楊毅博（中山市鷹飛電器有限公司，廣東中山，528463）

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基于單片機(jī)的中頻逆變電阻點(diǎn)焊機(jī)的研制

楊毅博
（中山市鷹飛電器有限公司，廣東中山，528463）

摘要：介紹了中頻逆變電阻點(diǎn)焊機(jī)的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵器件的選擇以及控制系統(tǒng)的工作方式，說明了數(shù)字PI調(diào)節(jié)的工作流程及驅(qū)動(dòng)PWM信號(hào)的工作方法。

關(guān)鍵詞：硬件結(jié)構(gòu)；關(guān)鍵器件；數(shù)字PI調(diào)節(jié)器

0 引言

電阻點(diǎn)焊機(jī)目前在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上還是以工頻變壓器類型的機(jī)器為主，此類機(jī)器因價(jià)格低廉市場(chǎng)占有率還很高，但其缺點(diǎn)也很明顯。工頻電阻點(diǎn)焊機(jī)的輸出是交流電，輸出電流頻繁反向并出現(xiàn)過零點(diǎn)，導(dǎo)致焊點(diǎn)成型不好，焊接過程飛濺大等缺點(diǎn)。本文描述了基于單片機(jī)的中頻逆變電阻點(diǎn)焊機(jī)的研制。介紹了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和硬件結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵器件的選擇以及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等方面。

1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要由三相整流電路、逆變器、中頻變壓器、全波整流電路、電流反饋電路、Atmega32微處理控制電路、LCD液晶顯示及人機(jī)交互電路和驅(qū)動(dòng)電路組成。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)的具體工作過程如下，輸入三相380V交流電經(jīng)過整流濾波后形成537V的直流電，經(jīng)由逆變器變換為交變的方波信號(hào)，然后通過中頻變壓器進(jìn)行功率變換，生成低壓大電流的交流輸出，最后在全波整流電路的作用下，轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流輸出電。在整個(gè)系統(tǒng)工作過程中，電流反饋電路采集輸出電流信號(hào)，并將其傳遞給系統(tǒng)主控電路，系統(tǒng)主控微處理器為Atmega32，通過對(duì)比用戶預(yù)設(shè)電流輸出值和電流反饋值，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的數(shù)字PI算法，調(diào)節(jié)逆變器驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸出，從而形成穩(wěn)定的恒流輸出。

圖1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)關(guān)鍵器件的選擇

在逆變電阻點(diǎn)焊機(jī)中，器件的選擇和設(shè)計(jì)決定了系統(tǒng)電流輸出的大小和穩(wěn)定性，其具體分析如下：

（1）中頻變壓器材料選擇。在現(xiàn)有的逆變焊機(jī)技術(shù)中多為采用1K-2KHZ的逆變頻率，根據(jù)其頻率特性多采用硅鋼片作為變壓器的磁芯。本方案的逆變頻率為8KHZ，所以選擇鐵基非晶合金作為變壓器的磁芯。鐵基非晶合金其具有狹窄的B-H回路和高導(dǎo)磁性、低損耗的特點(diǎn)，其空載損耗與采用硅鋼片的傳統(tǒng)變壓器相比，減少了75%左右，鐵基非晶合金與硅鋼片的比較，導(dǎo)磁率、鐵損等各方面都優(yōu)于硅鋼片。其具體物理性能見圖2。

圖2 鐵基非晶合金的物理性能

（2）IGBT模塊的選擇。本方案中的中頻逆變電阻點(diǎn)焊機(jī)，選擇三相380V的交流電做為其輸入電壓，三相交流380V交流電經(jīng)過整流后的電壓為，設(shè)定空載電壓為25V。則中頻變壓器的匝比為N=540/25=21.6，實(shí)際取值為22。根據(jù)設(shè)定的最大輸出電流12000A，則流過IGBT的電流為I=12000/22=545A。而為了保證IGBT安全工作，其參數(shù)應(yīng)留有余量，實(shí)際選擇為800A/1200V的IGBT模塊。

（3）輸出整流二極管的選擇。 關(guān)于輸出整流二極管的選型，首先需要考慮輸出電流大小，設(shè)定輸出電流為12000A。因?yàn)槭沁x用全波整流電路，所以二極管電流大只需取一半的輸出電流值，即為6000A。因空載電壓設(shè)定為25V，所以二極管上的輸出尖峰電壓大概為4倍的空載電壓，即100V左右，最終為留有余量，選擇200V/7000A的圓餅二極管。圓餅二極管采用鋁型材散熱器進(jìn)行安裝，使其保持良好的散熱，防止器件過熱損壞。并配備了水泵，對(duì)鋁型材散熱器進(jìn)行循環(huán)水的冷卻方式，以提高系統(tǒng)的負(fù)載持續(xù)率。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（1）主控芯片及控制系統(tǒng)的組成

本款中頻逆變電阻點(diǎn)焊機(jī)使用AVR的8位微處理器Atmega32作為主控芯片，該芯片的外設(shè)包括8路10位AD模數(shù)轉(zhuǎn)換、兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、一個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、四通道PWM，TWI兩線通信接口和SPI串行通信接口等。系統(tǒng)的控制系統(tǒng)包括：LCD液晶顯示及人機(jī)交互電路、保護(hù)模塊、輸出電流反饋模塊、數(shù)字PI控制器和PWM驅(qū)動(dòng)模塊。

（2）保護(hù)模塊的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的保護(hù)模塊包括溫度保護(hù)、過流保護(hù)、缺相保護(hù)和欠壓保護(hù)。其中溫度保護(hù)采取熱敏開關(guān)，將熱敏開關(guān)裝在輸出整流二極管的散熱器上，當(dāng)溫度過高，系統(tǒng)將立刻終止焊接電流輸出，進(jìn)入保護(hù)模式，并在液晶上顯示溫度過熱及發(fā)出警報(bào)。

中頻變壓器的初級(jí)電流反饋，如圖三所示，是由電流互感器采集到的電流信號(hào)，通過由四個(gè)肖特基二極管組成的BR2整流橋，整流后形成電壓信號(hào)，當(dāng)初級(jí)電流超過限值時(shí)，如圖3所示，將通過擊穿穩(wěn)壓管Z1并驅(qū)動(dòng)可控硅Q1，將輸出電壓拉低并鎖定，并將輸出過流低電平信號(hào)傳遞給控制系統(tǒng)，從而進(jìn)入保護(hù)模式，并在液晶上面顯示過流信號(hào)及發(fā)出警報(bào)。

圖3 初級(jí)電流反饋保護(hù)電路

（3）輸出電流反饋模塊的設(shè)計(jì)

如圖四所示，HALL為輸出電流的霍爾反饋信號(hào)，通過U6A的電壓跟隨器輸出到U6B，通過調(diào)節(jié)零漂的電位器VR3調(diào)節(jié)反相放大器的輸出，使系統(tǒng)沒有輸出電流時(shí)運(yùn)放U6的輸出電壓為0V，保證輸入霍爾信號(hào)與運(yùn)放7腳的輸出是完全的線性，保證電流信號(hào)采集的正確。

圖4 電流反饋模塊的設(shè)計(jì)

（4）數(shù)字PI調(diào)節(jié)與PWM驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)

數(shù)字PI調(diào)節(jié)器的數(shù)學(xué)模型是模擬PI控制器推導(dǎo)出的，其控制規(guī)律為：

其中u（t）為PI控制器的輸出，e（t）為PI調(diào)節(jié)器的輸入，為比例系數(shù)，T為積分時(shí)間常數(shù)。比例環(huán)節(jié)，起快速調(diào)節(jié)作用，當(dāng)反饋量與預(yù)設(shè)量存在偏差，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。積分環(huán)節(jié)，主要用于消除穩(wěn)態(tài)偏差，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和無差度。相比傳統(tǒng)的模擬PI控制器，數(shù)字PI調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)靈活、邏輯清晰、可控性強(qiáng)。

在此款中頻逆變電阻點(diǎn)焊機(jī)中，單片機(jī)定時(shí)讀取霍爾電流傳感器反饋回的輸出電信數(shù)據(jù)，并將其與用戶設(shè)定的輸出電流值進(jìn)行比較，當(dāng)兩者之間存在偏差，系統(tǒng)將偏差量存儲(chǔ)，并結(jié)合之前存儲(chǔ)的偏差差量，根據(jù)設(shè)定的PI調(diào)節(jié)運(yùn)算公式，調(diào)節(jié)系統(tǒng)PWM驅(qū)動(dòng)輸出量，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的穩(wěn)定控制。

在本系統(tǒng)中，主控芯片Atmega32，使用其自帶的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器生成兩路頻率固定脈寬可調(diào)的互為反相的PWM波作為IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。IGBT的驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過光耦TLP250進(jìn)行隔離放大，將5V的驅(qū)動(dòng)放大到15V。圖中R14為驅(qū)動(dòng)電阻，R13為關(guān)斷電阻，因R13小于R14使得IGBT開通的速度相對(duì)較慢，關(guān)斷的相對(duì)較快，保證IGBT能夠安全工作。同時(shí)加入穩(wěn)壓管Z1，以限制IGBT的驅(qū)動(dòng)干擾信號(hào)的伏值，避免了IGBT的誤觸發(fā)，保護(hù)IGBT不被損壞。因?yàn)楸緳C(jī)使用是全橋整流電路，即四路IGBT輸出，因此系統(tǒng)需要兩組反相的PWM波，各驅(qū)動(dòng)兩路IGBT，將三相整流輸出的直流電轉(zhuǎn)換為中頻方波，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)PWM的脈寬，來調(diào)節(jié)經(jīng)流中頻方波的脈寬，經(jīng)中頻變壓器降壓增流，后續(xù)電路濾波整流后達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電流的目的。

圖5 PWM驅(qū)動(dòng)電路

4 結(jié)論

（1）選擇了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，并對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行了描述。

（2）系統(tǒng)關(guān)鍵器件的選擇，分析了中頻變壓器的材料選擇、IGBT模塊的選擇、輸出整流二極管的選擇。

（3）描述了主控芯片及控制系統(tǒng)的組成、保護(hù)模塊的設(shè)計(jì)、輸出電流反饋模塊的設(shè)計(jì)。

（4）說明了數(shù)字PI調(diào)節(jié)與PWM驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)，說明了數(shù)字PI的原理和實(shí)習(xí)方法，描述了PWM驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)過程。

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Research of medium frequency inverter resistance spot welding machine based on MCU

Yang Yibo
（Zhongshan Eagle-Fly Electrical Appliance Co.，Ltd.，Zhongshan Guangdong，528463）

Abstract：This text introduces a kind of medium-frequency resistance spot welding inverter，includes hardware structure of this machine and the key components and the working mode of control system.The detailed description of the working process of the digital PI regulator and driving method of PWM signal is also included.

Keywords：hardware structure；key device；digital PI regulator