專利名稱：一種具有良好焊接波形的數字化焊機控制裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及ー種電焊機控制系統，尤其是ー種能夠具有良好焊接波形的數字化電焊機控制裝置。
背景技術：
目前的氣體保護焊焊機一般采用模擬電路進行控制，請參閱圖1，通過IGBT等開關器件控制焊機的輸出。焊機的輸出反饋的檢測的一般為輸出電壓、輸出電流或者二者的綜合，通過與參考給定輸入信號的形式獲得誤差信號。對該誤差信號進行比例積分(PI)控制方法得到具有穩態精度和抗高頻和抗干擾能力的控制信號來對IGBT的導通情況進行控制。 由于模擬焊機的控制元件數量眾多，對焊接電流、電壓的控制能力有限，難以滿足人們對焊接加工的高性能要求。由于模擬控制系統的參數由獨立的電阻、電容等分立元件決定，導致焊接控制系統調試復雜；同時電阻、電容的參數分布影響導致焊機的控制系統參數調節各異，穩定性能差，影響控制系統的穩定性。基于以上原因，在氣體保護焊的實際操作的關鍵技術是在對焊機的焊接參數匹配、調試以及焊接エ藝的配合掌握，只有各種焊接參數匹配得當時才能焊出好的エ藝效果，降低焊接過程中的飛濺現象，改善焊縫成形。由于這些參數都是ー個相對值，很不精確，要靠焊接作業人員熟練掌握。操作エ根據焊材的特性和エ藝要求調整各種焊接參數，而調整的途徑則是聽聲音、看現象、看效果，焊接效果的好壞全憑操作エ的焊接水平。傳統焊機在使用過程中對焊接操作人員的技術依賴性強，但培養一個熟練的氣保焊操作エ需要兩個月的時間，這要靠師傅言傳身教，耗費許多焊接材料以作練習。在氣體保護焊中，飛濺主要產生在由燃弧轉向短路和由短路轉向燃弧的兩個短路過渡區內。短路初期，電流過大會導致熔滴過分長大而脫落，在C02氣體沖擊下產生飛濺；當熔滴和熔池接觸時，熔滴成為焊絲和熔池的連接橋梁，形成液體小橋，并通過該小橋使電路短路。短路之后電流逐漸增加，小橋處的液體金屬在電磁收縮カ的作用下急劇收縮，形成很細的縮頸。隨著電流的增加和縮頸的減小，小橋處的電流密度很快增加，對小橋急劇加熱，造成過剩能量的積聚，最后導致小橋發生氣化爆炸，同時引起金屬飛濺。在這兩個過渡區都存在電流密度過于集中的問題，因而降低短路初期和液橋破斷瞬時的電流，減少小橋電爆炸能量，軟化狀態轉換過程成為降低飛濺的主要方法。改善焊縫成形主要方法是控制輸入給焊縫和焊絲的熱量，即控制焊接電流的有效值。在燃弧期，施加固定燃弧脈沖電流來控制熔滴大小的均勻。調節焊接電流的衰減時間，調整輸入給焊縫的熱量。
實用新型內容針對現有技術的不足，本實用新型的目的是要提供一種能夠防止焊接過程產生飛濺、并且具有良好焊接波形的數字化焊機控制裝置。[0008]為實現上述目的，本實用新型采用的技術方案如下ー種具有良好焊接波形的數字化焊機控制裝置，包括逆變主電路單元，用于控制焊機輸出電路開啟/關閉；和信號檢測單元，用于檢測焊機輸出電路的電流信號和電壓信號；及PWM控制單元，與所述逆變主電路單元連接，根據控制器發出的控制器信號控制該逆變主電路導通/關閉；和狀態檢測單元，根據所述信號檢測單元檢測的信號判斷當前焊機輸出電路的輸出狀態；以及控制器，接收信號檢測單元的檢測信號以及所述狀態檢測單元的狀態判斷，對所述PWM控制單元進行控制。具體的，所述逆變主電路單元包括兩個并聯的橋臂、一電容和ー變壓器，其中每個橋臂上串聯有兩個開關器件，該開關器件的控制端與所述PWM控制單元連接；所述變壓器的原邊串聯在該兩橋臂之間，所述電容與所述該變壓器原邊串聯，該變壓器的副邊連接到焊機的輸出端。進ー步，所述開關器件為包括IGBT開關器件。具體的，所述PWM控制單元包括PWM控制器、誤差放大器、零電壓比較器和輸出鎖存器以及驅動器，該PWM控制器根據所述控制器的控制器信號發出的信號經所述誤差放大器放大、零電壓比較器和輸出鎖存器進行鎖存后輸出給驅動器，驅動該逆變主電路單元的開關器件，控制逆變主電路單元導通/關閉。具體的，所述信號檢測單元檢測的電流信號傳送至所述PWM控制單元的PWM控制器，所述PWM控制器根據該電流信號進行延吋。優選的，所述PWM控制器為PWM專用芯片UC3846。具體的，所述信號檢測單元包括電壓檢測模塊和電流檢測模塊，所述電壓檢測模塊包括一霍爾電壓傳感器和至少ー放大器，所述霍爾傳感器檢測的輸出電壓信號經放大器放大后輸出至所述狀態檢測單元和控制器；所述電流檢測模塊包括一霍爾電流傳感器和至少ー放大器，該霍爾電流傳感器檢測的電流信號經放大器放大后輸出給所述PWM控制單元和控制器。具體的，所述狀態檢測單元包括短路檢測單元和燃弧檢測單元，所述短路檢測單元包括一短路比較器，該短路比較器根據信號檢測單元輸出的電壓信號與一短路閾值進行比較得出短路信號，并將該短路信號傳送至所述控制器；所述燃弧檢測單元包括一燃弧比較器，該燃弧比較器根據信號檢測單元輸出的電壓信號與一燃弧閾值進行比較得出燃弧信號，并將燃弧信號傳送至控制器。進ー步，所述控制器接收所述信號檢測單元輸出的電流信號，并將該電流信號與一輸入的電流閾值信號進行PID運算，根據該運算結果輸出ー控制器信號，控制所述PWM控制單兀。上述優選實施方式中，還包括一送絲裝置和上位系統，所述送絲裝置與所述控制器連接，根據控制器的指令傳送焊絲；所述上位系統與所述控制器交互，用于通訊和人機交互。相對于現有技木，本實用新所述的數字化焊機的控制器通過PWM控制單元控制逆變主電路導通/關閉，有效的對輸出電流大小進行控制，改善了焊縫成形；并且通過及時當前檢測焊接狀態有效地防止焊接過程中產生飛濺現象；更重要的是，由于整個控制系統采用數字化控制，焊機控制系統穩定致使焊接參數容易調整、匹配，使得焊接作業人員能夠及時掌握焊接技巧，克服現有焊機使用過程中對焊接操作人員操作經驗的依賴。為了充分地了解本實用新型的目的、特征和效果，以下將結合附圖對本實用新型的構思、具體結構及產生的技術效果作進ー步說明。
圖I是現有技術中焊機控制系統的功能結構示意圖；圖2是本實用新型所述數字化焊機的控制系統的結構示意圖；圖3是逆變器主電路單元的結構示意圖；圖4是PWM控制單元與逆變器主電路單元的結構示意圖；圖5是狀態檢測單元的結構示意圖；圖6是控制器與PWM檢測單元的連接關系示意圖；圖中I-逆變主電路單元；2-PWM控制單元；3_控制器；4_信號檢測單元；41_電流檢測模塊；42_電壓檢測模塊；5_狀態檢測単元；51_短路檢測模塊；52_燃弧檢測模塊；6-輸出電路；7_送絲裝置；8_上位系統。
具體實施方式
如圖2至圖6所示，ー種具有良好焊接波形的數字化焊機控制裝置，包括逆變主電路單元I、PWM控制單元2、控制器3、信號檢測單元4和狀態檢測単元5。請參閱圖2，圖2所示為本發明所述數字式焊機的控制系統的結構示意圖，逆變器主電路單元I用于控制輸出電路6的開啟/關閉，控制器3根據信號檢測單元4的檢測信號和狀態檢測単元4的狀態信號控制PWM控制單元2發出控制信號，控制逆變主電路單元I開啟/關閉。通過控制逆變主電路單元I開啟時間在開啟時間和關閉時間之和的比值，即占空比，調整輸出電流的有效值。 請參閱圖3，圖3所示為逆變器主電路單元I的結構示意圖。該逆變器主電路單元I具有兩條并聯連接的橋臂、電容和ー變壓器。每條橋臂上串接有兩個開關器件，該開關器件的控制端與PWM控制單元2連接，該開關器件可以根據PWM控制單元2的控制信號導通/關閉。變壓器的原邊串聯于該兩橋臂的開關器件之間，副邊與焊機的輸出端連接。作為一種優選的實施方式，開關器件可以采用絕緣柵雙極性晶體管(Insulated Gate BipolarTransistor, IGBT),其集電極和發射極為開關器件的連接端,柵極為開關器件的控制端。在現有的焊機中采用常規的PWM逆變器，一般使用硬開關器件進行控制。在需要高速開啟/關閉的電路中，使用硬開關器件會導致硬開關損耗、容性開通問題。由于開關器件不是ー個理想器件，在開通時，開關管的電壓不是立即下降到零，而是通過ー個下降時間下降到零。同時，經過開關器件的電流也不是立即上升到負載電流，也必須經歷一段上升時間才達到負載電流。在這段時間中，由于電流和電壓有一個交疊區，因此會產生損耗，稱該損耗為開通損耗。同理，在開關器件關斷的時候，也會有一個關斷損耗。在開關器件工作的時候，產生的開通損耗和關斷損耗統稱為開關損耗。由于硬開關在開關過程中電壓和電流 均不為零而重疊，導致出現開關噪聲和電壓和電流變化很快，波形出現明顯的過沖。本實施例中逆變主電路單元I由于變壓器原邊為感性負載，使負載電流電流滯后于電壓，當逆變主電路單元I變換電流方向后，電流的流向并不馬上發生該表，使電流繼續按照原有方向流動抽走開關器件的結電容上的電荷。當開關器件上的電荷完全抽走后，電壓降為零電壓，然后再使逆變主電路單元I進行反方向開通，有效地降低了開關器件的開關損耗和電流過沖現象。請參閱圖4,圖4所示為PWM控制單元與逆變主電路單元的結構示意圖。PWM控制單元2包括PWM控制器21，誤差放大器22、零電壓比較器23、輸出鎖存器24和驅動器25。PWM控制器21根據控制器3的控制發出PWM觸發信號，經誤差放大器22和零電壓比較器23放大后，輸出鎖存器24進行鎖存并傳送至驅動器25，驅動逆變主電路單元I的IGBT開關，輪流觸發橋臂的IGBT器件。作為ー種優選的實施方式，PWM控制器21可以采用UC3846作為PWM集成控制電路。為了防止逆變主電路單元中出現電壓信號與電流信號重疊，導致電流和電壓信號變化過快而出現開關噪聲現象，PWM控制器21還接收信號檢測單元4檢測的 電流信號。當逆變主電路單元I的電流從負半波到正半波過零時，零電壓比較器23輸出高電平，UC3846控制器的外部同步端輸出驅動頻率跟蹤諧振頻率，觸發逆變器主電路的開關器件Q1、Q4導通。當逆變主電路I中的電流從正半波到負半波過零時，零電壓比較器23則輸出低電平觸發Q2、Q3導通。UC3846和驅動電路使得開關器件Ql和Q4的導通轉換到開關器件Q2、Q3的導通存在一定的延遲時間，保證驅動信號的開關時刻正好在逆變主電路單元I的過零點。請參閱圖5，所述信號檢測單元4包括電流檢測模塊41和電壓檢測模塊42。電流檢測模塊41包括ー霍爾電流傳感器和至少ー放大器，霍爾電流傳感器可以采用CS-800FA/4V的規格，該霍爾電流傳感器的線性范圍是0 800A，額定輸出0 4V，精確度為±1%，響應時間小于lus，滿足焊接回路電流反饋信號采集的需要。霍爾電流傳感器得到的電流信號經放大器適當放大后，傳送至PWM控制單元2和控制器3。電壓檢測模塊42包括霍爾電壓傳感器和至少一放大器，霍爾電壓傳感器可以米用型號為VSM025A的霍爾電壓傳感器，經放大器進行適當放大后，將其輸出限定在0 3. 3V，傳送至控制器3和狀態檢測單元5中。請參閱圖5，狀態檢測単元5包括短路檢測模塊51和燃弧檢測模塊52。短路檢測模塊51包括一短路比較器，該短路比較器將接收的電壓信號與一短路閾值電壓進行比較，當電壓信號小于短路閾值電壓時，說明進入短路狀態，短路檢測模塊51向控制器3發出短路信號。短路閾值電壓可以根據多次試驗結果進行確定，作為一有效的經驗值，短路閾值電壓可以選擇13V左右。燃弧檢測模塊52包括一燃弧比較器，該燃弧比較器根據接收的電壓信號與燃弧閾值電壓進行比較，如果電壓信號大于燃弧閾值電壓，說明進入燃弧狀態，燃弧檢測模塊52向控制器3發出燃弧信號。燃弧閾值電壓也可以通過對焊機進行有限次實驗得到。控制器3接收信號檢測單元4的檢測的電壓信號和電流信號，以及所述狀態檢測単元5的短路信號和燃弧信號。該控制器3根據接收的電流信號與一內部或者外部輸入的電流閾值信號進行PID運算，并根據該運算結果輸出ー控制信號，控制該PWM控制單元的開啟/關閉頻率，改變逆變主電路I輸出電流的有效值。本實施例的數字化焊機還包括ー送絲裝置7和上位系統8。送絲裝置7與控制器3交互，與控制器3配合，控制傳送焊絲的長度和速度；上位系統8與控制器3交互，用干與外部通訊或者用于操作面板的顯示。以下詳細描述該數字化焊機的工作過程當焊機控制系統啟動后，操作人員開始作業。由于焊機輸出電路6的輸出端開始短路，信號檢測單元4的電壓檢測模塊42檢測到電壓信號傳送至狀態檢測模塊5。該狀態檢測模塊5的短路檢測模塊51檢測到當前焊機輸出的電壓低于短路閾值電壓，因此，該狀態檢測模塊5向控制器3發出短路信號。控制器3根據該短路信號的觸發，將信號檢測單元4檢測的電壓信號和電流信號與一電流閾值進行PID運算，控制PWM控制單元2輸出具有大占空比的PWM波形，使得逆變主電路I控制輸出電路6輸出恒定的小電流。隨后控制器3控制PWM控制單元2減小其輸出的PWM波的占空比，增加逆變主電路I的輸出電流的有效值。隨著輸出電路6輸出電流的增加，輸出電路6輸出電壓也在增加。當狀態檢測單 元5檢測到電壓信號高于燃弧閾值電壓時，狀態檢測単元5向控制器3發出燃弧信號，控制器3根據ー小電流的電流預設值進行PID運算，控制PWM控制單元2輸出大的占空比的PWM波形，使得逆變主電路I輸出恒定的小電流，直到完成燃弧操作的焊接過程。相對于現有技木，本實用新型所述的數字化焊機能夠通過信號檢測單元4實時檢測輸出的電流信號和電壓信號，并通過狀態檢測単元5根據電壓信號檢測當前焊接的狀態，使得控制器3可以根據當前焊接狀態來控制PWM控制單元2輸出的PWM波形的占空比來實時調節逆變主電路單元I輸出電流的有效值，達到具有良好焊接波形、改善了焊縫成形的目的。由于控制器3能夠及時或者當前焊接處于短路或者燃弧狀態，因此在狀態轉換的過程中能夠通過PID運算，及時降低輸出電流，防止飛濺現象的產生。本實用新型另外ー個改進點在于，在主逆變電路単元I中采用軟開關技術，能夠使開關器件在零電壓或者零電流狀態下導通或者關斷，有效的降低了開關器件在開關過程中損耗過大、減少了電磁干擾，突破了硬開關對工作頻率的限制。以上詳細描述了本實用新型的較佳具體實施例，應當理解，本領域的普通技術無需創造性勞動就可以根據本實用新型的構思做出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本實用新型構思在現有技術基礎上通過邏輯分析、推理或者根據有限的實驗可以得到的技術方案，均應該在由本權利要求書所確定的保護范圍之中。
權利要求1.ー種具有良好焊接波形的數字化焊機控制裝置，其特征在于，包括逆變主電路單元，用于控制焊機輸出電路開啟/關閉；信號檢測單元，用于檢測焊機輸出電路的電流信號和電壓信號；PWM控制單元，與所述逆變主電路單元連接，根據控制器發出的控制器信號控制該逆變主電路導通/關閉；狀態檢測単元，根據所述信號檢測單元檢測的信號判斷當前焊機輸出電路的輸出狀態；以及控制器，接收信號檢測單元的檢測信號以及所述狀態檢測單元的狀態判斷，對所述PWM控制單元進行控制。
2.根據權利要求I所述的數字化焊機控制裝置，其特征在于，所述逆變主電路單元包括兩個并聯的橋臂、一電容和ー變壓器，其中每個橋臂上串聯有兩個開關器件，該開關器件的控制端與所述PWM控制單元連接；所述變壓器的原邊串聯在該兩橋臂之間，所述電容與所述該變壓器原邊串聯，該變壓器的副邊連接到焊機的輸出端。
3.根據權利要求2所述的數字化焊機控制裝置，其特征在于，所述開關器件為IGBT開關器件。
4.根據權利要求3所述的數字化焊機控制裝置，其特征在干，所述PWM控制單元包括PWM控制器、誤差放大器、零電壓比較器和輸出鎖存器以及驅動器，該PWM控制器根據所述控制器的控制器信號發出的信號經所述誤差放大器放大、零電壓比較器和輸出鎖存器進行鎖存后輸出給驅動器，驅動該逆變主電路單元的開關器件，控制逆變主電路單元導通/關閉。
5.根據權利要求4所述的數字化焊機控制裝置，其特征在干，所述信號檢測單元檢測的電流信號傳送至所述PWM控制單元的PWM控制器，所述PWM控制器根據該電流信號進行延時。
6.根據權利要求5所述的數字化焊機控制裝置，其特征在于，所述PWM控制器為PWM專用芯片UC3846。
7.根據權利要求6所述的數字化焊機控制裝置，其特征在干，所述信號檢測單元包括電壓檢測模塊和電流檢測模塊，所述電壓檢測模塊包括ー霍爾電壓傳感器和至少ー放大器，所述霍爾傳感器檢測的輸出電壓信號經放大器放大后輸出至所述狀態檢測單元和控制器；所述電流檢測模塊包括一霍爾電流傳感器和至少ー放大器，該霍爾電流傳感器檢測的電流信號經放大器放大后輸出給所述PWM控制單元和控制器。
8.根據權利要求7所述的數字化焊機控制裝置，其特征在于，所述狀態檢測單元包括短路檢測單元和燃弧檢測單元，所述短路檢測單元包括一短路比較器，該短路比較器根據信號檢測單元輸出的電壓信號與一短路閾值進行比較得出短路信號，并將該短路信號傳送至所述控制器；所述燃弧檢測單元包括一燃弧比較器，該燃弧比較器根據信號檢測單元輸出的電壓信號與一燃弧閾值進行比較得出燃弧信號，并將燃弧信號傳送至控制器。
9.根據權利要求8所述的數字化焊機控制裝置，其特征在干，所述控制器接收所述信號檢測單元輸出的電流信號，并將該電流信號與ー輸入的電流閾值信號進行PID運算，根據該運算結果輸出ー控制器信號，控制所述PWM控制單元。
10.根據權利要求I至9任一項所述的數字化焊機控制裝置，其特征在于，還包括一送絲裝置和上位系統，所述送絲裝置與所述控制器連接，根據控制器的指令傳送焊絲；所述上位系統與所述控制器交互，用于通訊和人機交互。
專利摘要本實用新型公開了一種具有良好焊接波形的數字式焊機控制裝置，包括逆變主電路單元，用于控制焊機輸出電路開啟/關閉；和信號檢測單元，用于檢測焊機輸出電路的電流信號和電壓信號；及PWM控制單元，與所述逆變主電路單元連接，根據控制器發出的控制器信號控制該逆變主電路導通/關閉；和狀態檢測單元，根據所述信號檢測單元檢測的信號判斷當前焊機輸出電路的輸出狀態；以及控制器，接收信號檢測單元的檢測信號以及所述狀態檢測單元的狀態判斷，對所述PWM控制單元進行控制。相對于現有技術，本實用新型通過及時對當前焊接狀態進行檢測和對輸出電流大小進行控制，有效地防止焊接過程中產生飛濺現象，改善了焊縫成形。
文檔編號B23K9/16GK202398926SQ201220005870
公開日2012年8月29日 申請日期2012年1月6日 優先權日2012年1月6日
發明者余棉水, 杜長祿, 溫清松, 溫自力 申請人:廣州市長勝焊接設備實業有限公司