（材料加工工程专业论文）dsp控制低能量输入焊接系统主电路的研究.pdf

硕+ 学位论文 摘要 随着全球汽车工业的高速发展，汽车的轻量化已成为该行业发展的趋势，广 泛使用铝及铝合金和减薄车身板材厚度是轻量化的主要途径。因此，研究高质量 的铝钢薄板焊接技术具有实际应用意义。 本文介绍了一种基于推拉丝短路过渡的低能量输入焊接系统，该系统由数字 化焊接电源、送丝机构两部分组成。本文的研究内容是数字化电源的主电路和送 丝机构的设计。主电路采用软丌关式全桥逆变结构，选用i g b t 作为逆变器件，逆 变频率选定为2 0 k h z 。控制电路以数字信号处理器t m s 3 2 0 f 2 8 12 为核心，对整个 电路进行了实时的死循环控制。 本文重点阐述了以下电路的原理及硬件设计：整流滤波电路、逆变电路、高 频变压器、输出整流以及输出滤波电路、脉宽调制电路、驱动电路、i g b t 保护电 路。另外本文介绍了主电路及控制电路的抗干扰措施。 送丝机构采用两台送丝机。主送丝机采用直流电机，负责将焊丝从焊丝盘送 出；辅助送丝机即推拉送丝机，负责焊丝的前进和回抽运动当控制电路检测到短 路信号，就会将该信号回馈给送丝机，送丝机则回抽焊丝，通过回抽的机械力使 焊丝拉断熔滴；然后在燃弧期间推丝直到下一次短路发生推拉送丝机采用转动 惯量小、响应快的高性能伺服电机，焊丝的运动曲线通过专门软件来设定。 对系统的数字化电源以及送丝机构进行了调试。在调试试验中给出了在试验 过程中记录的相关数据与波形。试验结果表明：该焊机主电路响应速度快，硬件 电路简单可靠，抗干扰能力强，基本达到了最初设计的构想和要求；推拉丝电机 能达n s o n z 的正反转频率，能满足推拉丝短路过渡焊接的需要。最后，针对系统 设计中存在的问题及需要改进的地方，本文进行了详细的描述，以供今后系统优 化的参考。 关键词：推拉丝短路过渡；软开关逆变器；数字化逆变焊接电源 d s p 控制低能苗输入焊接系统土l 乜路的研究 a b s t r a c t w i t ht h eg l o b a ld e v e l o p m e n to ft h ec a ri n d u s t r y , a u t o m o b i l el i g h t w e i g h th a s b e c o m et h ed e v e l o p m e n tt r e n d g e n e r a lu s i n go fa l u m i n u ma n da l u m i n u ma l l o y sa n d r e d u c i n gt h i c k n e s si so n e m a i nw a y st ol i g h t e n i n g s ot h e r ei sa p p l i c a t i o nv a l u et oc a r r y o u tr e s e a r c ho nt h eh i g hq u a l i t yw e l d i n gt e c h n o l o g yo fa l u m i n i z e ds t e e l t h i sp a p e rp r e s e n tal o we n e r g yi n p u tw e l d i n gs y s t e mt h a tb a s eo np u s h 。p u l l s h o r t c i r c u i tt r a n s f e r t h es y s t e mc o n s i s t so fd i g i t a lw e l d i n gp o w e rs o u r c ea n da f e e d i n gm e c h a n i s m t h i sp a p e r s m a i nw o r ki sd e s i g n a t i o no ft h em a i nc i r c u i ta n d f e e d i n gm e c h a n i s m t h em a i n c i r c u i tu s e sas o f ts w i t c ha n df u l l b r i d g ei n v e r t e r s t r u c t u r e s e l e c t e si g b ta st h ei n v e r t e rd e v i c e ，t h ei n v e r t e rf r e q u e n c yi s2 0k h z t o r e a l i z er e a lt i m ec l o s e dl o o pc o n t r o l ，h i g hp e r f o r m a n c ed s pt m s 3 2 0 f 2 8 12i sa d o p t e d a sc o n t r o lk e r n e l t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s st h ep r i n c i p l ea n dd e s i g n a t i o no fr e c t i f i e df i l t e rc i r c u i t ， i n v e r t e rc i r c u i t ，h i g h f r e q u e n c yt r a n s f o r m e r ，o u t p u tr e c t i f i e ra n do u t p u tf i l t e r ，p u l s e w i d t hm o d u la t i o n ( p w m ) c i r c u i t ，d r i v ec i r c u i t ，i g b tp r o t e c t i o nc i r c u i t ，a n d a l s o i n t r o d u c e dt h ea n t i i n t e r f e r e n c em e a s u r eo ft h em a i nc i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i t t h ef e e d i n gm e c h a n i s ma d o p t st w ow i r e f e e d e r s t h em a i nf e e d e ri sd c m o t o r ，w h i c he x t r a c tw e l d i n gw i r ef r o mw i r er e e l a u x i l i a r yf e e d e ri sp u s h p u l lm o t o r , i t s e r v et oi n p u ta n dr e t r a c tt h ew i r e w h e ns h o r t - c i r c u i ts i g n a lw a sd e c t e c t e d ，t h ec o n t r o l c i r c u i tw o u l df e e b a c kt h es i g n a lt ow i r ef e e d e r t h e nw i r ef e e d e rr e t r a c tt h ew i r ea n d s n a pt h ed r o pt h r o u g h tm e c h a n i c a lp o w e r t h ew i r ef e e d e rp u s ht h ew i r ei nt h ea r c i n g s t a g es t i l lt h en e x ts h o r t c i r c u i t i sd e t e c e d t h ep u s h p u l lw i r ef e e d e ra d o p t saa c s e y v ow i t hl o wm o m e n to fi n e r t iaa n df a s tr e s p o n s i b l ea n dt h em o v i n gc u r v eo ft h e w e l d i n gw i r ei s s e tb y s p e c i a ls o f t w a r e t h ed i g i t a lw e l d i n gp o w e rs o u r c ea n dt h ew i r ef e e d i n gm e c h a n i s ma r et e s t e di n t h i s p a p e r t h e t e s tr e s u l t s v e r i f y t h a tt h ei n v e r t e rp o w e rs o u r c e h a s r a p i d r e s p o n s e s p e e d ，h i g hr e l i a b i l i t y , as t r o n ga b i l i t yo fa n t i i n t e r f a c e ；t h ef o r w a r d 。r e v e r s a l r o t a t i o no ft h em o t o rc a nw o r ka tt h ef r e q u e n c ym o r et h a n2 0 h z ，w h i c hm e e tt h e d e m a n do fp u s h p u l ls h o r t c i r c u i t t r a n s f e rw e l d i n g p r o c e s s f i n a l l y ，t h em a i n p r o b l e m sw e r ed e s c r i b e dw h e nt h ep u l s e dm i g w e l d e ri sd e b u g g i n gi nt h i sa r t i c l e ， a n dp r o v i d e dr e f e r e n c et oi m p r o v eu n i f i e dw e l d i n gi nt h ef u t u r e m a i np r o b l e ma n d n e e di m p r o v e m e n ti nt h es y s t e md e s i g ni sd e s c r i b e di n d e t a i li nt h i sp a p e ra n d p r o v i d e dr e f e r e n c et os y s t e mo p t i m i z a t i o ni nt h ef u t u r e 硕 = 学位论文 k e yw o r d s ：p u s h & p u l ls h o r tc i r c u i tt r a n s f e rw e l d i n g ；s o f t s w i t c hi n v e r t e r ； d i g i t a li n v e r t e rw e l d i n gp o w e r s o u r c e 1 1 1 硕仁学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 焊接技术在如今不仅是一种现代化了的传统加工技术，而且已发展成为一种 将材料永久连接，并使焊接接头具有给定功能的先进制造技术。国民经济的诸多 领域都需要焊接技术，焊接已渗透到了制造业的每个领域，目前焊接技术几乎已 全部取代了铆接技术，部分代替了铸造和锻压f l ，一l 。 随着全球汽车工业的高速发展，汽车的轻量化技术受到越来越多的汽车生产 商的密切关注。有数据表明，若汽车整车重量降低1 0 ，燃油效率可提高6 8 ； 汽车整备质量每减少1 0 0 公斤，百公里油耗可降低0 3 o 6 升；汽车重量降低1 ， 油耗可降低0 7 t 3 4 1 ，因此汽车的轻量化将是汽车行业的发展趋势。采用高强 度钢和广泛使用铝及铝合金是汽车轻量化的主要途径 5 】。当车身采用高强度钢后， 材料厚度比原来更薄，焊接时候容易出现工件烧穿的现象，这已超出传统m a g 焊 工艺的加工范围【6 1 ，薄板焊接的另一个主要问题是容易产生焊接变形。上述焊接缺 陷的核心问题是焊接热输入过大【7 1 。由于采用铝钢异种金属接头的汽车产品越来越 多，铝钢焊接性较差，研究铝及铝合金薄板的低热输入焊接方法具有实际应用意 义。 1 2 铝钢熔焊特点 铝与铁相比，铝的密度小、熔点低、导电、导热性能好。铝与氧的亲和力很 大，还原性很强，就是在常温下，铝也容易与空气中的氧化生成密度比铝本身高 的氧化铝，氧化铝与金属结合得很牢固，即使铝在熔化状态下，由于表面张力， 它也很容易继续保持在液态铝的表面，这使铝的焊接发生困难【8 j 。 铝与钢的熔焊特点如下【9 】： ( 1 ) 铝和钢熔点相差很悬殊，焊接时当铝熔化时，钢才刚刚被加热到一定的 温度而并未熔化； ( 2 ) 铝和钢的线膨胀系数相差太大，因而会在过渡区产生很大的热应力；另 外铝和钢之间的导热性和热容量相差较大，也会助长热应力产生； ( 3 ) 铝难熔氧化膜的存在，会在焊缝中形成夹渣。为溶解氧化膜，使用焊铝 用的专用焊剂和焊钢用的专用焊剂均不能实现满意的焊接铝钢： ( 4 ) 焊接钢与铝及铝合金时，会在过渡区形成脆性金属间化合物。 d s p 控制低能熊输入焊接系统主电路的研究 1 3d s p 控制焊接电源研究现状 与单片机( m c u ) 相比，d s p 的最大优势在于极快的运算速度和极强的数值 计算能力。在以d s p 为控制核心的焊接电源中，给定参数、实现控制算法、输出 p w m 控制信号、监控电源状态等均由d s p 完成，从而实现焊接电源的全数字化控 制。 目前，国外数字化焊接电源产品同益趋于成熟，奥地利f r o n i u s 公司生产的 t p s 2 7 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 全数字化焊接电源为最具代表性的产品。它的核心是一个数字 信号处理器( d s p ) ，集中处理所有焊接数据，检测和控制整个焊接过程。该焊机 具有引弧、精确控制电弧、专家系统、一机多功能、焊接数据接口和评价系统等 功制1 0 l 。从图1 1 中可以看出，该焊机的操作接口友好，可实现脉冲m i g 、直流 m i g 、手弧焊、t i g 焊等多种工艺方法的不同材质、不同焊丝直径的焊接功能。同 时，给定参数的旋纽只有1 个，这样极大的方便了操作者【1 1 l 。澳大利亚的 w o l l o n g 大学利用美国t i 公司生产的t m s 3 2 0 c 3 2 数字信号处理器高速采样率 控制g m a w 焊接过程i l 2 1 。 在国内，数字化焊接电源研究较过去有了飞速进展，一些高校和科研机构在 此领域进行了深入的研究。上海交通大学焊接研究所1 9 9 9 年提出了“数字化焊接电 源，的研究课题【1 3 - 1 5 】，并设计出国内第一台以d s p 为控制核心的电焊机【1 6 】。该焊机 使用数字化控制系统采用d s p 芯片作为控制系统的核心，主要应用于熔化极气 保护焊接电源系统的研究，图1 2 为该焊机的数字化焊接电源。 采用单个d s p 的数字化焊接电源很难实现多功能集成，单个d s p 要同时兼顾较 快的运算速度和多事件管理，能力有限。北京工业大学在分析了数字化焊接电源 的特点的基础上提出了“全数字化控制焊接电源的方案9 9 9 并研究了“m c u + d s p ” 双处理器控制系统【1 7 1 。由单片机( m c u ) 根据不同的送丝速度按照一定的规律计 算出所需的焊接电弧电压及电流参数等，驱动p w m 以可编程逻辑器件c p l d 为载 体实现；控制算法如p i 控制以及非线性接口算法等均由d s p 实现【1 8 】，见图1 3 ；华 南理工大学也对d s p 的弧焊逆变电源数字化控制系统进行了研究，同时分析了应用 前剥1 9 ，2 0 1 。 图1 1 福尼斯4 0 0 0 c 焊机控制面板 2 硕十学何论文 a ci ；。孵；嚣i 一一一一r ：变j t 器：流i 乜路一一1 一一 霍尔电流上霍尔电压 传感器：_ 传感器 网j t 检测光叱隔离 i 乜路i 乜路 p c 机+ ：鬈嚣一- 光拨离 ，送丝电路3 一 控制叫板 图1 2 上海交大设计的数字化焊接电源系统图 图1 3 北京工业大学设计的数字化焊接电源系统图 近几年的埃森焊接展会上，国内许多电焊机设备生产厂家推出了各自的d s p 控制的焊接设备。相比国外，目前国内d s p 控制焊接电源的主要不足在于【2 i 】： ( 1 ) 焊机主控器件开关频率偏低( 2 0 k h z ) ，影响系统的动态性能，影响短 路过渡工艺的性能； ( 2 ) 工艺过程控制的数字化模型或算法不够完善，工艺性与国外有一定差距； ( 3 ) 焊接的一元化控制不完善，缺乏强大的焊接工艺数据库支持； ( 4 ) 焊机内部布局不够合理，模块化设计思路尚待更加清晰； ( 5 ) 借鉴国外高端数字化焊机的研发经验，我国的技术和资金投入远远不足； ( 6 ) 数字化焊接电源与焊接材料、被焊工件材料、焊接工艺的协同研究明显 不足，需要有实力的企业加大投入力度，焊接设备应随着被焊材料的变化、工艺 和质量要求等标准的提高以及环境要求的进步，更加重视焊接电源的开发与电弧 物理、焊接工艺技术紧密结合，真正使焊接设备为焊接生产服务。 d s p 控制低能量输入焊接系统主电路的研究 1 4 低能量输入焊接方法研究现状 传统应用于薄板的低能量焊接方法主要方法有：t i g 焊、c 0 2 短路过渡焊、脉 冲m i g 焊。这些方法在焊接薄板时有各自的优点，但同时又存在着不足，具体表 现为【2 2 1 ：t i g 焊电弧比较稳定，适于焊接薄板铝合金，但其焊接速度慢、生产效 率低，对其大量应用产生了极大地限制；c 0 2 短路过渡焊具有高效、节能、低成 本、易于实现自动化等优点，但其短路过渡过程的随机性和焊接飞溅大、焊缝成 形差使得该方法难以在焊接质量要求高的场合推广使用，且不适合焊接铝及铝合 金；脉冲m i g 焊从射流过渡临界电流一直到几十安均能实现稳定的射滴过渡，适 合于铝合金薄板焊接，但脉冲m i g 在焊接铝及铝合金时对母材的热输入控制比较 困难。针对以上不足，国内外都在研究新型低热输入焊接方法，并取得了一定的 进展。下面介绍一些新型低热输入焊接方法。 1 4 1c m t 早在2 0 世纪9 0 年代末，f r o n i u s 公司开始从降低能量和减少飞溅角度对推拉 送丝进行了全面深入的研究。在2 0 0 4 年北京埃森焊接与切割展会上奥地利f r o n i u s 公司展示了c m t 焊接技术。c m t 法采用特殊送丝机，将送丝与熔滴过渡过程协 调起来，当焊机微处理器监测到一个短路信号时，就会反馈给送丝机，送丝机做 出响应回抽焊丝，从而分离焊丝和熔滴，使熔滴在几乎无电流状态下过渡。实现 焊接过程中“冷”、“热”交替，降低了焊接热输入 2 3 , 2 4 , 2 5 】。图1 4 为c m t 推拉丝机构。 图1 4c m t 推拉丝机构 c m t 法采用推拉丝的送丝方式，当检测到短路时，送丝机反转并回抽焊丝， 从而使焊丝与熔滴分离，使熔滴在几乎无电流的状态下过渡，从而在降低焊接能 量的同时也消除了飞溅。焊接的过程如图1 5 所示。 硕士学位论文 扩引谚； 燃凝赫濑巍滋缓赫禽盛缆谶馘翻篱 c m t 法能量输入很低，图1 6 为各种焊接方法能量对比图。从图中可知，c m t 的焊接电流电压更小，因此焊接热输入比其他焊接方法要小。c m t 法适用于薄板铝 合金和薄镀锌板的焊接，还可以实现镀锌板和铝合金板之间的异种金属连接。可 以焊接0 3 3 m m 的板材，焊接速度最高达3 m m i n 。图1 7 是c m t 在超薄铝合金板材 焊接上的应用实例。 u s 图1 6 各种焊接方法能量对比 图1 7c m t 方法焊接0 7 r a m 铝合金管 c m t 焊接与普通m i g m a g 焊相比有三个显著的特点： 1 送丝运动与熔滴过渡过程进行数字化协调 l s d s p 控制低能革输入焊接系统主电路的研究 当数字化的控制监测到一个短路信号，就会反馈给送丝机，送丝机作出回应，迅 速回抽焊丝，从而使得焊丝与熔滴分离。在全数字化的控制下，这种过渡方式完 去区别于传统的熔滴过渡方式。图1 8 为c m t 控制电路示意图。 图1 8c m t 控制电路 2 c m t 技术实现了无电流状态下的熔滴过渡 当短路电流产生时，数字化控制的c m t 焊接系统会自动监控短路过渡的过程， 在熔滴过渡时，电源将电流降至非常低，几乎为零，热输入量也几乎为零。焊丝即 停止前进并自动地回抽在这种方式中，电弧自身输入热量的过程很短。短路发生， 电弧即熄灭，热输入量迅速地减少。整个焊接过程即在冷热交替中循环往复。图 1 9 为c m t 法焊接时的电流电压波形。 图1 9c m t 法焊接时的电压电流波形图 3 无飞溅过渡：在短路状态下焊丝的回抽运动帮助焊丝与熔滴分离 通过对短路状态的控制，保证短路电流很小，焊丝的机械式回抽运动就保证了 熔滴的正常脱落，同时避免了普通短路过渡方式极易引起的飞溅，从而使得熔滴过 渡实现无飞溅。这就是c m t 技术的关键所在。 c m t 方法也有其不足之处，主要表现在1 2 6 】： ( 1 ) 送丝由主送丝机驱动，回抽由焊枪上的无齿轮电机驱动，同步控制要求 6 硕十学位论文 高，系统控制过于复杂，技术难度大。 ( 2 ) 回抽有阻力，需要软管缓冲，反复推拉( 抽送频率7 0 h z ) 会在焊丝中产生 内应力，使强度低的铝合金类焊丝折断。 ( 3 ) 对送丝机要求高，既要完成送丝任务，又要完成焊丝的回抽任务，焊丝 抽送频率达6 0 7 0h z ，因此系统的动态性能要求高，送丝设备昂贵。 c m t a d v a n c e 技术为奥地利福尼斯公司推出的c m t - 代变极性焊接技术，通 过j l f 负极性交替作用，实现高熔敷效率的同时还可精确调节熔敷率。在保持c m t 技术原有焊丝双向运动特性的基础上，复加极性变换控制技术，且极性交换发生 在短路瞬f h j ，无需大能量强制转换，可以保证c m t 焊接过程的稳定可靠。原有的 低热输入量、无飞溅焊接等特点得到进一步提升。因此，c m t 二代变极性焊接可 以进一步控制热输入量，同样的能量输入条件可获得更高熔敷效率，焊接变形更 轻微。 交流c m t 焊接时，当焊丝接f 极e p 时，电弧热量多用于加热母材，增加熔深、 清除工件表面氧化膜( 焊铝时) ；而当焊丝接负极e n 时，电弧热量多用于熔化焊 丝，熔化量显著增加，熔滴尺寸增大，作用于母材上的热量大为减少，如图1 1 0 。 即同样的焊接电流，交流c m t 比直流c m t 熔化更多焊丝，而作用于母材上的热量 相应减少。焊接薄板且大间隙工件时，工件热量少、填充量大，间隙的桥联能力 进一步加强。 弧长 o e n c m t1 0 0 e n 4 2 埘t ，ooep。cm了0ep正mt 图1 1 0 极性对电弧的影响 图3 7 是正极两个c m t 过渡、负极两个c m t 过渡。交流c m t 通过调节正负极 c m t 过渡数量，从而实现精确调整工件所需要热输入量或焊丝熔敷效率，以实现 不同的焊缝几何形状，或满足不同的间隙“容忍性”要求。以焊铝为例，交流c m t 工艺热量可从l5 0 w 2 8 0 w 自由设置，2 + 2 m m 铝板搭接间隙可降低至2 5 m m 。如图 1 1 1 。 d s p 控制低能鼙输入焊接系统土电路的研究 l _ 、 k 茗毒之。 uk 刮 l 陵篷剿i i 鍪鍪； k 飞 l 一一 i 荔 _ i 一 l 厂辘震翦遴藜；| i | | 漱尸飞，一厂 r “t 一涨冲簖黢 e m 麟t * ” 图1 1 1 电流电压送丝速度在正负极波形 1 4 2c o l d a r c 在2 0 0 5 年的德国埃森焊接与切割展览会上，德国e w m 公司推出了一种新型的 电弧焊技术c o l d a r c 法，该技术的特点是最大限度的降低焊接能量输入，精确控制 焊接的熔滴过渡过程【2 7 】。通过采用逆变技术与数字控制系统结合的方式，通过在 短路过后电弧再引燃时将电源输出能量迅速降低，使焊接过程能量输入较低。图 1 1 2 为e w m 冷弧焊时熔滴过渡时的电流电压波形。图1 13 为o 5 m m 薄板焊接应用实 例。 l 露燃绕阶段疑髂瞬救；缸菇蕊娥玲疆 土量i 点；点 丁 广l l1 射嬲f ，t 图1 1 2e w mc o l d a r c 法熔滴过渡的电压电流波形图 图i 13e w mc o l d a r c 法焊接0 5 m m 的不锈钢 硕 学位论文 c o l d a r c 法从原理上依然采用短路过渡的方法，在短路时采用较高的短路电流，通 过“小桥”爆断完成熔滴过渡，不可避免的要产生飞溅，并且该技术不适于焊接 铝及铝合金；另外采用特制的z 。基焊丝，应用范围窄，不易于在实际生产中推广。 1 4 3a c c b t 交流a c c b t ( a cc o n t r o l l e db r i d g et r a n s f e r ) 法是同本大阪变压器公司( o t c ) 为达到低热输入和低飞溅的c 0 2 m a g 焊接要求推出的一种新焊接法。a c c b t 法 采用交流短路过渡焊接技术，它通过在正( e p ) 负( e n ) 输出极性之间相互切换进行 焊接，其极性比率( e n 比率) 可自由变更。这种方法搭桥能力良好，而且满足不同 材料薄板低热输入焊接的要求，熔敷量也可以自由调整和控制，通过起弧时使用 e p 极性，再切换到薄板的交流模式解决了起弧部位熔深不足的问题。图1 1 4 所示 为使用a c c b t 方法进行焊接的电流及电压波形。这种方法的不足在于只通过切换 输出极性对电压进行反馈来实现弧长稳定是非常困难的。另外，某些e n 极性时的 短路过渡周期，使熔滴受到较大的排斥力，易造成整个焊接过程不稳定，因此在 实际使用时有较大的限制。 3 0 1 5 羽0 脚 一1 5 t 3 5 0 运 1 7 5 援 0 ；- 1 7 5 。_ 3 5 0 笱2 5 2 2 5 4 2 5 62 5 3 弱 时同i “ 图1 1 4a c - c b t 焊接波形图 1 4 4c p 根据采用不同极性接法时焊接过程对母材和焊丝的加热作用差别巨大的原 理，德国c l o o s 公司于2 0 0 2 年提出了c o l dp r o c e s s ( 冷焊) 技术，有效解决了薄板焊 接的问题。冷焊工艺主要用于焊接0 2 2 m m 的薄板( 钢、铝、镀层板、异种金属) ， 可以手工焊和自动焊，能实现短弧c p 和脉冲c p 冷焊工艺。c p 冷焊工艺作为一种熔 化极气体保护焊，利用其特有的波形，正负极在焊丝上不停地交替变换。脉冲电 流控制焊丝在正极性半波时间内过渡。焊丝为负极性，主要作用是降低电弧输人 熔池的热量及降低电弧对熔池的压力，提高焊丝的熔化速度和熔敷速度。c p 冷焊 可获得稳定的焊接电弧及熔滴过渡过程，是焊接薄板比较理想的工艺。 9 d s p 控制低能链输入焊接系统土电路的研究 1 4 5 林肯s t t 技术 l9 9 3 年9 月在德国埃森第十三届国际焊接与切割博览会上，美国林肯电气公司 推出了一种利用表面张力控制熔滴短路过渡的电源。表面张力过渡技术( s u r f a c e t e n s i o nt r a n s f e r ，简称s t t 技术) 是c 0 2 焊接技术的一个突破，经过近几年的实践， 这一技术已经接近成熟。表面张力过渡控制任然属于波形控制范畴，其关键是检 测液体小桥是否产生了缩颈，并选择短路初期和液体小桥产生缩颈后提高回路阻 抗用来降低电流，以方便熔滴的液态金属能在低能量状态下载熔池铺展，依靠熔 滴的表面张力促使液体小桥断裂，使熔滴脱离焊丝进入熔池。另外，s t t 技术的全 新特点是其焊接电流与送丝速度无关，因此可以很大程度的控制热量输入，得到 合适的熔深。 s t t 利用数字控制电路对c 0 2 脉冲进行波形控制，从而控制电弧的瞬间能量， 使电弧的瞬间能量能按要求进行供给。在液态金属的表面张力和电磁收缩力的作 用下，c 0 2 焊接短路过程中会产生液桥和颈缩液桥，如果在颈缩过程中不迅速减少 能量的输入，液桥就会发生能量过剩因而产生爆断，从而产生大量的飞溅1 28 1 。s t t 技术就是根据c 0 2 短路过渡中不同的阶段，及时改变电流的大小，消除金属液桥的 爆断，从而达到减少飞溅的目的，s t t 技术可以将飞溅率控制在1 以下1 2 9 3 0 】。由 于基值电流一般控制在8 0 a 以下，平均电流在l5 0 a 以内，电弧的能量较低，熔深 较浅，适用于薄板和轻合金材料的焊接1 。 1 4 6n l e i 方法 n l e i ( n e wl o we n e r g yi n p u t ) 焊接法是北京工业大学张撼鹏等人开发的一种 基于短路过渡的低能量焊接方法。该方法的基本思路是f 3 2 】：首先通过设定焊丝的 运动曲线，使其周期性地做送进回抽的往复运动，焊接过程不需要在线调整；通 过使焊接数字化电源配合焊丝的运动输出相应的电流、电压波形，实现稳定的推 拉丝短路过渡，达到降低焊接过程能量输入的目的。 图1 1 5 所示为n l e l 焊接法的波形控制方案【33 1 。整个周期由4 部分组成。a - b 段 为短路初期，焊丝处于前进末期，这时将电流降至一个较小值1 w ，防止短路瞬间 电流上升过高；b c 段为短路后期，焊丝运动处于回抽初期，将电流升至一个稍大 值i h ，保证在焊丝回抽拉断熔滴瞬间电弧顺利的再引燃及对熔滴进行一定的预热， 另外有利于形成颈缩；c - d 段为燃弧初期，焊丝回抽拉断熔滴，将电流迅速提升至 一个较高值l 。p ，保证电弧顺利的再引燃并促进熔化焊丝形成熔滴以及加热母材； d - e 段为燃弧中后期，此时电流降为基值电流i 。b 直到再次发生短路，i 。b 用以维弧并 对熔滴进行整形。 l o il 卜 研 带 觚 i 1 图1 1 5n l e 的波形控制方案 n l e i 焊接方法的特点是利用焊丝的运动与电流波形的严格配合实现低能量输 入焊接。与c m t 法相同的是整个焊接过程均需要通过不断的推拉丝来满足焊接过 程控制的需要，所以也同样存在焊接过程控制复杂以及设备造价昂贵等缺点。 1 5 低能量输入焊接方法工艺对比 对上述的各类低热输入焊接方法都有各自的优点，但同时存在不足。表1 1 为各类低热输入焊接法的对比f 2 2 j 。 表1 1 低能量输入焊接方法对比 d s p 控制低能堵输入焊接系统t i 乜路的研究 1 6 推拉丝短路过渡研究现状 前苏联的巴顿焊接研究所7 0 年代对脉动送丝进行了研究。实践证明，采用脉 动送丝进行c 0 2 焊接，可以抑制焊接飞溅，改善焊缝成形。在焊丝停送的时候， 电弧沿焊丝回烧，使焊丝端头形成熔滴。熔滴的大小仅取决于焊丝直径和送丝步 距，熔滴的体积比普通等速送丝要小。形成熔滴后，焊丝高速送进并将熔滴强行 “按入 熔池完成短路过渡。这种方式可以有效克服斑点压力，有助于熔滴顺利 进入熔池，大大降低了飞溅量，焊缝成形也得到了改善【3 4 】。 上世纪8 0 年代，郑州机械研究所马季、孙子健等人研制了一种可以实现脉动 送丝的电机驱动式“三钢球 脉动系统【3 5 。7 1 。通过利用焊丝送进的周期变化，减 少短路过渡随机性，同时利用焊丝脉动产生的机械惯性力使液相桥顺利破断。实 验表明，以周期性送丝为前提，通过机械参数与电参数配合，能使熔滴按焊丝的 脉动规律实现“一步一个熔滴 的有规律的短路过渡，有效的稳定了焊接过程， 但其效果取决于参数的匹配程度，一旦匹配关系被破坏，焊接过程稳定性下降， 飞溅增大，成形较差。 l9 8 7 年，孙子健等人改进了原有的送丝机构，实现了推拉送丝，进一步完善 了脉动送丝c 0 2 气体保护焊的性能【3 引，具体方法为：焊丝在燃弧时保持静止，并 根据送丝动作获得电流调幅信号，降低主电路电路；当焊丝回抽到一定距离后， 再提升主电路回路电流。该方法可以有效地减小短路过渡的前后期飞溅，且其调 幅电流可任意调整。由于受机构的限制，该方法只能实现较低短路过渡频率的焊 接。 9 0 年代中期，哈尔滨工业大学的罩强、杨世彦等人利用步进电机作为送丝机， 实现了脉动送丝，并配合短路期间的脉冲电流控制来实现了稳定的熔滴过渡1 3 9 1 。 该方法一改过去传统的机械式结构，采用步进电机为核心，并配合短路期间适当 的脉冲电流来实现稳定的熔滴过渡。 上述国内方法在于减少焊接过程飞溅，并未从降低焊接能量输入角度进行深 入研究。2 0 世纪9 0 年代，奥地利f r o n i u s 公司从降低焊接输入能量的角度出发， 用高性能的交流伺服电机来驱动焊丝实现高达7 0 h z 的送进回抽频率。本世纪初， 国内的北京工业大学的张撼鹏、杨帅等人利用高性能同步交流伺服电机实现了高 达8 0 h z 的回抽频率，并进行了薄板焊接试验 4 0 4 1 】，取得了较好的效果。 1 7 本文研究目的及研究内容 本文的研究内容是低能量输入焊接系统的数字化电源的主电路的设计。主电 路在本系统中至关重要，主要表现在：首先它决定了系统的负载能力，包括输出 电流、电压，负载持续率等，由于逆变频率的高低影响短路到燃弧的失控时间， 1 2 硕十学位论文 因此它还决定着焊接过程波形控制方案的精确程度。 本系统中的主电路采用软丌关式全桥逆变结构，选用i g b t 作为逆变器件，逆 变频率初步选定为2 0 k h z 。本文重点阐述了以下电路的原理及其硬件设计：整流 滤波电路、逆变电路、高频变压器、输出整流以及输出滤波电路、脉宽调制电路、 i g b t 驱动电路、i g b t 保护电路。另外本文介绍了主电路及控制电路的抗干扰措施。 结合逆变技术和d s p ( 数字信号处理) 技术，设计低能量输入焊接系统电源 的主电路。主电路要求输出功率高、逆变频率高，以满足系统负载能力和响应速 度的要求。另外主电路还影响焊接波形控制的精确性。因此，设计出一种高响应、 硬件简单可靠的主电路在整个系统设计中显得尤为重要。 根据以上分析，本文需要完成以下设计任务如下： ( 1 ) 设计以功率开关管i g b t 和高频变压器为核心的软丌关逆变式主电路系 统，绘制出电路图，购置器件并安装调试。 ( 2 ) 在主电路和控制电路中设计多种保护措施，以保证i g b t 的安全工作。 ( 3 ) 设计多种主电路抗干扰措施，保证d s p 控制系统能够在复杂的干扰环境 中正常工作。 ( 4 ) 对所设电源进行调试，包括空载与负载调试，测试其静特性、动特性以 及调节特性。 所设计系统电源的基本参数如下： 输入额定电压：3 相，3 8 0 v + 1o ，5 0 h z 额定空载电压： 7 0 v 推拉丝频率：5 0 h z 及以上 额定焊接电流： 3 1 5 a 逆变频率：2 0 k h z 适合焊丝直径：1 0 ， 1 2 1 3 d s p 控制低能司：输入焊接系统主电路的研究 第2 章控制电路设计 系统由数字化焊接电源和送丝电路两部分组成。图2 1 为数字化焊接电源的组 成及工作原理框图。 图2 1 数字化焊接电源主要组成及工作原理框图 合理的控制电路不仅是系统安全可靠工作的f j i 提，还可以通过控制电路获得 焊接所需要的各种外特性以及动特性。传统的弧焊电源多采用集成电路为主的模 拟控制技术，其控制电路复杂、动态响应速度慢。近年来，随着大规模集成电路 与计算机技术的发展，微型控制器在焊接控制中的应用日益广泛与深入。焊接设 备的控制已从早期的模拟控制发展到今天的数字化控制。 本文设计控制电路主要分为三部分：主控电路、驱动电路及送丝电路。主控 电路采用d s p 做为主控器件，通过编程实现焊接过程控制、电流电压采样、a d 转换、p i 运算、参数预置等功能。驱动电路采用电流型脉宽调制芯片u c 3 8 4 6 所 产生的自带死区的两路p w m 驱动信号，经过脉冲变压器的隔离驱动i g b t 。送丝 电路采用开关电源型，通过d s p 给定的不同脉宽信号来得到不同的电压，从而得 到所设定的送丝速度。 主控电路不仅是整个控制电路的核心，而且也是系统的核心，整套系统的工 作都是主控电路予以支配，其在整台系统中占有绝对的领导地位。 1 4 硕十学位论文 2 1d s p 控制器的基本原理 无论微处理器、单片机还是d s p 控制器，它们的工作原理是基本一致的：从 存储器、i o 接口等地方读取数，按某种规律运算，再把运算结果放到存储器、i o 接口等地方。在其工作过程中，数据流和地址流占统治地位。为了实现数据流和 地址流有序的管理和控制，采用数据总线和地址总线是一种最佳的结构方式。数 据总线和地址总线使得数据信息和地址信息分别在其上快速地流动。中央处理单 元( c p u ) 、程序存储器、数据存储器和内部外设等功能模块分别接在数据总线和 地址总线上。中央处理单元是控制中心，由它指挥当前谁可以占用数据总线和地 址总线，同时它还可以进行有关的运算；程序存储器是物理芯片与人的接口，由 人编写的程序指令写入到程序存储器中，中央处理单元只能根据程序的流程进行 指挥；数据存储器用来记录工作过程中的原始数据、中间结果和最后结论；内部 外设是在芯片内部的与外部世界进行信息交换的集成功能模块，一般包含i o 、 a d 、串行通讯等【4 2 1 。另外，数据总线和地址总线一般情况下都延伸到芯片的外 部( 到引脚上) 。图2 2 为d s p 控制原理图。 图2 2d s p 控制器基本原理 一般的微处理器的数据总线和地址总线是单总线方式。d s p 控制器与此不同， 采用多总线方式，极大地加快了运行速度。因此，它实质上是一种并行机制。 t 2 2 控制系统硬件设计 控制系统硬件设计时，应考虑下列原则：系统功能丰富；因要设计的逆变式 主电路的系统开关频率高，控制系统要保证有高速的数字处理能力还要有高性能 的控制软件，要求实时性好；友好的使用界面，人机对话明了，实时显示焊接参 数，并具备故障报警功能；抗干扰能力强。 控制系统的硬件包括：主控板、驱动板和送丝板。控制系统框图如图2 3 所 1 5 d s p 控制低能a 单- - l 输入焊接系统主l 乜路的研究 示。其中主控板电路主要由d s p 最小系统、开关电源、参数预置及显示电路、数 据采集电路、串行通信电路以及复位电路和i g b t 保护电路等组成。 图2 3 控制系统硬件框图 2 2 1d s p 最小系统 d s p 最小系统的设计主要包括以下两部分内容：一是复位电路设计与时钟电 路设计；二是j t a g 仿真接口设计和存储器设计。 根据d s p 器件的配置不同，可以有5 个原因引起d s p 复位【4 3 1 。 ( 1 ) 电源复位：由引脚x r s ( 上电复位引脚) 引起。该引脚上产生一个至少 要持续一个系统时钟周期( s y s c l k ) 的由低到高的电平变化，产生复位信号。 ( 2 ) 看门狗定时器溢出复位：看门狗是为了监控系统的运行状况而设定。当 系统运行出现故障时，导致看门狗定时器溢出、或一个不正确的值写入与看门狗 相关的寄存器时，就会产生一次看门狗定时器复位。 ( 3 ) 软件复位：通过对系统控制寄存器s y s c r 的编程可以实现软件复位。 ( 4 ) 非法地址复位：在存储器或i o 空间，访问任何标有“r e s e r v e d 的单元 都将产生一个非法地址复位。 ( 5 ) 欠电压复位：在d s p 芯片内部有欠压检测电路，如果发生欠电压，系统 就会产生复位信号。 d s p 正确复位是一切工作的前提，复位电路的可靠工作无疑有着极其重要的 作用。好的复位电路必须是【4 3 】：当电源稳定并保持一定的时间后，复位电路能输 出有效电平；当出现任何不良迹象时，能够迅速产生可靠的复位信号。本文中采 用的电源管理芯片t p s 7 6 7 d 3l8 是专门给d s p 供电，它能够提供d s p 的供电电源 和f 2 8 1 2 的上电复位信号。它可以输出宽度高达2 0 0 m s 的低电平复位脉冲，足以 1 6 硕十学何论文 保证d s p 的可靠复位，另外，它还有电压监测以及看门狗的功能。为了避免因为 干扰使电源电压的原因而产生的毛刺引起的频繁复位，在d s p ，数字i c ，监控器 的电源引脚与地之间各加入一个0 1 f 的瓷片电容。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 控制器的时钟源模块是可编程的。通过对时钟控制寄存器 c k c r 0 和c k c r i 的编程可以确定各时钟的频率，以及低功耗模式。在本系统中， 采用的是外部振荡器，频率为3 0 m h z 。 2 2 2 保护电路 当网压超过额定值时候，i g b t 由于耐压容量不足被击穿；当网压低于额定 值时，会引起i g b t 因驱动电压不足而退出饱和，功率耗损迅速增加而损坏。所以 要对过欠压状态进行保护。另外弧焊逆变器在焊接过程中有着固有特点，即负载 回路长期处在空载短路负载的动态变化过程或因为控制、驱动回路受到干扰而引 起误动作导致逆变桥直通，导致i g b t 过流。i g b t 过载能力很弱，短路时间超过 1 0 1 a s 会迅速烧坏i g b t ，因此在对过欠压状态进行保护的同时也要对过电流状态 进行检测和保护【4 4 ：4 5 1 。 针对上述可能的故障，本文设计了相应的故障检测电