專利名稱：全數字逆變式方波交流氬弧焊機的制作方法
技術領域：
本發明涉及逆變式方波交流氬弧焊機，方波交流氬弧焊機主要應用于鋁材 的高質量焊接。
背景技術：
逆變技術在弧焊電源中的應用已十分普遍，現今主流的方波交流氬弧焊機 多采用逆變方式(一次逆變)。如圖1所示，按電氣功能分類，可將逆變式方波交
流氬弧焊機劃分為兩個系統，功率系統100和控制系統200。逆變式方波交流氬 弧焊機是在控制系統的有效監視和有序控制下使功率系統100將電網高壓正旋 交流電(固定頻率)轉換成低壓方波交流電(可變頻率)并最終通過焊接回路 完成電能到熱能的轉換。功率系統100通常包括一次整流濾波、 一次逆變、主變 壓器、二次整流濾波、二次逆變、輸出回路等六個部分。控制系統200通常包括 輔助電源、網壓檢測、原邊電流反饋、悍接電流反饋、電弧電壓反饋、功率單 元的溫度反饋、焊矩開關狀態檢測、冷卻單元控制及驅動、保護氣體通斷控制 及驅動、引弧穩弧電路、 一次逆變驅動、二次逆變驅動、定時器、時序控制邏 輯、波形發生、給定信號調理、反饋信號調理、誤差計算、比例積分運算、P麗 調節、人機交互界面220 (包括鍵盤、開關、調節旋鈕、電位器等及LED指示燈、 指針式表頭、數字表頭、LED數碼管、LED表頭、LCD顯示器及其它類似部件)等 二十一個部分。
逆變式方波交流氬弧焊機控制系統200的核心功能單元210包括給定信號調 理、反饋信號調理、誤差計算、定時器、時序控制邏輯、波形發生、比例積分 運算、P麗調節等八個部分。根據控制系統200的核心功能單元210的控制機理和實現方法的不同，可將目前已知的逆變式方波交流氬弧焊機分為A、 B兩類。
A類焊機可稱為模擬式或不可編程式，如圖2所示，核心功能單元210的核心 控制功能主要由不可編程的小規模的時序控制邏輯、定時器、波形發生、P西調 節等電路來實現。這類焊機的主要問題是可靠性、 一致性、穩定性比較差、 精度低、輸出特性單調、功能單一無法拓展、方波交流頻率及正負比不可調、 調試煩瑣、維修不便。
B類焊機可稱為半數字式或有限可編程式，如圖3所示，核心功能單元210的 核心控制功能主要由微控制器230和PWM調節電路來實現。微控制器230取代了A 類焊機的時序控制邏輯電路、定時器電路、波形發生電路等三部分，使控制電 路得以簡化，但由于微控制器230處理能力的限制及另外的五部分功能仍由其它 電路來實現，所以存在如下主要問題 一致性、可靠性、穩定性比較差、輸出 特性單調、功能較少較難拓展、性能改善有限。
發明內容
本發明的目的是提供一種全數字逆變式方波交流氬弧焊機，該焊機可以解 決上述A類和B類逆變式方波交流氬弧焊機的問題，能夠大量減少電子元器件用 量而提高可靠性，最大限度地減少模擬電路的使用，而提高一致性和穩定性， 采用數字技術而大幅度改善系統控制的精度，以滿足高端或特殊用戶的使用要 求。
為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是一種全數字逆變式方波交流
氬弧焊機，包括
功率系統，具有一次整流濾波、 一次逆變、主變壓器、二次整流濾波、二 次逆變、輸出回路，響應于一個控制信號，將電網高壓正旋交流電轉換成低壓
方波交流電，通過焊接回路完成電能到熱能的轉換；和控制系統，具有輔助電源、網壓檢測、原邊電流反饋、焊接電流反饋、電 弧電壓反饋、功率單元的溫度反饋、焊矩開關狀態檢測、冷卻單元控制及驅動、 保護氣體通斷控制及驅動、引弧穩弧電路、 一次逆變驅動、二次逆變驅動以及 包含給定信號調理、反饋信號調理、誤差計算、定時器、時序控制邏輯、波形 發生、比例積分運算、PWM調節的核心功能單元，人機交互界面；
其特征在于，所述控制系統的核心功能單元是數字信號控制器(DSC)或者 數字信號處理器(DSP)。
作為優選，所述的數字信號控制器(DSC)的型號為TMS320F28x，該 TMS320F28x包括
C28X 32位CPU(DSC)，用于數據的存取、運算、管理和輸入/輸出的控制； 外設總線，CPU通過外部總線連接且管理外部設備；
中斷管理單元，對外設總線所掛接的外部設備產生的瞬變事件作出高速響 應處理；
存儲器總線，其連接CPU及閃爍存儲器(FLASH)、隨機存取存儲器(RAM)、 只讀存儲器(R0M)。
作為優選，所述C28X 32位CPU (DSC)包括 32x32乘法器，進行數據運算； 讀-修改-寫算術邏輯單元(R-M-W ALU);
32位浮點單元，通過CPU內部總線或/和存儲器總線及外設總線實現數據的
傳遞；
32位定時器；
實時JTAG單元，用于DSC的調試和仿真。
作為優選，所述外設總線連接SCI、 SPI、 12C、 CAN、 CAP、 QEP、 PWM、 ADC等外部設備接口。
由于本發明控制系統的核心控制功能，即給定信號調理、反饋信號調理、
誤差計算、定時器、時序控制邏輯、波形發生、比例積分運算、PWM調節等八項 功能，由數字信號控制器(DSC)即可實現，且由于DSC的高速、高精度運算和 控制能力，使本發明具有很高的性能。本發明所設計的控制系統比起A類焊機的 控制系統減少了約60%的元器件，比起B類焊機的控制系統減少了約30y。的元器 件，零部件大量減少，意味著故障率降低，這將極大地提高了焊機的可靠性。 本發明最大限度地減少了模擬電路的使用，其一致性和穩定性都得到很大的提 高，數字技術大幅度改善了系統控制的精度。本發明采用的DSC具有高速運算和 控制能力(這是MCU所無法比擬的)，可實現各種輸出特性的控制，因此本發明 可實現各類強大功能，例如，多種焊接方式，多種操作方式，以及通過變更軟 件實現各不相同的功能(其它形式的電源)，本發明有利于自動化焊接的聯網作 業、便于生產調試及售后維護、滿足高端或特殊用戶的使用要求。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明。 圖1是逆變式方波交流氬弧焊機電氣功能分類框圖。
圖2是A類焊機控制系統核心功能模塊結構框圖。
圖3是B類焊機控制系統核心功能模塊結構框圖。
圖4是本發明電氣功能分類框圖。 圖5是圖4中數字信號控制器(DSC)的結構框圖。
圖5中，P麗一脈沖寬度調制器模塊，ADC—模/數轉換器模塊，QEP—積分 編碼脈沖模塊，CAP—捕捉單元，GPH通用數字輸入輸出，SPI—同步串行接口， SCI—串行通訊接口， McBSP—多通道緩沖串行端口， 12C—內部整合串行 接口， CAN—控制局域網接口。
具體實施例方式
如圖4所示，本發明全數字逆變式方波交流氬弧焊機，包括
功率系統300，具有一次整流濾波、 一次逆變、主變壓器、二次整流濾波、 二次逆變、輸出回路，響應于一個控制信號，將電網高壓正旋交流電轉換成低 壓方波交流電，通過焊接回路完成電能到熱能的轉換；和
控制系統400，具有輔助電源、網壓檢測、原邊電流反饋、焊接電流反饋、 電弧電壓反饋、功率單元的溫度反饋、焊矩開關狀態檢測、冷卻單元控制及驅 動、保護氣體通斷控制及驅動、引弧穩弧電路、 一次逆變驅動、二次逆變驅動 以及包含給定信號調理、反饋信號調理、誤差計算、定時器、時序控制邏輯、 波形發生、比例積分運算、PWM調節的核心功能單元，人機交互界面420;
其特征在于，所述控制系統的核心功能單元是數字信號控制器(DSC) 410 或者數字信號處理器(DSP)。
如圖5所示，所述的數字信號控制器(DSC) 410的型號為TMS320F28x，該 TMS320F28x包括
C28X 32位CPU (DSC) 450，用于數據的存取、運算、管理和輸入/輸出的 控制；
數據總線430，包括外設總線和存儲器總線， 外設總線，CPU通過外部總線連接且管理外部設備；
中斷管理單元440,對外設總線所掛接的外部設備產生的瞬變事件作出高速 響應處理；
存儲器總線，其連接CPU及閃爍存儲器(FLASH)、隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)。
如圖5所示，所述C28X 32位CPU (DSC) 450包括 32x32乘法器451，進行數據運算； 讀-修改-寫算術邏輯單元454 (R-M-W ALU);
32位浮點單元455，通過CPU內部總線或/和存儲器總線及外設總線實現數 據的傳遞；
32位定時器452;
實時JTAG單元453，用于DSC的調試和仿真。
如圖5所示，所述外設總線連接SCI、 SPI、 I2C、 CAN、 CAP、 QEP、 P麗、ADC 等外部設備接口。
功能技術參數說明
全數字逆變式方波交流氬弧焊機所涉及到的數字信號控制器(DSC)或數字 信號處理器(DSP)(沒有附圖)在基本功能方面類同于微控制器(MCU)或單片機， 不同的是它們具有更多的功能和更高的性能，其特點概略如下
1) 高速實時控制能力，單周期指令(一般在40MIPS以上)，快速輸入輸出 端口；
2) 高速數據運算或強大的處理能力，具有較寬的數據總線(16位以上)， 具有乘累加指令；
3) 包含SCI、 SPI、 I2C、 CAN、 CAP、 QEP、 PWM等豐富的外部設備接口 ， P麗 為可編程的硬件模塊，分辨率高、響應快、處理方式靈活，內嵌高性能模/數轉 換器(ADC)，采樣速度快，分辨率高。
DSC或DSP芯片有多個生產廠家，代表廠家為美國德州儀器(TI)、美國模擬 器件公司(ADI)和美國飛思卡爾(Freescale),各個廠家的芯片具有不同的特點，現以德州儀器的TMS320F28x為例對其進行說明。 TMS320F28x的主要特點如下 1) 32位CPU，性能可達150MIPS;
2) 混合的16位及32位指令集；
3) 單周期32x32位的乘加操作(multiply-accumulate);
4) 芯片閃存可高達256KB;
5) 標準內存架構；
6) 同類最優(Best-in-class)的編譯器效率；
7) 中斷服務時，可實現自動的現場數據保存及恢復；
8) 高分辨率脈寬調制(PWM)的精度為150ps;
9) PWM控制器擁有可編程的死區(dead band)、相位或占空周期控制以及最高 可達6個的絆區(trip zone),可用于產生任意所需波形；16路12位高速ADC; 采樣時間達80ns;支持SCI、 SPI、 I2C以及CAN端口。
以下就TMS320F28x功能詳細說明
(1) C28x 32位CPU是TMS320F28x芯片的核心部分，各類數據的存取、運 算、管理和輸入/輸出的控制都是由它負責完成的。CPU采用改良的哈佛體系(不 同于Von Neumarm方式)和精簡指令集管理(即RISC，實現單周期指令執行)， 具有并行存取指令和數據的能力。數據的運算依賴于32x32乘法器、R-M-W ALU
(讀-修改-寫算術邏輯單元)及32位浮點單元，數據的傳遞通過CPU內部總線 (圖中未標出)或/和存儲器總線及外設總線實現。CPU中的實時JTAG單元主要 用于DSC的調試和仿真。
(2) 在TMS320F28x芯片中，中斷管理單元提供對外設總線所掛接的外部 設備瞬變事件的高速響應處理。(3) 存儲器總線連接CPU及三類存儲單元，FLASH是可編程大容量閃爍存 儲器，主要存放應用程序和不變數據，RAM是隨機存取存儲器，主要存儲臨時工 作變量或參數，ROM為只讀存儲器，它存放芯片生產廠家預裝的程序庫。
(4) 在TMS320F28x芯片中，CPU通過外部總線與P麗、ADC、 QEP、 CAP、 GPIO、 SPI、 SCI、 McBSP、 12C、 CAN等外部設備連接，以實現多種外部設備的有效管理。 這些外部設備的主要功能如下
P麗一脈沖寬度調制器模塊，這是全數字焊機實現的關鍵部件之一。 ADC—模/數轉換器模塊，在焊機中可通過模/數轉換器將焊接電流、焊接 電壓等模擬量轉化為數字量以便進行數字處理。 QEP—積分編碼脈沖模塊，可用于電機速度的實時測定。 CAP—捕捉單元，可用于快速信號的監控。
GPI0—通用數字輸入輸出，實際上就是普通的數字輸入輸出端口。 SPI—同步串行接口。
SCI—串行通訊接口，可應用于工業標準的RS-232、 RS-422/RS-485通訊。
McBSP—多通道緩沖串行端口 。
12C—內部整合串行接口。
CAN—控制局域網接口，可用于自動化焊接組網。
權利要求
1. 一種全數字逆變式方波交流氬弧焊機，包括功率系統，具有一次整流濾波、一次逆變、主變壓器、二次整流濾波、二次逆變、輸出回路，響應于一個控制信號，將電網高壓正旋交流電轉換成低壓方波交流電，通過焊接回路完成電能到熱能的轉換；和控制系統，具有輔助電源、網壓檢測、原邊電流反饋、焊接電流反饋、電弧電壓反饋、功率單元的溫度反饋、焊矩開關狀態檢測、冷卻單元控制及驅動、保護氣體通斷控制及驅動、引弧穩弧電路、一次逆變驅動、二次逆變驅動以及包含給定信號調理、反饋信號調理、誤差計算、定時器、時序控制邏輯、波形發生、比例積分運算、PWM調節的核心功能單元，人機交互界面；其特征在于，所述控制系統的核心功能單元是數字信號控制器(DSC)或者數字信號處理器(DSP)。
2. 根據權利要求1所述的全數字逆變式方波交流氬弧焊機，其特征在于， 所述的數字信號控制器(DSC)的型號為TMS320F28x，該TMS320F28x包括C28X 32位CPU (DSC)，用于數據的存取、運算、管理和輸入/輸出的控制; 外設總線，CPU通過外部總線連接且管理外部設備；中斷管理單元，對外設總線所掛接的外部設備產生的瞬變事件作出高速響 應處理；存儲器總線，其連接CPU及閃爍存儲器(FLASH)、隨機存取存儲器(RAM)、 只讀存儲器(R0M)。
3. 根據權利要求2所述的全數字逆變式方波交流氬弧焊機，其特征在于， 所述C28X 32位CPU (DSC)包括32x32乘法器，進行數據運算；讀-修改-寫算術邏輯單元(R-M-W ALU);32位浮點單元，通過CPU內部總線或/和存儲器總線及外設總線實現數據的傳遞；32位定時器；實時JTAG單元，用于DSC的調試和仿真。
4.根據權利要求2所述的全數字逆變式方波交流氬弧焊機，其特征在于， 所述外設總線連接SCI、 SPI、 12C、 CAN、 CAP、 QEP、 PWM、 ADC等外部設備接口。
全文摘要
一種可靠性、一致性和穩定性優良的全數字逆變式方波交流氬弧焊機，包括功率系統，具有一次整流濾波、一次逆變、主變壓器、二次整流濾波、二次逆變、輸出回路，響應于一個控制信號，將電網高壓正旋交流電轉換成低壓方波交流電，通過焊接回路完成電能到熱能的轉換；和控制系統，控制系統包含核心功能單元和人機交互界面；特點是所述控制系統的核心功能單元是數字信號控制器(DSC)或者數字信號處理器(DSP)。
文檔編號B23K9/16GK101502908SQ200910127179
公開日2009年8月12日 申請日期2009年3月16日 優先權日2009年3月16日
發明者徐愛平, 磊 潘, 波 蕭 申請人:深圳市佳士科技發展有限公司