朱萍，陳克選，張世勤

(蘭州理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅蘭州730050)

數(shù)字控制W S M-2 0 0焊機(jī)控制電路

朱萍，陳克選，張世勤

(蘭州理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅蘭州730050)

介紹了以80C196KB單片機(jī)為核心的多功能逆變焊機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)思想和硬件結(jié)構(gòu)；研究以SG3525芯片為核心的PWM脈寬調(diào)制電路、驅(qū)動(dòng)電路、電流電壓采樣電路、保護(hù)電路、參數(shù)預(yù)置與顯示電路的組成和工作原理。結(jié)果表明，該焊機(jī)人機(jī)界面友好，具有一機(jī)多用功能，可實(shí)現(xiàn)焊條電弧焊、直流TIG焊和脈沖TIG焊。

單片機(jī)；脈寬調(diào)制；控制電路

0 前言

一般的弧焊電源控制系統(tǒng)多采用模擬控制技術(shù)，存在電路復(fù)雜、抗干擾能力弱等缺點(diǎn)，給整個(gè)電源的調(diào)試和進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)工作帶來(lái)了困難。隨著大規(guī)模集成電路與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，焊機(jī)控制已從早期的模擬控制發(fā)展到現(xiàn)在的數(shù)字控制。本系統(tǒng)采用80C196KB單片機(jī)構(gòu)成焊機(jī)的控制系統(tǒng)核心，既能控制系統(tǒng)的輸出特性，又可以實(shí)時(shí)監(jiān)控焊接過(guò)程[1]。

1 單片機(jī)控制系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)由主電路和控制電路組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1中a區(qū)域?yàn)橹麟娐方Y(jié)構(gòu)，交流電經(jīng)電磁干擾抑制器，全橋整流、濾波，得到近似恒電壓源作為IGBT雙管箝位單端正激逆變器的輸入，逆變頻率為25 kHz，然后經(jīng)中頻變壓器降壓至焊接需要的電壓，再經(jīng)快恢復(fù)二極管模塊高頻整流、電感濾波后變成低電壓、大電流輸出，供焊接使用。

圖1中b區(qū)域?yàn)榭刂齐娐方Y(jié)構(gòu)，采用以80C196KB單片機(jī)為核心的中心控制電路和以SG3525為核心的PWM調(diào)制電路。主要由高性能的16位單片機(jī)80C196KB、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器、數(shù)字顯示芯片MAX7219、脈寬調(diào)制芯片SG3525、引弧器與焊接輸入信號(hào)以及其他外圍輸入輸出接口電路組成。焊條電弧焊與TIG焊控制電路結(jié)構(gòu)相同，TIG焊控制電路只是增加了對(duì)引弧器和氣閥的控制。整個(gè)系統(tǒng)完全由單片機(jī)進(jìn)行控制，單片機(jī)根據(jù)切換開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)選擇焊條電弧焊／TIG(其中TIG又有直流TIG，直流脈沖TIG，二拍／四拍控制，接觸提升引?。哳l引弧)，從而決定電源的工作狀態(tài)。

2 控制硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)由80C196KB、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、外部程序存儲(chǔ)器28C64、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264等組成[2]。

復(fù)位電路采用MAX705電源監(jiān)控芯片，可以輸出寬度達(dá)200ms的低電平復(fù)位脈沖，能保證80C196KB可靠復(fù)位，另外還有電壓監(jiān)測(cè)和看門(mén)狗功能。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 脈寬調(diào)制電路

系統(tǒng)采用SG3525集成脈寬調(diào)制芯片構(gòu)成的脈寬調(diào)制電路，輸入SG3525的誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)誤差放大器放大后，與其內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波進(jìn)行比較，比較器輸出的脈寬信號(hào)再經(jīng)分相器分成兩路互不重疊的A、B兩相脈寬信號(hào)，由具有圖騰柱結(jié)構(gòu)的輸出端11和14腳輸出，鋸齒波的高低電位分別為3.3 V和0.9 V，故單片機(jī)送給SG3525的控制電壓信號(hào)應(yīng)在0.9～3.3 V之間變化，如果控制信號(hào)小于0.9 V，則控制效果和0.9 V相同；同樣的，如果控制信號(hào)大于3.3V，則與3.3V的控制效果相同?？刂菩盘?hào)在0.9V～3.3V之間變化時(shí)，控制信號(hào)越大，則輸出的脈寬越寬。脈寬調(diào)制電路原理如圖2所示。

圖2 由SG3525構(gòu)成的PWM電路

SG3525的11腳輸出電壓波形經(jīng)MOSFET放大后輸入給脈沖變壓器，經(jīng)脈沖變壓器放大后輸出兩路同步脈沖，用以驅(qū)動(dòng)逆變器件IGBT。

2.3 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路的作用是將SG3525輸出的兩路PWM脈沖進(jìn)行功率放大以驅(qū)動(dòng)IGBT。

研究表明，驅(qū)動(dòng)電路對(duì)保證IGBT的可靠工作起著至關(guān)重要的作用，對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路的基本要求歸納如下：

(1)提供適當(dāng)?shù)恼蚝头聪蜉敵鲭妷?，使IGBT可靠的開(kāi)通和關(guān)斷。

(2)提供足夠大的瞬態(tài)功率或瞬時(shí)電流，使IGBT能迅速導(dǎo)通。

(3)盡量小的輸入輸出延遲時(shí)間，以提高工作效率。

(4)足夠高的輸入輸出電氣隔離性能，使信號(hào)電路與柵極驅(qū)動(dòng)電路絕緣。

(5)具有靈敏的過(guò)電流保護(hù)能力。

該系統(tǒng)采用脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)IGBT，驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示，脈沖變壓器典型輸出波形如圖4所示。該驅(qū)動(dòng)波形的正電壓最小值為10 V，關(guān)斷電壓8 V，滿足IGBT的驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通與關(guān)斷要求。

2.4 數(shù)據(jù)采集電路

由于控制過(guò)程中需要對(duì)焊接電流和電弧電壓的瞬時(shí)值進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，所以需要對(duì)焊接電流和電弧電壓瞬時(shí)值進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。根據(jù)本焊機(jī)的結(jié)構(gòu)，由于在TIG焊時(shí)存在高頻引弧，為了避免高頻對(duì)電流采樣的干擾，本系統(tǒng)的電流采樣值在變壓器的一次側(cè)通過(guò)互感線圈取得，電流采樣電路如圖5所示。首先從互感線圈得到電流，經(jīng)過(guò)二極管整流電路整流后得到對(duì)應(yīng)的直流電壓，再經(jīng)過(guò)電阻分壓后送入運(yùn)算放大器LM324進(jìn)行放大，然后經(jīng)過(guò)RC濾波電路處理后得到對(duì)應(yīng)的采樣電流值，送入單片機(jī)ADC3通道進(jìn)行A／D處理，最后進(jìn)入程序控制調(diào)節(jié)。電壓采樣電路如圖6所示。電壓采樣值直接從焊接輸出端獲取，然后經(jīng)過(guò)LM324緩沖，再經(jīng)過(guò)阻容濾波后送入單片機(jī)ADC4通道進(jìn)行A／D處理，最后進(jìn)入程序控制調(diào)節(jié)。

圖3 脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)電路

圖4 脈沖變壓器輸出波形

圖5 電流采樣電路

圖6 電壓采樣電路

2.5 保護(hù)電路

保護(hù)電路主要完成故障信號(hào)的檢測(cè)、輸出保護(hù)信號(hào)以及LED故障顯示等功能。該系統(tǒng)中將各種故障的檢測(cè)、報(bào)警、保護(hù)輸出電路集成起來(lái)，用或門(mén)芯片74LS32進(jìn)行集中處理，如圖7所示。對(duì)設(shè)計(jì)的過(guò)／欠電壓、過(guò)熱、過(guò)電流綜合保護(hù)措施采取封閉式保護(hù)，即有故障發(fā)生時(shí)，單片機(jī)首先判斷是否真的出現(xiàn)了故障，以排除誤報(bào)警，如果真的發(fā)生以上四種故障之一，就關(guān)斷單片機(jī)PWM口的輸出，同時(shí)由74LS32的8腳輸出高電平關(guān)斷SG3525的輸出，這樣就徹底封閉IGBT的輸出，結(jié)束焊接過(guò)程。當(dāng)焊接過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)電流時(shí)，由軟件關(guān)斷單片機(jī)的PWM輸出，從而關(guān)斷SG3525的輸出，結(jié)束焊接過(guò)程。在以上任何焊接故障發(fā)生后，面板上的故障顯示燈就會(huì)亮，當(dāng)過(guò)電流故障發(fā)生時(shí)，焊接程序進(jìn)入中斷服務(wù)程序，面板閃爍顯示“——”，焊機(jī)沒(méi)有輸出，等待4 s后，程序自動(dòng)復(fù)位。

2.6 參數(shù)預(yù)置與顯示電路

設(shè)計(jì)的數(shù)字化操作面板如圖8所示。

(1)當(dāng)功能按鈕置MMA(焊條電弧焊)位置時(shí)，只有峰值電流一個(gè)參數(shù)可以預(yù)設(shè)。

(2)當(dāng)功能按鈕選擇直流TIG時(shí)，基值電流、脈沖頻率、占空比等功能LED燈不點(diǎn)亮，其余參數(shù)均可預(yù)設(shè)。省去了標(biāo)定的麻煩，提高了給定值的精度。

(3)當(dāng)選擇脈沖TIG時(shí)，所有參數(shù)均可預(yù)設(shè)。

(4)引弧電流參數(shù)為T(mén)IG焊4T時(shí)的參數(shù)，其他功能時(shí)不預(yù)置，它為焊槍開(kāi)關(guān)第一次按下的電流值。

編碼器工作過(guò)程為：正常開(kāi)機(jī)時(shí)，峰值電流指示燈亮，不按下編碼器旋鈕，面板功能曲線上的LED燈均無(wú)閃動(dòng)，順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)編碼器，曲線上不同功能的LED燈依次點(diǎn)亮。如果需要改變相應(yīng)的功能參數(shù)，在對(duì)應(yīng)的LED燈亮?xí)r，按下編碼器旋鈕，使得該LED燈處于閃爍狀態(tài)，轉(zhuǎn)動(dòng)編碼器旋鈕，可以步進(jìn)調(diào)節(jié)參數(shù)的大小，并在面板上實(shí)時(shí)顯示調(diào)節(jié)值的大小，再次按下編碼器旋鈕，LED燈停止閃爍，設(shè)定完成，依次類推，可以設(shè)置面板上的所有參數(shù)。

在預(yù)置參數(shù)時(shí)，三組共陰極七段——八位LED顯示用來(lái)實(shí)時(shí)顯示面板調(diào)節(jié)參數(shù)。為了簡(jiǎn)化顯示接口，使用八位LED專用顯示驅(qū)動(dòng)器芯片MAX7219，它采用三線串行接口傳送數(shù)據(jù)，可以直接驅(qū)動(dòng)1～8個(gè)共陰極LED顯示器，并可方便地調(diào)節(jié)顯示器的亮度，具有接口電路簡(jiǎn)單、使用方便等特點(diǎn)。

圖7 保護(hù)模塊電路

圖8 面板功能

2.7 高頻引弧控制電路

TIG焊時(shí)，設(shè)計(jì)了接觸提升引弧和高頻引弧兩種引弧方式[3]，一般情況下為了防止接觸引弧時(shí)磨損鎢極，避免焊縫夾鎢，所以采用高頻引弧方式。本研究在傳統(tǒng)高頻引弧器的基礎(chǔ)上做了優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一種基于HA17555定時(shí)器的高頻引弧器[4]，并考慮到高頻引弧對(duì)單片機(jī)控制系統(tǒng)的干擾，專門(mén)設(shè)計(jì)了一個(gè)時(shí)序電路對(duì)高頻引弧進(jìn)行控制，以減少高頻引弧對(duì)單片機(jī)的干擾，其控制電路如圖9所示。

圖9 高頻引弧控制電路

控制過(guò)程如下：焊槍開(kāi)關(guān)閉合后，引弧程序置80C196KB的P1.3為高，電磁繼電器線圈通電，常開(kāi)觸頭閉合，升壓變壓器T1的一次側(cè)24 V上電對(duì)電容進(jìn)行充電，當(dāng)達(dá)到火花放電器F擊穿電壓時(shí)發(fā)生火花放電，通過(guò)火花隙的擊穿空間P與振蕩電感組成振蕩回路，發(fā)生較高頻率的L－C振蕩。然后通過(guò)耦合電感將L－C振蕩耦合到鎢電極與焊接工件之間，從而達(dá)到引弧的目的。

3 結(jié)論

(1)以80C196KB單片機(jī)為核心的逆變焊機(jī)實(shí)現(xiàn)了直流TIG焊、直流脈沖TIG焊和焊條電弧焊三種焊接方法的功能。

(2)通過(guò)友好的人機(jī)對(duì)話界面，焊接參數(shù)的設(shè)置與調(diào)節(jié)更方便，利用設(shè)計(jì)的單片機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了焊機(jī)輸出特性和焊接參數(shù)的靈活控制。

(3)設(shè)計(jì)了從變壓器一次側(cè)通過(guò)互感線圈取得電流的電流采樣電路以及從輸出端取得電壓的電壓采樣電路，解決了高頻引弧對(duì)單片機(jī)的干擾問(wèn)題。

(4)該焊機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，焊接參數(shù)容易調(diào)節(jié)，其過(guò)程控制完全由軟件實(shí)現(xiàn)，易于焊機(jī)維護(hù)和優(yōu)化升級(jí)。

[1]汪建，孫開(kāi)放.MCS－96系列單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2004.

[2]李鶴岐，李芳.單片機(jī)控制多功能逆變焊機(jī)研究(一)[J].電焊機(jī)，2003，33(9)：18－20.

[3]馬俊龍，馬憲華.先進(jìn)的TIG焊接接觸引弧技術(shù)[J].河南機(jī)電高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2003，11(4)：55－56.

[4]魏繼昆，譚蓉.用于逆變焊機(jī)的幾種高頻引弧器設(shè)計(jì)[J].電焊機(jī)，2004，34(12)：35－37.

Research on digital control of WSM－200 welding machine

ZHU Ping，CHEN Ke－xuan，ZHANG Shi－qin
(School of Material Science and Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China)

The concept and hardware structure of microcomputer－controlled circuit for WSM versatile welding machine is introduced.The pulse width modulation circuit with SG3525，driving circuit，sampling circuit，protecting circuit and parameters presetting and displaying circuit are respectively analyzed.As a result，the multi－usage function welding has a good man－machine interface，MMA，DC TIG welding and pulse TIG welding can be realized.

MCU；PWM；control circuit

book=6,ebook=21

TG409；TG434.1

A

1001－2303(2012)06－0063－04

2011－11－11

朱萍(1986—)，女，甘肅臨夏人，碩士，主要從事數(shù)字化逆變電源的研究工作。