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摘要：設(shè)計(jì)了轎車車身螺柱焊專用微機(jī)控制單端式逆變電源，該電源能夠輸出所需調(diào)幅電流波形，并給了焊機(jī)的典型電流電壓輸出波形圖，同時(shí)介紹了該電源的抗干擾措施。
關(guān)鍵詞：逆變電源；焊機(jī)；計(jì)算機(jī)控制焊機(jī)；IGBT逆變電源；抗干擾措施

目前，為較好地防銹防腐蝕，轎車車身多采用鍍鋅鋼板。但是鍍鋅鋼板的焊接性較差，為提高焊接質(zhì)量，采用焊接電流波形調(diào)幅工藝，即首先通過(guò)小電流熔燒掉鍍層，再用大電流進(jìn)行焊接，必要時(shí)輸出焊后回火電流。螺柱焊比凸焊有較高的效率。電容儲(chǔ)能式螺柱焊雖然也有較高的效率，但其電流波形控制功能有限，不適于帶鍍層的轎車車身螺柱焊。逆變電源以其節(jié)能效果顯著，響應(yīng)快和動(dòng)特性好等優(yōu)點(diǎn)成為目前焊接電源發(fā)展的方向。微機(jī)控制軟件豐富靈活，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，從軟件和硬件上均能采取提高逆變電源可靠性的措施。微機(jī)控制逆變電源無(wú)論從提高電源質(zhì)量，還是在增強(qiáng)電源的功能上，都具有明顯優(yōu)勢(shì)。因此，微機(jī)控制逆變焊接電源應(yīng)用于轎車車身螺柱焊是理想的，既能輸出多種電流波形保證不同材料螺柱的焊接質(zhì)量，又可與送料機(jī)配合進(jìn)行自動(dòng)焊接

1 微機(jī)控制逆變電源的主電路設(shè)計(jì)

主電路采用逆變頻率為20kHz的雙IGBT單端正激電路，如圖1所示。單端電路雖然容量小，但由于螺柱焊電源負(fù)載持續(xù)率較低，一般只有15%左右。因此仍能在短時(shí)間內(nèi)輸出最大電流可達(dá)1000A，完全滿足轎車螺柱焊接生產(chǎn)。本機(jī)采用雙IGBT的單端正激電路，控制脈沖同時(shí)開通與關(guān)閉兩個(gè)IGBT，既能簡(jiǎn)化控制電路，又降低單管耐壓量，增加了焊機(jī)的可靠性。

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2 微機(jī)控制系統(tǒng)原理

微機(jī)控制系統(tǒng)由8031單片機(jī)最小系統(tǒng)、外圍電路、PWM電路［1］及IGBT驅(qū)動(dòng)電路等組成，如圖2所示。

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圖2 控制系統(tǒng)原理框圖

2．1 外圍電路

外圍電路分成4部分：I／O接口、D／A轉(zhuǎn)換器、A／D轉(zhuǎn)換器［2］和串行通訊器。I／O接口主要實(shí)現(xiàn)大小電流切換；A／D轉(zhuǎn)換器在焊接過(guò)程中分別對(duì)焊接電流I、焊接電壓U進(jìn)行檢測(cè)，用于顯示和質(zhì)量控制；串行通訊用于接收的焊接參數(shù)，并把實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)送往輸入顯示系統(tǒng)顯示。

2．2 PWM電路及控制原理

根據(jù)螺柱焊的要求，該電源必須能夠輸出包括小電流，大電流及回火電流三個(gè)階段的調(diào)幅電流波形。從該設(shè)計(jì)任務(wù)出發(fā)設(shè)計(jì)了以SG3525為核心器件的PWM電路原理。如圖3所示。利用PWM技術(shù)進(jìn)行波形調(diào)制，PWM電路具有功率放大作用，即輸出與給定信號(hào)具有相同的波形，因此只要控制給定信號(hào)波形，即可控制焊機(jī)輸出電流波形。對(duì)于大電流進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，對(duì)小電流進(jìn)行P調(diào)節(jié)?，F(xiàn)就具有小電流和大電流的電流波形產(chǎn)生原理分析如下：當(dāng)焊接開始時(shí)，系統(tǒng)擴(kuò)展芯片8155的PB3腳輸出高電平，通過(guò)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器使模擬開關(guān)K1導(dǎo)通，同時(shí)8155的PB1腳輸出高電平，使多路模擬開關(guān)4051選通X2路，預(yù)熱電弧的給定量通過(guò)放大器作用在SG3525的同相輸入端，控制焊機(jī)輸出預(yù)熱電流。當(dāng)預(yù)熱電弧時(shí)間終了后，8155的PB3腳輸出低電平而PB2腳輸出高電平，經(jīng)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器使模擬開關(guān)K2閉合，K1斷開。同時(shí)PB1輸出低電平，使多路模擬開關(guān)4051選通X1路，微機(jī)轉(zhuǎn)換出的D／A加在SG3525的同相輸入端，使焊機(jī)輸出焊接電流。4052截止，進(jìn)行積分調(diào)節(jié)然后根據(jù)焊接電流波形，經(jīng)微機(jī)運(yùn)算出回火電流給定信號(hào)作用于4051的X1路，進(jìn)行焊后回火處理。當(dāng)預(yù)熱電流結(jié)束后，8155的PB2腳輸出的高電平觸發(fā)主電路中可控硅SCR3導(dǎo)通，將大電感L1短路，實(shí)現(xiàn)大電流輸出，直到焊接過(guò)程結(jié)束。

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圖3 PWM電路原理圖

2．3 驅(qū)動(dòng)電路

本系統(tǒng)＋15V，－15V雙電源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)保證了IGBT關(guān)斷，導(dǎo)通的可靠性。并且用保護(hù)電路進(jìn)行過(guò)流保護(hù)，其原理圖如圖4所示。當(dāng)電流過(guò)大時(shí)，IC1輸出高電平。IC2翻轉(zhuǎn)輸出高電平。MOSFET管導(dǎo)通，把輸入的脈沖封鎖。

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圖4 保護(hù)電路

2.4 保護(hù)電路

逆變電源保護(hù)電路還具備過(guò)熱保護(hù)、高頻變壓器及IGBT的阻容吸收電路、高頻變壓器與開關(guān)可控硅的過(guò)壓保護(hù)、缺相保護(hù)和輸入軟啟動(dòng)等功能，保證焊接電源可靠地工作。

3軟件系統(tǒng)

從實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化、提高焊接精度及改善人機(jī)界面等角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了豐富的軟件對(duì)硬件進(jìn)行支持。該軟件包括自檢程序和焊接程序兩大部分。它可對(duì)電源輸出波形，方便地進(jìn)行調(diào)制。而且，它還能任意設(shè)置預(yù)熱電弧、焊接電弧及焊后回火電弧的時(shí)間和電流幅值。保證不同尺寸，不同材料的螺柱焊接質(zhì)量。

利用軟件對(duì)控制部分進(jìn)行模擬操作來(lái)進(jìn)行自檢。對(duì)外部設(shè)備(焊槍、送料機(jī)、主電路)的自檢是在專門的檢測(cè)電路的硬件支持下通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4抗干擾措施

4．1硬件抗干擾措施

信號(hào)長(zhǎng)線傳輸時(shí)采用屏蔽線和光耦，抑制了由于過(guò)程通道傳輸所引起的干擾。

電源系統(tǒng)采用獨(dú)立電源的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的完全分離，從而抑制系統(tǒng)由于網(wǎng)壓波動(dòng)等所引起干擾的串入。

另外，控制板上各芯片均接去耦電容，抑制系統(tǒng)內(nèi)部干擾。

4．2軟件抗干擾措施

系統(tǒng)上電復(fù)位后，程序開始先執(zhí)行一段時(shí)間的延時(shí)，然后再初始化。防止8031與8155復(fù)位的不同步。

每次調(diào)用子程序或者在進(jìn)入中斷服務(wù)程序之前，若發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)不正常，系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。程序中設(shè)置多處軟件陷阱［3］，在程序跑飛的情況下，能自動(dòng)復(fù)位。

4．3制造工藝上抗干擾措施

利用靜電屏蔽效應(yīng)對(duì)控制部分進(jìn)行良好的保護(hù)，以減少電磁干擾。

對(duì)信號(hào)線的布置、走線方向進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，以減少干擾。

5微機(jī)控制逆變電源工藝試驗(yàn)

實(shí)測(cè)的各焊接規(guī)范參數(shù)范圍如下：

預(yù)熱電流IP為30～100A預(yù)熱時(shí)間TP為30～100ms；預(yù)熱電壓UP為20～30V；焊接電流IW為200～1000A；焊接時(shí)間TW為30～200ms；焊接電壓UW為20～30V;回火時(shí)間Td為50～500ms。

2．4 保護(hù)電路

實(shí)測(cè)的焊機(jī)電流波形如圖5所示。

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圖5 典型電流、電壓輸出波形

經(jīng)實(shí)際焊接表明，焊接引弧容易，焊接自動(dòng)化程度高，且焊機(jī)工作可靠，焊接質(zhì)量得到保證。

tP＝60ms
tW＝32ms
IP＝80A
IW＝510A
UP＝19V
UW＝19V
標(biāo)尺0．01 s／div

6結(jié)論

1）微機(jī)控制逆變電源的研究取得預(yù)期效果，輸出波形可方便地進(jìn)行調(diào)制，能夠滿足螺柱焊需要。
2）焊機(jī)采用微機(jī)與模擬控制相結(jié)合，在小電流預(yù)熱時(shí)采用比例控制法，在大電流焊接時(shí)采用比例-積分控制法，提高了控制精度，焊接質(zhì)量得到保證。
3）焊機(jī)從硬件和軟件兩方面采取保護(hù)措施，保證逆變焊接電源和控制系統(tǒng)可靠正常地工作。
4）對(duì)于干擾問(wèn)題的解決達(dá)到所希望的結(jié)果，提高了焊機(jī)的可靠性。

參考文獻(xiàn)
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轎車車身螺柱焊逆變電源

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