数字化交错BUCK式脉宽调制多功能逆变焊机.pdf

专利说明书 数字化交错 BUCK 式脉宽调制多功能逆变焊机 技术领域 本发明型涉及数字化焊接/ 切割设备，尤其是数字化交错BUCK 式脉宽调制多功能逆变焊机 背景技术 目前，逆变式焊机已经广泛使用于工业各行业对各种有色金属及其合金的焊接作业 逆变式焊机以其重量轻，体积小，生产时消耗铜材、钢材少、节能效果显著和焊接工艺性能优秀 而深受使用者青睐而数字化多功能逆变式焊机则采用数字控制芯片控制焊接电源和自动送丝装置， 将多种焊接工艺集于一体，实现一机多能的增值运用，使得焊接的自动化程度得以提高 但是，就现有数字化多功能逆变式焊机的焊接电源装置来讲，绝大多使用市网电网供电， 供电电 压较高为此，均采用：电网高电压输入→ 一次侧高压工频整流滤波→ 高压中频逆变→ 中频隔 离降压 → 中频整流滤波→ 低压大电流直流 （或直流方波脉冲） 输出的电功率流程和相关电路结构 模式由于输出的是低压大电流直流电（或直流方波脉冲）的电压值和电网的电压值悬殊较大，为达 到电绝缘和介电强度等安全要求， 一次侧部分和操作者可直接接触的二次侧焊接回路部分必须有良好 的绝缘隔离，其结构必须考虑足够的绝缘距离和采用合适的绝缘材料。

致使整机结构不能过于紧凑， 体积重量很难进一步减小 同时，电力开关器件冷装置的冷却效能也因一次侧高压部分和二次侧焊接 回路低压部分的绝缘要求而受到很大的影响，直接导致焊接电源装置负载持续率下降、功率输出能力 的下降 同样地，现有数字化多功能逆变式焊机的自动送丝部分也都是采用市电电网供电有采用工频变 压器降压、可控硅整流的电路形式的，也有采用单端正激、半桥、全桥等逆变电路形式的这些电路 都将其一次侧电路驳接于电网，也都存在保证安全绝缘和紧凑结构减小体积、减轻重量之间的矛盾 另外，现代高性能多功能焊接装置必须有足够的控制精度和控制速度，必须能有效地控制每一个 熔滴的过渡行为 因此都需要配置动态响速度应快、控制精度高的焊接电源， 这就要求焊接电源装置 具有足够高的逆变（开关）频率根据文献记载和发明人的多次实验数据显示：焊接装置若能有效地 控制每一个熔滴的过渡行为，其逆变（开关）频率应该在100KHZ以上现有采用市网电网供电的逆 变式焊机的高压中频逆变电路部分要做到逆变（开关）频率在 100KHZ以上的难度较大， 而且逆变（开 关）频率越高其难度就越大 开关器件的开通和关断损耗，开关器件引起的电磁骚扰信号幅度都大得 难以处理。

数字化精细控制要求的逆变 （开关）频率的提高而随之带来的处理开关损耗产生热量的冷却装置 的增大和紧凑结构、减小体积、减轻重量之间的矛盾难以调和；数字化精细控制要求的逆变（开关） 频率的提高而随之带来的电磁骚扰信号的增大和数字化精细控制本身的稳定度、可靠度的提高的矛盾 难以调和 现代焊接工艺要求要求焊接装备在焊接工艺要求上一机多能，往往要求焊接装置能稳定、可靠、 高速地焊接各种有色金属， 并且极大可能地适合各种不同材料和不同厚度的板材、不同搭接方式和不 同焊缝的焊接这就要求作为多种功能使用的数字化逆变焊机的电源部分具有足够高的逆变（开关） 频率，以保证有较高的动态响应速度和较高的电流/ 电压控制精度；要求自动送丝部分有较高的转速 稳定度和转速响应速度，以保证焊接过程的稳定度、保证受到外界干扰后的恢复稳定的速度 为此，本发明：“数字化交错 BUCK 式脉宽调制多功能逆变焊机”供电部分将使用低压交流/ 直流 电源提供电能，焊接电源装置供电和送丝机电源部分供电共同采用该低压交流/ 直流电源供电 焊接电源装置部分采用数字化控制的交错BUCK 脉宽调制逆变电路拓扑结构形式；送丝机电源部 分采用数字化控制的单端正激逆变电路拓扑结构形式。

电路装置部分将采用单PCB板将焊接电源装置 和送丝机电源装置合为一个紧凑的整体 发明内容 本发明型要解决的问题是： 采用低电压交 / 直流电源供电方式：焊接电源装置供电和送丝机电源部分供电共同采用一个低压 交流/ 直流电源供电电路装置部分采用单PCB板将焊接电源装置和送丝机电源装置合为一个紧凑的 整体，以达到紧凑焊接电源装置的结构、减小其体积、减轻其重量的目的 焊接电源装置部分采用数字化控制的交错BUCK 脉宽调制逆变电路拓扑结构形式，送丝机电源部 分采用数字化控制的单端正激逆变电路拓扑结构形式：使得电源部分和送丝机电源部分的逆变 （开关）频率得以提高，以满足高精度，高动态响应速度等数字化精细控制的要求 设有多种焊接功能：普通酸性焊条焊接功能、低氢型碱性焊条/ 纤维素焊条焊接功能、 LIFT TIG 焊接功能、 二氧化碳气体保护焊接功能、脉冲式 MIG焊接功能和双脉冲MIG焊接功能等六大功能 以 满足精细化焊接和多功能焊接工艺的要求 本发明“数字化交错 BUCK 式脉宽调制多功能逆变焊机”电路部分包括顺序连接的： 软启动电路、 整流电路、滤波电路等前级公共电源电路部分，和交错式BUCK 变换电路、脉冲电流全波采样电路、 整/ 续流电路 2、电压/ 电流反馈电路等焊接电源部分，和单端正激变换电路、一次侧脉冲电流反馈电 路、整流 / 续流电路 1、反电势采样 / 反馈、二次侧电流反馈电路等送丝电路部分，以及辅助电源电路 部分， MCU1 主控制电路部分， MCU2 人机界面电路部分。

附图说明： 图一：电路方框图 图二：电气原理图 图三：交错式 BUCK 斩波电路驱动波形 图四：通用的速度反馈反电势采样示意图 图五：速度反馈反电势采样示意图 图六：普通酸性焊条焊接的外特性曲线 图七：低氢型碱性焊条 / 纤维素焊条外特性曲线 图八： LIFT TIG 焊接的外特性曲线 图九：二氧化碳气体保护焊的外特性曲线 图十：二氧化碳气体保护焊接时序图 图十一：脉冲式 MIG焊接波形图 图十二：调幅式双脉冲脉冲MIG焊控制波形 图十三：调宽式双脉冲脉冲MIG焊控制波形 如图一所示：数字化交错BUCK式脉宽调制多功能逆变焊机，包括顺序连接的：软启动电路、整 流电路、滤波电路等前级公共电源电路部分，和交错式BUCK 变换电路、脉冲电流全波采样电路、整/ 续流电路 2、电压/ 电流反馈电路等焊接电源部分，和单端正激变换电路、一次侧脉冲电流反馈电路、 整流/ 续流电路 1、反电势采样 / 反馈、二次侧电流反馈电路等送丝电路部分，以及辅助电源电路部分， MCU1 主控制电路部分， MCU2 人机界面电路部分图一：电路方框图其中：前级公共电源电路部分为后面的焊接电源部分、送丝电路部分和辅助电源电路供电；辅助 电源电路为 MCU1 主控制电路部分提供稳定的直流工作电压。

MCU1主控制电路接受焊接电源部分的脉冲电流全波采样电路电压信号和电压/ 电流反馈电路信 号并处理，然后发出相应的脉宽调制信号电压去驱动焊接电源部分内部的交错式BUCK 变换电路，以 达到控制焊接电流电压数值的目的，同样地，MCU1主控制电路接受送丝电路部分一次侧脉冲电流反 馈电路信号、二次侧电流反馈电路信号和反电势采样/ 反馈电路信号并处理，然后发出相应的脉宽调 制信号电压去驱动送丝电路部分内部的单端正激变换电路，以达到控制送丝速度值的目的 MCU1 主控制电路部分和MCU2 人机界面电路部分通过USART 串口相连接，MCU2 人机界面电路将操 作者的焊接参数指令读入系统，再传到MCU1 主控制电路系统对焊接电源和送丝机电源发出脉宽调制 指令，控制焊接参数 MCU1 主控制电路接受焊接电源和送丝机电源信息经过串口传到MCU2 人机界面 电路，再显示在人机界面上 电气原理图如图二所示：图二：电气原理图 整个电气部分紧凑的整合在一块PCB上，其工作原理如下： 软启动电路由电源开关S1、正温度系数热敏电阻RT1 、继电器 JD1组成； 整流电路由整流桥BR1组成； 滤波电路由电容 C1 、C2 、C3 、C4、C5组成； 单端正激变换电路由绝缘栅电力开关器件Q6 、驱动变压器 T6、光电耦合器 U10 、逆变变压器 T4、 快恢复二极管 D15 、D16 、D17 、D19 、D20 、稳压二极管 D21 、D22 、PNP三极管 Q5 、电阻 R24、R31 、 R30 、R32 、R44及电容 C33等组成； 一次侧脉冲电流反馈电路由互感器T5、快恢复二极管D18 、电阻 R29和电容 C35等组成；整/ 续流电路 1 由快恢复二极管 D15 、D16组成； 反电势采样 / 反馈电路由运算放大器U1D 、U1B 、模拟开关 U12 、电阻 R33 、R34 、R40及电容 C36 、 C40等组成； 二次侧电流反馈电路由运算放大器U1C 、电阻 R23 、R35 、R36 、R37及电容 C37等组成； 交错式 BUCK 变换电路由绝缘栅电力开关器件组Q1 、Q2 、驱动变压器 T1、电阻 R1 、R2、R3 、R4 、 R5、R6 、R7 、R8及电容 C6、C7 、C8、C9等组成； 脉冲电流全波采样电路由互感器T2、快恢复二极管D5 、D6 、D7 、D8、电阻 R13及电容 C17等组 成； 整/ 续流电路 2 由快恢复二极管组 D3、D4和电感 L1 等组成； 电压/ 电流反馈电路由运算放大器U1A 、电阻 R9 、R10 、R11 、电容 C12 、C13 、C14 、C15及稳压二 极管 D9等组成； 辅助电源电路由三端反激式开关集成电路U5 、反激式变压器T3、三端线性稳压集成块U6、U7 、 快恢复二极管D11 、D12 、D13 、D25光电耦合器 U13 、稳压二极管 D14 、电阻 R15 、R17 、R18及电容 C22 、C23 、C24 、C25 、C26 、C27 、C28 、C29 、C30 、C31等组成； MCU1 主控制电路由数字处理芯片TMS320F28027 （没有画出电路原理图）和其附属元器件组成； MCU2 人机界面电路由单片机芯片STM32F103 （没有画出电路原理图）和其附属元器件组成； 交错式 BUCK 斩波电路的实现原理： 由于本发明的电源供电采用的是安全低压交流/ 直流电力供电，而 BUCK 斩波电路实际上是一种降 压式斩波逆变电路，为了获得符合焊接工艺要求的输出电压/ 电流，须使绝缘栅电力开关器件工作在 PWM 脉冲占空比 0%-100% 范围内。

众所周知：数字化控制芯片属于低电压、小电流弱信号电路，而被控制电路属于相对高电压、大 电流的强电力电路， 两者必须高度隔离 通常采用的隔离方法是： 采用非电联系的光耦合方式或磁耦 合方式，光电耦合方式和磁耦合方式都能高度的隔离弱电部分电路和强电部分电路 但光电耦合方式只能耦合信号， 信号的能量还需要独立电源提供，而磁耦合方式即能传递信号又 能传送能量，所以磁耦合成为强/ 弱电隔离耦合的首选方案本发明的PWM 驱动信号的隔离传递就采 用脉冲变压器进行磁耦合， 同样，本发明的脉冲电流隔离采样也采用脉冲电流互感器进行磁耦合但 如果 PWM 脉冲占空比超过 50% ，将不能采用脉冲变压器作磁耦合隔离驱动，也不能采用脉冲电流互感 器作一次侧电流的磁耦合隔离采样，这就给数字化控制芯片和被控制电路的隔离带来了很大的麻烦 本发明合理的采用推挽正激磁耦合方式传递驱动信号脉冲电压来驱动交错式BUCK 斩波拓扑结构 电路，巧妙地使用占空比低于过50% （0%-50% ）的互补 PWM 脉冲推挽信号驱动绝缘栅电力开关器件开 通关断，得到脉冲占空比0%-100% 范围的 PWM 斩波输出 具体实现原理是：从 MCU1 数字处理系统发出的占空比为0%-50% 之间的互补 PWM 脉冲推挽信号（见 图三：交错式 BUCK 斩波电路驱动波形）。

图三：交错式 BUCK 斩波电路驱动波形该信号（占空比0%-50% 的 PWM 信号）通过光电耦合器U3 、U4送到驱动脉冲变压器T1初级（图 二：电气原理图），经过驱动脉冲变压器T1隔离传递后，经电阻R1、R2 、R3、R4 、R5 、R6 、电容 C6 、 C7、二。