一种基于stm32的一体化双丝脉冲mig焊电源系统的利记博彩app
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于STM32的一体化双丝脉冲MIG焊电源系统，包括主机电源主电路、从机电源主电路及控制电路；所述主机电源主电路一端与三相交流输入电网连接，其另一端与主机电弧负载连接；所述从机电源主电路一端与三相交流输入电网连接，其另一端与从机电弧负载连接；所述控制电路包括单一STM32数字化控制模块、第一控制模块及第二控制模块，所述主机电源主电路通过第一控制模块与单一STM32数字化控制模块连接，所述从机电源主电路通过第二控制模块与单一STM32数字化控制模块连接。本实用新型使用单一STM32芯片控制一体化的双丝脉冲MIG焊电源系统，系统结构简单。
【专利说明】—种基于STM32的一体化双丝脉冲MIG焊电源系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种基于STM32的高频IGBT逆变【技术领域】，特别涉及一种基于STM32的一体化双丝脉冲MIG焊电源系统。
【背景技术】
[0002]双丝脉冲MIG焊因具有焊接速度高、熔敷系数高、焊接质量好等优点而备受各国焊接学者关注。与单电弧焊接技术相比，双丝脉冲MIG焊由于两个电弧共同在一个熔池上燃烧，不仅提高了总的焊接热输入，而且改变了热量分布的特点，在进行高速焊时能有效避免咬边等缺陷，可以大大提高焊接速度和生产效率，能够获得优质美观的焊缝质量。目前，高效化焊接方法和不同焊接工艺的组合大量应用于各种生产场合。
[0003]常用的双丝脉冲MIG焊采用两台双控制系统经协同控制的焊接电源供电。两台双控制系统的焊接电源要实现协同控制，必须在工作过程中进行数据通信，以确保它们的输出电流的相位关系，通常采用CAN现场总线逐脉冲通信的方式，但该方式硬件设计复杂，容易受到外界干扰，不利于焊接过程的稳定。而一体化双丝脉冲MIG焊可通过单一控制系统实现主机电源和从机电源输出电压电流的调节和电流脉冲相位的协同控制，避免了上述缺陷。
[0004]由此可见，现有的双丝脉冲MIG焊技术主要有以下几个方面的缺点:
[0005](I)结构复杂。分体式双丝脉冲MIG焊主机电源和从机电源相互独立，并采用独立的控制系统进行控制，两个控制系统之间通过通信协议来进行数据交换实现主机电源和从机电源之间脉冲电流相位的协同控制。分体式双丝脉冲MIG焊系统结构复杂，体积庞大，控制系统软件复杂。
[0006](2)系统不够稳定。分体式双丝脉冲MIG焊采用通信协议的方式进行数据交换实现主机电源和从机电源之间电流相位的协同控制，该方式容易受到外界干扰，不利于焊接过程的稳定。
实用新型内容
[0007]为了克服上述现有技术存在的不足之处，本实用新型提供一种基于STM32的一体化双丝脉冲MIG焊电源系统。
[0008]本实用新型的目的通过下述技术方案实现:
[0009]一种基于STM32的一体化双丝脉冲MIG焊电源系统，包括主机电源主电路、从机电源主电路及控制电路；
[0010]所述主机电源主电路一端与三相交流输入电网连接，其另一端与主机电弧负载连接；
[0011]所述从机电源主电路一端与三相交流输入电网连接，其另一端与从机电弧负载连接；
[0012]所述控制电路包括单一 STM32数字化控制模块、第一控制模块及第二控制模块，所述主机电源主电路通过第一控制模块与单一 STM32数字化控制模块连接，所述从机电源主电路通过第二控制模块与单一 STM32数字化控制模块连接。
[0013]所述主机电源主电路与从机电源主电路结构相同，均包括依次电气连接的输入整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块及输出整流滤波模块。
[0014]所述第一控制模块与第二控制模块结构相同，均包括一端与单一 STM32数字化控制模块连接的故障保护模块、电压电流检测模块、高频驱动模块，所述故障保护模块的另一端与三相交流输入电网连接，所述高频驱动模块的另一端与高频逆变模块连接，所述电压电流检测模块的另一端与电弧负载连接。
[0015]所述单一 STM32数字化控制模块采用控制芯片STM32F103ZET6，所述控制芯片STM32F103ZET6内嵌移相脉宽调制模块，所述移相脉宽调制模块产生两组四路移相PWM信号，分别控制主机电源主电路及从机电源主电路的开关管的开通和关断。
[0016]所述故障保护模块包括相互连接的过压检测单元、欠压检测单元、过流检测单元和过温检测单元。
[0017]所述高频驱动模块包括TLP250光耦芯片，所述TLP250光耦芯片有4个。
[0018]还包括人机界面模块，所述人机界面模块与单一 STM32数字化控制模块连接。
[0019]一体化双丝脉冲MIG焊电源系统的控制方法，采用周期四阶段控制法，具体包括如下步骤:
[0020]焊接启动，主机电源和从机电源同时进行引弧，引弧成功后进入主机峰值从机基值阶段，计算这一阶段的时间Tl，启动定时器定时，时间到则切换到主从机基值阶段；
[0021]计算主从机基值阶段的时间T2，启动定时器定时，时间到则切换到主机基值从机峰值阶段；
[0022]计算主机基值从机峰值阶段的时间T3，启动定时器定时，时间到则切换到主从机基值阶段；
[0023]计算主从机基值阶段的时间T4，启动定时器定时，时间到则切换到主机峰值从机基值阶段；
[0024]上述阶段中Τ1=Τ3，Τ2=Τ4 ；
[0025]如此不断循环往复，实现主机电源和从机电源的电流脉冲相位关系的协同控制。
[0026]本实用新型的工作原理:
[0027]本实用新型的主机电源主电路和从机电源主电路的结构相同，基于STM32的控制电路调节主机电源和从机电源的输出电压电流和它们的电流脉冲相位关系。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，基于STM32的控制电路根据第一控制模块和第二控制模块的电压电流检测模块分别检测主机和从机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主机电源和从机电源各自四路移相PWM信号，并通过两个高频驱动模块放大去控制主机和从机的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；通过这个过程实现主机电源和从机电源输出电压电流的调节和电流脉冲相位的协同控制；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控制芯片一个低电平故障保护信号，STM32控制芯片产生低电平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。
[0028]本实用新型与现有技术相比，具有如下优点:
[0029](I)本实用新型以一体化方式实现了双丝脉冲MIG焊电源逆变主电路，系统结构
简单；
[0030](2)单一 STM32控制芯片对一体化双丝脉冲MIG焊主机电源和从机电源进行控制，控制系统结构简单，控制功能主要通过软件实现，抗干扰能力强，解决了分体式双丝脉冲MIG焊电源控制系统结构复杂，体积庞大，主机电源和从机电源通信方式容易受干扰等问题；
[0031](3)本实用新型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】
[0032]图1是本实用新型的整体结构框图；
[0033]图2是本实用新型的主机电源主电路或从机电源主电路的电路原理图；
[0034]图3是本实用新型的高频驱动模块的电路原理图；
[0035]图4 Ca)-图4 (b)是本实用新型的电压电流检测模块的电路原理图，其中图4(a)是本实用新型的电压电流检测模块的电压检测电路原理图，图4(b)是本实用新型的电压电流检测模块的电流检测电路原理图；
[0036]图5是本实用新型的故障保护模块的电路原理图；
[0037]图6是本实用新型的单一 STM32数字化控制模块的电路原理图；
[0038]图7是本实用新型的主机电源主电路和从机电源主电路的电流脉冲相位图；
[0039]图8是本实用新型的控制电路的工作流程图。
【具体实施方式】
[0040]下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。
[0041]实施例
[0042]如图1所示，一种基于STM32的一体化双丝脉冲MIG焊电源系统，包括主机电源主电路、从机电源主电路及控制电路；
[0043]所述主机电源主电路一端与三相交流输入电网连接，其另一端与主机电弧负载连接；
[0044]所述从机电源主电路一端与三相交流输入电网连接，其另一端与从机电弧负载连接；
[0045]所述主机电源主电路与从机电源主电路的结构相同，均包括依次电气连接的输入整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块及输出整流滤波模块。
[0046]所述控制电路包括单一 STM32数字化控制模块、第一控制模块及第二控制模块，所述主机电源主电路通过第一控制模块与单一 STM32数字化控制模块连接，所述从机电源主电路通过第二控制模块与单一 STM32数字化控制模块连接。
[0047]所述第一控制模块与第二控制模块结构相同，均包括一端与单一 STM32数字化控制模块连接的故障保护模块、电压电流检测模块、高频驱动模块，所述故障保护模块的另一端与三相交流输入电网连接，所述高频驱动模块的另一端与高频逆变模块连接，所述电压电流检测模块的另一端与电弧负载连接，具体为第一控制模块中的电压电流检测模块与主机电弧负载连接，第二控制模块中的电压电流检测模块与从机电弧负载连接。所述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，所述电压电流检测模块为电压电流传感器，与电弧负载相连接。
[0048]还包括人机界面模块，所述人机界面模块与单一 STM32数字化控制模块连接，采用4个显示数码管显示参数，所述人机界面模块包括主机电源人机界面和从机电源人机界面，人机界面模块实现主机电源和从机电源焊接参数和电流相位关系的输入和焊接参数的显不O
[0049]如图2所示，主机电源主电路与从机电源主电路的结构相同，采用电压型全桥移相软开关变换器，均包括依次电气连接的输入整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块及输出整流滤波模块。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。
[0050]如图3所不本实用新型控制电路中的闻频驱动|旲块原理图，闻频驱动|旲块起到隔离和功率放大的作用，由于STM32输出的PWM是3.3V的方波信号，不能满足驱动IGBT的功率要求，而且也无法实现控制系统与主功率电路间的隔离，因此本实用新型采用日本东芝的TLP250高速光电耦合器组成驱动电路，能对STM32发送过来的驱动脉冲PWMl?PWM4实现快速切换并加大驱动功率。单一 STM32数字化控制模块的PWM输出端分别与4个驱动环节TLP250的2管脚相连，驱动环节的输出分别与逆变桥的4个开关管的G、E极相连。STM32产生的两组四路信号PWMl?PWM4分别作为图中U2?U5光耦TLP250的输入信号，TPl?TP2、TP3?ΤΡ4、ΤΡ5?ΤΡ6、ΤΡ7?ΤΡ8等四对测试点的输出信号分别作为高频软开关逆变模块中的VTl?VT4的4个IGBT的驱动信号，这样，由单一 STM32数字化控制模块输出给TLP250的3.3V的PWM信号不需要电平转换而只需通过高频驱动模块就可以直接驱动高频软开关逆变模块中的IGBT:当STM32输出的PWM信号为高电平信号时，通过高频驱动模块IGBT的G、E极间得到一个+17V的驱动信号而导通；当STM32输出的PWM信号为低电平信号时，通过高频驱动模块，IGBT的G、E极间得到一个-7V的驱动信号而关断。这样就能很好地满足快速IGBT开关功率管的要求。图3中，BI?Β4分别为整流桥、U6?U9分别为三端集成稳压电源。[0051]图4 (a)和图4 (b)分别是本实用新型的电压电流检测模块的电压检测电路原理图和本实用新型的电压电流检测模块的电流检测电路原理图，电压采样信号经过电感L1、L2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的两路电压信号分别输入到单一 STM32数字化控制模块的ADCINO和ADCINl 口，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分别对两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，然后分别将两路电流反馈信号输入到单一 STM32数字化控制模块的ADCIN2和ADCIN3 口，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，就可以实现主机电源和从机电源输出电压电流的调节和电流脉冲相位的协同控制。
[0052]图5是本实用新型的故障保护模块电路原理图，故障保护模块包括相互连接的过压检测单元、欠压检测单元、过流检测单元和过温检测单元。过压和欠压检测单元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。过温检测单元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。过流检测单元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。
[0053]图6是本实用新型的单一 STM32数字化控制模块的电路原理图。里面包括电源转换芯片LT1117-3.3、系统控制芯片STM32F103ZET6、32.768KHz和8MHz无源晶振以及存储芯片IS61LV12816。其中，电源转换模块LT1117-3.3将外部供电电源+5V电平转换成系统控制芯片STM32F103ZET6的+3.3V电平；STM32F103ZET6主要实现对从一体化的主机电源和从机电源输出端采样所得的电压电流进行A/D转换和进行PI运算，再根据运算值输出相应的PWM移相角来驱动主电路的开关管IGBT，实现主机电源和从机电源输出电压电流的调节和电流脉冲相位的协同控制。32.768KHz晶振为STM32F103ZET6的LSE提供时钟，用于支持RTC，8MHz晶振为STM32F103ZET6的HSE提供时钟，作为STM32F103ZET6芯片的主时钟基频，芯片内部经过5倍倍频后得到40MHz主频；存储芯片IS61LV12816主要实现人机界面模块的数据存储；STM32F103ZET6与人机界面模块直接相连接，实现焊接参数给定以及实时显示双丝脉冲MIG焊电源的反馈电压和电流。本实用新型采用Keil公司的软件平台KeiluVision4集成开发平台进行控制参数的调整。[0054]图7所示是本实用新型的主机电源和从机电源的电流脉冲相位图。主机电源和从机电源的电流脉冲相位在一个周期内有4个阶段:上面脉冲图为主机脉冲，下面脉冲图为从机脉冲，如图7所示，Tl阶段主机电源输出峰值电流，从机电源输出基值电流；T2阶段主机电源和从机电源同时输出基值电流；Τ3阶段主机电源输出基值电流，从机电源输出峰值电流；Τ4阶段主机电源和从机电源同时输出基值电流。其中Tl和Τ3阶段的时间相等，Τ2和Τ4的时间相等。
[0055]图8是本实用新型的控制流程图，本实用新型主要实现A/D转换结果的读取和输出电压电流的控制以及主从机电流相位关系的控制，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。工作流程为:系统初始化并启动焊接，进入引弧阶段，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，进入主机电源和从机电源的脉冲循环阶段:在主机峰值从机基值阶段，当该阶段时间到时进入主从机基值阶段；在主从机基值阶段，当该阶段时间到时进入主机基值从机峰值阶段；在主机基值从机峰值阶段，当该阶段时间到时进入主从机基值阶段；在主从机基值阶段，当该阶段时间到时进入主机峰值从机基值阶段，如此不断循环往复，实现主机电源和从机电源的电流脉冲相位关系的协同控制。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。
[0056]上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型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，都包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于STM32的一体化双丝脉冲MIG焊电源系统，其特征在于，包括主机电源主电路、从机电源主电路及控制电路； 所述主机电源主电路一端与三相交流输入电网连接，其另一端与主机电弧负载连接； 所述从机电源主电路一端与三相交流输入电网连接，其另一端与从机电弧负载连接； 所述控制电路包括单一 STM32数字化控制模块、第一控制模块及第二控制模块，所述主机电源主电路通过第一控制模块与单一 STM32数字化控制模块连接，所述从机电源主电路通过第二控制模块与单一 STM32数字化控制模块连接。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主机电源主电路与从机电源主电路结构相同，均包括依次电气连接的输入整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块及输出整流滤波模块。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一控制模块与第二控制模块结构相同，均包括一端与单一 STM32数字化控制模块连接的故障保护模块、电压电流检测模块、高频驱动模块，所述故障保护模块的另一端与三相交流输入电网连接，所述高频驱动模块的另一端与高频逆变模块连接，所述电压电流检测模块的另一端与电弧负载连接。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述单一STM32数字化控制模块采用控制芯片STM32F103ZET6，所述控制芯片STM32F103ZET6内嵌移相脉宽调制模块，所述移相脉宽调制模块产生两组四路移相PWM信号，分别控制主机电源主电路及从机电源主电路的开关管的开通和关断。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述故障保护模块包括相互连接的过压检测单元、欠压检测单元、过流检测单元和过温检测单元。
6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述高频驱动模块包括TLP250光耦芯片，所述TLP250光耦芯片有4个。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，控制电路还包括人机界面模块，所述人机界面模块与单一 STM32数字化控制模块连接。
【文档编号】B23K9/10GK203636175SQ201320759347
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2013年11月26日 优先权日:2013年11月26日
【发明者】吴开源, 李华佳, 章涛, 董重里 申请人:华南理工大学, 广东电网公司电力科学研究院