微机控制开关式弧焊电源

分类号：tg434.1文献标识码：a文章编号：1001－2303(2000)02－0007－04the switching welding power source controlled by microcomputerwu wan-hua et alshanghai jiaotong universityabstract：the paper introduces the practic value of the switching power source designed by the author and the system analysis of the principle and constitution of the power supply including the microcomputer controlling system.the author puts forward some viewpoints about the new welding power source.the power source which is controlled by the microcomputer system in this paper is made use of giant transistor(gtr),and have it work in both the condition of“on”and“off”.therefore,it overwhelms lower efficiency of analogue transistor power source,and keeps a stable operation state.in the meantime,the power source makes use of single chip microcomputer controlling technology and realizes the function of welding parameters preset.this power can also modify the welding voltage ufthrough feed back controlling so to get constant voltage characteristic.key words：microcomputer control;switching type;pulse width modulation▲1 概 述电弧焊接是焊接方法中最主要的一个大类，不同的电弧焊工艺方法需要相应的弧焊电源。没有良好的电弧焊设备作为保证，就不可能得到良好的焊接质量，所以，弧焊设备是我国焊接工作者重点研究的领域之一。为了在弧焊电源开发方面作一点有益的探索，本人将微机控制开关式弧焊电源作为研究课题方向。由于模拟式晶体管弧焊电源的大功率晶体管组串联在焊接回路中，工作在放大状态，管组通过的焊接电流很大，而且管压降较高，功率损耗较大(效率低时仅有40%左右)，这样，既消耗电能又使管子的冷却系统变得比较复杂。相反，若大功率晶体管组运行在开关状态，便解决了这个问题，这就是开关式晶体管弧焊电源。工作在开关状态的大功率晶体管，当它“开”(饱和导通)时，电流很大而管压降约为0，管子功耗很小。当它“关”(截止)时，管压降高而电流约为0。两种状态的功耗都小，所以效率高，造价也比较低。开关式晶体管弧焊电源的开关频率一般都很高，约为20～50khz，在工作过程中频率不变，通过调节脉冲占空比来调节规范和获得所需外特性，因此，开关式晶体管弧焊电源用作mig／mag弧焊电源是比较理想的。电焊机技术的飞跃性进步主要表现在对弧焊电源的控制上，随着新型大功率电子元件的出现，电子设备集成化，对弧焊电源的控制已由原来的机械控制或电磁控制发展到越来越多地采用全电子化的控制及微机控制。微机控制的开关式弧焊电源比普通弧焊电源具有更多的功能和更好的性能，具有比较广泛的应用前景。目前，国内外投入大量的人力和物力，对这一机型及其相关领域的焊机进行研究和开发，而将微机处理与开关式的熔化极弧焊电源结合在一起是一个比较新的结合点，作者希望在这方面作一些有益的尝试。2 主回路组成开关式电源主回路采用开关管与焊接负载串联的方式，引入了电弧电压反馈和电流反馈控制，控制的主对象为焊接电弧，检测量为电弧电压uf，故主要采用电压反馈来实现恒压控制，电流反馈起一个辅助作用。主电路变压器采用星形连接电路，三相交流电经三相桥式整流之后，通过大功率晶体管gtr控制，负载处于“通”或“断”状态，从而供给焊接电弧工作所需的电压和电流，其中开关晶体管串联于焊接回路之中，电容c起滤波的作用，l起储能的作用，二极管v起续流的作用，如图1所示。

图1 电源主电路原理图网路电压经降压和整流后通过晶体管开关输出断续脉冲电流，如果输入电压为恒稳直流，则经晶体管开关得到的是方波。如果输入电压为脉动的直流电压，例如，输入为单相全波整流波形，经过开关后则得到被截去一部分的整流波形，很显然，如果负载要求稳定的直流电压，则在晶体管开关与负载之间须有滤波电抗器。功率晶体管在主回路中作为开关使用，对它的要求也与小信号晶体管不同，主要是有足够的容量(高电压、大电流)、适当的增益、较高的工作速度和较低的功率损耗等。由于功率晶体管的工作状态与小信号晶体管相比，具有功率损耗大、工作电流大、电流增益低等特点，这些将给其驱动电路造成负担，而达林顿结构是提高电流增益的一种有效方式，因此，电源的功率晶体管选用了达林顿管。电源主回路采用闭环控制式，其结构原理如图2所示：cpu是微处理器，rom为只读存储器，通常用光擦除可编程只读存储器eprom，而ram是随机读写存储器，a／d为模－数转换器。开环控制时，给定值通过cpu对电源的输出量实施控制；闭环控制时，还要对电源的输出量进行采样，并通过a／d转换为数字量，然后cpu对采样值与给定值加以比较，判断误差的性质和大小，选择适当的控制算法，计算出控制量，再通过定时器、驱动器对电源主电路输出量进行调节，使之与给定值一致或接近。图2虚线框内所示为微机闭环控制的原理框图，其中包括中央处理单元cpu、ram和rom、并行输入／输出接口、计数器／定时器、模／数转换器a／d、电流采样用分流器fl、电压采样用分压电阻r1、r1以及倒相、放大用的运算放大器。输入的作用在于焊接参数(如焊接电压、焊接电流)的预置，采样及反馈控制用于稳定焊接电压uf。 图2 微机闭环控制式晶体管弧焊电源电路框图作为控制系统“心脏”的微机可选用单片微机。权衡性能机价比，决定选用8031单片微机作为整个控制系统的核心。3 反馈电路和gtr驱动电路开关晶体管弧焊电源反馈电路为电流控制型连接电路。反馈信号送至cpu处理之后，控制gtr驱动电路，从而改变gtr的通断时间，达到稳定焊接电压的目的。cpu输出的信号经过gtr驱动电路功率放大使gtr动作。gtr驱动电路的设计也是比较关键的一步。理想的基极驱动电路应当满足3个条件：开通时要有一定的过驱动；正常导通时要浅饱和；关断时要反向偏置。开通时基极要过驱动，流过较大的基极电流，以缩短开通时间。正常导通时，基极流过必要的最小基极电流而使晶体管不至于深饱和。关断时，反向偏置有利于基区积累电荷快速泄放，减少关断时间。gtr驱动电路采用基极驱动的方式，为了使功率晶体管工作在安全工作区s0a内，应该尽量缩短开关时间、降低通态损耗和开关损耗。本文所设计的gtr驱动电路属于改进型雷希密勒驱动电路，可参见文献［1］。4 微机控制总体框架mcs－8031系列单片微机为用户提供了十分丰富的硬件、软件资源，用户只需添加少量的元器件，便可组成一种软硬件结合、品质性能较好的微机控制系统。在组成单片机应用系统时，虽然实际问题涉及领域很宽，要求各不相同，组成方案千差万别，很难有一个固定的模式适用于一切问题，但考虑问题的基本出发点大体相同。对于mig/mag弧焊电源的控制对象主要是焊接电压uf，因为在等速送丝的熔化极弧焊电源中，电源外特性一般采用平特性，这样，可以具有电弧自身调节作用强、焊接规范易于稳定，且短路电流大，容易引弧，有利于防止焊丝回烧和粘丝等好处，因此，在焊接过程中，熔化极电弧要求电源输出电压uf基本保持恒定。本文的微机控制的关键技术在于脉宽调制波的产生、电压采样和反馈控制。脉宽调制技术是指在微机控制系统中，通过输入焊接电压等设定参数，产生相应的pwm波，使焊接电弧工作在预置的参数范围内，并能够根据检测反馈的信号调节pwm波；电压采样采取定时采样处理的方式，通过模／数转换，信号进入cpu；反馈控制信号经过cpu处理之后，通过定时器8253产生pwm信号，经过gtr驱动电路，控制gtr的开关状态，从而使电路主回路中的工作电压稳定，即使焊接电压uf稳定。微机控制总体框架如图3所示。 图3 微机控制总体框架图整个微机控制系统共分为三大模块：一为脉宽调制发生系统，由定时器8253提供；二为模／数(a／d)转换，由adc0809负责将模拟量转换为数字量；三为输出／输入(i／0)系统，由键盘、数码显示管组成，主要解决输入参数和显示参数的问题。结合微机硬件的整体设计，本论文编制了相应的控制软件，以模块为单位，分为如下4个部分：脉宽调制部分、模／数转换处理部分、按键识别部分和数码显示部分。脉宽调制部分主要是产生pwm脉宽调制波，控制gtr的开关状态，稳定焊接电压；模／数转换处理部分主要是用于电压采样，由于反馈电压是模拟量，而微机只能识别数字量，因而采样的模拟量信号需要通过模／数转换成为数字量，以便单片机能够识别；按键识别部分主要是实现输入量的识别和储存，如预置焊接电压、焊接电流等参数的输入，逻辑控制指令的接收等；数码显示部分则主要是以数字形式显示输入值的大小，焊接过程中焊接电压和焊接电流的大小及一些代表逻辑命令的特殊符号。微机控制系统的数／模(d／a)转换，是用来控制熔化极弧焊电源送丝机构中的送丝速度。(图中未标出)5 脉宽调制技术开关管的控制信号可由pwm技术来产生。所谓pwm即脉冲宽度调制技术，就是在周期不变的条件下，将输入电压转变成一定脉宽的方波，使gtr的控制从原来的相位控制中摆脱出来，技术性能和可靠性得到明显的提高。本文微机控制系统所输出的pwm波主要是通过8031和8253定时器共同作用来产生。所设计的电路充分利用了可编程计数／定时器8253的工作方式2的特点，减少了中断次数，节约了中断服务程序执行时间。同时也减少了pwm波脉冲的边沿误差。本文采用的mcs－51的主振频率fosc为12?mhz，则clk频率为fosc／6＝2?mhz。由于每个载波周期只中断一次，采用8253十六位定时器，其时钟频率为2?mhz，因此pwm波精度较高。整个微机系统的pwm波的程序框图如图4所示。这里要注意：在比较采样前后的脉宽值是否相等时，存在一个比较范围的问题，也就是说，在一定的差值范围内，即允许误差范围内，两者可被认为是相等的。本文脉宽比值的允许误差为10%(含10%)。 图4 脉宽控制程序框图6 实验结果(1)采样数据经单片机处理之后，产生了脉宽调制信号，如图5所示，图中的脉宽调制的频率为40?khz。(2)采样信号经过cpu处理转换成相应的反馈控制信号。(3)当输入的采样信号发生变化时，脉宽亦发生变化，如图6所示。 图5 40khz的宽调制波 (a) (b)图6 脉宽调制波的变化情况(4)键盘输入给定值，数码管显示相应的数值，产生相应的脉宽调制波。7 结论本电源采用微机控制系统，可以实现对电压与电流值等焊接参数的预置、显示及精确调节，当焊接电压或电流发生波动时，可利用电压和电流反馈信号，运用单片机处理系统，控制脉宽调制信号，从而改变gtr的驱动信号，以稳定焊接电压uf，从而获得电源的平外特性，使焊接电源能较稳定地工作。同时，也可实现故障的自诊断、自处理，其控制功能强，作用效果好。在微机控制直流弧焊电源中，不仅给定值，而且外特性、动特性和调节特性等均由微机直接进行数字控制，对这种电源中的微机控制系统要求较高，特别是对软件的要求更高。可以说，在有相同硬件的情况下，这类电源的功能和性能就几乎完全依赖于软件。因此，这类电源靠开发软件可以灵活控制其性能，还可以做到一机多用，而不增加电源的硬件、体积和重量。微机控制的开关式弧焊电源不仅可应用于熔化极电弧焊，也可应用于非熔化极电弧焊，只要微机控制系统的工作软件作相应的调整，如加入控制焊接电压u和焊接电流i的外特性曲线的功能，把电弧电压u和电流i的相关性处理成缓降特性或陡降的外特性，便可将该电源当作非熔化极的弧焊电源使用。当然，此时在微机控制板的抗干扰方面必须做得更加完善，因为非熔化极的弧焊电源在高频引弧时，高频将产生比较大的干扰信号，这种干扰信号会对微机控制板产生很大的冲击，轻则使控制程序紊乱，微机失控，重则将微机控制板的芯片烧毁。■作者单位：吴万华(上海交通大学，上海，200030)姚舜(上海交通大学，上海，200030)俞海良(上海交通大学，上海，200030)参考文献：［1］中国集成电路大全 编委会.电力电子技术与运动控制系统［m］.北京：国防工业出版社，1995.23～24.［2］陈建铎.intel单片机应用技术［m］.西安：陕西科学技术出版社，1991.［3］吴万华.微机控制开关式弧焊电源(上海交通大学硕士学位论文)［d］.上海：上海交通大学，1999.58～60

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