专利名称：一种新型的斜特性式脉冲CO<sub>2</sub>焊逆变电源的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种逆变电源，更具体的说涉及一种脉沖C02气体保护焊逆变电源。
背景技术：
目前，C02气体保护焊设备已广泛采用逆变式直^J:早接电源，C02逆变电源不
仅具有体积小、重量轻、效率高等优点，而且开拓了J^^Mt脉冲式或波控式C02
焊才几的新局面。基于IGBT逆变电源的工作频率高达20KHz,逆变式0)2焊电源的 控制周期仅为50us，具有非常优良的动态响应棒l"生，能以O.lms的响应速j^控制C02 焊燃51it禾lA^^过程的电流波形，在焊接过程中，C02焊燃弧阶段的电流蜂值与 !^值净皮精确控制在it^值，实现了理想的电流波形控制使每个熔滴的能量得到定量 控制，从而大幅度提高了设备的焊接性能。
但是，脉冲C02焊逆变电源是通逸叶电湳蜂值与基值进行恒流闭环控制而实现电流
波形控制的。也;tU:说，脉冲C02焊逆变电源必须采用恒流控制模式来控制电流波 形。
众所周知，在等速送丝式C02焊设备中，传统A^用平特性C02焊整流电源来
解决电弧电压自动调节问题。否则电 瓜就不能稳定，则焊接过程也无法稳定。即， 在C02焊接过程中当弧长变絲变短时，平棒l"生C02电源就会产生自调节作用使输 出电i饭向变化，则焊丝熔^ii^相应减小或增加，相应^jt早丝端部与熔池表面的 距离变小或变大，从而自动'随弧长。
然而脉冲co2焊设备采用恒流控制时，其外特性也就变为恒^Hr性，不能满足电弧 电压自动调节性能，不能满足生产需要，因此需要 改进。 发明内容
本实用新型的目的AiJW贿技术的缺点，提^"~种新型的^K争性式脉冲co2
焊逆变电源，对恒^i空制电流波形的C02焊逆变电源进行 i^t，以提高稳弧性能。
本实用新型从电弧能量控制的角度研究了通过控制C02焊燃弧过程峰值电it^宽tp
的途径来闭环控制C02焊电弧电压的方法，建立以脉冲COz焊逆变电源外特性斜率
为判据，以峰值电《J^宽为控制量的自动控制模型。在此J^出上提出了一种新型的
##性式脉冲C02焊电源。此电源以脉沖C02焊逆变电源峰值电流脉宽为控制量，
通过电弧电压反馈控制峰值电济J^宽使电源获得可调的斜降伏錄性，从而在##恒^U空制峰值与基值电iM争性的同时，还^^冲C02气体保护焊逆变电源具有足够 强烈的电弧电压自动调节特性。
本实用新型的技术方案是这样实现的
一种新型的外阵性式脉冲C02焊逆变电源，是对恒流控制电流波形的CO2焊逆 变电源的改it和性肖yi:高，它包括逆变电源，其特^^处#于，它还包括##性
式弧长自动调节系统，该系统是以脉沖C02焊逆变电源峰值电流脉宽为控制量，以 电源外棒性斜率为判据，对电源电压进行负反馈控制，^^沖C02焊电源输出电流
平均值随电弧电压下降而线性增加，从而将基于恒流控制电流波形的脉沖C02焊逆
变电源转变为斜特性式》;P中co2焊逆变电源；所述的斜特性式弧长自动调节系统， 该系统以单片机与弧长自动调节才狭为核心，与^v电路连接而成，其电路包括控
制面板、AD转换电路、波控^lt转换电路、电源负反馈电路、恒流负反馈控制电 路、PWM控制电路、焊接电流传感电路、焊接电压传感电路；通过电流与电压传 感电路实时^r测焊接电流Ih值与焊接电压Uh值,并将传感电路处理得的焊接电压模 拟量Uv经过AD转换电路i^^单片机CPU，再i^弧长自动调节模块；同时用户 在控制面板设定的脉冲峰值电流Ip、基值电流Ib与外棒性斜率K^i^单片机；弧 长自动调节才I^:根據电弧电压变化量AUh与外特性斜率K实时计算出峰值电^fu^宽 tp的调节量Atp;波控^^转换电路则根^^值电^J永宽的调节量Atp实时切换对恒 流负反馈电^ 出的电流i^^值，使恒流负^^馈电路实时切换对PWM控制电路的 控制信号Uk，继而使C02焊逆变主电路改变脉冲电流波形宽度，从而使脉沖C02 焊逆变电源自动调节焊接电流平均值来调节焊丝炫^^，稳定电弧长度。
所述的杀衬争性式弧长自动调节系MJ^电路为(A)由单片机系统实现弧长自 动调节算法与信号A/D、 D/A转换；(B)由电子电路实现波控#^:(电流波形峰值 和基值)转换，焊接电流负反馈控制与逆变主电路脉宽调制(PWM)控制；其中
(1) 所述的焊接电流波控#^:转换电路，是由多路开关Ul与运算放大器u2组 成；多路开关Ui的输入端xo, Xi分别接单片机系统D/A才狭的电^^值Ip、才對以量 Up输出端与电il^值Ib才對以量Ub输出端，，制信号输入端A接单片机系统I/O接
口电路的电^0^值时间tp开关脉冲信号Ut输出端，Ut脉冲信号为高电平时，多路开
关Ui的输入端x。与输出端Xi选通，电5^出焊接电流波形峰值的"&^值才對以量up，
Ut乐^中信号为低电平时，电iW出焊接电流波形基值的il^值才對以量Ufe。运算放大
器U2电路用以调整从多路开关输出的电流it^值才對以信号至Us值，使^号焊接 电源负反馈控制电^llr入"^求，其放大倍数由WR"周节；
(2) 所述的焊接电源负反馈电路由运算放大器U3与U4同相放大电器组成；其
中运算放大器U3用以调理焊接电流传感的才對以量信号Ui使之与焊接电流波控^lt 转换电 出銜目匹配，其放大倍数由WR2调节，其输出值Ujfit/v运算放大器U4的反相端；运算放大器U4的同相端7j:旱接电流波形^^:模拟量Us，使之与焊接电 ^+對以量Ujf进行负反馈处理并输出控制信号Uk，其负反馈强度由WR3调节；
(3 )脉宽调制电路PWM釆用SG3525芯片组成，其输入端1接焊接电流负反 馈电i^，出端、其输出端产生对逆变器主电，raBT元件的开关脉沖信号。一 、#
法，可实现求出峰值电沭u^宽调节量。 △tp="K*T0/Ip*AUhp
式中AUhp为弧长变化引起的脉冲C02焊电弧电压平均值变化量； To为脉沖C02焊熔滴过渡平均时间； Tp为脉冲C02辨峰值电流"&^值；
K为##性脉沖C02焊电源外特性斜率i议值其功能是当脉冲C02焊弧^i 变化时，单片机弧长自动调节才狭可根据弧长变化引起的电弧电压变化量△ Uhp， 通过改变峰值电;/J永宽来产生相应的电流自动调节量AIhp,有AIhp = T0/rp* A审。
由于Atp与AIhp相对AUhp为负值，其作用是使弧长变化减少的负反馈作用。
单片积《瓜长自动调节模块的自动调节作用
(1) 当弧长增加，使AUhp增加超过参考值UhO时，弧长自动调节才狭输出 的峰值电流脉宽脉冲Ut的脉宽就由诏l^值tpO降为(tpO-Atp)，佳Jf接电流减小；
(2) 当弧长减小，l吏AUh卩争j氐时，jH^狭就^f吏Ut脉宽增加为(tpO曙Atp)，自 动增加焊接电流平均值，以ttt弧长。
此系统实现了以脉冲C02焊逆变电源峰值电流脉宽为控制量，以电源外棒性斜 率为判据，对电源电压进行负反馈控制，^^P中C02焊电源输出电流平均值随电弧 电压下降而幾性增加，将基于恒流控制电流波形的脉冲C02焊逆变电源转变为斜特 性式脉冲COz焊逆变电源，从而使本实用新型具有自适应调节弧长功能的脉冲COz 焊逆变电源。
由于采用了上述技术方案，本实用新型具有如下优点与效果
(1) 本实用新型新特性式脉冲C02焊逆变电源具有自适应的弧长自动调节功
能，在焊4妄过程中，当弧长变化时，此电源就能自动调节焊接电流平均值，以此改
变火早丝;^^ft^而'l^l电 瓜^i度。
(2) 本实用新型斜特性式脉沖C02焊逆变电源对弧长自动调节强度可由其外 特性斜率定量调整，通过控制面板减小外棒性斜率K值，就可以增加脉沖C02焊逆 变电源的自动调节弧长强度。
(3) 本实用新型提出的##性式脉冲C02焊逆变电源具有自适应确^l:旱接稳 定工作点的功能。在焊丝送iMA—定改变焊接电流峰值或焊接电流峰值一定改变 焊丝itiii^时，本实用新型均能^t早接平均电流与平均电压稳定在新的工作点，即电源刮"#性曲线与焊机等速，特性曲线的充泉，从而解决了电弧电压自寻优问题。
(4)本实用新型提出的剩嚇性式脉沖C02焊逆变电源能够既保持恒流控制特 性以精确控制脉冲电流蜂值与基值，又使电源具有足够强烈的弧长自动调节棒性与 电弧电压自寻优功能，较好地改进了波控式C02焊逆变电源的性能。
图1为新型的鄉HK生式脉沖C02焊逆变电源弧长自动调节系统枢图
图2为新型的斜特性式脉冲C02焊逆变电源控制系统电路原理图
图3为新型的斜特性式乐P中CO2焊逆变电源自动调节弧长工作原理图
图4为孩W几弧长自动调节才莫块工作原理图
图5为杀衬争性式脉冲C02焊逆变电源控制系统单片^4空制i^呈图
图6为剖辨性式脉冲C02焊逆变电源实测电压与电流波形图
*#^实施方式
现结合附图详细描ii^实用新型最佳实施例
一种##性式脉冲co2焊逆变电源，其技术特征为
1、 采用鄉射生式弧长自动调节系统。如图1所示，该系统包括单片积孤长自
动调节才狭、波控##:转换电路、电源负反馈电路、恒流负反馈控制电路、PWM 控制电路、焊接电流传感电路、焊接电压传感电路、AD转换电路以及控制面板。 此系统在焊接过程中，通过电流与电压传感电路实时冲^则焊4妄电流Ih值与焊接电压 Uh值，并将传感电路处理得的焊接电压才勤以量Uv经过AD转换电路ii7v单片机 CPU,再i^A弧长自动调节模块；同时用户在控制面板设定的脉冲峰值电流Ip、基 值电流Ib与外特性斜率K也il^单片才几；弧长自动调节^^根据电弧电压变化量 AUh与外棒性斜率K实时计算出峰值电伊』永宽tp的调节量Atp;波控^lt转换电路 则根I^^值电^^宽的调节量Atp实时切换对恒流负反馈电^fet出的电流i^^f直， 使恒流负反馈电路实时切换对PWM控制电路的控制信号Uk,继而使C02焊逆变主 电路改变脉冲电流波形tt，从而使脉冲C02焊逆变电源自动调节焊接电流平均值 来调节焊丝熔^1，稳定电弧长度。
2、 釆用斜特性式弧长自动调节系统电路。如图2所示。此电路的基^#征为 由单片机系统实现弧长自动调节算法与信号A/D、 D/A转换；由电子电路实现波控
(电流波形峰值和基值)转换，焊接电流负反馈控制与逆变主电路脉宽调制 (PWM)控制。其M情况为
(1)多路开关Ui与运算放大器U2组成焊接电流波控^lt转换电路。多路开关
m的输入端xo, ^分别接单片机系统D/A才狭的电^f值Ip、才對以量Up输出端与电 aj-值Ib才對以量Ub输出端，^-l空制信号输入端A接单片机系统I/O接口电路的电流峰值时间tp开关脉冲信号ut输出端，ut月^中信号为高电平时，多路开关m的输入端
X。与输出端x!选通，电^^出焊接电流波形峰值的il^值才對以量Up, Ut脉冲信号
为低电平时，电路输出焊接电流波形基值的il^值模拟量Ub。运算放大器U2电路
用以调整从多路开关输出的电流"&^f直才勤以信号至Us值，4吏^r寻号焊4妄电源负反馈
控制电鴻4lr入要求，其》文大倍lt由WRt调节；
(2)运算放大器U3与U4同相放大电器组成焊接电源负反馈电路。其中运算放 大器U3用以调理焊接电流传感的才對以量信号Ui使之与焊接电流波控^lt转换电路
输出值相匹酉己，其放大倍数由WR2调节，其输出值Uifi^v运算放大器U4的反相端； 运算放大器U4的同相端7j:旱接电流波形^lt才對以量Us,使之与焊接电i^莫拟量Utf 进行负反馈处理并输出控制信号Uk，其负反馈强度由WR3调节；
(3 )脉宽调制电路PWM采用SG3525芯片组成，其输入端1接焊接电流负反 馈电^斜lr出端，其输出端产生对逆变器主电路IGBT元件的开关脉冲信号。
求出峰值电济J^宽调节量n " 、 ，. — 。 " 。 ^
△tp="K*T0/Ip*AUhp
式中AUhp为弧长变化引起的脉冲C02焊电弧电压平均值变化量； To为月永冲C02焊熔滴it渡平均时间； Tp为脉沖COz火f^值电流i^^值；
K为##性脉冲C02焊电源外特性斜率^^值其功能是当脉沖C02焊弧M生 变化时，单片机弧长自动调节冲狭可根据弧长变化引起的电弧电压变化量AUhp， 通过改变峰值电流脉宽来产生相应的电流自动调节量AIhp,有ADip:TO/Tp承Atp 由于Atp与AIhp相对AUhp为负值，其作用是使弧长变化减少的负反馈作用。
4、 单片才W瓜长自动调节才^^^于恒^fe制电流波形的脉沖C02焊逆变电源 转变为斜特性式脉冲C02焊逆变电源。如图3示；
(1) 当弧长增加，使AUhp增加超过参考值UhO时，弧长自动调节才^:输出
的J^值电伊u^宽乐jc冲ut的i^宽就由"&^值tpO降为(中o-Atp), ^jt旱接电a;咸小，
4^永冲C02焊电源输出的峰值电^J永宽随电弧电压增加而蘇I"生减小，则电源输出电
流平均值也随电弧电压增加而线性下降；
(2) 当弧长减小，使AUh降低时，jH^狭就使Ut脉宽增加为(tpO-Atp),自 动增加焊接电流平均值，^^冲C02焊电源输出的峰值电^^宽随电弧电压下降而 线性增加，则电源输出电流平均值也随电弧电压下降而幾性增加，
由此，本实用新型的单片机弧长自动调节才狭将基于恒流控制电流波形的脉冲co2 焊逆变电源转变为釗嚇性式^^中CO2焊逆变电源。
5、 辨特性脉冲C02焊逆变电源自动调节弧长的枳理是以峰值电济u^宽为控制量，以电源外棒性斜率为判据，对电源电压进行负反馈控制。
如图4所示，图中斜外特性与等速载棒性曲线充存、0为稳定工作点，在焊接
过程中，当弧"^人M曽到、时，斜外特性与电弧##性交点变为0，点，其电流值
比稳定工作点减少Alh量，即，电源自动产生电弧电流调节量Alh来减小焊丝炫^i4
度，使之低于焊丝itti^，焊丝末端向熔池移动，焊接工作点从波动点o，逐渐 恢复至稳定工作点o,储弧长稳定。
6、 本实用新型的自动调节强烈性弧长可由脉冲C02焊逆变电源外特性斜率值K 进糊节。
随斜率K值调大，电源的外特性曲线趋于平缓，即单位电弧电压变化引起的电 源输出电流调节量变大，则##性脉冲co2焊电源的弧长自动调节作用变强。
7、 釆用了电弧电流与电弧电压双闭环负反馈控制。本实用新型通过弧长自动 调节系统后使电源既保持了脉冲C02焊机能^iKi直精确控制电流波形的特性，包 4舌控制燃 瓜时的电流/^ii与U直以A^錄过渡的电流波形；同时使电源获##率可 调的斜外棒性，从而M与平特性电源相当的弧长自动调节功能。
8、 本实用新型采用单片机控制程序对燃弧过程与短路过程电流波形进行实时 闭环控制。
如图5示，单片机系统实时控制焊接过程中的燃弧电a^值时间与M^过渡过 程中的Mif各电流波形设定值。在C02焊燃弧阶段，单片才树焊接电压与电^ii行闭
环控制，根据焊接电压Uh的采4科直来确定对峰值电沭』永宽^的调节量，即通过实时
调节/p值控制燃弧电流峰值波形，使电源具有自动调节弧长功能。在C02;lfMi洛阶
段，采用单片才树恒流负反馈控制电a出M^各电流i议波形^4奇确控制^^各电流 波形，使之按照单片机设定值进行变化。
图6为本实用新型一个实例的实测结果。此实例的脉冲CO2焊逆变电源外特性
斜率为4%, !^中CO2焊的峰值电流"&^值为400A,基值电流"&^值为50A。由 图可见，脉冲C02焊过,1^、定，脉冲电源外特性斜率电^^值和基值与il^值一致。
权利要求1、一种新型的斜特性式脉冲CO2焊逆变电源，是对恒流控制电流波形的CO2焊逆变电源的改造和性能提高，它包括逆变电源，其特征在于它还包括斜特性式弧长自动调节系统，该系统是以脉冲CO2焊逆变电源峰值电流脉宽为控制量，以电源外特性斜率为判据，对电源电压进行负反馈控制，使脉冲CO2焊电源输出电流平均值随电弧电压下降而线性增加，从而将基于恒流控制电流波形的脉冲CO2焊逆变电源转变为斜特性式脉冲CO2焊逆变电源；所述的斜特性式弧长自动调节系统，该系统以单片机与弧长自动调节模块为核心，与基本电路连接而成，其电路包括控制面板、AD转换电路、波控参数转换电路、电源负反馈电路、恒流负反馈控制电路、PWM控制电路、焊接电流传感电路、焊接电压传感电路；通过电流与电压传感电路实时检测焊接电流Ih值与焊接电压Uh值，并将传感电路处理得的焊接电压模拟量Uv经过AD转换电路送入单片机CPU，再送入弧长自动调节模块；同时用户在控制面板设定的脉冲峰值电流Ip、基值电流Ib与外特性斜率K也送入单片机；弧长自动调节模块根据电弧电压变化量ΔUh与外特性斜率K实时计算出峰值电流脉宽tp的调节量Δtp；波控参数转换电路则根据峰值电流脉宽的调节量Δtp实时切换对恒流负反馈电路输出的电流设定值，使恒流负反馈电路实时切换对PWM控制电路的控制信号uk，继而使CO2焊逆变主电路改变脉冲电流波形宽度，从而使脉冲CO2焊逆变电源自动调节焊接电流平均值来调节焊丝熔化速度，稳定电弧长度。
2、 根据权利要求1所述的新型的剖特性式乐p中C02焊逆变电源，其特征在于所 述的斜特性式弧长自动调节系统基本电路为(A)由单片机系统实现弧长自动调 节算法与信号A/D、 D/A转换；(B)由电子电路实现波控M (电流波形峰值和 基值)转换，焊接电流负反馈控制与逆变主电路脉宽调制(PWM)控制；其中(1) 所述的焊接电流波控#|^转换电路，是由多路开关Ul与运算放大器u2组 成；多路开关u,的输入端xo， x,分别接单片机系统D/A才狄的电^^值Ip、才對以 量Up输出端与电^J^值Ib才對以量Ub输出端，^y空制信号输入端A接单片机系统 1/0接口电路的电^f值时间tp开关脉冲信号ut输出端，ut脉冲信号为高电平时，多路开关W的输入端x。与输出端&选通，电路渝出焊接电流波形峰值的诏^:值才對以量Up, Ut脉冲信号为低电平时，电微出焊接电流波形基值的il^值才對以量 Ub。运算放大器U2电路用以调整从多路开关输出的电流il^值才對以信号至Us值， 使之符号焊接电源负反馈控制电鴻输入要求，其放大倍数由WR,调节；(2) 所述的焊接电源负反馈电路由运算放大器U3与U4同相放大电器组成；其中运算放大器U3用以调理焊接电流传感的才對以量信号Ui使之与焊接电流波控^转换电^Wr出值相匹配，其放大倍数由WR2调节，其输出值Ujfi^^运算放大器U4的^i目端；运算放大器U4的同相端入焊接电流波形^t模拟量Us，使之与焊 接电iW對以量Uif进行负反馈处理并输出控制信号Uk,其负反馈强度由WR3调节； (3 )脉宽调制电路PWM采用SG3525芯片组成，其输入端1接焊接电流负反馈 电，出端，其输出端产生对逆变器主电路IGBT元件的开关脉冲信号。
专利摘要一种新型的斜特性式脉冲CO<sub>2</sub>焊逆变电源，对恒流控制电流波形的CO<sub>2</sub>焊逆变电源进行改造，以提高稳弧性能。本实用新型的主要在普通CO<sub>2</sub>焊逆变电源中引入斜特性式弧长自动调节系统，该系统主要由单片机弧长自动调节模块、波控参数转换电路、恒流负反馈控制电路、PWM控制电路等部分组成。单片机弧长自动调节模块采用独创的斜特性式弧长自动调节算法，可实时求出脉冲CO<sub>2</sub>焊峰值电流脉宽调节量，以自动调节CO<sub>2</sub>焊弧长，从而使本实用新型具有自适应调节弧长功能的脉冲CO<sub>2</sub>焊逆变电源的优点。
文档编号B23K9/16GK201231371SQ20082010884
公开日2009年5月6日 申请日期2008年6月26日 优先权日2008年6月26日
发明者蒋力培, 勇 邹 申请人:北京石油化工学院