中频逆变电阻电焊机焊接电源的恒流控制装置及其控制方法

摘要

本发明公开了中频逆变电阻电焊机焊接电源的恒流控制装置及其控制方法，它包括高速单片机(6)、焊接电流初级采集单元(7)、滤波单元(8)、IGBT驱动单元、比较器(10)以及给单片机供电的电源单元(11)，高速单片机(6)上设置有至少两个信号输入端和四个信号输出端，比较器(10)的输出端输出焊接电流TTL时序方波信号并与高速单片机(6)的硬件中断端连接，高速单片机(6)的四个信号输出端分别与四个IGBT驱动模块连接。本发明的有益效果是：控制装置的硬件结构比同类要简洁，成本低，控制功能强，恒流控制精度高≤3％，恒流补偿响应速度快，每1MS调控一次。

说明书

技术领域

本发明涉及电阻焊控制设备领域，特别涉及一种中频逆变电阻焊机焊接电源的控制装置及其控制方法。 

背景技术

电阻焊是主要的焊接方法之一，在航空、航天、汽车、工程机械等工业生产领域应用非常广泛；电阻焊机按其焊接电源的形式主要分为单相工频交流，三相次级整流，电容储能焊、中频逆变焊等。其中，中频逆变电阻焊能实现对焊件的精密化焊接，符合新材料、新技术发展对焊接提出的新要求，这种高效、轻巧，节能的新型焊接电源是今后电阻焊电源的发展方向。 

中频逆变电阻焊具有电网三相均衡、功率因数高、节约能源消耗的特点。逆变频率为1KHZ，焊接电流次级整流输出，恒流控制，焊接电流的调整是每秒1000次的中频调整，是传统SCR型电阻控制的1/20，控制精度高，加热电流密度大。经实际应用，其具有较宽的参数可调性和直流焊接的工艺优势，很容易获得质量可靠、表面美观、熔核尺寸、焊点拉力符合要求的焊点。 

在电阻焊机生产行业的产品结构中，中频逆变电阻焊机的技术含量高，国外(主要指美国、日本、德国)的逆变焊的研究和商品化已相当成熟，先后推出了逆变式电阻焊机产品，已广泛地进入了实际应用阶段。很多公司能生产出精密逆变电阻焊机和配套的中频焊接变压器，而在国内，近几年，逆变电阻焊技术也在开始推广应用；在国外、国内的逆变焊控制上，逆变频率在1K～4K之间，其中大部分为1K。 

电阻焊接的质量监控方法：主要有恒压控制，恒流控制，恒功率控制。但是，恒压控制方式焊接过程中，电流控制精度较差，焊接质 量的稳定性不是很好，恒功率控制能很好地保证好焊接质量，但对控制器技术的要求高，如检测技术和控制技术等，在国内外商业化的电阻焊控制器中应用很少；长期实践中证明，在焊接过程中，控制好焊接电流的稳定性既可很好地控制住焊接质量，所以，到目前为止，恒流控制在国内外的电阻焊质量监控中应用最为广泛，但在具体的实施时则在技术上存在水平的高低，表现在恒流控制精度和电流补偿响应速度上；国外的很多焊机生产公司的中频电阻焊机几乎都采用了恒流控制，但焊接电流调制的硬件电路多采用模拟量控制，电路复杂，也使得其控制系统相对于普通的交流电阻焊机要复杂得多，出故障后维修困难。 

电阻焊电源由于输出功率大，所以其焊接电源的主回路几乎都是以下电路结构：三相50Hz的交流电网电压经输入到三相桥式整流器整流，大容量电容器3滤波成直流，提供给IGBT单相全桥组件和中频变压器组成的中频逆变器，IGBT单相全桥组件由四个大功率开关元件IGBT构成，在驱动电路的控制下，四个IGBT组成的逆变桥交替导通和关断，变成1K Hz的高压中频方波电压，经中频变压器降压，再经过大电流、低压降功率二极管全波整流后直流输出低压大电流的焊接电流，目前焊接电流的大小、稳定性可通过逆变桥的开通和关断得到有效控制，而目前针对于中频逆变电阻电焊机焊接电源主回路没有合适的控制装置。 

发明内容

本发明的目的在于弥补现有技术的不足，提供一种精度高、性能可靠，成本低的针对中频逆变电阻电焊机焊接电源主回路的恒流控制装置。 

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：中频逆变电阻电焊机焊接电源的恒流控制装置，它包括高速单片机、焊接电流初级采集单元、滤波单元、IGBT驱动单元、比较器以及给单片机供电的电源 单元，高速单片机上设置有至少两个信号输入端和四个信号输出端，信号输入端包括模拟量输入端和硬件中断端，IGBT驱动单元由至少四个IGBT驱动模块组成，焊接电流初级采集单元与滤波单元连接后设置有信号输出端A和信号输出端B，其中，信号输出端A与高速单片机的模拟量输入端连接，信号输出端B与比较器的输入端连接，比较器的输出端输出焊接电流TTL时序方波信号并与高速单片机的硬件中断端连接，高速单片机的四个信号输出端分别与四个IGBT驱动模块连接。 

所述的高速单片机采用80F330高速单片机。 

所述的焊接电流初级采集单元采用最大响应时间为2US的霍尔电流传感器。 

它还设置有热保护信号输入端、检测信号输入端以及通信输出单元，所述的热保护信号输入端与由水压开关和装在中频逆变电阻焊接电源的中频变压器以及IGBT单相全桥组件上的温度开关合成的热保护信号连接，检测信号输入端与焊接启动开关连接，通信输出单元包括通信接口电路和通信输出端口。 

所述的电源单元包括三端稳压器，其输入电源为+5V，输入电源为+3.3V。 

所述的高速单片机的硬件中断端设置为由焊接电流TTL时序方波信号电平下降触发中断端口。 

所述的四个IGBT驱动模块为M57962AL，并且分别连接到IGBT单相全桥式组件中的四个功率开关元件的基极上。 

所述的高速单片机的信号输出端分别与IGBT驱动模块之间设置有与门缓冲器。 

中频逆变电阻焊接电源的恒流控制方法，它包含以下步骤： 

A.在中频逆变焊机开环的状态下，测量并计算出逆变桥中IGBT在50-480US之间的脉冲宽度条件下的I_RMS/I_MAX电流百分比I％，并将 该电流百分比以表格的形成存储在高速单片机中，其中，I_MAX为IGBT导通脉冲宽度为480US的电流值，I_RMS为50-480US之间的脉冲宽度时的电流值； 

B.焊接启动开关压下，高速单片机进入焊接过程，设置电流设置值I_SET，并以一初始宽度脉冲t₁触发IGBT单相全桥式组件，在IGBT单相全桥式组件的桥中点得到一交流方波电压，中频变压器的次级得到一焊接电流； 

C.焊接电流初级采集单元采集上述的焊接电流，经滤波单元滤掉杂波干扰信号后输出一0-5V的模拟量信号和一经比较器输出的焊接电流TTL时序方波信号，当输出的焊接电流TTL时序方波信号引发高速单片机中断时，高速单片机对输入的模拟量信号以10us间隔进行高速A/D转换并存储得到i₁，i₂，i₃......i_n的电流瞬时值； 

D.当交流方波电压输出结束时，再检测输出的焊接电流TTL时序方波信号，测量出焊接时间的持续时间，得到IGBT的导通角θ； 

E.对得到i₁，i₂，i₃......i_n的电流瞬时值进行数字滤波后，根据公式 计算出当前焊接电流的真有效值I_RMS； 

F.根据高速单片机中的表格查得当前的电流百分比I％，由当前焊接电流的真有效值I_RMS、电流设置值I_SET和当前的电流百分比I％，计算出下一焊接脉冲的电流百分比I％’，再根据电流关系表求得下一焊接脉冲的导通宽度t₂； 

G.再以t₂的导通宽度调控IGBT单相全桥式组件，修正流过焊接回路的实际电流，使实际电流值有效接近设置电流值I_SET； 

H.重复步骤B～G，不断地将修正过的电流值对IGBT单相全桥式组件进行调宽控制，使实际电流值有效更加接近设置电流值I_SET。 

所述的调宽控制采用固频调宽，固定频率为1000Hz。 

本发明的有益效果是：将80F330高速单片机应用于逆变电阻焊控制中，在焊接过程中，采用了电流百分比式的恒流控制技术，用响应 时间最大为2US的霍尔电流传感器在中频变压器初级采集焊接电流值，再通过80F330单片机对电流信号实时高速A/D转换，每隔10US转换一次并存储，并真有效值浮点数运算出焊接电流的有效值，与设置值比较后，对IGBT全桥实现脉宽调控，每1MS调控一次焊接电流，使恒流控制达到最佳效果。本发明所具有的优点：1、控制装置的硬件结构比同类要简洁，成本低，控制功能强。2、控制装置可以满足需要精密电阻焊接和有大量焊点需要节能的场合，恒流控制精度高≤3％，恒流补偿响应速度快，每1MS调控一次。3、不需要针对每台焊机在硬件上都去调整其控制参数，人为的因素对其无影响，电路板上无任何需要调节的参数。4、控制电路板通用，更换电路板不影响焊机过去的焊接质量，对焊机的维修和管理有益。 

附图说明

图1为中频逆变电阻焊接电源的电路图； 

图2为本发明的恒流控制装置的电路图； 

图3为本发明的电源单元的示意图。 

其中，1-三相桥式整流器，2-放电电阻，3-大容量电容器，4-IGBT单相全桥组件，5-中频变压器，6-高速单片机，7-焊接电流初级采集单元，8-滤波单元，9-通信输出单元，10-比较器，11-电源单元，12-焊接启动开关，13-与门缓冲器，14-通信接口电路，15-通信输出端口，16-IGBT驱动模块A，17-端口A，18-三端稳压器，19-IGBT驱动模块B，20-端口B，21-IGBT驱动模块C，22-端口C，23-IGBT驱动模块D，24-端口D，25-热保护信号。 

具体实施方式

下面结合附图进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。

如图1，三相50Hz的交流电网电压经输入到三相桥式整流器1整流，大容量电容器3滤波成直流，提供给IGBT单相全桥组件4和中频 变压器5组成的中频逆变器，IGBT单相全桥组件4由四个大功率开关元件IGBT构成，在驱动电路的控制下，四个IGBT组成的逆变桥交替导通和关断，变成1K Hz的高压中频方波电压，经中频变压器5降压，再经过大电流、低压降功率二极管全波整流后直流输出低压大电流的焊接电流，目前焊接电流的大小、稳定性可通过逆变桥的开通和关断得到有效控制，其中2为放电电阻，当焊机关机后给大容量电容器3提供一个放电回路，将大容量电容器3上的直流高压电放掉，以保护维修人员的安全。 

如图2，中频逆变电阻电焊机焊接电源的恒流控制装置，它包括高速单片机6、焊接电流初级采集单元7、滤波单元8、IGBT驱动单元、比较器10以及给单片机供电的电源单元11，高速单片机6上设置有两个信号输入端和四个信号输出端，信号输入端包括模拟量输入端和硬件中断端，IGBT驱动单元由四个IGBT驱动模块组成，焊接电流初级采集单元7与滤波单元8连接后设置有信号输出端A和信号输出端B，其中，信号输出端A与高速单片机6的模拟量输入端连接，信号输出端B与比较器10的输入端连接，比较器10的输出端输出焊接电流TTL时序方波信号并与高速单片机6的硬件中断端连接，高速单片机6的四个信号输出端分别与四个IGBT驱动模块连接。 

所述的高速单片机6采用80F330高速单片机。 

所述的焊接电流初级采集单元7采用最大响应时间为2US的霍尔电流传感器。 

它还设置有热保护信号输入端、检测信号输入端以及通信输出单元9，所述的热保护信号输入端与由水压开关和装在中频逆变电阻焊接电源的中频变压器5以及IGBT单相全桥组件4上的温度开关合成的热保护信号25连接，检测信号输入端与焊接启动开关12连接，通信输出单元9包括通信接口电路14和通信输出端口15，单片机6通过检测输入端的电压既可判断出焊接启动开关12是否压下，同时在焊接过程 中，单片机6将判断水压开关和温度开关的工作状态，如非正常，则将禁止IGBT脉冲的发出，停止焊接。 

如图3，所述的电源单元11包括三端稳压器18，其输入电源为+5V，输入电源为+3.3V，为控制电路提供电源。 

所述的高速单片机6的硬件中断端设置为由焊接电流TTL时序方波信号电平下降触发中断端口。 

所述的四个IGBT驱动模块为M57962AL，并且分别连接到IGBT单相全桥式组件中的四个功率开关元件的基极上，如IGBT驱动模块A16输出驱动信号通过端口A17接到IGBT单相全桥式组件4中的T1功率开关元件的基极上，IGBT驱动模块B19输出驱动信号通过端口B20接到IGBT单相全桥式组件4中的T2功率开关元件的基极上，IGBT驱动模块C21输出驱动信号通过端口C22接到IGBT单相全桥式组件4中的T3功率开关元件的基极上，IGBT驱动模块D23输出驱动信号通过端口D24接到IGBT单相全桥式组件4中的T4功率开关元件的基极上。 

所述的高速单片机6的信号输出端分别与IGBT驱动模块之间设置有与门缓冲器13。 

中频逆变电阻焊接电源的恒流控制方法，它包含以下步骤： 

A.在中频逆变焊机开环的状态下，测量并计算出逆变桥中IGBT在50-480US之间的脉冲宽度条件下的I_RMS/I_MAX电流百分比I％，并将该电流百分比以表格的形成存储在高速单片机中，其中，I_MAX为IGBT导通脉冲宽度为480US的电流值，I_RMS为50-480US之间的脉冲宽度时的电流值； 

B.焊接启动开关压下，高速单片机进入焊接过程，设置电流设置值I_SET，并以一初始宽度脉冲t₁：100US触发IGBT单相全桥式组件，按照以下方式进行：驱动IGBT单相全桥组件4中的T1、T4同时导通，T2、T3同时关断180°，然后再驱动IGBT单相全桥组件4中的T2、T3同时导通，T1、T4同时关断180°，如此循环，在IGBT单相全桥式组 件的桥中点得到一交流方波电压，中频变压器的次级得到一焊接电流； 

C.焊接电流初级采集单元采集上述的焊接电流，经滤波单元滤掉杂波干扰信号后输出一0-5V的模拟量信号和一经比较器输出的焊接电流TTL时序方波信号，当输出的焊接电流TTL时序方波信号引发高速单片机中断时，高速单片机对输入的模拟量信号以10us间隔进行高速A/D转换并存储得到i₁，i₂，i₃......i_n的电流瞬时值； 

D.当交流方波电压输出结束时，再检测输出的焊接电流TTL时序方波信号，测量出焊接时间的持续时间，得到IGBT的导通角θ； 

E.对得到i₁，i₂，i₃......i_n的电流瞬时值进行数字滤波后，根据公式 计算出当前焊接电流的真有效值I_RMS； 

F.根据高速单片机中的表格查得当前的电流百分比I％，由当前焊接电流的真有效值I_RMS、电流设置值I_SET和当前的电流百分比I％，计算出下一焊接脉冲的电流百分比I％’，再根据电流关系表求得下一焊接脉冲的导通宽度t₂； 

G.再以t₂的导通宽度调控IGBT单相全桥式组件，修正流过焊接回路的实际电流，使实际电流值有效接近设置电流值I_SET； 

H.重复步骤B～G，不断地将修正过的电流值对IGBT单相全桥式组件进行调宽控制，使实际电流值有效更加接近设置电流值I_SET。 

所述的调宽控制采用固频调宽，固定频率为1000Hz。