基于stm32的脉冲mig焊电源系统的利记博彩app
【专利摘要】本发明公开了一种基于STM32的脉冲MIG焊电源系统，包括逆变主电路和控制电路。所述逆变主电路包括依次电气连接的输入整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块和输出整流滤波模块；所述控制电路包括STM32数字化控制模块、电压电流检测模块、故障保护模块、人机界面模块以及高频驱动模块；人机界面模块采用数字脉冲编码器实现焊接参数给定。本发明使用STM32芯片控制脉冲MIG焊电源系统，系统结构简单，控制功能主要通过软件实现，抗干扰能力强，解决了传统脉冲MIG焊电源系统结构复杂，体积庞大，参数给定不够精确稳定等问题。
【专利说明】基于STM32的脉冲MIG焊电源系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于STM32的脉冲MIG焊电源系统。
【背景技术】
[0002]脉冲MIG焊技术较多用于高性能的自动焊场合，它集高效优质和自动化于一体，其突出的工艺特点为:焊接电流调节范围比较宽，即脉冲MIG焊可在平均电流小于临界电流值的条件下获得射流过渡，包括短路过渡到喷射过渡的所有电流区域；熔池体积小，熔滴过渡和熔池金属的加热是间歇性的，不易发生淌流，可顺利完成横焊、立焊，有利于实现全位置焊；熔滴过渡过程可控性比较强，既可得到较大的熔深(因脉冲电流幅值大)，又可控制总的平均焊接电流在较低的水平，可有效控制热输入量。
[0003]近年来随着市场竞争的日趋激烈，提高焊接生产率、保证产品质量、实现焊接生产的自动化、智能化越来越得到焊接生产企业的重视，特别是机器人焊接时对焊接质量和精度要求比较高的场合更是如此。加上现代人工智能技术、数字化信息处理技术、计算机视觉技术等高新技术的融入，也促使脉冲MIG焊技术正朝着焊接高速高效化、焊接控制数字化、控制系统智能化方向发展。
[0004]现有的脉冲MIG焊技术主要有以下几个方面的缺点:
[0005](I)结构复杂。传统脉冲MIG焊电源是采用模拟控制系统实现控制的，元器件数量多，结构复杂，体积庞大。
[0006](2)控制不够灵活，准确。传统的模拟控制系统进行复杂处理的能力有限，元器件数量多，并且控制系统的参数由电阻、电容等分立元件的参数决定，控制系统调试复杂、灵活性差；同时电阻、电容的参数分布影响控制系统的一致性，参数的稳定性差，如温度漂移影响控制系统的稳定性。
【发明内容】
[0007]本发明所要解决的技术问题，就是提供一种基于STM32的脉冲MIG焊电源系统，其元器件数量少、结构简单、体积小、控制调试简单灵活且参数准确稳定性好。
[0008]解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案:
[0009]一种基于STM32的脉冲MIG焊电源系统，包括逆变主电路和控制电路；所述逆变主电路包括依次电气连接的输入整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块和输出整流滤波模块；输入整流滤波模块的输入端与三相交流输入电网相连、输出整流滤波模块的输出端与电弧负载相连；
[0010]所述控制电路包括STM32数字化控制模块、电压电流检测模块、故障保护模块、人机界面模块以及高频驱动模块；电压电流检测模块输入电弧负载、输出至STM32数字化控制模块，故障保护模块输入三相交流、输出至STM32数字化控制模块，STM32数字化控制模块除与人机界面模块互联通讯外还经高频驱动模块连接至高频逆变模块。
[0011]所述的STM32数字化控制模块为采用控制芯片STM32F103ZET6，根据电压电流检测模块检测电弧负载的反馈电压电流参数与人机界面模块给定电压电流参数进行PI运算，发给STM32内嵌的移相脉宽调制模块控制信号，移相脉宽调制模块产生四路移相PWM信号，并通过高频驱动模块放大去控制高频逆变模块的开关管IGBT在零电压下的开通和关断，进行脉冲MIG焊电源输出脉冲电流和电压控制；所述的人机界面模块采用数字脉冲编码器实现焊接参数的精确给定，人机界面模块实时显示焊接参数。
[0012]所述故障保护模块包括相互连接的过压检测电路、欠压检测电路、过流检测电路和过温检测电路、与11电路和外围电路。
[0013]所述PWM驱动信号是通过高频驱动模块来增强驱动能力。
[0014]一种用于基于STM32的脉冲MIG焊电源系统的逆变主电路，包括输入整流桥(BR1)，第一至第四IGBT开关管(VTl?VT4)，每个开关管上带有寄生二极管和寄生电容(C9?C12)，第一和第三开关管(VTl和VT3)、第二和第四开关管(VT2和VT4)分别依次连接后再并联；另有第一电容和第三电容(Cl和C3)、第二电容和第四电容(C2和C4)分别并联后再串联；输入整流桥(BRl)的正向输出经电感(LI)后加在第一电容(Cl)正极和第三电容(C3)的一端、反向输出至第二电容(C2)负极和第四电容(C4)的一端；第一开关管和第三开关管(VTl和VT3)之间的输出或输入经并联的第五电容隔直电容(C5)、第六电容隔直电容(C6)后再经第二电感谐振电感(L2)最后至高频隔离变压器(Tl) 一输入端，第二开关管和第四开关管(VT2和VT4)之间的输出或输入至高频隔离变压器(Tl)的另一输入端，第一和第三开关管(VTl和VT3)组成的桥臂为超前桥臂，第二和第四开关管(VT2和VT4)组成的桥臂为滞后桥臂，每个桥臂的2个IGBT开关管成180°互补导通，两个桥臂之间的导通角相差一个相位；
[0015]输出整流滤波电路:第五二极管和第六二极管(V5和V6)、第七二极管和第八二极管(V7和V8)分别并联，并联的第五二极管和第六二极管(V5和V6)的正极接高频隔离变压器(Tl)的一输出端、并联的第七二极管和第八二极管(V7和V8)的正极接高频隔离变压器(Tl)的另一输出端，并联的第五二极管和第六二极管(V5和V6)上还并联有第一吸收电阻和第七电容(C7)，第一吸收电阻为并联的第五电阻和第六电阻(R5和R6);同样，并联的第七二极管和第八二极管(V7和V8)上还并联有第二吸收电阻和第八电容(CS)，第二吸收电阻为并联的第七电阻和第八电阻(R7和R8);第五二极管至第八二极管(V5?V8)的负极经第三电感(L3)后为输出的一端、输出的另一端为高频隔离变压器(Tl)的中间抽头。
[0016]本发明的工作原理:
[0017]本发明采用全桥移相软开关主电路，通过数字PI控制算法和定时器周期中断，实现输出脉冲电流和电压控制:三相工频交流电经过输入整流滤波模块后成为平滑直流电后进入高频逆变模块，然后通过功率变压模块、输出整流滤波模块进入电弧负载；与此同时，STM32数字化控制模块根据电压电流检测模块检测电弧负载的反馈电压电流参数与人机界面模块给定电压电流参数进行PI运算后，发给STM32内嵌的移相脉宽调制模块一个控制信号，使移相脉宽调制模块产生四路移相PWM信号，并通过高频驱动模块放大去控制高频逆变模块的开关管IGBT在零电压下的开通和关断，而得到20kHz高频高压电，高频高压电再经过功率变压模块转换成符合焊接工艺要求的低电压大电流输出，再经过输出整流滤波模块获到平滑的焊接电流，通过这个过程实现焊接电源电流脉冲和电压控制；
[0018]故障保护模块的过压、欠压、过流和过温检测电路检测三相工频电压、初级电流和散热器温度，把检测到的电压电流和温度信号送给故障保护模块，如出现过压、欠压、过流和过温的现象，故障保护模块将送给STM32数字化控制模块一个低电平故障保护信号，STM32数字化控制模块产生低电平PWM通过高频驱动模块关断高频逆变模块的开关管，保护主电路安全工作。
[0019]本发明与现有的技术相比，具有如下优点和有益效果:
[0020]1.本发明采用STM32芯片实现脉冲MIG焊电源的数字化控制，结构简单，系统灵活。
[0021]2.本发明采用脉冲编码器实现焊接参数的精确给定，克服了传统电位器实现参数给定的不够精确造成的焊接过程不稳定等问题。
[0022]3.本发明采用软开关逆变技术，实现了全范围的软开关，大大减少了功率管的开关损耗和电应力，改善了工作条件，降低了电磁干扰，提高了整机效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是本发明的整体结构框图；
[0024]图2是本发明的逆变主电路的电路原理图；
[0025]图3是本发明的高频驱动模块的电路原理图；
[0026]图4a是本发明的电压电流检测模块的电压检测电路原理图；
[0027]图4b是本发明的电压电流检测模块的电流检测电路原理图；
[0028]图5是本发明的故障保护模块的电路原理图；
[0029]图6是本发明的STM32数字化控制模块的结构示意图；
[0030]图7是本发明的电源系统的脉冲电流图；
[0031]图8是本发明的基于STM32的控制系统的程序流程图。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的详细说明。
[0033]如图1所示，本发明的基于STM32的脉冲MIG焊电源系统实施例，包括逆变主电路和控制电路。
[0034]逆变主电路包括依次电气连接的输入整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块和输出整流滤波模块；输入整流滤波模块的输入端与三相交流输入电网相连、输出整流滤波模块的输出端与电弧负载相连。
[0035]控制电路包括STM32数字化控制模块、电压电流检测模块、故障保护模块、人机界面模块以及高频驱动模块；电压电流检测模块输入电弧负载、输出至STM32数字化控制模块，故障保护模块输入三相交流输入电压为常用的电压检测装置、输出至STM32数字化控制模块，STM32数字化控制模块除与人机界面模块互联通讯外还经高频驱动模块连接至高频逆变模块。
[0036]STM32数字化控制模块采用控制芯片STM32F103ZET6，根据电压电流检测模块检测电弧负载的反馈电压电流参数与人机界面模块给定电压电流参数进行PI运算后，发给STM32内嵌的移相脉宽调制模块一个控制信号，使移相脉宽调制模块产生四路移相PWM信号，并通过高频驱动模块放大去控制高频逆变模块的开关管IGBT在零电压下的开通和关断，实现软开关，实现MIG焊电源输出脉冲电流和电压的控制；所述的人机界面模块采用数字脉冲编码器实现焊接参数的精确给定，人机界面模块实时显示焊接参数。
[0037]故障保护模块包括相互连接的过压检测电路、欠压检测电路、过流检测电路和过温检测电路、与门电路和外围电路。故障保护模块检测三相交流输入电压，为常用的电压检测装置；检测过温信号，为常用的温度继电器；检测初级过流信号为常用的霍尔电流传感器。PWM驱动信号是通过高频驱动模块来增强驱动能力。
[0038]图2是本发明的逆变主电路的电路原理图。逆变主电路采用全桥移相软开关变换器，其拓扑结构由输入整流滤波电路、全桥逆变电路、高频隔离变压器、输出整流滤波电路组成；其中BRl为输入整流桥，VTl?VT4为4个IGBT开关管，每个开关管上带有寄生二极管和寄生电容，L2是谐振电感，C5、C6是隔直电容，V5?V8为输出整流二极管，电感L3组成输出滤波电路。VTl和VT3组成的桥臂为超前桥臂，VT2和VT4组成的桥臂为滞后桥臂，每个桥臂的2个IGBT开关管成180°互补导通，两个桥臂之间的导通角相差一个相位，即移相角，通过调节该移相角就可以调节输出电压和电流。高频变换器回路中主功率开关管的寄生电容和隔离变压器的寄生电感、漏感以及谐振电感等构成了一个LC谐振回路，在功率开关器件开关过程中实现零电压谐振换流，使其工作在软开关状态，开关损耗低，器件的电磁应力大幅减少。
[0039]一种用于基于STM32的脉冲MIG焊电源系统的逆变主电路，包括输入整流桥(BR1)，第一至第四IGBT开关管(VTl?VT4)，每个开关管上带有寄生二极管和寄生电容(C9?C12)，第一和第三开关管(VTl和VT3)、第二和第四开关管(VT2和VT4)分别依次连接后再并联；另有第一电容和第三电容(Cl和C3)、第二电容和第四电容(C2和C4)分别并联后再串联；输入整流桥(BRl)的正向输出经电感(LI)后加在第一电容(Cl)正极和第三电容(C3)的一端、反向输出至第二电容(C2)负极和第四电容(C4)的一端；第一开关管和第三开关管(VTl和VT3)之间的输出或输入经并联的第五电容隔直电容(C5)、第六电容隔直电容(C6)后再经第二电感谐振电感(L2)最后至高频隔离变压器(Tl) 一输入端，第二开关管和第四开关管(VT2和VT4)之间的输出或输入至高频隔离变压器(Tl)的另一输入端，第一和第三开关管(VTl和VT3)组成的桥臂为超前桥臂，第二和第四开关管(VT2和VT4)组成的桥臂为滞后桥臂，每个桥臂的2个IGBT开关管成180°互补导通，两个桥臂之间的导通角相差一个相位；
[0040]输出整流滤波电路:第五二极管和第六二极管(V5和V6)、第七二极管和第八二极管(V7和V8)分别并联，并联的第五二极管和第六二极管(V5和V6)的正极接高频隔离变压器(Tl)的一输出端、并联的第七二极管和第八二极管(V7和V8)的正极接高频隔离变压器(Tl)的另一输出端,并联的第五二极管和第六二极管(V5和V6)上还并联有第一吸收电阻和第七电容(C7)，第一吸收电阻为并联的第五电阻和第六电阻(R5和R6)，同样，并联的第七二极管和第八二极管(V7和V8)上还并联有第二吸收电阻和第八电容(CS)，第二吸收电阻为并联的第七电阻和第八电阻(R7和R8);输出整流的第五二极管至第八二极管(V5?V8)的负极经第三电感(L3)为输出的一端、输出的另一端为高频隔离变压器(Tl)的中间抽头。
[0041]如图3所示是本发明的高频驱动模块的电路原理图。STM32芯片的供电电压是
3.3V，其输出的高速PWM信号也只有3.3V，其不足以驱动大功率器件IGBT的通断，故需要增强该PWM信号的驱动能力，如图3所示由STM32产生的四路移相PWM信号经过高频驱动模块，产生四路推挽式脉冲驱动，分别作为逆变桥开关管VTl?VT4的驱动信号，控制开关管通断。
[0042]如图4a和图4b所示分别是本发明的电压电流检测模块的电压检测电路原理图和本发明的电压电流检测模块的电流检测电路原理图。
[0043]电压采样信号经过电感L5、L6与电容C47、C48滤波后，采用非隔离电阻R47、R48分压采样，之后经过运算放大器U16B进行信号调理，再经过线性光电耦合器芯片U18、电压跟随器U17B进行隔离、调整，成为与输出电压成线性关系的电压信号，得到的小于或等于
3.3V的电压信号分别输入到STM32数字化控制模块的ADCIN0，再通过相应软件实现电压A/D转换。电流采样电路利用霍尔电流传感器对主电路的输出电流进行电流信号采样，霍尔电流传感器得到与输出电流成线性关系的微弱电压信号经过滤波后得到较为干净、平滑的信号，然后分别将电流反馈信号输入到STM32数字化控制模块的ADCINl，再通过相应软件实现电流A/D转换。上述环节构成的电压电流反馈闭环控制电路，就可以实现输出脉冲电流和电压的控制。
[0044]图5是本发明的故障保护电路原理图。过压和欠压检测电路将三相交流输入电网经工频变压器降压后，用桥式整流电路整流成直流电压信号后供给电阻分压电路，分别调节桥式电路电阻R39、R26和R38、R24的大小，就可以改变电网过压和欠压的阀值，即可起到过压和欠压保护作用。过温检测电路通过检测散热器上的温度继电器的断开来实现过温保护，得到CNl的①②断开信号给比较器U6A的反相输入端，U6A作为比较器进行电压比较。其同相端为给定参考电压，当散热器的温度低于温度继电器阀值温度时，温度继电器闭合，比较器U6A反相输入端为低电平，比较器U6A输出高电平；当散热器的温度高于温度继电器阀值温度时，温度继电器断开，比较器U6A反相输入端为高电平，比较器U6A输出低电平，此信号可引起STM32的故障保护中断。过流检测电路检测初级电流信号经滤波后给比较器U6B的反相输入端，U6B作为比较器其同相输入端为给定参考电流，当检测到的初级电流大于给定参考电流时，比较器U6B输出低电平，此信号可引起STM32的故障保护中断。图中与门U13的输出经光耦U14后与STM32的外部中断引脚GP10G9相连接，当与门U13输出端输出过压、欠压、过温和过流检测信号出现欠压、过压、过温和过流故障时，与门输出低电平，经U14光耦后输出低电平，作为STM32的故障保护中断的触发信号给STM32的外部中断引脚GP10G9，进入故障保护中断服务子程序，实现故障保护。
[0045]图6是本发明的STM32数字化控制模块的结构示意图。STM32数字化控制模块采用ST公司的STM32F103ZET6芯片，其基本结构包括PWM信号输出模块、人机界面模块、存储模块RAM与FLASH、数字I/O 口以及A/D模拟输入。A/D采样进来的模拟信号送到STM32数字化控制模块的A/D转换通道，STM32数字化控制模块通过软件算法实现A/D转换，把A/D转换的结果与人机界面模块给定的参数进行PI运算后，发给STM32内嵌的移相脉宽调制模块一个控制信号，使移相脉宽调制模块产生四路移相PWM信号，四路移相PWM信号经过高频驱动模块隔离放大后对主电路进行移相调制。此处采用了定时器周期中断和下溢中断，在定时器周期中断触发后，周期中断服务程序里将原来的增计数的比较匹配值更改为减计数需要的匹配值，在下溢中断触发的时候，在下溢中断服务程序里将原来的减计数的比较匹配值更改为下一周期增计数需要的比较匹配值，实现全桥移相软开关控制；采用一个周期定时器对输出电流给定值进行周期性的切换，实现电流的脉冲输出。
[0046]图7所示是本发明的输出脉冲电流图。输出脉冲电流在一个周期内有2个阶段:峰值电流阶段Tp ;基值电流阶段Tb。
[0047]图8所示是本发明的STM32控制系统的程序流程图。设计的软件主要是实现A/D转换结果的读取和输出脉冲电流和电压的控制，即分阶段实现移相角可调的PWM脉冲产生、驱动脉冲的占空比调制、脉冲阶段切换以及恒流控制。控制系统程序的工作原理为:系统初始化后并启动焊接时，程序进入引弧程序，它包括时序控制(送气、送丝等)、慢速送丝引弧，当电流大于一定值，并延长一段时间后，程序进入电流脉冲循环阶段:在峰值电流阶段，当该阶段时间到时进入基值电流阶段；在基值电流阶段，当该阶段时间到时进入峰值电流阶段，如此不断循环往复，实现输出脉冲电流和电压的控制。在各阶段开始时通过算法计算各阶段时间，采用统一定时器对各阶段进行计时，并在各阶段按给定值进行输出电流的恒流控制。在脉冲循环过程中，不断检查焊接停止信号，一旦接到停焊指令，程序进入收弧控制阶段，最后停止焊接并循环等待新的焊枪开关信号。
【权利要求】
1.一种基于STM32的脉冲MIG焊电源系统，其特征是:包括逆变主电路和控制电路；所述逆变主电路包括依次电气连接的输入整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块和输出整流滤波模块；输入整流滤波模块的输入端与三相交流输入电网相连、输出整流滤波模块的输出端与电弧负载相连；所述控制电路包括STM32数字化控制模块、电压电流检测模块、故障保护模块、人机界面模块以及高频驱动模块；电压电流检测模块输入电弧负载、输出至STM32数字化控制模块，故障保护模块输入三相交流、输出至STM32数字化控制模块，STM32数字化控制模块除与人机界面模块互联通讯外还经高频驱动模块连接至高频逆变模块。
2.根据权利要求1所述的基于STM32的脉冲MIG焊电源系统，其特征是:所述的STM32数字化控制模块采用控制芯片STM32F103ZET6，其根据电压电流检测模块检测电弧负载的反馈电压电流参数与人机界面模块给定电压电流参数进行PI运算，发给STM32内嵌的移相脉宽调制模块控制信号，移相脉宽调制模块产生四路移相PWM信号，通过高频驱动模块放大控制高频逆变模块的开关管IGBT在零电压下开通和关断，进行脉冲MIG焊电源输出脉冲电流和电压的控制；所述的人机界面模块采用数字脉冲编码器实现焊接参数的精确给定，人机界面模块实时显示焊接参数。
3.根据权利要求2所述的基于STM32的脉冲MIG焊电源系统，其特征是:所述故障保护模块包括相互连接的过压检测电路、欠压检测电路、过流检测电路和过温检测电路、与门电路和外围电路。
4.根据权利要求3所述的基于STM32的脉冲MIG焊电源系统，其特征是:所述PWM驱动信号是通过高频驱动模块来增强驱动能力。
5.一种用于基于STM32的脉冲MIG焊电源系统的逆变主电路，其特征是:包括输入整流桥(BR1)，第一至第四IGBT开关管(VTl~VT4)，每个开关管上带有寄生二极管和寄生电容(C9~C12)，第一和第三开关管(VTl和VT3)、第二和第四开关管(VT2和VT4)分别依次连接后再并联；另有第一·电容和第三电容(Cl和C3)、第二电容和第四电容(C2和C4)分别并联后再串联；输入整流桥(BRl)的正向输出经电感(LI)后加在第一电容(Cl)正极和第三电容(C3)的一端、反向输出至第二电容(C2)负极和第四电容(C4)的一端；第一开关管和第三开关管(VTl和VT3)之间的输出或输入经并联的第五电容隔直电容(C5)、第六电容隔直电容(C6)后再经第二电感谐振电感(L2)最后至高频隔离变压器(Tl) 一输入端，第二开关管和第四开关管(VT2和VT4)之间的输出或输入至高频隔离变压器(Tl)的另一输入端，第一和第三开关管(VTl和VT3)组成的桥臂为超前桥臂，第二和第四开关管(VT2和VT4)组成的桥臂为滞后桥臂，每个桥臂的2个IGBT开关管成180°互补导通，两个桥臂之间的导通角相差一个相位； 输出整流滤波电路:第五二极管和第六二极管(V5和V6)、第七二极管和第八二极管(V7和V8)分别并联，并联的第五二极管和第六二极管(V5和V6)的正极接高频隔离变压器(Tl)的一输出端、并联的第七二极管和第八二极管(V7和V8)的正极接高频隔离变压器(Tl)的另一输出端，并联的第五二极管和第六二极管(V5和V6)上还并联有第一吸收电阻和第七电容(C7)，第一吸收电阻为并联的第五电阻和第六电阻(R5和R6);同样，并联的第七二极管和第八二极管(V7和V8)上还并联有第二吸收电阻和第八电容(CS)，第二吸收电阻为并联的第七电阻和第八电阻(R7和R8);第五二极管至第八二极管(V5~V8)的负极经第三电感(L3)后为输出的一端、 输出的另一端为高频隔离变压器(Tl)的中间抽头。
【文档编号】B23K9/10GK103586564SQ201310516396
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年10月28日 优先权日:2013年10月28日
【发明者】董重里, 吴开源, 李顺华, 李华佳, 胡平 申请人:广东电网公司电力科学研究院, 华南理工大学