全数字变极性多功能方波脉冲焊接电源的利记博彩app
【专利摘要】本发明提供了一种全数字变极性多功能方波脉冲焊接电源，涉及焊接设备【技术领域】，其特征在于：包括主电路和控制电路；所述主电路包括依次连接的整流滤波模块、前级逆变模块、中频变压模块、快速整流滤波模块和后级逆变模块；所述整流滤波模块与三相交流输入电源连接，后级逆变模块与电弧负载连接；所述前级逆变模块、中频变压模块、快速整流滤波模块和后级逆变模块均与控制电路连接以实现由控制电路控制电源输出。该焊接电源可实现直流、直流脉冲、方波、方波脉冲和脉冲方波等五种电流波形输出；同时该焊接电源主电路采用双逆变结构，具有良好的电能转换效率和动态响应性能。
【专利说明】全数字变极性多功能方波脉冲焊接电源
【技术领域】
[0001]本发明专利涉及焊接设备【技术领域】，具体是指一种全数字变极性多功能方波脉冲焊接电源。
【背景技术】
[0002]与传统焊机相比，逆变焊机具有高效节能、重量轻、体积小、动态性能好等诸多优点，非常有利于实现精密化控制，已成为焊接设备技术的主流发展方向。但逆变焊机的模型复杂，采用模拟控制或经典控制很难取得良好的控制效果。同时在很多应用场合，为最大限度地降低生产运行成本，往往需要焊机具备“一机多用”功能。例如，在焊接铝、镁等轻质金属及其合金材料时，需采用交流波形焊接以充分利用电弧的阴极破碎作用；同时，为确保焊接工艺质量，需要精确控制焊接过程的热输入，这就要求焊机能够对交流电流的频率、幅值及正负半波占空比等进行精细调节；如果在现场有多种材料的焊接结构件，可能需要采用TIG、MIG、交流方波等多种焊接方法。现有焊机还不能满足这些需求，因此研发出一种多功能的焊接电源，使焊机更符合现时的技术需求。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种全数字变极性多功能方波脉冲焊接电源，该焊接电源可实现直流、直流脉冲、方波、方波脉冲和脉冲方波等五种电流波形输出；同时该焊接电源主电路采用双逆变结构，具有良好的电能转换效率和动态响应性能。
[0004]为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现:一种全数字变极性多功能方波脉冲焊接电源，其特征在于:包括主电路和控制电路；所述主电路包括依次连接的整流滤波模块、前级逆变模块、中频变压模块、快速整流滤波模块和后级逆变模块；所述整流滤波模块与三相交流输入电源连接，后级逆变模块与电弧负载连接；所述前级逆变模块、中频变压模块、快速整流滤波模块和后级逆变模块均与控制电路连接以实现由控制电路控制电源输出。本发明焊接电源能够根据工艺要求，可实现直流、直流脉冲、交流方波、方波脉冲和脉冲方波等五种电流波形输出，电流波形的频率、基值、峰值、占空比等均可根据不同焊接工艺需求灵活调节，从而实现焊接热输入的精确控制，能够满足轻质金属材料、不锈钢、碳钢等多种材料的优质焊接需求。本发明焊接电源的主电路采用双逆变结构，可提高电能转换效率和改善动态响应性能。
[0005]进一步的方案是:所述前级逆变模块采用全桥逆变拓扑结构；所述前级逆变模块采用移相软开关工作模式或硬开关工作模式实现功率换流。前级逆变模块采用全桥高频逆变技术，传递功率强，能量转换效率高；同时前级逆变模块的功率开关管需要承受的电压较低，可避免功率开关管的损坏。
[0006]所述后级逆变模块采用双半桥并联拓扑结构。后级逆变模块采用了双半桥并联拓扑结构，可以充分利用后级逆变模块的功率开关管的电流承载能力，降低了制造成本。[0007]所述快速整流滤波模块采用耦合电抗以实现高性能的平滑滤波。快速整流滤波模块采用了耦合电抗，有效改善了电流纹波，有利于提高焊接质量。
[0008]更进一步的方案是:所述控制电路包括ARM最小系统、高频驱动模块、低频驱动模块、峰值电流检测模块、电流反馈模块和人机交互模块；
[0009]其中，高频驱动模块的输入端与ARM最小系统连接，输出端与前级逆变模块连接；低频驱动模块的输入端与ARM最小系统连接，输出端与后级逆变模块连接；峰值电流检测模块的输出端与ARM最小系统连接，输入端与中频变压模块连接；电流反馈模块的输出端与ARM最小系统连接，输入端与快速整流滤波模块连接；人机交互模块用于电源输出参数的设定，人机交互模块与ARM最小系统连接。设有人机交互模块，使电源的控制更精确，操作更便利，扩展性和一致性更好。
[0010]所述控制电路还包括过压欠压检测模块、过热检测模块和动作检测模块；所述过压欠压检测模块的输入端与三相交流输入电源连接，输出端与ARM最小系统连接；所述过热检测模块和动作检测模块均与ARM最小系统连接。
[0011]焊接电源还包括扩展部件，扩展部件通过CAN接口模块和继电器模块与ARM最小系统连接；所述扩展部件包括高频引弧装置、供气装置、冷却装置、行走机构、送丝机、磁控电弧装置和管板焊机头中任一项或一项以上。
[0012]优选的方案是:所述人机交互模块采用数字面板。
[0013]所述数字面板包括型号为TM4C123FH6PM的ARM微处理器二、键盘、CPLD芯片、正交编码器、数码管和LED灯以及外围辅助电路；所述ARM微处理器二分别与ARM最小系统、键盘和CPLD芯片连接；所述CPLD芯片分别与正交编码器、数码管和LED灯连接。本发明焊接电源采用基于“ARM+CPLD”双芯结构的数字面板，实现多参数精确设定和精细调节。
[0014]优选的方案是:所述ARM最小系统包括型号为LM4F232H5QC的ARM微处理器一、芯片供电子模块、晶振子模块、JTAG调试子模块和复位子模块；所述ARM微处理器设有基于FreeRTOS实时内核的变极性方波焊接电源数字控制软件。型号为LM4F232H5QC的ARM微处理器一是基于SOC级Cortex-M4内核ARM微处理器,本发明焊接电源以基于Cortex_M4内核的ARM微处理器为核心，以FreeRTOS为实时内核，实现多任务实时调度和焊接工艺过程的精确控制。
[0015]与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果:
[0016]1、本发明焊接电源实现了对输出电流波形的柔性控制，提高焊接电源输出能量的控制精确度，能够实现直流、直流脉冲、交流方波、方波脉冲和脉冲方波等多种波形的输出，工艺适应性好，能够满足多种焊接工艺的需求；尤其适用于轻质金属材料；
[0017]2、本发明焊接电源实现了全数字控制，使方波脉冲焊接电源具有更好的一致性、动态响应性能和可靠性；
[0018]3、本发明焊接电源采用双逆变拓扑结构，动态响应好，能够进一步提高效率和逆变频率，节省材料，降低了制造成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是本发明焊接电源的系统结构框图；
[0020]图2是本发明焊接电源的主电路原理图；[0021]图3是本发明焊接电源的控制电路结构框图；
[0022]图4是本发明焊接电源的ARM最小系统的原理图；
[0023]图5是本发明焊接电源的数字面板结构框图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步详细的描述。
[0025]实施例
[0026]一种全数字变极性多功能方波脉冲焊接电源，其系统结构框图如图1所示。焊接电源包括主电路100和控制电路200。主电路100包括依次连接的整流滤波模块101、前级逆变模块102、中频变压模块103、快速整流滤波模块104和后级逆变模块105 ;整流滤波模块101与三相交流输入电源连接，后级逆变模块105与电弧负载106连接；前级逆变模块102、中频变压模块103、快速整流滤波模块104和后级逆变模块105均与控制电路200连接以实现由控制电路200控制焊接电源的输出。本发明焊接电源能够根据工艺要求，可实现直流、直流脉冲、交流方波、方波脉冲和脉冲方波等5种电流波形输出，电流波形的频率、基值、峰值、占空比等均可根据不同焊接工艺需求灵活调节，从而实现焊接热输入的精确控制，能够满足轻质金属材料、不锈钢、碳钢等多种材料的优质焊接需求，尤其适用于轻质金属材料的优质高效焊接。
[0027]主电路100采用双逆变结构，可提高电能转换效率和改善动态响应性能。前级逆变模块102采用全桥逆变拓扑结构；前级逆变模块102采用移相软开关工作模式或硬开关工作模式实现功率换流。前级逆变模块102采用全桥高频逆变技术，传递功率强，能量转换效率高；同时前级逆变模块102的功率开关管需要承受的电压较低，可避免功率开关管的损坏。后级逆变模块105采用双半桥并联拓扑结构。后级逆变模块105采用了双半桥并联拓扑结构，可以充分利用后级逆变模块105的功率开关管的电流承载能力，降低了制造成本。快速整流滤波模块104采用耦合电抗以实现高性能的平滑滤波，有效改善了电流纹波，有利于提闻焊接质量。
[0028]本实施例焊接电源以前级逆变模块102采用硬开关工作模式为例进行介绍。主电路100的原理图如图2所示。首先，三相交流输入电源连接整流滤波模块101，变为较平滑的直流电。之后，流入前级逆变模块102，经过由功率开关管S1、功率开关管S2、功率开关管S3和功率开关管S4构成的逆变桥，通过功率开关管的高频开通和关断，将直流电转换为高频方波交流电；其中，二极管D9、二极管Dltl、二极管Dn、二极管D12分别为功率开关管S1、功率开关管S2、功率开关管S3和功率开关管S4的反并联二极管，而电阻R3、电容C3、电阻R4、电容c4、电阻r5、电容C5、电阻R6、电容C6分别为功率开关管S1、功率开关管S2、功率开关管S3和功率开关管S4的吸收电路。当前级逆变模块102工作于软开关模式时，电阻R3、电阻R4、电阻R5和电阻R6的值均为零。然后，方波电流流入中频变压模块103进行降压。经过降压之后的低压高频交流方波进入快速整流滤波模块104，变成平滑的直流电。其中L2_1、L2_2为耦合电抗，可以进一步降低纹波电流。而后级逆变模块105则为双半桥并联结构，其中功率开关管S5和功率开关管S7组成一个半桥，功率开关管S6和功率开关管S8是另一个半桥，两个半桥并联工作。当功率开关管S5和功率开关管S6或者功率开关管S7和功率开关管S8全导通时，焊接电源工作于直流输出模式，通过对前级逆变模块102开关占空比的调节，可以输出直流和直流脉冲电流波形。当功率开关管S5和功率开关管S6与功率开关管S7和功率开关管S8交替导通时，此时焊接电源工作于交流模式，可以输出交流方波，此时，如果在前级逆变模块102对输出的电流值进行调制，而在后级逆变模块105对功率开关管S5和功率开关管S6与功率开关管S7和功率开关管S8的交替导通的频率和占空比进行调节，则可以得到频率、占空比和电流值均可以柔性调节的变极性电流波形，可以满足交流方波、方波脉冲和脉冲方波等焊接工艺过程能量的精细调节需求。
[0029]控制电路200的结构框图如图3所示。控制电路200包括ARM最小系统205、高频驱动模块206、低频驱动模块209、峰值电流检测模块207、电流反馈模块208和人机交互模块210 ;以及供电模块201。
[0030]其中，高频驱动模块206的输入端与ARM最小系统205连接，输出端与前级逆变模块102连接；低频驱动模块209的输入端与ARM最小系统205连接，输出端与后级逆变模块105连接；峰值电流检测模块207的输出端与ARM最小系统205连接，输入端与中频变压模块103连接；电流反馈模块208的输出端与ARM最小系统205连接，输入端与快速整流滤波模块104连接；人机交互模块210用于电源输出参数的设定，人机交互模块210与ARM最小系统205连接。设有人机交互模块210，使电源的控制更精确，操作更便利，扩展性和一致性更好。
[0031]控制电路200还包括过压欠压检测模块204、过热检测模块203和动作检测模块202 ;过压欠压检测模块204的输入端与三相交流输入电源连接，输出端与ARM最小系统205连接；过热检测模块203和动作检测模块202均与ARM最小系统205连接。
[0032]本实施例焊接电源的工作原理是:用户通过人机交互模块210设定电流设定值，人机交互模块210生成并发送电流设定信号，ARM最小系统205接收电流设定信号以设定电流值变化规律，通过电流反馈模块208检测快速整流滤波模块104的输出电流值，然后将该值与电流设定值进行比较，通过运行于FreeRTOS实时内核上的控制软件进行数字调节运算，然后通过PWM模块产生数字PWM信号，经过高频驱动模块206的电气隔离和放大后，驱动前级逆变模块102的四个功率开关管，控制其开通和关断的占空比，实现输出电流的恒流特性闭环控制，使得输出电流大小符合设定的要求；同时，ARM最小系统205还根据人机交互模块210设定的电流波形的占空比和频率值，通过HMER模块控制GPIO端口产生低频的数字PWM信号，然后将该信号通过低频驱动模块209进行电气隔离和放大，然后对后级逆变模块105进行低频调制，获得所需的占空比和频率值。控制电路就是通过对前级逆变模块102和后级逆变模块105的协同控制来实现多参数波形的柔性控制。
[0033]ARM最小系统205的一个优选方案是，ARM最小系统205包括型号为LM4F232H5QC的ARM微处理器一。ARM微处理器设有基于FreeRTOS实时内核的变极性方波焊接电源数字控制软件。型号为LM4F232H5QC的ARM微处理器一是基于SOC级Cortex_M4内核ARM微处理器。ARM微处理器一包含11个物理GPIO模块的通用输入/输出端口，支持多达69个可编程的输入/输出管脚，焊接过程的动作检测模块201、过热检测模块203、欠过压检测204以及继电器模块212均直接与ARM微处理器一的GPIO模块连接；同时，ARM微处理器一还具有两个12位分辨率的ADC模块，支持22路输入通道，采样速度高达1，000, 000次/秒，峰值电流检测模块207和电流反馈模块208均直接与ARM微处理器一的ADC模块连接；ARM微处理器一还具有两个PWM模块，可产生16路PWM输出信号，因此高频驱动模块206直接与ARM微处理器一的PWM模块相连；ARM微处理器一还具有六个通用TMER模块，可用来控制GPIO端口产生后级逆变模块105功率开关管的低频PWM信号，因此低频驱动模块209直接与ARM微处理器一的GPIO端口连接；ARM微处理器一还具有八个16C550型串行接口的特性通用UART模块，具备独立发送接收的硬件FIFO，因此人机交互模块210直接与ARM微处理器一的UART模块连接通信。
[0034]本发明焊接电源首次构建了基于SOC级Cortex_M4内核ARM微处理器和FreeRTOS实时内核的多功能变极性方波焊接电源的全数字控制平台，实现了所有PWM控制的数字化、人机交互的数字化以及焊接工艺过程控制的数字化，使电源的控制更精确，操作更便利，扩展性和一致性更好。同时本发明焊接电源充分利用了 SOC级M4内核ARM微处理器的丰富硬件资源和高速数据处理能力，更有利于焊接热输入的精确控制。
[0035]ARM最小系统205的原理图如图4所示。ARM最小系统205还包括芯片供电子模块、晶振子模块、JTAG调试子模块和复位子模块。芯片供电子模块包括型号为SPE117M的电源芯片；晶振子模块由晶振Yl和晶振Y2及其辅助电路构成；复位子模块由开关sw1、i阻R2和电容Cl构成。
[0036]ARM微处理器一内置DSP功能模块，为基于Cortex_M4内核的SOC级芯片，是整个电路的灵魂，其内部固化有基于FreeRTOS实时内核的变极性方波焊接电源数字控制软件，完成电流信号、焊枪动作、欠过压过热等故障信号的检测和处理任务；此外，还与数字面板通信，实现数据的交互；同时将人机交互模块发送过来的给定信号与采样的信号进行数字运算处理，根据运算处理结果，控制ARM微处理器一的PWM模块产生相应占空比的数字PWM信号经高频驱动模块206去控制前级逆变模块102，实现电流闭环控制，同时通过ARM微处理器一的HMER模块输出相应的低频数字PWM信号，对后级逆变模块105进行低频调制，以获得所需的电流波形输出，完成焊接工艺过程控制。利用ARM微处理器一的丰富引脚和外设以及强大的数据处理能力，使得本发明焊接电源的多参数调节与控制更为方便，成本低廉，操作简便，开发集成度高，易于推广。
[0037]人机交互模块210优选采用数字面板。数字面板的结构框图如图5所示。数字面板包括型号为TM4C123FH6PM的ARM微处理器二、键盘、CPLD芯片、正交编码器、数码管和LED灯以及外围辅助电路；ARM微处理器二分别与ARM最小系统、键盘和CPLD芯片连接；CPLD芯片分别与正交编码器、数码管和LED灯连接。型号为TM4C123FH6PM的ARM微处理器二是基于Cortex-M4内核；CPLD芯片采用型号为EPM240T100的芯片。本发明焊接电源采用基于“ARM+CPLD”双芯结构的数字面板，实现多参数精确设定和精细调节。利用ARM微处理器二的控制能力和强大的运算能力，实现多参数的输入和运算处理；同时，利用CPLD芯片拥有的大量可编程I/O 口实现焊接参数的设置以及显示。ARM微处理器二通过SSI通信与CPLD芯片实现指令以及数据传输，设置选择焊接参数的按键与ARM微处理器二连接，而设置调整焊接参数的正交编码器先与CPLD芯片连接，通过CPLD芯片的硬件去毛刺功能去除实际操作过程中产生的毛刺之后再传送至ARM微处理器二的QEI接口，得出需要调整的参数的变化大小值。焊接参数显示的数码管与CPLD芯片相连。
[0038]焊接电源还包括扩展部件300，扩展部件300通过CAN接口模块211和继电器模块212与ARM最小系统205连接；扩展部件300根据具体焊接工艺需求，可包括高频引弧装置308、供气装置307、冷却装置306、行走机构305、送丝机303、磁控电弧装置302、管板焊机头301等功能单元；扩展部件300与继电器模块212相连，由继电器模块212控制扩展部件300中各个功能单元的工作状态；送丝机303、磁控电弧装置302和管板焊机头301还可以通过CAN BUS与CAN接口模块211相连以实现通信。
[0039]本实施例具有以下特点:
[0040]1、全数字化:本实施例首次构建了基于SOC级Cortex_M4内核ARM微处理器和FreeRTOS实时内核的多功能变极性方波焊接电源的全数字控制平台，实现了所有PWM控制的数字化、人机交互的数字化以及焊接工艺过程控制的数字化，使电源的控制更精确，操作更便利，扩展性和一致性更好；
[0041]2、宽适应性:本实施例充分利用了 SOC级M4内核ARM微处理器的丰富硬件资源和高速数据处理能力，能够根据工艺要求，实现直流、直流脉冲、交流方波、方波脉冲和脉冲方波等5种电流波形输出，电流波形的频率、基值、峰值、占空比等均可根据不同焊接工艺需求灵活调节，从而实现焊接热输入的精确控制，能够满足轻质金属材料、不锈钢、碳钢等多种材料的优质焊接需求；
[0042]3、高效化:本实施例采用了双逆变结构，前级逆变模块采用全桥高频逆变技术，传递功率强，能量转换效率高，功率管承受的电压较低；快速整流滤波模块里采用了耦合电抗，有效的改善了电流纹波，有利于提高焊接质量；而在后级逆变模块采用了双半桥并联结构，可以充分利用功率管的电流承载能力，降低了制造成本。
[0043]上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种全数字变极性多功能方波脉冲焊接电源，其特征在于:包括主电路和控制电路；所述主电路包括依次连接的整流滤波模块、前级逆变模块、中频变压模块、快速整流滤波模块和后级逆变模块；所述整流滤波模块与三相交流输入电源连接，后级逆变模块与电弧负载连接；所述前级逆变模块、中频变压模块、快速整流滤波模块和后级逆变模块均与控制电路连接以实现由控制电路控制电源输出。
2.根据权利要求1所述的全数字变极性多功能方波脉冲焊接电源，其特征在于:所述前级逆变模块采用全桥逆变拓扑结构；所述前级逆变模块采用移相软开关工作模式或硬开关工作模式实现功率换流。
3.根据权利要求1所述的全数字变极性多功能方波脉冲焊接电源，其特征在于:所述后级逆变模块采用双半桥并联拓扑结构。
4.根据权利要求1所述的全数字变极性多功能方波脉冲焊接电源，其特征在于:所述快速整流滤波模块采用耦合电抗以实现高性能的平滑滤波。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的全数字变极性多功能方波脉冲焊接电源，其特征在于:所述控制电路包括ARM最小系统、高频驱动模块、低频驱动模块、峰值电流检测模块、电流反馈模块和人机交互模块； 其中，高频驱动模块的输入端与ARM最小系统连接，输出端与前级逆变模块连接；低频驱动模块的输入端与ARM最小系统连接，输出端与后级逆变模块连接；峰值电流检测模块的输出端与ARM最小系统连接，输入端与中频变压模块连接；电流反馈模块的输出端与ARM最小系统连接，输入端与快速整流滤波模块连接；人机交互模块用于电源输出参数的设定，人机交互模块与ARM最小系统连接。
6.根据权利要求5所述的全数字变极性多功能方波脉冲焊接电源，其特征在于:所述控制电路还包括过压欠压检测模块、过热检测模块和动作检测模块；所述过压欠压检测模块的输入端与三相交流输入电源连接，输出端与ARM最小系统连接；所述过热检测模块和动作检测模块均与ARM最小系统连接。
7.根据权利要求5所述的全数字变极性多功能方波脉冲焊接电源，其特征在于:还包括扩展部件，扩展部件通过CAN接口模块和继电器模块与ARM最小系统连接；所述扩展部件包括高频引弧装置、供气装置、冷却装置、行走机构、送丝机、磁控电弧装置和管板焊机头中任一项或一项以上。
8.根据权利要求5所述的全数字变极性多功能方波脉冲焊接电源，其特征在于:所述人机交互模块采用数字面板。
9.根据权利要求7所述的全数字变极性多功能方波脉冲焊接电源，其特征在于:所述数字面板包括型号为TM4C123FH6PM的ARM微处理器二、键盘、CPLD芯片、正交编码器、数码管和LED灯以及外围辅助电路；所述ARM微处理器二分别与ARM最小系统、键盘和CPLD芯片连接；所述CPLD芯片分别与正交编码器、数码管和LED灯连接。
10.根据权利要求5所述的全数字变极性多功能方波脉冲焊接电源，其特征在于:所述ARM最小系统包括型号为LM4F232H5QC的ARM微处理器一、芯片供电子模块、晶振子模块、JTAG调试子模块和复位子模块；所述ARM微处理器设有基于FreeRTOS实时内核的变极性方波焊接电源数字控制软件。
【文档编号】B23K9/09GK103658933SQ201310703748
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月18日 优先权日:2013年12月18日
【发明者】王振民, 唐少杰, 冯允樑, 郭文龙 申请人:华南理工大学