专利名称：电焊机软开关逆变焊接电源的单片机控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及软开关逆变焊接电源技术领域，特别涉及软开关逆变焊接电源的控制系 统技术领域，具体是指一种电焊机软开关逆变焊接电源的单片机控制系统。
背景技术：
软开关技术使得功率开关管在开关过程瞬间电流轨迹和管压降轨迹错开，在较大程度上 解决了功率开关管损耗和开关应力过大的问题，减少了功率器件的dw/d/和d//df造成的电磁 干扰，提高了效率。因此，软开关式焊接电源是一种具有广阔前景的新型焊接电源。
随着单片机技术在焊接电源中的应用，焊接电源的柔性化设计成为可能，焊接电源设计 时间大大缩短，正朝着模块化方向发展。因此，集合软开关技术和单片机技术搭建一个焊接 电源平台来研制开发焊条焊、TIG焊、C02焊、埋弧焊等焊接电源显得十分有意义。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种电焊机软开关逆变焊接电源的单片机控制系统，该单片机 控制系统结构筒洁，可设定焊接参数和监控电源工作、操作简单、效率高、可在线升级，由 其控制的电源用途范围广。
为了实现上述目的，本实用新型的电焊机软开关逆变焊接电源的单片机控制系统具有如 下构成
该电焊机软开关逆变焊接电源的单片机控制系统，其特点是，包括单片机控制装置、A/D 转化器、PI调节单元、PWM芯片、及用于驱动开关逆变焊接电源的IGBT的驱动变压器，所 迷单片机控制装置包括单片机控制单元、分别与所述单片机控制单元连接的上电复位单元和 时针单元，所述单片机控制单元通过所述A/D转化器连接所述PI调节单元，所述PI调节单 元通过所述PWM芯片连接所述驱动变压器。
较佳地，所述单片机控制装置还包括表头单片机，所述表头单片机连接所述单片机控制 单元。
较佳地，所述单片机控制装置还包括遥控器单片机，所述遥控器单片机连接所述单片机 控制单元。较佳地，所述单片机控制单元连接所述PWM芯片。
采用本实用新型，由于本实用新型控制的电源采用软开关技术，因此性能稳定，效率高， 功耗小，具有良好的电气性能；本实用新型采用3片单片机，省去了大量的模拟电路，结构 简洁、可设定焊接参数和监控电源工作、操作简单、效率高，另外整个单片机系统采用先进 的Atmega单片机，系统占用空间富余多，可以在线编程随时对焊机进行在线升级；本实用 新型控制的电源可用于焊条焊、TIG焊、C02焊、埋弧焊等。
图1是受本实用新型控制的焊接电源的主电路示意图。
图2是本实用新型的控制信号和主电路波形示意图。
图3是本实用新型的一具体实施例的结构示意图。
图4是本实用新型的一具体实施例的主程序流程图。
图5是本实用新型的一具体实施例的PWM芯片的外围电路图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本实用新型的技术内容，特举以下实施例详细说明。 请参阅图1 图5所示，本实用新型的电焊机软开关逆变焊接电源的单片机控制系统，包 括单片机控制装置、A/D转化器、PI调节单元、PWM芯片、及用于驱动开关逆变焊接电源 的IGBT的驱动变压器，所述单片机控制装置包括单片机控制单元、分别与所述单片机控制 单元连接的上电复位单元和时针单元，所述单片机控制单元通过所述A/D转化器连接所述PI 调节单元，所述PI调节单元通过所迷PWM芯片连接所述驱动变压器。
较佳地，所述单片机控制装置还包括表头单片机，所述表头单片机连接所述单片机控制 单元。
较佳地，所述单片机控制装置还包括遥控器单片机，所述遥控器单片机连接所述单片机 控制单元。
较佳地，所述单片机控制单元连接所述PWM芯片。
用于本实用新型的软开关逆变焊接电源的功率电路原理如图1所示。功率电路采用饱和 电感式FB-ZVZCS-PWM变换器拓朴，超前桥臂(IGBT,和IGBT2组成的桥臂)实现零电压开关， 滞后桥臂(IGBT3和IGBT4组成的桥臂)实现零电流开关，从而实现了軟开关逆变焊机的零电压 零电流开关(ZVZCS)。阻断电容Cb衰减环流电流，饱和电感L「阻断电流反向增加。f/in为输 入直流电压源，VD广VD4分别是与IGBT广IGBT4(型号为BSM75GB120DN2)反向并联的二极管，d, C2分别是IGBTi， IGBT2的输出电容和外接电容之和，U为变压器Tr的漏感，VDR1 和VDr2(型号MUR200)为输出整流二极管，Lf为输出滤波电感，R为电弧等效电阻。现以图 I所示电路拓朴并采用有限双极性控制为例，说明超前臂零电压、滞后臂零电流的实现原理。
IGBT广IGBT4的控制信号、两桥臂中点电压uab、变压器一次电流ip和电容Cb两端电压 Ucb的波形如图2所示。
to时刻关断IGBT!,由于IGBT,并联电容C,两端电压不能突变，所以IGBT!零电压关断。 此后C,, C2开始充放电，t,时刻充放电结束，VD2导通为IGBT2开通创造了零电压开通的条 件， 一次电流环流开始。此时，电容Cb的电压Ucb全加在变压器的漏感上， 一次电流很快衰 减，t2时刻一次电流衰减到零，饱和电感阻断电流反向增加，使一次电流保持为零，从而实 现IGBTV零电流关断。另半个周期的软开关过程与此类似。
本实用新型的系统构成原理如图3所示。以Atmegal6为核心，与上电复位电路、时钟 电路一起构成单片机最小系统，PD(0 7)输出的给定电流经过D/A转换器7537转换成模拟量 和反馈电流if进行PI调节，PI调节后的值送入电流^t式的PWM芯片UC3846，然后输出PWM 驱动脉沖，经驱动变压器隔离放大驱动IGBT。当过热、欠电压或空载时，单片机输出封锁信 号封锁UC3846，从而封锁输出。另外，单机利用通用同步和异步串行接收器和转发器(USART) 与表头的单片机实现通信，实时把焊接数据发送给表头单片机，利用串行外设接口 SPI通过 485总线实现与遥控器的远距离通信。
本实用新型共采用了 3片Atmega单片机，主控板、表头和遥控器分别用 一片单片机， 主控单片机与表头单片机和遥控单片机实现通信。下面以SMAW焊机为例，介绍3片单片机 的功能。
(1 )主控单片机负责整个焊机的管理功能，并实时与表头单片机和遥控器单片机实现通 信。它具有参数设定和开关量输入功能，设定参数包括焊接电流、推力电流、引弧电流、引 弧时间、电缆长度，开关量输入包括过热保护信号、弧压状态Vinn,引弧成功信号等，PD(0~7) 口输出不同焊接状态时刻的给定电流(即叠加引弧电流、推力电流)，并根据需要及时输出保 护信号封锁^T出。
(2)表头单片机负责釆样三相电输入、弧压和反馈电流，并和主控单片机发送过来的焊 接参数一并显示。因有专门的单片机负责显示，所以显示参数大大增加(显示参数5个焊 接电流、推力电流、引弧电流、引弧时间、电缆长度；焊接参数6个焊接时电流、A, B, C三相输入电压、弧压、累计焊接时间)。
(3 )遥控器单片机可以在遥控方式时设定焊接电流和推力电流，实时显示主控单片机发 送过来的焊接电流和弧压参数，而且能及时根据故障情况点亮故障灯。ATmegal6单片机是基于增强AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先 进的指令集和单时钟周期指令执行时间，ATmegal6的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可 以减緩系统在功耗和处理速度之间的矛盾。它具有16kB的系统内可编程Flash (具有同时读 写能力，即RWW)， 512B的EEPROM, lkB的SRAM, 32个通用I/0口线，32个通用工作 寄存器，支持片内调试与编程，3个具有比较模式的灵活的定时器/计数器、片内/外中断，可 编程串行USART, 8路10位具有可选差分输入级可编程增益的ADC,振荡器的可编程看门 狗定时器，1个SPI串行端口，而且价格适中，因此具有极高的性价比。
以SMAW焊机为例，主控单片机的软件主要由以下几个部分组成主程序、初始化程序、 A/D转换程序、引弧程序、电缆补偿程序、加减推力中断程序、通信程序。主程序流程图如 图4所示。
上电后复位后，程序从002AH开始运行。系统先执行初始化子程序，并封锁焊机输出， 然后完成各参数的初始值设定。当选用遥控方式时，接受遥控器上的设定参数，否则接受本 机参数。单片机根据输入的电缆长度和焊接电流值计算出输出电缆压降，自动计算出叠加推 力电流弧压拐点值。随后焊机检测弧压状态Vim是否为l(即焊条是否与工件接触)，为1时， 焊机解除封锁，开中断，并开始执行引弧程序，即输出叠加了引弧电流后的焊接电流给定值， 当引弧时间到了以后取消引弧电流，输出正常的焊接电流值。焊机检测弧压，当弧压低于单 片机计算后的拐点值时利用外部中断进入中断子程序叠加推力，输出叠加推力值后的焊接电 流给定值。
由于系统采用Atmega单片机，占用空间富余多，可以在线编程对焊接电源进行升级。
ZVZCS-PWM软开关控制电路以电流模式的UC3846芯片为核心，UC3846芯片采用峰 值电流模式控制方法，即开关器件在固定时间开通，电流瞬时值达到电流给定值时，开关器 件关断。UC3846外围电路见图5。
给定值和反馈值经PI调节后的值输入UC3846的5脚(误差放大器同向输入端)、6脚(误 差放大器反向输入端)和7脚(补偿端)相连，接成跟随器形式，形成电压外环输入反馈。
一次电流检测值输入4脚(电流检测放大器正输入端)，进行瞬时电流反馈，形成电流内 环反馈.
因为电流模式变换器工作在占空比大于50%和连续电感电流条件下会产生分谐波振荡， 它是由固定频率和峰值电流取样同时工作状况所引起的。为此，利用8脚(振荡输出端)输出 的锯齿波对4脚进行斜率补偿。
11，14脚输出2路PWM信号，分别送U5为核心的脉宽展宽电路，形成滞后桥臂的2路 固定脉宽触发信号；10脚(同步信号输出端)输出的脉冲送固定脉宽展宽电路形成2路固定脉宽的死区；16脚接保护信号，只要有高电平的保护信号输入，11,14脚停止PWM信号的输出， 从而封锁超前桥臂。
针对所设计的控制电路，利用四通道记忆示波器进行检测，图6、图7分别为采集到的2 种不同负载情况下的4个IGBT驱动控制信号。由图可知在焊接电流和弧压较高(焊接电流 400A,弧压36V)时，超前桥臂IGBT!, IGBT2脉宽较大，滞后桥臂IGB丁3， IGBT4固定脉宽， IGBT广IGBT44组驱动控制信号实现有限双极性控制方式；当焊接电流58A，弧压6V时，超
前桥臂IGBT!, ,GBT2压缩脉宽，滞后桥臂IGBT3， IGB丁4固定脉宽。经过试验和联机调试，
结果表明控制电路各部分工作正常。
综上，本实用新型的电焊机软开关逆变焊接电源的单片机控制系统，该单片机控制系统 结构简洁、可设定焊接参数和监控电源工作、操作简单、效率高、可在线升级，由其控制的 电源用途范围广。
在此说明书中，本实用新型已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出 各种修改和变换而不背离本实用新型的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性 的而非限制性的。
权利要求1. 一种电焊机软开关逆变焊接电源的单片机控制系统，其特征在于，包括单片机控制装置、A/D转化器、PI调节单元、PWM芯片、及用于驱动开关逆变焊接电源的IGBT的驱动变压器，所述单片机控制装置包括单片机控制单元、分别与所述单片机控制单元连接的上电复位单元和时针单元，所述单片机控制单元通过所述A/D转化器连接所述PI调节单元，所述PI调节单元通过所述PWM芯片连接所述驱动变压器。
2. 如权利要求1所述的电焊机软开关逆变焊接电源的单片机控制系统，其特征在于，所述 单片机控制装置还包括表头单片机，所述表头单片机连接所述单片机控制单元。
3. 如权利要求1所述的电焊机软开关逆变焊接电源的单片机控制系统，其特征在于，所述 单片机控制装置还包括遥控器单片机，所述遥控器单片机连接所述单片机控制单元。
4. 如权利要求1所述的电焊机软开关逆变焊接电源的单片机控制系统，其特征在于，所述 单片机控制单元连接所述PWM芯片。
专利摘要本实用新型涉及一种电焊机软开关逆变焊接电源的单片机控制系统，包括单片机控制装置、A/D转化器、PI调节单元、PWM芯片、及用于驱动开关逆变焊接电源的IGBT的驱动变压器，所述单片机控制装置包括单片机控制单元、分别与所述单片机控制单元连接的表头单片机、遥控器单片机、上电复位单元和时针单元，所述单片机控制单元通过所述A/D转化器连接所述PI调节单元，所述PI调节单元通过所述PWM芯片连接所述驱动变压器；较佳地，所述单片机控制单元连接所述PWM芯片，本实用新型结构简洁、可设定焊接参数和监控电源工作、操作简单、效率高、可在线升级，由其控制的电源用途范围广。
文档编号H02M1/00GK201290072SQ20082015452
公开日2009年8月12日 申请日期2008年10月28日 优先权日2008年10月28日
发明者聂先明 申请人:上海沪工电焊机制造有限公司