[发明专利]一种嵌入式系统控制的数字化软开关逆变弧焊机

说明书

技术领域

本发明涉及一种嵌入式系统控制的数字化软开关逆变弧焊机。

背景技术

到目前为止，直流焊机经历了四个发展阶段，即旋转式直流弧焊机、硅整流弧焊机、晶闸管(可控硅)直流焊机和IGBT(绝缘栅双极晶体管)逆变焊机，其先进性依次升高，其中IGBT逆变焊机是现阶段主要机种，它与晶闸管焊机比较的主要优势是：体积小、重量轻，利于存放和方便移动；动态响应较快、电弧稳定、焊缝成型好；控制性能好、易于实现焊接过程的适时控制及组成自动焊接系统；允许电网电压波动范围宽，IGBT逆变焊机的主要工作原理可简单表示为：工频交流(经整流滤波)、直流(经逆变器)、中频交流(降压、整流、滤波)、直流。

传统焊机由于其控制性能及动态响应方面存在严重不足，很难实现对焊接电弧的实时控制。晶闸管整流焊接电源虽然其控制性能及动态响应方面有所进步，但工作频率太低，系统响应速度慢，用于波形控制，有失控问题，不能实现对短路过渡实时、精确控制。IGBT逆变焊机工作频率达20KHz，每秒控制电弧的次数达到4万次，即最小可控制时间为2.5us，确保实现对短路过渡实时、精确控制。

传统的硬开关控制技术是指开关管上的电压或电流不为零时，强迫开关管开通或关断，这时开关管的电压和电流有一个交叠的过程，将导致开关管在开关过程中产生开关损耗，而且开关损耗与开关的工作频率成正比，在硬开关状态下的工作变换器，随着频率的上升，一方面开关管的损耗会大幅度上升，变换器的效率大大降低，另一方面还将产生严重的电磁干扰(EMI)。硬开关控制技术的缺陷限制了工作在硬开关状态下的变换器工作频率的进一步提升，限制了变换器减小体积和重量，难以实现高度集成化和小型化。

发明内容

本发明的目的是提供一种嵌入式系统控制的数字化软开关逆变弧焊机。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：由嵌入式系统控制电路控制主电路实现弧焊，脉冲宽度调制采用软开关移相电路(5)与峰值电流保护模式；脉冲驱动及保护(4)电路采用一驱二的磁罐型脉冲变压器，同时增加电容、双绞线和TVS管及电阻继续保护，防止过压和过压引起的IGBT误导通。

采用以单片机软件编程控制系统，和以专用软开关移相控制芯片为核心的ZVZCS全桥IGBT逆变软开关控制主电路，工频电源输入进行三相整流及滤波(1)之后连接ZVZCS全桥软开关变换电路(2)，由IGBT逆变器进行高频逆变，再经高频变压器降压之后，连接通过二次整流及滤波(3)之后输出；控制电路主要由最小控制系统(7)接收电压反馈(12)信号后输出控制信号送入进行D/A转换(6)，形成模拟信号，再经过软开关移相电路(5)产生PWM控制信号，后经脉冲驱动及保护电路(4)进行驱动放大和抗干扰保护，送入ZVZCS全桥软开关变换电路(2)中的IGBT，进行全桥软开关逆变，实现闭环控制。

主电路构成如下：

(1)输入保护及整流滤波电路，包括三个压敏电阻，三个CBB电容和一个环型滤波器；

(2)全桥软开关变换电路，采用IGBT逆变软开关电路，采用ZVZCS PWM全桥变换器；

(3)输出整流滤波。

控制电路构成如下：

(1)最小控制系统，包括：

A：89C51为核心的程序控制电路，该系列单片机采用静态80C51；

B：串行A/D转换，并行D/A转换电路，主要是进行数字信号和模拟信号的相互转换；

C、复位及时钟电路；

D、保护电路；

E、电流电压显示电路(9)；

F、输入开关变量信号等模块；

(2)由软开关移相芯片UCC3895构成的软开关移相电路(5)及峰值过流保护电路；

(3)驱动电路及保护电路；

(4)电源电路，由控制变压器通过整流、滤波后转换成直流电源，根据各种芯片的工作电源要求，通过线性稳压电源进行不同直流电源的转换。

本发明的有益效果是：采用软开关后，IGBT的损耗小，发热少，整机效率高，大大提高了IGBT的可靠性和整机的可靠性。移相全桥软开关PWM控制器是一种应用广泛，适用于较大功率，低电压等场合的控制器，该控制器采用PWM移相控制，在不附加其他额外元气件，电路成本和复杂程度基本不变的情况下，利用控制器的漏感和功率开关管的电容进行谐振。

ZVZCS零电流和零电压的开通和关断，使得IGBT的电压电流应力大为减小，减小了电磁辐射，增强了整机的可靠性。从而减小了开关损耗，并且开关电压应力的减小使得开关频率可以进一步提高，实现逆变弧焊机的进一步高频化，高效化。