微束等离子弧焊接电源双闭环协同控制结构

摘要

本发明微束等离子弧焊接电源双闭环协同控制结构，涉及焊接电源技术领域。包括输入整流滤波电路、功率开关元件、中频变压器、输出整流电路以及输出滤波电容(1)的两端分别与输出整流电路和协同控制闭环电路(3)的一个输入端连接；协同控制闭环电路(3)的另一个输入端与电流控制闭环电路(2)的检测端连接，协同控制闭环电路(3)的两个输出端分别与电流控制闭环电路(2)的输入端和钨棒(13)连接，协同控制闭环电路(3)的反馈端与功率开关元件连接，电流控制闭环电路(2)的输出端与工件(12)连接。通过本发明减小微束等离子弧焊接电源的体积和重量并满足节能环保的要求，实现薄细精密结构件微束等离子弧焊接的工艺参数控制。

说明书

技术领域

本发明涉及焊接电源技术领域，具体指一种微束等离子弧焊电源双闭环协同控制结构。

背景技术

小电流范围的微束等离子弧焊的一个关键技术问题是在小电流情况下的电弧稳定性问题，而解决该关键技术问题的主要手段之一是采用高频脉冲电流，现代逆变结构的焊接电源由于受到逆变频率的限制，很难实现高频输出，现有的模拟式晶体管电源，可实现高频脉冲的输出，但因工频交流变压、整流、滤波组成的主电路功率晶体管供电部分，体积庞大笨重，也无法满足节能环保的要求。

将逆变结构的焊接电源主电路取代模拟式晶体管主电路功率晶体管的供电部分，是同时解决上述模拟式晶体管电源和逆变电源缺陷的主要手段之一，但由逆变结构焊接电源主电路供电的功率晶体管功耗大，并且该功耗随着焊接电流的增加而增加。仅对逆变结构焊接电源主电路的闭环控制，只能控制其大小和恒定值，无法达到小电流范围微束等离子弧焊电弧稳定燃烧的陡降电源外特性，也无法抑止其供电的功率晶体管的功耗随着焊接电流的增加而增加的趋势；仅对功率晶体管控制，只能控制其输出电流的大小和恒定值，同样无法抑止其功耗随着焊接电流的增加而增加的趋势。因此，无论是对逆变结构焊接电源主电路输出供电电压的单闭环控制，还是对功率晶体管输出电流的闭环控制，均不能解决由逆变结构的焊接电源主电路供电的功率晶体管的功耗问题以及功耗随着焊接电流的增加而增加的问题，也不能实现小电流范围微束等离子弧焊电弧稳定燃烧的陡降电源外特性。

经对现有技术专利与文献检索发现，专利申请号为200610024027.x的中国发明专利《多种外特性输出的逆变弧焊电源》，该专利提出了一种用于实现不同电源外特性的焊接电压、焊接电流同时反馈的双闭环控制的逆变弧焊电源，该弧焊电源采用单片机控制，通过数字运算，进行不同电源外特性；但这种双闭环控制结构和方法由于是同一控制操作量(脉宽调制器的输出占空比)，无法用于模拟式晶体管电源的功率放大部分的功耗降低控制，而且焊接电压、焊接电流同时反馈双闭环控制无法达到小电流范围微束等离子弧焊电弧稳定燃烧的陡降电源外特性要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足和缺陷，提供一种以逆变焊接电源主电路取代模拟式晶体管电源主电路供电部分的协同控制结构。在实现微束等离子弧焊机的节能环保、完成模拟式高频脉冲输出的基础上，进一步解决逆变焊接电源主电路和模拟式晶体管电源主电路各自控制的协同工作问题，以达到二主电路协同控制情况下的小电流范围微束等离子弧焊电弧稳定燃烧的陡降电源外特性，以解决超薄、超细等精细结构部件精密焊接时的变形、烧穿等关键技术问题的焊接设备。

本发明的技术方案：包括输入整流滤波电路、功率开关元件、中频变压器、输出整流电路、输出滤波电容、电流控制闭环电路、协同控制闭环电路；输出滤波电容的一端与输出整流电路连接，输出滤波电容的另一端与协同控制闭环电路的一个输入端连接，协同控制闭环电路的另一个输入端与电流控制闭环电路的检测端连接，协同控制闭环电路的两个输出端分别与电流控制闭环电路的输入端和钨棒连接，协同控制闭环电路的反馈端与功率开关元件连接，电流控制闭环电路的输出端与工件连接。电流控制闭环电路由高频电流反馈电路、高频脉冲控制电路、高频模拟晶体管、电流传感器组成，高频模拟晶体管的一个输入端与高频脉冲控制电路连接，高频模拟晶体管的另一个输入端与协同控制闭环电路的输出端连接，高频模拟晶体管的输出端穿过电流传感器与工件连接，在高频电流反馈电路和高频模拟晶体管之间连接有高频脉冲控制电路。协同控制闭环电路由电压传感器、协同反馈电路、协同控制电路、逆变控制驱动电路组成，电压传感器的输入端与输出滤波电容连接，电压传感器的一个输出端与电流控制闭环电路连接，电压传感器的另一个输出端与协同反馈电路的一个输入端连接，协同反馈电路的另一个输入端与电流控制闭环电路的检测端连接，在协同反馈电路和逆变控制驱动电路之间连接有协同控制电路，逆变控制驱动电路的反馈端与功率开关元件连接。

本发明结构中，逆变主电路部分由输入整流滤波电路、功率开关元件、中频变压器、输出整流电路、输出滤波电容组成；电流控制闭环电路构成模拟式晶体管电源主电路的功率放大及其控制部分，其功率放大的供电电压则由逆变主电路部分提供，协同控制闭环电路作为逆变主电路的控制部分，同时完成二主电路的协同控制。

本发明结构的一个关键技术是模拟式晶体管电源主电路的功率放大及其控制部分采用电流控制闭环电路，电流控制闭环电路最终的输出电流是焊接电流，控制闭环电路通过对该电流进行检测、反馈、控制，实现焊接电流的恒值控制，进行微束等离子弧焊焊接电源陡降外特性的初步调节，并且高频工作方式的电流控制闭环电路，可以精细地输出焊接电流的脉冲频率、脉冲占空比、脉冲峰值、脉冲基值的任意调节。

本发明结构的另一个关键技术是在逆变主电路部分和电流控制闭环电路之间有协同控制闭环电路，通过该协同控制闭环电路，同时检测电流控制闭环电路输出的焊接电流和逆变主电路部分输出的供电电压，根据不同的焊接电流值，协同调节控制逆变主电路部分输出的供电电压值，以确保模拟式晶体管电源主电路的功率放大部分的功耗在焊接电流值增加时不会增加，并通过改变逆变主电路部分输出的供电电压值，调整模拟式晶体管电源主电路的功率放大部分的工作点，降低该功率放大部分的功耗。

本发明结构的再一个关键技术是逆变主电路部分的输出滤波采用电压滤波型的输出滤波电容，使本发明结构的逆变主电路为电压型控制输出形式，实现为模拟式晶体管电源主电路的功率放大部分提供供电电压的目的。

综上所述，本发明具有以下特点：

1.以电压型控制输出的逆变主电路作为模拟式晶体管电源主电路的功率放大部分的供电电压，通过协同控制闭环电路稳定并降低模拟式晶体管电源主电路的功率放大部分的功耗，从根本上完成薄、细等精细结构件精密微束等离子弧焊焊接的工艺参数控制；

2.利用电流控制闭环电路的焊接电流恒值控制，实现微束等离子弧焊焊接电源陡降外特性的调节；

3.利用模拟式晶体管电源主电路可输出任意波形的功能，实现微束等离子弧焊焊接电源的高频脉冲输出；

4.利用逆变主电路结构的模拟式晶体管电源主电路功率放大部分的供电方式，大大减小微束等离子弧焊接电源的体积和重量，并且使微束等离子弧焊接电源满足节能环保的要求。

附图说明

图1本发明微束等离子弧焊接电源双闭环协同控制结构框图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的描述

本发明微束等离子弧焊接电源双闭环协同控制结构(如图1所示)，包括输出滤波电容1、电流控制闭环电路2、协同控制闭环电路3、输入整流滤波电路、功率开关元件、中频变压器、输出整流电路等组成。其连接关系为：

输出滤波电容1的一端与输出整流电路连接，输出滤波电容1的另一端与协同控制闭环电路3的一个输入端连接，协同控制闭环电路3的另一个输入端与电流控制闭环电路2的检测端连接，协同控制闭环电路3的两个输出端与分别电流控制闭环电路2的输入端和钨棒13连接，协同控制闭环电路3的反馈端与功率开关元件连接，电流控制闭环电路2的输出端与工件12连接。

电流控制闭环电路2由高频电流反馈电路4、高频脉冲控制电路5、高频模拟晶体管6、电流传感器7组成，高频模拟晶体管6的一个输入端与高频脉冲控制电路5连接，高频模拟晶体管6的另一个输入端与协同控制闭环电路3的输出端连接，高频模拟晶体管6的输出端穿过电流传感器7与焊接工件12连接，在高频电流反馈电路4和高频模拟晶体管6之间连接有高频脉冲控制电路5；协同控制闭环电路3由电压传感器8、协同反馈电路9、协同控制电路10、逆变控制驱动电路11组成，电压传感器8的输入端与输出滤波电容1连接，电压传感器8的一个输出端与电流控制闭环电路2连接，电压传感器8的另一个输出端与协同反馈电路9的一个输入端连接，协同反馈电路9的另一个输入端与电流控制闭环电路2的检测端连接，在协同反馈电路9和逆变控制驱动电路11之间连接有协同控制电路10，逆变控制驱动电路11的反馈端与功率开关元件连接。

微束等离子弧焊接电源双闭环协同控制结构的组成有逆变主电路、模拟式晶体管电源主电路的功率放大及其控制、逆变主电路的控制三个部分，模拟式晶体管电源主电路的功率放大及其控制由电流控制闭环电路2完成，逆变主电路的控制由协同控制闭环电路3实现。

逆变主电路部分是输入整流滤波电路将电网工频交流电变为高压直流电，再经功率开关元件变为高压、高频交流信号，然后由中频变压器、输出整流电路、输出滤波电容1将高压、逆变高频交流信号变为直流电压，并且作为模拟式晶体管电源主电路的功率放大的供电电压。

模拟式晶体管电源主电路的功率放大及其控制部分是电流传感器7对高频模拟晶体管6输出的焊接电流进行检测，检测到的信号由高频电流反馈电路4进行处理，然后通过高频脉冲控制电路5实现焊接电流恒值控制算法运算，控制功率放大的高频模拟晶体管6恒定输出焊接电流，实现陡降的电源外特性。

逆变主电路的控制部分是电压传感器8对逆变主电路部分输出的供电电压进行检测，检测到的信号与由电流传感器7检测到的信号同时由协同反馈电路9进行处理，将处理完的这两个信号在协同控制电路10中进行协同控制算法运算，运算结果经过逆变控制驱动电路11来控制功率开关元件的开关工作占空比，最终控制调整逆变主电路部分输出的供电电压，达到稳定并降低模拟式晶体管电源主电路的功率放大部分的功耗。