逆变方波型电磁搅拌发生装置及其嵌入式控制

摘要

在焊接过程中引入磁场控制是一种正在发展的先进焊接技术，这种技术被称作磁控电弧焊接技术。由于电场与磁场的可相互作用性，用外部磁场可以改变电弧的形态和运动特性，影响焊缝熔池和熔滴过渡形式，改善焊接工艺，提高焊接生产效率。焊接电磁搅拌装置作为电磁作用焊接技术研究中的关键设备，对于材料加工机理研究和质量控制有着直接的关系。在国家自然科学基金项目（50805051）和广东省科技计划（2008801040041）的资助下，本课题采用双逆变技术研制一种新型的焊接磁搅拌装置。该装置输出交变间歇方波脉冲，频率，占空比和电流幅值均连续可调，且具有体积小，重量轻，电路简单，调节方便等特点。
　　 文中对所研制的焊接磁搅拌装置的主电路，控制电路，驱动电路进行了研究和设计。对主电路的主要元器件进行了详尽的参数设计和计算。采用ARM微控制器LM3S818作为焊接电磁搅拌发生装置的控制核心，产生四路数字移相PWM信号驱动一次逆变全桥，实现软开关控制，通过软件编程实现数字PI控制，利用电流闭环反馈控制变换器的输出，获得后级所需的恒定输出电流。后级采用全桥逆变电路，由ARM微控制器产生两路推挽的数字PWM信号对后级逆变桥进行低频交流调制，输出频率、占空比和电流幅值均连续可调的交变间歇方波脉冲。
　　 通过仿真分析以及研制样机的试验，给出了焊接搅拌装置调试过程中的仿真试验波形，并对各波形进行了分析。试验结果表明，焊接磁搅拌装置能输出稳定的交变间歇方波脉冲。各项性能指标均达到设计要求。
　　 最后对电磁搅拌机理做详细说明，分析了外加磁场作用下焊接电弧运动机理以及磁控电弧运动动态过程。采用ANSYS有限元分析的方法，对各种情况下磁场的分布情况进行了仿真和计算。分析了励磁线圈的励磁电流的大小、铁芯长度等诸多因素对磁场分布的影响。为选择合理的外加纵向磁场发生装置提供了理论上的验证和支持。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 电磁搅拌焊接技术的发展及特点

1.1.1 电磁搅拌焊接技术的发展

1.1.2 电磁搅拌焊接技术的应用及特点

1.2 电磁搅拌装置的发展现状

1.3 逆变和嵌入式技术在电磁搅拌电源中的应用

1.3.1 逆变技术的现状及发展趋势

1.3.2 嵌入式数字电源的应用现状及前景

1.4 本文主要研究意义及研究内容

第二章 电磁搅拌电源主电路原理分析及参数设计

2.1 电磁搅拌电源的整体结构

2.2 主电路拓扑结构的选择

2.2.1 一次逆变全桥实现软开关条件及实现策略

2.2.2 一次逆变副边占空比的丢失

2.3 一次逆变主电路元器件参数设计

2.3.1 输入整流桥

2.3.2 输入滤波电容

2.3.3 开关管的选取

2.3.4 主变压器的设计

2.3.5 谐振电感的设计

2.3.6 输出整流滤波电路

2.4 二次逆变主电路元器件参数设计

2.4.1. 主开关管MOSFET的选择

2.4.2 MOSFET 缓冲电路的设计

2.5 本章小结

第三童 基于 ARM 处理器电磁搅拌电源控制电路的设计

3.1 ARM 处理器控制系统的组成

3.2 LM3S818 数字芯片的结构及其主要功能

3.2.1 通用输入输出(GPIO)模块

3.2.2 脉宽调制器模块

3.2.3 通用定时器

3.2.4 模数转换器(ADC)

3.3 基于 ARM 控制的软硬件电路实现

3.3.1 一次逆变控制系统数字移相的实现

3.3.2 二次逆变控制系统数字PWM信号的实现

3.3.3 AD转换电路软硬件设计

3.3.4 数字化PI控制算法的设计

3.4 驱动电路设计

3.4.1 一次逆变驱动电路设计

3.4.2 二次逆变驱动电路设计

3.5 辅助电源设计

3.6 过压过流保护电路设计

3.7 软启动控制

3.8 总程序时序图

3.9 本章小结

第四章 电磁搅拌电源仿真分析与实验结果

4.1 仿真分析

4.1.1 电磁搅拌电源仿真电路原理图

4.1.2 一次逆变全桥变换器仿真波形

4.1.3 二次逆变的PWM驱动波形和输出电流波形

4.2 电磁搅拌电源试验装置

4.3 电磁搅拌电源实验波形

4.3.1 一次逆变变换器主要波形

4.3.2 一次逆变开关管软开关波形

4.3.3 一次逆变变换器恒流特性实验

4.3.4 二次逆变电路实验结果

4.4 本章小结

第五章 焊接电磁搅拌机理和磁场分布仿真验证

5.1 电磁搅拌对电弧及熔池的作用机理

5.1.1 磁场对电弧的作用机理

5.1.2 磁场对熔池的影响

5.2 理想状态下励磁线圈磁场强度的计算

5.3 外加磁场的有限元仿真及分析

5.3.1 问题分析及几何模型建立

5.3.2 励磁电流对磁场分布及大小的影响

5.3.3 铁芯长度对磁场分布及大小的影响

5.4 励磁线圈的绕制

5.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致 谢