專利名稱：一種維弧斬波控制電路及切割機的制作方法
一種維弧斬波控制電路及切割機
技術領域：
本發明屬于維弧控制技術和切割機技術領域，尤其涉及一種維弧斬波控制電路及切割機。
背景技術：
目前，在非高頻斬波維弧控制電路中，維弧電流大約設定在18-20A，維弧電路一般用鐵鉻電阻線圈電壓來判斷維弧狀態，開通副排氣閥，減少維弧階段氣壓量，并用繼電器來通斷維弧電路.此方案維弧電阻發熱嚴重，對安裝工藝和散熱要求較高，長時間使用 產品存在安全隱患，與本發明最相似的實現方案采用無固定頻率調節，電路工作使用槍開關控制，輸出電流采用電流閉環控制方式，當輸出電流大于定電流數值時驅動關閉，無PI環路調節，采用三極管驅動IGBT，IGBT開關頻率同時受電極與噴嘴之間的電弧電壓和給定電壓值影響，IGBT開關頻率超過主電路工作頻率，會對超微晶主變產生偏磁影響，維弧階段易出現過流保護現象，降低了產品可靠性。這種非高頻斬波維弧控制電路存在如下缺點(I)斬波功開關管IGBT工作無固定頻率，維弧階段主變易偏磁，出現過流保護現象；( 2 )低電網輸入情況下，維弧電弧易斷弧；(3)槍電極與噴嘴損耗嚴重，存在燒損情況。
發明內容為了解決現有技術中存在的上述技術問題，本發明提供了一種可有效防止主變偏磁和維弧過流保護，維弧電流穩定、不斷弧，起弧成功率高，工作可靠穩定，性能優良，使用壽命長的維弧斬波控制電路及切割機。本發明解決現有技術問題所采用的技術方案為一種維弧斬波控制電路，包括有一用于在低電網輸入條件下產生脈沖寬度調節驅動信號并限制功率開關管電流的功率開關器件驅動電路、一用于對低電網輸入的電流進行取樣放大的差分放大取樣電路、一用于根據放大后的電流信號來調節脈沖寬度調節驅動信號脈寬的電流反饋環控制電路，以及一用于當功率開關管關斷且輸出負端為正時將電流續流回至主回路中輸送至切割機噴嘴處的維弧電流續流電路；且所述功率開關器件驅動電路、差分放大取樣電路、電流反饋環控制電路和維弧電流續流電路依次導通連接。進一步地，所述功率開關器件驅動電路包括有一電壓型控制芯片，兩個二極管Dl和D2，三個開關管Ql Q3，三個電容C2、C3、C4和C10，以及六個電阻R2、R4、R5、R6、RlO和R14 ;其中，所述電壓型控制芯與輸入電源連接，且連接處外接有電容C4，且所述電阻R4、R5、RlO和電容C3、C10,以及二極管Dl、D2均與電壓型控制芯片導通連接；所述開關管Q2和Q3相互并聯，串聯在所述電阻R6和開關管Ql之間，且所述電阻R6與所述二極管D1、D2導通連接；所述電阻R14兩端分別與所述二極管Dl和D2、開關管Q3導通連接；所述電阻R2與電容C2串聯一起，并與所述開關管Ql并聯。進一步地，所述電壓型控制芯片為SG3525芯片，其引腳13導通連接有用于內部輸出三極管限流所述電阻R10，引腳5和引腳6分別導通連接有用于確定工作頻率的所述電容C3和電阻R4，引腳5和引腳7之間還導通連接有用于確定工作死區時間的所述電阻R5，引腳8外接有用于為電路開始工作提供慢啟動控制的電容C10，且引腳12為接地端，引腳11和引腳14為脈沖輸出端，引腳16為基準電壓輸出端，引腳15為所述電壓型控制芯片提供正常工作電壓的供電腳，外接用于高頻濾波的電容C4。
進一步地，所述引腳11和引腳14以共用形成單端輸出方式連接，所述電阻R2和電容C2組成構成用于減小開關管Ql損耗的RC吸收電路。進一步地，所述差分放大取樣電路包括有一雙差分運算放大器U3A，四個電阻R1、R12、R15、R24，四個電容Cl、C8、C9和C12 ;其中，所述雙差分運算放大器采用雙電源供電，且其輸入端導通連接有用于濾波的所述電容Cl和電容C12，并且還導通連接有用于電源濾波的所述電容CS和電容C9;所述雙差分運算放大器的輸出端導通連接有用于電流信號取樣并轉換成電壓信號進行放大的所述電阻R12，所述電阻R12導通連接有用于確定其兩端差分電壓放大比例的電阻Rl和電阻R15，所述電阻R15導通連接有用于將負電壓信號進行輸出的所述電阻R13，所述電阻R24兩端分別連接電阻R12和電容C12。進一步地，所述電流反饋環控制電路包括有一用于產生正給定信號的可調電阻RV1，兩個電容C6和C7，六個電阻R16、R17、R18、R20、R28和R29，以及一雙差分運算放大器U3B和一開關管Q4 ;其中，所述可調電阻RVl與所述差分放大取樣電路的電阻R13的輸出端導通連接，且在所述電阻R13與可調電阻RVl之間依次串聯有所述電阻R28和電阻R29，所述C7 —端連接在所述電阻R28與電阻R29之間，另一端連接在所述可調電阻RVl的輸出端上；所述電阻R20和電容C6組合構成用于產生輸出調節脈沖寬度調節驅動信號脈寬的比例積分電路；所述雙差分運算放大器U3B的的輸出端導通連接有用于將誤差信號進行反向放大的電阻R16、電阻R17、電阻R18和開關管Q4，所述開關管Q4的集電極與所述電壓型控制芯片的引腳9導通連接。進一步地，所述維弧電流續流電路包括有一個二極管D6，一個電阻R3，一個電容C13和兩個電感L1、L2 ;其中，所述二極管D6與本控制電路的輸出負端連接，并與所述差分放大取樣電路的電阻R12輸入端導通連接；所述電感LI和電感L2并聯一起，且兩端分別與所述電阻R12的輸出端和切割機的噴嘴導通連接；所述電阻R3與電容C13串聯一起，且與所述二極管D6并聯。進一步地，本控制電路的工作電壓為12V，工作頻率為12K。一種切割機，其特征在于包括有電源電路、切割槍和上述權利要求所述的維弧斬波控制電路，所述切割槍包括有開關電路和噴嘴，所述開關電路和噴嘴分別與所述維弧斬波控制電路中的功率開關器件驅動電路和維弧電流續流電路導通連接，所述電源電路與所述功率開關器件驅動電路和開關電路導通連接。進一步地，所述開關電路包括有依次導通連接的電阻R21、三極管Q5和光耦器U2，且所述電阻R21與所述電源電路導通連接，所述光耦器U2與所述電壓型控制芯片的引腳8導通連接。本發明通過上述技術方案，其上采用恒頻PWM控制技術，可限制開關管電流，避免了超微晶主變偏磁和出現維弧過流保護；同時采用單管IGBT做開關器件，采用差分方式輸出電流，采用快速調節系統，以及主回路用快恢復二極管形成續流回路主，且控制方式用電流閉環調節，使得本控制電路在低電網輸入條件下，維弧電流穩定，不斷弧，且起弧成功率高，可勝利完成電弧轉移至工件，實現小電流恒流控制，解決了在低電網電壓輸入下起弧斷弧問題。另外，采用該控制電路的非高頻切割機可實現快速切割轉移，工作可靠穩定，性能優良，而且減小了維弧和噴嘴維弧損耗，延長了電極和噴嘴使用壽命，耐用、可靠。
圖I是本發明實施例所述維弧斬波控制電路及其切割機的結構原理示意框圖；圖2是本發明實施例所述維弧斬波控制電路及其切割機的電路示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明技術方案進行詳細說明。如圖I和至圖2中所示本發明實施例所述的一種維弧斬波控制電路，包括有一用于在低電網輸入條件下產生脈沖寬度調節驅動信號并限制功率開關管電流的功率開關器件驅動電路I、一用于對低電網輸入的電流進行取樣放大的差分放大取樣電路2、一用于根據放大后的電流信號來調節脈沖寬度調節驅動信號脈寬的電流反饋環控制電路3，以及一用于當功率開關管關斷且輸出負端為正時將電流續流回至主回路中輸送至切割機噴嘴處的維弧電流續流電路4 ;且所述功率開關器件驅動電路I、差分放大取樣電路2、電流反饋環控制電路3和維弧電流續流電路4依次導通連接。其中，所述功率開關器件驅動電路I包括有一電壓型控制芯片，兩個二極管Dl和D2，三個開關管(三極管，IGBT)Q1 Q3，三個電容C2、C3、C4和C10，以及六個電阻R2、R4、R5、R6、RlO和R14 ;其中，所述電壓型控制芯與輸入電源連接，且連接處外接有電容C4，且所述電阻R4、R5、R10和電容C3、C10，以及二極管D1、D2均與電壓型控制芯片導通連接；負極與電阻R14和R6相連，且電阻R6連接三極管Q2和Q3的基極，還與所述二極管D1、D2導通連接；所述電阻R14兩端分別與所述二極管Dl和D2、開關管Q3導通連接；所述電阻R2與電容C2串聯一起，并與所述開關管Ql并聯；而且，所述電壓型控制芯片為SG3525芯片，其引腳13導通連接有用于內部輸出三極管限流所述電阻R10，引腳5和引腳6分別導通連接有用于確定工作頻率的所述電容C3和電阻R4，引腳5和引腳7之間還導通連接有用于確定工作死區時間的所述電阻R5，引腳8外接有用于為電路開始工作提供慢啟動控制的電容C10，且引腳12為接地端，引腳11和引腳14為脈沖輸出端，引腳16為基準電壓輸出端，引腳15為所述電壓型控制芯片提供正常工作電壓的供電腳，外接用于高頻濾波的電容C4 ;所述引腳11和引腳14以共用形成單端輸出方式連接，所述電阻R2和(瓷片)電容C2組成構成用于減小開關管Ql損耗的RC吸收電路。所述差分放大取樣電路2包括有一雙差分運算放大器U3A (如LM358運放芯片)，四個電阻Rl、R12、R15、R24，四個電容Cl、C8、C9和C12 ;其中，所述雙差分運算放大器采用雙電源供電，且其輸入端導通連接有用于濾波的所述電容Cl和電容C12，并且還導通連接有用于電源濾波的所述電容CS和電容C9 ;所述雙差分運算放大器的輸出端導通連接有用于電流信號取樣并轉換成電壓信號進行放大的所述電阻R12，所述電阻R12導通連接有用于確定其兩端差分電壓放大比例的電阻Rl和電阻R15，所述電阻R15導通連接有用于將負電壓信號進行輸出的所述電阻R13，所述電阻R24兩端分別連接電阻R12和電容C12。所述電流反饋環控制電路3包括有一用于產生正給定信號的可調電阻RV1，兩個電容C6和C7，六個電阻R16、R17、R18、R20、R28和R29，以及另一雙差分運算放大器U3B(如LM358運放芯片)和一開關管Q4 ;其中，所述可調電阻RVl與所述差分放大取樣電路2的電阻R13的輸出端導通連接，且在所述電阻R13與可調電阻RVl之間依次串聯有所述電阻R28和電阻R29，所述C7 —端連接在所述電阻R28與電阻R29之間，另一端連接在所述可調電阻RVl的輸出端上；所述電阻R20和電容C6組合構成用于產生輸出調節脈沖寬度調節驅動信號脈寬的比例積分電路；所述雙差分運算放大器U3B的的輸出端導通連接有用于將誤差信號進行反向放大的電阻R16、電阻R17、電阻R18和開關管Q4，所述開關管Q4的集電極與所述電壓型控制芯片的引腳9導通連接。所述維弧電流續流電路4包括有一個二極管D6，一個電阻R3，一個電容C13和兩 個電感L1、L2;其中，所述二極管D6與本控制電路的輸出負端連接，并與所述差分放大取樣電路2的電阻R12輸入端導通連接；所述電感LI和電感L2并聯一起，且兩端分別與所述電阻R12的輸出端和切割機的噴嘴導通連接；所述電阻R3與電容C13串聯一起，且與所述二極管D6并聯。另外，本控制電路的工作電壓為12V，工作頻率為12K。本發明所述維弧控制電路的工作原理為當本電路在供電正常情況下，首先，電壓型控制芯片(SG3525芯片)慢啟動引腳8電壓慢上升至5V電壓，啟動脈寬從最小增大至最大，經由二極管Dl、D2和電阻R14構成的單端驅動電路輸出脈沖寬度調節驅動信號，并經開關管Q2和Q3放大后從開關管Q2的發射極輸出，經電阻R7和R27分壓直接驅動開關管Q1，同時通過導通連接在開關管Ql集電極與發射極上的由R2和瓷片電容C2構成的RC吸收電路減少開關管工作損耗；接著，所述差分放大取樣電路2的電阻R12將對輸入的進行取樣，并按照電阻Rl和電阻R15的確定差分電壓放大比例對其兩端的電壓信號放大20倍,并由其電阻R13輸出電流信號輸出為負電壓信號；最后，所述電流反饋環控制電路3的可調電阻RVl產生維弧電流的正給定信號，并經電阻R29和電容C7進行濾波后，由電阻R28輸出至雙差分運算放大器U3B負端，且經雙差分運算放大器U3B輸出端與負輸入端上的由電阻R20和積分電容C6組成的比例積分電路進行處理，產生輸出調節脈沖寬度調節驅動信號脈寬，同時雙差分運算放大器U3B輸出誤差信號，經電阻R16 R18和開關管Q4進行一倍反向放大，以實現雙差分運算放大器U3B的電壓數值開關管Q4的集電極電壓和電壓型控制芯片的電平的控制。當在低電網輸入條件下，所述電壓型控制芯片的電平約為4V，輸出最大脈寬，單管IGBT關斷時形成一續流回路，二極管D6導通，經電流取樣電阻R12、電感LI和L2輸出至噴嘴處，此時雙差分運算放大器U3B的電位上升，將電壓型控制芯片的電平降低，輸出脈寬減小，完成電流控制調節功能。這樣，本發明通過采用恒頻PWM控制技術，可限制開關管電流，避免了超微晶主變偏磁，出現維弧過流保護；同時采用單管IGBT做開關器件，采用差分方式輸出電流，采用快速調節系統，以及主回路用快恢復二極管形成續流回路主，且控制方式用電流閉環調節，使得本控制電路在低電網輸入條件下，維弧電流穩定，不斷弧，且起弧成功率高，可勝利完成電弧轉移至工件，實現小電流恒流控制，解決在低電網電壓輸入下起弧斷弧問題。本發明還提供了一種切割機，該切割機是非高頻切割機，包括有電源電路5、切割槍和本發明所述的維弧斬波控制電路，所述切割槍包括有開關電路6和噴嘴7，所述開關電路6包括有依次導通連接的電阻R21、三極管Q5和光耦器U2，且所述電阻R21與電源電路5導通連接，所述光耦器U2與所述電壓型控制芯片的引腳8導通連接；所述噴嘴7與所述維弧斬波控制電路中的維弧電流續流電路4的電感LI和電感L2的輸出端導通連接，所述電源電路5還與所述維弧斬波控制電路的功率開關器件驅動電路I。當按下槍開關時，12V電壓通過電阻R21給三極管Q5提供基極電流，使三極管Q5飽和導通，電極電壓約O. 3V，光耦器U2的引腳I和引腳2無電壓不導通，光耦器U2的引腳3和引腳4無電流通過，使電壓型控制芯片電壓上升為5V，槍開關松開，三極管Q5不導 通，當工件有切割電流時，槍開關信號為低電平狀態，實現切割無維弧電流。這樣，即可實現快速切割轉移，工作可靠穩定，性能優良，而且減小了維弧和噴嘴6維弧損耗，延長了電極和噴嘴6使用壽命，耐用、可靠。以上內容是結合具體的優選技術方案對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種維弧斬波控制電路，其特征在于包括有一用于在低電網輸入條件下產生脈沖寬度調節驅動信號并限制功率開關管電流的功率開關器件驅動電路(I)、一用于對低電網輸入的電流進行取樣放大的差分放大取樣電路(2)、一用于根據放大后的電流信號來調節脈沖寬度調節驅動信號脈寬的電流反饋環控制電路(3)，以及一用于當功率開關管關斷且輸出負端為正時將電流續流回至主回路中輸送至切割機噴嘴處的維弧電流續流電路(4);且所述功率開關器件驅動電路(I)、差分放大取樣電路(2)、電流反饋環控制電路(3)和維弧電流續流電路(4 )依次導通連接。
2.根據權利要求I所述的維弧斬波控制電路，其特征在于所述功率開關器件驅動電路(I)包括有一電壓型控制芯片，兩個二極管Dl和D2，三個開關管Ql Q3，三個電容C2、C3、C4和C10，以及六個電阻R2、R4、R5、R6、RlO和R14 ;其中，所述電壓型控制芯與輸入電源連接，且連接處外接有電容C4，且所述電阻R4、R5、R10和電容C3、C10，以及二極管D1、D2均與電壓型控制芯片導通連接；負極與電阻R14和R6相連，且電阻R6連接三極管Q2和Q3的基極，還與所述二極管Dl、D2導通連接；所述電阻R14兩端分別與所述二極管Dl和D2、開關管Q3導通連接；所述電阻R2與電容C2串聯一起，并與所述開關管Ql并聯。
3.根據權利要求2所述的維弧斬波控制電路，其特征在于所述電壓型控制芯片為SG3525芯片，其引腳13導通連接有用于內部輸出三極管限流所述電阻R10，引腳5和引腳6分別導通連接有用于確定工作頻率的所述電容C3和電阻R4，引腳5和引腳7之間還導通連接有用于確定工作死區時間的所述電阻R5，引腳8外接有用于為電路開始工作提供慢啟動控制的電容C10，且引腳12為接地端，引腳11和引腳14為脈沖輸出端，引腳16為基準電壓輸出端，引腳15為所述電壓型控制芯片提供正常工作電壓的供電腳，外接用于高頻濾波的電容C4。
4.根據權利要求3所述的維弧斬波控制電路，其特征在于所述引腳11和引腳14以共用形成單端輸出方式連接，所述電阻R2和電容C2組成構成用于減小開關管Ql損耗的RC吸收電路。
5.根據權利要求I至4中任何一項所述的維弧斬波控制電路，其特征在于所述差分放大取樣電路(2)包括有一雙差分運算放大器U3A，四個電阻Rl、R12、R15、R24，四個電容C1、C8、C9和C12 ;其中，所述雙差分運算放大器采用雙電源供電，且其輸入端導通連接有用于濾波的所述電容Cl和電容C12，并且還導通連接有用于電源濾波的所述電容C8和電容C9;所述雙差分運算放大器的輸出端導通連接有用于電流信號取樣并轉換成電壓信號進行放大的所述電阻R12，所述電阻R12導通連接有用于確定其兩端差分電壓放大比例的電阻Rl和電阻R15，所述電阻R15導通連接有用于將負電壓信號進行輸出的所述電阻R13，所述電阻R24兩端分別連接電阻R12和電容C12。
6.根據權利要求5所述的維弧斬波控制電路，其特征在于所述電流反饋環控制電路(3)包括有一用于產生正給定信號的可調電阻RV1，兩個電容C6和C7，六個電阻R16、R17、R18、R20、R28和R29，以及另一雙差分運算放大器U3B和一開關管Q4 ;其中，所述可調電阻RVl與所述差分放大取樣電路(2)的電阻R13的輸出端導通連接，且在所述電阻R13與可調電阻RVl之間依次串聯有所述電阻R28和電阻R29，所述C7 —端連接在所述電阻R28與電阻R29之間，另一端連接在所述可調電阻RVl的輸出端上；所述電阻R20和電容C6組合構成用于產生輸出調節脈沖寬度調節驅動信號脈寬的比例積分電路；所述雙差分運算放大器U3B的的輸出端導通連接有用于將誤差信號進行反向放大的電阻R16、電阻R17、電阻R18和開關管Q4，所述開關管Q4的集電極與所述電壓型控制芯片的引腳9導通連接。
7.根據權利要求6所述的維弧斬波控制電路，其特征在于所述維弧電流續流電路(4)包括有一個二極管D6，一個電阻R3，一個電容C13和兩個電感LI、L2 ;其中，所述二極管D6與本控制電路的輸出負端連接，并與所述差分放大取樣電路(2)的電阻R12輸入端導通連接；所述電感LI和電感L2并聯一起，且兩端分別與所述電阻R12的輸出端和切割機的噴嘴導通連接；所述電阻R3與電容C13串聯一起，且與所述二極管D6并聯。
8.根據權利要求I至4或6或7中任何一項所述的維弧斬波控制電路，其特征在于本控制電路的工作電壓為12V，工作頻率為12K。
9.一種切割機，其特征在于包括有電源電路(5)、切割槍和上述權利要求所述的維弧斬波控制電路，所述切割槍包括有開關電路(6)和噴嘴(7)，所述開關電路(6)和噴嘴(7)分別與所述維弧斬波控制電路中的功率開關器件驅動電路(I)和維弧電流續流電路(4)導通連接，所述電源電路(5 )與所述功率開關器件驅動電路(I)和開關電路(6 )導通連接。
10.根據權利要求9所述的切割機，其特征在于所述開關電路(6)包括有依次導通連接的電阻R21、三極管Q5和光耦器U2，且所述電阻R21與所述電源電路(5 )導通連接，所述光耦器U2與所述電壓型控制芯片的引腳8導通連接。
全文摘要
本發明提供了一種維弧斬波控制電路及切割機，該控制電路包括有依次導通連接的一用于在低電網輸入條件下產生脈沖寬度調節驅動信號并限制功率開關管電流的功率開關器件驅動電路、一用于對低電網輸入的電流進行取樣放大的差分放大取樣電路、一用于根據放大后的電流信號來調節脈沖寬度調節驅動信號脈寬的電流反饋環控制電路，以及一用于當功率開關管關斷且輸出負端為正時將電流續流回至主回路中輸送至切割機噴嘴處的維弧電流續流電路。既避免了超微晶主變偏磁和出現維弧過流保護，又提高了起弧成功率，維弧電流穩定，不斷弧，實現小電流恒流控制，解決了在低電網電壓輸入下起弧斷弧問題；同時減小了維弧和噴嘴維弧損耗，使用壽命長，耐用、可靠。
文檔編號B23K9/10GK102794547SQ20121028174
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月4日 優先權日2012年8月4日
發明者邱光, 王巍, 楊少軍, 王剛 申請人:深圳市瑞凌實業股份有限公司