專利名稱：基于arm的嵌入式數(shù)字化多功能逆變式軟開(kāi)關(guān)弧焊電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光機(jī)電一體化技術(shù)領(lǐng)域，還涉及電力電子技術(shù)、高頻逆 變技術(shù)、數(shù)字化控制技術(shù)以及自動(dòng)控制理論與技術(shù)，具體是指一種基于ARM 的嵌入式數(shù)字化多功能逆變式軟開(kāi)關(guān)弧焊電源。
背景技術(shù)：
目前，在焊接電源領(lǐng)域，由于其工藝所需要的大電流、大功率，傳統(tǒng)的 焊接電源主要以硅整流和晶閘管整流式為主，體積龐大、笨重、能耗低、效 率低，且由于其結(jié)構(gòu)原因，動(dòng)、靜態(tài)特性均不夠理想。采用逆變技術(shù)是解決 這些問(wèn)題的最好辦法。首先，逆變技術(shù)大幅度提高電源的頻率使得電源主變 壓器的體積、質(zhì)量大幅度的減??；同時(shí)，由于電子功率器件工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)， 變壓器等可以采用鐵損很小的磁芯材料，效率得到極大提高；由于主電路中 存在電容，功率因數(shù)得到提高，節(jié)能效果明顯；此外，由于工作頻率很高， 主電路中濾波電感值小，電磁慣性小，易于獲得良好的動(dòng)特性，因此可控性 好?；『改孀冸娫吹臄?shù)字化控制是大勢(shì)所趨。弧焊逆變電源的數(shù)字化控制技 術(shù)，使逆變電源更可靠，性能更好，功能更全， 一致性更好。弧焊逆變電源 的數(shù)字化控制技術(shù)主要有兩個(gè)目的 一是使用數(shù)字化技術(shù)迅速解決弧焊逆變 電源自身問(wèn)題；二是用數(shù)字化技術(shù)提升弧焊逆變電源的功能，滿足先進(jìn)制造 技術(shù)的需求。數(shù)字化控制易于采用先進(jìn)的控制方法和智能控制算法，使得弧 焊電源的智能化程度更高，性能更加完美；控制系統(tǒng)靈活，系統(tǒng)升級(jí)方便， 易于實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的協(xié)同控制，甚至可以在線修改控制算法及控制參數(shù)，而不 必改動(dòng)硬件線路，大大縮短了設(shè)計(jì)周期；控制電路的元器件數(shù)量明顯減少， 因此縮小了控制板體積，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性；控制系統(tǒng) 的可靠性提高，易于標(biāo)準(zhǔn)化；系統(tǒng)的一致性較好，生產(chǎn)制造方便；由于控制 方法靈活，便于多個(gè)逆變電源并聯(lián)運(yùn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)更大功率輸出。目前，嚴(yán)重制約弧焊逆變電源發(fā)展的問(wèn)題之一就是其對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題，"電磁污染"已經(jīng)繼"水、氣、渣、聲"之后被確定為第五大環(huán)境污染源。 為進(jìn)一歩提高我國(guó)電氣電子產(chǎn)品的安全性和可靠性，電氣電子產(chǎn)品的電磁兼 容性要求將納入國(guó)家強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證范圍。在出口方面，由于受歐盟指令的 限制，我國(guó)逆變焊機(jī)產(chǎn)品很難進(jìn)入歐洲市場(chǎng)。中國(guó)已經(jīng)加入世界貿(mào)易組織， 隨著世界經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程的加快，焊機(jī)行業(yè)如不加快逆變電源的"綠色化" 改造進(jìn)程，國(guó)產(chǎn)的逆變焊機(jī)很可能被擠出國(guó)際甚至國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。采用軟開(kāi)關(guān)高 頻逆變技術(shù)，不僅可以有效改善功率器件工作環(huán)境、提高系統(tǒng)可靠性，還可 以有效地降低逆變焊機(jī)電磁干擾，提高逆變焊機(jī)的電磁兼容性，實(shí)現(xiàn)"綠色 化"設(shè)計(jì)，對(duì)國(guó)產(chǎn)逆變焊機(jī)占領(lǐng)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)，推動(dòng)焊機(jī)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步具有重 要意義。數(shù)字化焊接電源是一個(gè)典型的對(duì)時(shí)間要求比較苛刻的嵌入式系統(tǒng)。對(duì)每 一個(gè)異步事件，系統(tǒng)都必須在規(guī)定的有限時(shí)間內(nèi)給出響應(yīng)。例如，對(duì)焊槍手 動(dòng)開(kāi)關(guān)的響應(yīng)，對(duì)起弧和收弧是否成功的信號(hào)的響應(yīng)，對(duì)過(guò)流、過(guò)熱信號(hào)的 響應(yīng)等。在這種系統(tǒng)中，響應(yīng)時(shí)間短、速度快是關(guān)系到焊接過(guò)程的正確性和 焊接質(zhì)量的重要因素。對(duì)異步事件的處理，不僅要輸出正確的結(jié)果，而且還 要看它的處理時(shí)間是否在指定的時(shí)間范圍內(nèi)，否則難以達(dá)到預(yù)期的焊接效果， 甚至?xí)霈F(xiàn)焊接時(shí)序混亂的情況。為追求更快的響應(yīng)速度，除了在控制電路 上采用性能更好、速度更快的微處理器外，運(yùn)行于微處理器上的操作系統(tǒng)的 采用和選擇也是一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)。要達(dá)到強(qiáng)實(shí)時(shí)控制下的穩(wěn)定性和安全 性，這是是否采用嵌入式操作系統(tǒng)以及嵌入式系統(tǒng)是否符合應(yīng)用要求的評(píng)價(jià) 標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全世界嵌入式控制領(lǐng)域，ARM微處理器憑借其高性能、低 功耗、低成本的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用最為廣泛，占有近70%的市場(chǎng)。在逆變焊機(jī)的嵌 入式數(shù)字化控制方面，ARM具有豐富的控制接口，較強(qiáng)大的運(yùn)算能力，綜合 性能好；pC / OS - ll嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)得到了美國(guó)聯(lián)邦航空管理局的穩(wěn)定 性與安全性標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證，是一個(gè)完整的、可移植、固化、裁剪的占先式實(shí)時(shí) 多任務(wù)內(nèi)核，它的函數(shù)調(diào)用和服務(wù)執(zhí)行的時(shí)間具有確定性，是可知的。該時(shí) 間不依賴于用戶應(yīng)用程序任務(wù)數(shù)目的多少；除此之外，它是完全剝奪型的實(shí) 時(shí)內(nèi)核，總是運(yùn)行就緒條件下優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，因此特別適合于焊接電源 這種多任務(wù)、對(duì)時(shí)間要求比較苛刻的場(chǎng)合。據(jù)檢索，目前還未有以32位ARM嵌入式微處理器作為數(shù)字化核心的軟開(kāi)關(guān)逆變焊機(jī)相關(guān)技術(shù)成果，市場(chǎng)上更沒(méi)有相關(guān)的產(chǎn)品；在將mC / OS - ll嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與ARM相結(jié)合，利用模塊化、可移植的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)軟開(kāi)關(guān)逆變焊機(jī)的實(shí)時(shí)精密化控制方 面，還沒(méi)有相關(guān)的報(bào)道，均屬于空白。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的就是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足之處，針對(duì)目前弧焊電源存在的問(wèn)題以及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，提供一種基于ARM的嵌 入式數(shù)字化多功能逆變式軟開(kāi)關(guān)弧焊電源。該電源以32位ARM嵌入式微處理 器為核心，將[JC/0S-Il嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)移植到焊機(jī)的控制中，結(jié)合軟 開(kāi)關(guān)高頻逆變技術(shù)，使焊機(jī)具備優(yōu)異的一致性、可靠性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，實(shí) 現(xiàn)手工焊/氬弧焊/脈沖氬弧焊等三種焊接功能，基于電弧瞬態(tài)能量的精細(xì) 化控制技術(shù)，優(yōu)化利用焊接電弧能量，提高熱效率，保證良好的電弧穩(wěn)定性， 以獲得優(yōu)質(zhì)的焊縫性能。本實(shí)用新型的目的通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型所述基于ARM的嵌入式數(shù)字化多功能逆變式軟開(kāi)關(guān)弧焊電 源，包括主電路、控制電路以及高頻引弧電路相互連接組成；所述主電路包 括整流濾波模塊、高頻逆變模塊、功率變壓模塊、整流平滑和穩(wěn)弧模塊依次 連接組成，所述整流濾波模塊與三相交流輸入電源相連接，所述整流平滑和 穩(wěn)弧模塊與負(fù)載相連接；所述控制電路包括過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模塊、電流電 壓采樣檢測(cè)與反饋模塊、ARM微控制器和高頻驅(qū)動(dòng)模塊相互連接組成，所述 ARM微控制器分別與高頻驅(qū)動(dòng)模塊、電流電壓采樣檢測(cè)與反饋模塊、過(guò)壓欠 壓保護(hù)檢測(cè)模塊相連接，所述電流電壓采樣檢測(cè)與反饋模塊的另一端還與負(fù) 載相連接，所述過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模塊的另一端還與三相交流輸入端相連接， 所述高頻驅(qū)動(dòng)模塊還與高頻逆變模塊相連接；所述高頻引弧電路分別與ARM 微控制器、負(fù)載相連接。為了更好地實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型，所述ARM微控制器分別連接有人機(jī)對(duì)話模 塊、溫度檢測(cè)模塊、網(wǎng)絡(luò)化管理擴(kuò)展模塊；所述高頻驅(qū)動(dòng)模塊包括兩個(gè)由高 頻場(chǎng)效應(yīng)管、脈沖變壓器構(gòu)成的高頻驅(qū)動(dòng)單元SC7024M以及外圍電路相互連 接組成；所述ARM微控制器采用32位高速ARM嵌入式微處理器，包括固化有 IJC/OS- ll嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的ARM芯片、ULN2003A以及外圍電路相互連接組成；所述整流平滑和穩(wěn)弧模塊包括電容〇3.5、 C6-8以及整流橋BJ目互連接組成；所述高頻引弧電路包括芯片IC1555、脈沖變壓器T1及外圍電路相互 連接組成。本實(shí)用新型為基于ARM微控制器的數(shù)字化IGBT軟開(kāi)關(guān)逆變式多功能焊 接電源，主電路全橋逆變式拓?fù)?，在非手工焊時(shí)采用高頻引弧。脈寬調(diào)制是 通過(guò)在pC / OS - ll嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中進(jìn)行軟件編程，來(lái)實(shí)現(xiàn)給定信號(hào)與 反饋信號(hào)的比較運(yùn)算，并通過(guò)ARM微控制器的PWM模塊輸出兩組四路相位 差可調(diào)節(jié)的推挽驅(qū)動(dòng)信號(hào)，來(lái)控制功率開(kāi)關(guān)管IGBT按照一定的時(shí)序?qū)ㄅc關(guān) 閉，實(shí)現(xiàn)高頻交直流轉(zhuǎn)變。電流反饋是在負(fù)載電流輸出端用霍爾元件檢測(cè)輸 出電流，得到采樣信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大、比較，再輸送到ARM微控制器，來(lái)改變 功率管IGBT的導(dǎo)通與截止時(shí)間，實(shí)現(xiàn)占空比的調(diào)節(jié)以達(dá)到功率調(diào)節(jié)的目的， 使電弧的瞬時(shí)輸出能量保持穩(wěn)定，達(dá)到焊接過(guò)程精細(xì)化控制的目的。本實(shí)用新型與現(xiàn)有的技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果1、 本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化控制，使焊機(jī)具有更好的一致性、動(dòng)態(tài)響 應(yīng)性能和可擴(kuò)展性。2、 本實(shí)用新型對(duì)焊接電弧的瞬態(tài)能量進(jìn)行實(shí)時(shí)精細(xì)化控制，使焊接過(guò)程 的控制更精確和柔性化，優(yōu)化利用焊接電弧能量，提高熱效率，保證良好的 電弧穩(wěn)定性，以獲得優(yōu)質(zhì)的焊接質(zhì)量。3、 本實(shí)用新型采用軟開(kāi)關(guān)高頻IGBT逆變技術(shù)，在進(jìn)一歩提高效率和逆 變頻率、節(jié)省制造材料的同時(shí)，改善器件工作環(huán)境，提高了逆變焊機(jī)的電磁 兼容能力和可靠性。4、 本實(shí)用新型能夠提供手工焊/直流氬弧焊/脈沖氬弧焊等多功能的應(yīng) 用，同時(shí)還預(yù)留了網(wǎng)絡(luò)化管理的接口功能。


圖1是本實(shí)用新型的電路方框圖； 圖2是本實(shí)用新型的主電路的電路原理圖； 圖3是本實(shí)用新型的高頻驅(qū)動(dòng)模塊的電路原理圖；圖4是本實(shí)用新型的高頻驅(qū)動(dòng)模塊中高頻驅(qū)動(dòng)單元SC7024M的電路原理圖；圖5是本實(shí)用新型的ARM微控制器的電路原理圖；圖6是本實(shí)用新型的高頻引弧電路的電路原理圖； 圖7是本實(shí)用新型的整流平滑和穩(wěn)弧模塊的電路原理圖；圖8是本實(shí)用新型的焊機(jī)基本工作(手工焊/直流氬弧焊/脈沖氬弧焊) 流程示意圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，但本實(shí)用 新型的實(shí)施方式并不局限于此。如圖1所示，本實(shí)用新型所述基于ARM的嵌入式數(shù)字化多功能逆變式軟 開(kāi)關(guān)弧焊電源包括主電路、控制電路以及高頻引弧電路相互連接組成。主電路包括整流濾波模塊101、高頻逆變模塊102、功率變壓模塊103、整流平滑 和穩(wěn)弧模塊104依次連接組成，整流濾波模塊101與三相交流輸入電源相連 接，整流平滑和穩(wěn)弧模塊104與負(fù)載相連接。控制電路包括過(guò)壓欠壓保護(hù)檢 測(cè)模塊109、電流電壓采樣檢測(cè)與反饋模塊107、 ARM微控制器105和高頻驅(qū) 動(dòng)模塊106相互連接組成，ARM微控制器105分別與高頻驅(qū)動(dòng)模塊106、電流 電壓采樣檢測(cè)與反饋模塊107、過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模塊109相連接，電流電壓 采樣檢測(cè)與反饋模塊107的另一端還與負(fù)載相連接，過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模塊 109的另一端還與三相交流輸入端相連接，高頻驅(qū)動(dòng)模塊106還與高頻逆變模 塊102相連接。高頻引弧電路111分別與ARM微控制器105、負(fù)載相連接。ARM 微控制器105還分別連接有人機(jī)對(duì)話模塊108、溫度檢測(cè)模塊110、網(wǎng)絡(luò)化管 理擴(kuò)展模塊112，其中，溫度檢測(cè)模塊110包括過(guò)熱檢測(cè)電路與過(guò)熱故障分析 電路,其一端與散熱器和功率變壓器上的溫度傳感器相連接，另一端與ARM微 處理器105的中斷輸入引腳相連；人機(jī)對(duì)話模塊108包括對(duì)給定信號(hào)、輸出信 號(hào)的處理以及顯示電路；網(wǎng)絡(luò)化管理擴(kuò)展模塊112主要包括基于TCP/ IP、 CAN等通信擴(kuò)展應(yīng)用電路。如圖2所示，在主電路中，三相交流輸入電源連接整流濾波模塊101的整 流橋，然后連接濾波環(huán)節(jié)h、 C5-8，再連接高頻逆變模塊102的逆變橋VT"4、 Cn-14、 FV8，其中，F(xiàn)Vs在實(shí)際電路當(dāng)中用零電阻線代替，Cu"4為外接的 諧振電容。高頻逆變模塊102的輸出連接功率變壓模塊103的高頻功率變壓器 T1初級(jí)，變壓器次級(jí)通過(guò)高頻全波整流電路D卜4、濾波環(huán)節(jié)1_2、 C9-10、C15-16、 Rh2、 Rg后輸出直流電，以上環(huán)節(jié)構(gòu)成功率主電路。高頻逆變模塊102包括TR和TR2兩個(gè)逆變橋臂(分別為超前橋臂和滯后橋臂)，每個(gè)橋臂包含了兩個(gè)單元的IGBT。如圖3、 4所示，高頻驅(qū)動(dòng)模塊106主要起到數(shù)模隔離以及功率放大作用， 包括兩個(gè)由高頻場(chǎng)效應(yīng)管、脈沖變壓器等構(gòu)成的高頻驅(qū)動(dòng)單元SC7024M以及 外圍電路。由ARM微控制器105輸出的四路相位差可調(diào)、死區(qū)時(shí)間可調(diào)的 PWM信號(hào)，通過(guò)高頻驅(qū)動(dòng)模塊106之后變成能夠驅(qū)動(dòng)IGBT功率器件得四路驅(qū) 動(dòng)信號(hào)，分別驅(qū)動(dòng)超前和滯后逆變橋臂TR、 TR2的四個(gè)IGBT模塊。由ARM 微控制器105提供的PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)高頻驅(qū)動(dòng)模塊106隔離放大之后，轉(zhuǎn)變?yōu)?正半波最高幅值+ 15V，負(fù)半波最低幅值-15V的交流脈沖信號(hào)，可以滿足大 功率IGBT可靠開(kāi)啟和關(guān)斷的需要。通過(guò)控制超前橋臂和滯后橋臂的相位差 異，也即控制PWM信號(hào)的移相角，逆變主回路中的外接諧振電容、寄生電容 和功率變壓器的寄生電感、漏感等構(gòu)成了一個(gè)LC諧振回路，在功率開(kāi)關(guān)器件 開(kāi)關(guān)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)零電壓諧振換流，開(kāi)關(guān)損耗低，器件的電磁應(yīng)力大幅度降低。如圖5所示，ARM微控制器105采用32位高速ARM嵌入式微處理器，以 固化于ARM芯片內(nèi)的pC/OS - ll嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為逆變焊機(jī)的操作系 統(tǒng)平臺(tái)，由ARM芯片、ULN2003A以及輔助電路相互連接組成。根據(jù)電流電 壓采樣檢測(cè)與反饋模塊107檢測(cè)到負(fù)載的電流電壓與給定的參數(shù)進(jìn)行比較， 并在IJC / OS - ll嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上完成數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理，再經(jīng)過(guò)ARM微 控制器105的PWM引腳輸出四路相位差可調(diào)節(jié)的PWM信號(hào)，并通過(guò)高頻驅(qū)動(dòng) 模塊106隔離和放大后去控制高頻逆變模塊102的開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷。ARM芯 片主要實(shí)現(xiàn)電源的輸出特性控制、焊接過(guò)程的時(shí)序控制、外部監(jiān)控與人機(jī)對(duì) 話的功能。外部監(jiān)控信號(hào)如電源指示、故障指示、欠過(guò)壓指示等都是通過(guò)ARM 芯片來(lái)控制的，焊接模式的選擇、脈沖焊接時(shí)的脈沖頻率、電流上升下降時(shí) 間、焊接電流、高頻引弧、電流電壓顯示信號(hào)的控制也都是通過(guò)ARM芯片來(lái) 完成的。其中，欠壓保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)等輸出信號(hào)接入U(xiǎn)LN2003A， 然后與ARM微控制器相連接。利用ARM芯片控制外部監(jiān)控與人機(jī)對(duì)話使得本 焊接電源的多參數(shù)調(diào)節(jié)與控制更方便，使用更簡(jiǎn)易，易于推廣。如圖6所示，高頻引弧電路111采用弱電流高頻高壓引弧技術(shù)。脈沖變 壓器T1的一端通過(guò)電阻R6與輸入供電整流部分相連接，另一端與高頻場(chǎng)效 應(yīng)管Q1相連，由IC1555芯片構(gòu)成的脈沖發(fā)生電路控制高頻場(chǎng)效應(yīng)管Q1的開(kāi)通和關(guān)斷，來(lái)控制脈沖變壓器的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)脈沖轉(zhuǎn)換功能；火花放電器(P1、 P2)、電容C6、脈沖變壓器T1構(gòu)成了高頻震蕩回路。高頻引弧電 路111通過(guò)芯片IC1555觸發(fā)器控制高頻開(kāi)關(guān)場(chǎng)效應(yīng)管Q1快速開(kāi)通與關(guān)閉， 實(shí)現(xiàn)脈沖變壓器T1的原邊產(chǎn)生高頻信號(hào)，通過(guò)與負(fù)載電路耦合的變壓器， 使輸出端得到高頻信號(hào)。引弧時(shí)，讓鎢極末端與焊接表面之間保持一定的小 間隙，然后接通高頻振蕩器脈沖引弧電路，使間隙擊穿放電而引燃電弧，實(shí) 現(xiàn)可靠的非接觸引弧，還可防止焊縫產(chǎn)生夾鎢缺陷。如圖7所示，整流平滑和穩(wěn)弧模塊104主要由電容〇3-5、 。6-8以及整流橋 B^勾成，利用電容吸收回路中的能量，由ARM微控制器105根據(jù)電弧瞬態(tài)能 量的實(shí)時(shí)變化情況，控制整流平滑和穩(wěn)弧模塊104導(dǎo)通時(shí)刻和導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間， 保證電弧能量的穩(wěn)定，使得電弧能夠穩(wěn)定燃燒。如圖8所示，本實(shí)用新型的基本控制流程包括初始化流程(a)、手工焊 控制流程、直流氬弧焊(b)和脈沖氬弧焊的控制流程(c)。應(yīng)用本實(shí)用新 型時(shí)，三相380V工頻交流電經(jīng)過(guò)整流濾波模塊101后成為平滑直流電，進(jìn)入 高頻逆變模塊102， ARM微控制器105對(duì)電流電壓采樣檢測(cè)與反饋模塊107檢 測(cè)到負(fù)載的電流與設(shè)定值進(jìn)行高速數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理，經(jīng)過(guò)ARM微控制器105 的PWM模塊輸出相位差可調(diào)、死區(qū)時(shí)間可調(diào)的四路PWM信號(hào)，這四路PWM 信號(hào)通過(guò)高頻驅(qū)動(dòng)模塊106進(jìn)行數(shù)模隔離與功率放大后去控制高頻逆變模塊 102，通過(guò)逆變回路的移相諧振換流，實(shí)現(xiàn)IGBT功率開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通和 關(guān)斷，并得到20 30KHz高頻高壓電，高頻高壓電再經(jīng)過(guò)功率變壓模塊103 轉(zhuǎn)換成符合焊接工藝要求的大電流低電壓的脈沖電流，再經(jīng)過(guò)整流平滑和穩(wěn) 弧模塊104得到更加平滑的直流電；通過(guò)脈寬調(diào)制的方式實(shí)現(xiàn)逆變焊機(jī)直流 /脈沖輸出，這就是整個(gè)的閉環(huán)控制過(guò)程。溫度檢測(cè)模塊110檢測(cè)散熱片溫 度，送給ARM微控制器105從而控制高頻逆變模塊102，形成過(guò)熱保護(hù)控制環(huán) 節(jié)，以保證電源的安全工作；過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模塊109檢測(cè)三相工頻電壓， 把檢測(cè)到的電壓信號(hào)送給ARM微控制器105，用給定電壓電流與采樣電壓電 流信號(hào)進(jìn)行比較，控制PWM輸出信號(hào)的移相范圍，如出現(xiàn)過(guò)壓、欠壓的現(xiàn)象， ARM微控制器105將關(guān)閉其PWM模塊的輸出，從而保障電源的安全。本實(shí)用新型的上述實(shí)施例具有以下特點(diǎn)1、全數(shù)字化本實(shí)施例首次以32位高速ARM嵌入式微處理器為核心，以(JC / OS - ll嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為弧焊電源的數(shù)字化控制平臺(tái)，充分利用 ARM芯片在嵌入式控制方面的優(yōu)越性能，采用模塊化、可移植的設(shè)計(jì)方法， 通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)電源輸出特性控制、焊接時(shí)序控制和外圍監(jiān)控與人機(jī)對(duì)話功能，兩組移相PWM信號(hào)直接由ARM芯片通過(guò)編程方式輸出，最終實(shí)現(xiàn)弧 焊電源的全數(shù)字化控制，使焊機(jī)具有更好的一致性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和可擴(kuò)展 性。2、 精細(xì)化本實(shí)施例充分利用了32位ARM嵌入式微處理器的高速運(yùn)算 和數(shù)據(jù)處理能力，對(duì)焊接電弧的瞬態(tài)能量(焊接電流與焊接電壓)進(jìn)行實(shí)時(shí) 采集、計(jì)算、分析、推理以及綜合智能判斷，根據(jù)電弧狀態(tài)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制焊 接電源的輸出特性，以達(dá)到對(duì)焊接電弧瞬態(tài)能量?jī)?yōu)化輸出和調(diào)節(jié)的目的，跟 蹤電弧狀態(tài)快速響應(yīng)電弧變化和焊接電流的設(shè)定，同時(shí)通過(guò)穩(wěn)弧吸收模塊的 能量調(diào)節(jié)作用，使焊接過(guò)程的控制更精確和柔性化，保證電弧即使在低電流 情況下依然可以穩(wěn)定的燃燒，以獲得優(yōu)質(zhì)的焊接質(zhì)量。3、 綠色化本實(shí)施例采用軟開(kāi)關(guān)高頻IGBT逆變技術(shù)，通過(guò)移相諧振換 流的方式實(shí)現(xiàn)超前橋臂和滯后橋臂功率IGBT模塊零電壓開(kāi)通和關(guān)斷，使得 IGBT在開(kāi)關(guān)過(guò)程的電流和電壓沖擊小，開(kāi)通和關(guān)斷的損耗低，進(jìn)一歩提高逆 變頻率和能量轉(zhuǎn)換效率、節(jié)省制造材料，降低逆變焊機(jī)電磁干擾，提高逆變 焊機(jī)的電磁兼容性，實(shí)現(xiàn)"綠色化"設(shè)計(jì)，解決嚴(yán)重制約逆變焊機(jī)進(jìn)一歩發(fā) 展所面臨的瓶頸問(wèn)題一電磁污染問(wèn)題。與過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、過(guò)熱檢測(cè)與保 護(hù)等電路相結(jié)合，進(jìn)一步提高了逆變焊機(jī)的安全性和可靠性。4、 多功能化本實(shí)施例能夠提供手工焊/直流氬弧焊/脈沖氮弧焊等多 種功能，在氬弧焊接過(guò)程中可采用高頻引弧模塊控制引弧，實(shí)現(xiàn)非接觸引弧， 起弧容易；通過(guò)電流緩升緩降功能，使得起弧瞬間電流沖擊小，飛濺小，而在收弧過(guò)程弧坑可以得到良好填充，焊縫成形美觀；同時(shí)，還預(yù)留了網(wǎng)絡(luò)化管理的接口功能。如上所述，即可較好地實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型。
權(quán)利要求1、一種基于ARM的嵌入式數(shù)字化多功能逆變式軟開(kāi)關(guān)弧焊電源，其特征是，包括主電路、控制電路以及高頻引弧電路相互連接組成；所述主電路包括整流濾波模塊、高頻逆變模塊、功率變壓模塊、整流平滑和穩(wěn)弧模塊依次連接組成，所述整流濾波模塊與三相交流輸入電源相連接，所述整流平滑和穩(wěn)弧模塊與負(fù)載相連接；所述控制電路包括過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模塊、電流電壓采樣檢測(cè)與反饋模塊、ARM微控制器和高頻驅(qū)動(dòng)模塊相互連接組成，所述ARM微控制器分別與高頻驅(qū)動(dòng)模塊、電流電壓采樣檢測(cè)與反饋模塊、過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模塊相連接，所述電流電壓采樣檢測(cè)與反饋模塊的另一端還與負(fù)載相連接，所述過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模塊的另一端還與三相交流輸入端相連接，所述高頻驅(qū)動(dòng)模塊還與高頻逆變模塊相連接；所述高頻引弧電路分別與ARM微控制器、負(fù)載相連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ARM的嵌入式數(shù)字化多功能逆變式軟開(kāi)關(guān) 弧焊電源，其特征是，所述ARM微控制器分別連接有人機(jī)對(duì)話模塊、溫度檢 測(cè)模塊、網(wǎng)絡(luò)化管理擴(kuò)展模塊。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ARM的嵌入式數(shù)字化多功能逆變式軟開(kāi)關(guān)弧焊電源，其特征是，所述高頻驅(qū)動(dòng)模塊包括兩個(gè)由高頻場(chǎng)效應(yīng)管、脈沖變 壓器構(gòu)成的高頻驅(qū)動(dòng)單元SC7024M以及外圍電路相互連接組成。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ARM的嵌入式數(shù)字化多功能逆變式軟開(kāi)關(guān) 弧焊電源，其特征是，所述ARM微控制器采用32位高速ARM嵌入式微處理器， 包括固化有IJC / OS - ll嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的ARM芯片、ULN2003A以及外圍電路相互連接組成。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ARM的嵌入式數(shù)字化多功能逆變式軟開(kāi)關(guān)弧焊電源，其特征是，所述整流平滑和穩(wěn)弧模塊包括電容C3—5、 Cs-8以及整流橋B^目互連接組成。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ARM的嵌入式數(shù)字化多功能逆變式軟開(kāi)關(guān) 弧焊電源，其特征是，所述高頻引弧電路包括芯片IC1555、脈沖變壓器T1及外圍電路相互連接組成。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于ARM的嵌入式數(shù)字化多功能逆變式軟開(kāi)關(guān)弧焊電源，包括主電路、控制電路以及高頻引弧電路；主電路包括整流濾波模塊、高頻逆變模塊、功率變壓模塊、整流平滑和穩(wěn)弧模塊組成，控制電路包括過(guò)壓欠壓保護(hù)檢測(cè)模塊、電流電壓采樣檢測(cè)與反饋模塊、ARM微控制器和高頻驅(qū)動(dòng)模塊組成。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化控制；對(duì)焊接電弧的瞬態(tài)能量進(jìn)行實(shí)時(shí)精細(xì)化控制，使焊接過(guò)程的控制更精確和柔性化；采用軟開(kāi)關(guān)高頻IGBT逆變技術(shù)，在進(jìn)一步提高效率和逆變頻率、節(jié)省制造材料的同時(shí)，提高了逆變焊機(jī)的電磁兼容能力和可靠性；能夠提供手工焊/直流氬弧焊/脈沖氬弧焊等多功能的應(yīng)用，同時(shí)還預(yù)留了網(wǎng)絡(luò)化管理的接口功能。
文檔編號(hào)B23K9/10GK201102120SQ200720059578
公開(kāi)日2008年8月20日 申請(qǐng)日期2007年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月15日
發(fā)明者王振民, 白中啟 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)