压采样电路的差分电路。
[0019]优选地，还包括有一用于根据AVR单片机提供的信号开通或关断斩波管以控制飞溅大小的斩波管控制电路。
[0020]本发明利用模拟电路实现焊接电流、焊接电压的实时精确采样，以及焊丝短路过渡过程中电压变化率的实时精确计算，然后将这些信号输入AVR单片机；AVR单片机根据反馈的信号，经过PID计算和逻辑判断，实时控制焊接过程中熔滴过渡每个阶段给定信号的大小和斩波管的实时开通与关断，从而实现了焊接过程中熔滴过渡每一个阶段的精确控制，有效地控制了焊接过程中熔滴的过渡频率、输入热量大小以及飞溅的大小，满足了用户对焊接性能的高要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为本发明电路控制原理框图；
[0022]图2为本发明电流采样电路原理图；
[0023]图3为本发明电压采样电路原理图；
[0024]图4为本发明D/A转换电路原理图；
[0025]图5为本发明给定信号切换电路及比例积分电路原理图。
【具体实施方式】
[0026]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0027]请参阅图1所示，图1为本发明电路控制原理框图。本发明提供了一种基于AVR单片机的电弧焊接精确熔滴短路过渡控制电路，其主要针对目前焊机在焊接过程中熔滴过渡频率、输入热量大小以及飞溅大小等无法实现精确控制的问题。
[0028]本发明还在于解决传统电焊机和数字化面板焊机、电路结构复杂、可靠性低、产品一致性差、增加焊接功能困难，焊接性能低的问题。
[0029]具体到本发明实施例，其包括有电流采样电路1、电压采样电路2、AVR单片机3、焊机显示调节面板4、D/A转换电路5、斩波管控制电路6、给定信号切换电路7、比例积分电路和IGBT驱动电路8。
[0030]其中电流采样电路I与焊机连接，用于对焊接过程中短路过渡阶段的实时电流进行采样，并输出稳定的电流反馈信号到AVR单片机；电压采样电路2与焊机连接，用于对焊接过程中短路过渡阶段的实时电压进行采样，并输出稳定的电压反馈信号到AVR单片机；焊机显示调节面板与AVR单片机连接，用于焊机功能选择、参数调节和实时显示；D/A转换电路5与AVR单片机连接，用于将AVR单片机在每一个控制阶段输出短路过渡的峰值电流值和基值电流值的数字信号转换为模拟信号；斩波管控制电路6与AVR单片机连接，用于根据AVR单片机提供的信号，开通或关断斩波管，以达到精确控制飞溅大小的目的；给定信号切换电路7和比例积分电路与D/A转换电路5连接，所述给定信号切换电路7用于根据D/A转换电路5输入的峰值电流值和基值电流值信号输出对应的切换控制信号，以输出实时稳定的给定信号到比例积分电路，通过比例积分电路进行比例积分运算，并生成运算值输出到IGBT驱动电路8 ;所述IGBT驱动电路8与比例积分电路连接，其主要根据输入的运算值对IGBT驱动电路进行PWM控制，以达到精确控制功率IGBT的导通时间，达到精确控制焊接过程中短路过渡各阶段的能量输入量，从而实现稳定的短路过渡。
[0031]请参见图2所示，图2为本发明电流采样电路原理图。本发明电流采样电路实际为焊接电流实时采样及反馈电路，其包括有电感L1、采样电阻R21、滤波电容C6、运放电路、第一有源滤波电路、电阻R9、电容C12和可调电位器W4。运放电路由电阻R14、R15、R16、R17和运算放大器IC3C组成，电阻R14和R17 —端连接到运算放大器IC3C-10脚，而电阻R14和R17的另一端连接到滤波电容C6两端，R15连接到运算放大器IC3C-9脚，且IC3C-9脚与IC3C-8脚之间连接有电阻R16，电流采样信号经过IC3C-8脚后输入到第一有源滤波电路，所述第一有源滤波电路由电阻RIO、R11、R12、R13、电容C4、C5和有源滤波器IC3D组成，所述IC3D-12脚分别连接有电容C5和电阻R12，所述电阻R12通过电阻R13与IC3C-8脚连接；所述IC3D-13脚连接有电阻RlO ;IC3D-14脚输出端分为三路，一路通过电阻Rll与IC3D-13脚连接，一路通过电容C4连接到电阻R12和R13之间，还有一路则输出到AVR单片机 IC6-39 脚。
[0032]电感LI 一端通过接线P2-3及一个电流传感器与焊机连接，且通过所述电流传感器对焊机焊接过程中短路过渡阶段的电流进行实时采样；电感LI的另一端与采样电阻R21连接，焊机电流采样信号通过电感LI滤波和采样电阻R21后，转化为电压信号(100A输出电流对应IV电压)，并通过滤波电容C6进行初级滤波，然后再经过运放电路和第一有源滤波电路进一步滤波后得到稳定的电流反馈信号，由IC3D-14脚输出。
[0033]IC3D-14脚输出的电流反馈信号一路通过电流反馈端输出到比例积分电路进行比例积分计算，另一路则通过经过R9、C12滤波后通过IC6-39脚进入AVR单片机，在单片机系统内进行实时逻辑判断和PID算法得到修正后的实时电流给定值，可调电位器W4用于修正系统参数误差。
[0034]请参见图3所示 ，图3为本发明电压采样电路原理图。本发明电压采样电路实际为焊接电压实时采样及反馈电路，其包括有差分电路、第二有源滤波电路、电阻R47和电容C28，所述差分电路由电阻R45、R58、R6、R59、R57、R55、R60和IC5C组成；所述第二有源滤波电路由电阻1?56、1?75、1?77、1?76、034、035和IC5B组成。差分电路IC5C-10脚与电阻R58一端连接，电阻R58另一端连接有电阻R45，且在电阻R45与电阻R58之间为连接焊机远端采样正接线P4-10 ;电阻R45通过电阻R60、R59、R57与IC5C-9脚连接，IC5C-9脚与IC5C-8脚之间连接有电阻R65，在电阻R45与电阻R60之间为连接焊机输出正极的接线P4-5 ;在电阻R60与R59之间为连接焊机输出负极的接线P4-4 ;电阻R59、R57之间为连接焊机远端采样负接线P4-9。IC5C-8脚输出端还连接到第二有源滤波电路，所述第二有源滤波电路的IC5B-5脚一端连接有电容C34，一端通过电阻R75和R56连接到IC5C-8脚；IC5B_6脚则一端连接到电阻R77，另一端通过电阻R76与IC5B-7脚连接，IC5B-7脚一路通过电容C35连接到电阻R75和R56之间，一路输出到AVR单片机IC6-40脚。
[0035]电压采样电路用于对焊接过程中短路过渡阶段的实时电压进行采样，焊机输出电压通过接线P4-4、P4-5接入电路，焊机电弧电压通过接线P4-9、P4-10接入电路。电压经过差分电路的初级滤波和电压幅值比例降低后，再经过第二有源滤波电路的滤波，得到稳定的电压反馈信号，由IC5-7输出。此电压反馈信号既传输到dv/dt控制电路进行实时的dv/dt计算，又经过R47、C28滤波后通过IC6-40进入AVR单片机，在单片机系统内进行实时逻辑判断后得到准确的短路过渡阶段的判定。
[0036]请参见图4所示，图4为本发明D/A转换电路原理图。本发明D/A转换电路,包括D/A转换芯片IC4，所述D/A转换芯片的IC4-1脚通过电阻R63与AVR单片机的数据信号脚IC6-19连接，IC4-2脚通过电阻R64与AVR单片机的时钟信号脚IC6-20连接，IC4-3脚通过电阻R65与AVR单片机的片选信号脚IC6-4连接，所述D/A转换芯片用于将AVR单片机每一个控制阶段都输出的短路过渡峰值电流值和基值电流值的数字信号转换为模拟信号，并由IC4-4输出基值电流信号，IC4-7输出峰值电流信号。
[0037]请参见图5所示，图5为本发明给定信号切换电路及比例积分电路原理图。其中给定信号切换电路，包括有第一滤波和功率放大电路、第一电子开关IC1D、第二滤波和功率放大电路和第二电子开关IC1C，所述第一滤波和功率放大电路由R33、C21、IC2A组成；IC2A-3脚一路通过电阻R33与D/A转换电路的峰值给定输出端连接，一路通过电容C21接地；IC2A-1脚与IC2A-2脚连接，且IC2A-1脚连接到第一电子开关IC1D，所述第一电子开关IClD通过电阻R31与AVR单片机的峰值切换输出端IC6-22脚连接；所述第二滤波和功率放大电路由电阻R34、电容C22和IC2B组成；IC2B_5脚一路通过电阻R34与D/A转换电路的基值给定输出端连接，一路通过电容C22接地；IC2B-6脚与IC2B-7脚连接，且IC2B-7脚还连接到第二电子开关IC1C，而第二电子开关IClC通过电阻R28与AVR单片机的基值切换输出端IC6-23脚连接。
[0038]峰值电流值的实时给定信号经过第一电子开关IClD后经过电阻R30输入反向放大电路；基值电流值的实时给定信号经过第二电子开关IClC后经过电阻R29输入反向放大电路，所述反向放大电路由R30、R29、R3、IC2D组成，IC2D-12脚通过电阻R5接地，IC2D-13脚分别与电阻R30、R29连接，且IC2D-13脚还通过电阻R3与IC2D-14脚连接，IC2D-14脚输出给定信号到比例积分运算电路。
[0039]比例积分运算电路由R4、R8、C3、IC2C组成，IC2C-10脚通过电阻R60接地，IC2C-9脚一路通过电阻R7与所述反向放大电路IC2D-14脚连接，由IC2D-14脚输入实时给定信号，另一路则通过电阻R20、可调电位器W2接入输入电流反馈信号；在IC2C-9脚与IC2C-8脚之间连接有串接的电阻R2和第三电子开关IC1A，且所述第三电子开关IClA通过电阻R32与AVR单片机的IC6-25脚连接，以输出短路电流斜率；另外，在IC2C-9脚与IC2C-8脚之间还连接有电阻R4、R8及电容C3，所述R8及电容C3并联后与电阻R4串联。
[0040]峰值电流值的实时给定信号和基值电流值的实时给定信号经过上述反向放大电路后通过电阻R7接入的比例积分运算电路，再与R20、W2接入的实时电流反馈值进行比例积分运算，运算值由IC2-8输出到IGBT驱动电路进行PWM控制达到精确控制功率IGBT的导通时间，以达到精确控制焊接过程中短路过渡各阶段的能量输入量，从而实现稳定的短路过渡。电路中电子开关IClA通过单片机IC6-25输出的短路电流斜率控制信号可控制电阻R2的接入与否达到控制比例常数的作用，从而改变比例积分运算值。
[0041]综上所述，本发明能实现控制所需的精确实时输出电流、电压采样反馈电路，为整个精细精确控制实现了前提条件，同时设计了单片机实时给定信号电子开关切换控制电路使短路过渡各阶段实时给定信号得到准确及时输出，把模拟电路和单片机系统进行有效组合，从而实现了焊接过程中熔滴过渡各个阶段的精确控制，从而有效控制焊接过程中熔滴的过渡频率、热量的输入、飞溅的大小，满足了用户对焊接性能的高要求。
[0042]本发明设计了符合电焊机动态控制系统的实时电流、电压采样控制模拟电路，为单片机系统提供了稳定可靠的反馈信号，同时单片机实时给定信号电子开关切换控制电路实现了短路熔滴过渡各个阶段所需给定值的及时无缝转换。[0043]本发明实现了模拟电路和单片机系统的有效组合，取长补短，既解决了传统模拟电路电焊机控制系统电路复杂，不能实现功能升级的缺点，又解决了普通数字电路电焊机控制系统一味简单的追求多功能，焊接性能却很一般的缺点。而且本发明不但实现了焊接过程中熔滴过渡各个阶段的精确控制，而且可以在焊接材料和焊接工艺的不断更新过程中只需要升级单片机程序即可完成功能的升级。
[0044]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于AVR单片机的电弧焊接精确熔滴短路过渡控制电路，其特征在于，包括: 一 AVR单片机IC6 ； 一电流采样电路，包括电感L1、采样电阻R21、滤波电容C6、运放电路和第一有源滤波电路；所述运放电路由电阻R14、R15、R16、R17和运算放大器IC3C组成；所述第一有源滤波电路由电阻RIO、R11、R12、R13、电容C4、C5和有源滤波器IC3D组成；所述焊机电流采样信号通过电感LI滤波和采样电阻R21后，转化为电压信号，然后通过滤波电容C6进行初级滤波，之后再经过运放电路和第一有源滤波电路进一步滤波，输出两路稳定的电流反馈信号，一路输入到比例积分电路进行实时的比例积分计算，另一路经过电阻R9、电容C12滤波处理后输入到AVR单片机IC6-39脚，由AVR单片机IC6进行实时逻辑判断和PID运算，以获得修正后的实时电流给定值； 一电压采样电路，包括差分电路、第二有源滤波电路、电阻R47和电容C28，所述差分电路由电阻R45、R58、R6、R59、R57、R55、R60和IC5C组成；所述第二有源滤波电路由电阻R56、R75、R77、R76、C34、C35和IC5B组成；所述焊机的输出电压、电弧电压通输入差分电路进行初级滤波和电压幅值比例降低，再经过第二有源滤波电路滤波输出稳定的电压反馈信号，该电压反馈信号经过电阻R47和电容C28滤波后输入到AVR单片机IC6-40脚，进行实时逻辑判断后得到准确的短路过渡阶段判定； 一 D/A转换电路，包括D/A转换芯片IC4，所述D/A转换芯片的IC4-1脚通过电阻R63与AVR单片机IC6-19脚连接，IC4-2脚通过电阻R64与AVR单片机IC6-20脚连接，IC4-3脚通过电阻R65与AVR单片机IC6-4脚连接，所述D/A转换芯片用于将AVR单片机每一个控制阶段都输出的短路过渡峰值电流值和基值电流值的数字信号转换为模拟信号，并由IC4-4输出基值电流信号，I C4-7输出峰值电流信号； 一给定信号切换电路，包括第一滤波和功率放大电路、第一电子开关IC1D、第二滤波和功率放大电路和第二电子开关IC1C，所述第一滤波和功率放大电路由R33、C21、IC2A组成；所述第二滤波和功率放大电路由电阻R34、电容C22和IC2B组成；所述D/A转换电路的IC4-7输出峰值电流信号经过第一滤波和功率放大电路后接入第一电子开关IClD ;所述D/A转换电路的IC4-4输出基值电流信号第二滤波和功率放大电路后接入第二电子开关IClC ;所述AVR单片机IC6-22脚输出峰值电流切换控制信号控制IClD的导通与断开，IC6-23脚输出基值电流切换控制信号控制电子开关IClC的导通与断开，以输出峰值电流值和基值电流值的实时给定信号； 一比例积分电路，包括电阻R4、R8、电容C3和IC2C，所述峰值电流值和基值电流值的实时给定信号接入比例积分电路，再与电阻R20、可调电位器W2接入的实时电流反馈值进行比例积分运算，运算值由IC2-8脚输出到IGBT驱动电路进行PWM控制。
2.如权利要求1所述的基于AVR单片机的电弧焊接精确熔滴短路过渡控制电路，其特征在于，所述给定信号切换电路与比例积分电路之间还连接有一反向放大电路，该反向放大电路由电阻R30、R29、R3和IC2D组成。
3.如权利要求1所述的基于AVR单片机的电弧焊接精确熔滴短路过渡控制电路，其特征在于，所述电流采样电路中电感LI通过接线P2-3及一电流传感器与焊机连接，且通过所述电流传感器对焊机焊接过程中短路过渡阶段的电流进行实时采样。
4.如权利要求1所述的基于AVR单片机的电弧焊接精确熔滴短路过渡控制电路，其特征在于，所述电流采样电路中电容C12上还并联有一用于修正AVR单片机系统参数误差的可调电位器W4。
5.如权利要求1所述的基于AVR单片机的电弧焊接精确熔滴短路过渡控制电路，其特征在于，所述焊机的输出电压通过接线P4-4、P4-5输入电压采样电路的差分电路，所述焊机的电弧电压通过接线P4-9、P4-10输入到电压采样电路的差分电路。
6.如权利要求1所 述的基于AVR单片机的电弧焊接精确熔滴短路过渡控制电路，其特征在于，还包括有一用于根据AVR单片机提供的信号开通或关断斩波管以控制飞溅大小的斩波管控制电路。
【文档编号】B23K9/10GK103769721SQ201410040940
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年1月27日 优先权日:2014年1月27日
【发明者】黄小刚, 肖文成, 赵志雨 申请人:深圳市佳士科技股份有限公司