一种电弧控制电路的制作方法

本发明属于一种电弧控制电路，特别是一种用于熔化极气体保护电弧焊焊机中的可对过渡期间的电弧进行合理控制的电弧控制电路。

背景技术：

在采用较小电流和低电压焊接时，熔滴在未脱离焊丝端头前就与熔池直接接触，电弧瞬间熄灭短路，则溶滴在短路电流产生的电磁收缩力及液体金属的表面张力等作用下过渡到熔池中。整个短路过渡过程分为短路阶段和燃弧阶段，两个阶段交替进行。

但是，在熔化极气体保护焊特别是二氧化碳气体保护焊的短路过渡阶段，如果不能对电弧进行合理的控制，则极其容易造成飞溅，进而污染工件增加劳动强度降低熔敷率等。

因此，目前广泛应用于短路过渡阶段电弧的控制分为两大类：一类是在焊机的输出端串联大感量的电感(或称“物理电抗器”)，或者是在控制电路中增加积分环节(或称“电子电抗器”)；另一类是利用数字控制技术例如DSP、CPLD\FPGA等结合复杂的硬件电路对电弧进行分阶段控制。

上述的现有技术对短路过渡电弧的控制比较简陋，仅仅只是增加第一个电感或者是积分环节，从而对短路阶段的电弧和燃弧阶段的电弧一同进行控制，通过电感来限制短路电流上升速度以及短路电流峰值，并且电感在短路期间存储的能量在燃弧期间放出，有助于增加燃弧能量，有利于获得更好的焊缝成形。目前国内二氧化碳保护焊焊机大多采用这种方法。但是，这种方法有很大的局限性，由于短路阶段和燃弧阶段所需的电压不同，上述这种方法无法同时满足两个阶段的不同要求；而且不同阶段，不同的焊接规范对电感的要求各不一样，因此这种方法的调节精度和适用范围有一定的局限性。

或者，采用另一种技术如STT技术，对整个短路过渡阶段进行分阶段控制，但是该种技术采用复杂的控制电路和精密的功率器件，但是成本太高、操作过于复杂。

因此，必须设计一种在有限成本之下的，可对整个短路过渡阶段的两个阶段——短路阶段及燃弧阶段的电流波形进行有效的控制，进而达到对电弧的控制要求。

技术实现要素：

本发明提供一种熔化极气体保护焊电弧控制电路，用于熔化极气体电弧焊机中，所述电弧控制电路包括短路/燃弧判断电路、电流调节电路，所述电流调节电路的输出端与所述焊机相连接以向焊机输出控制电流；所述短路/燃弧判断电路的输入端与所述焊机的反馈电压相连接，所述短路/燃弧判断电路的输出端与所述焊机的反馈电流一同连接至电流调节电路的输入端；所述短路/燃弧判断电路包括第一电阻、第二电阻、第一二极管、第二二极管、数字电位器、第一电容；所述第一二极管的正极与第一电阻相连接，负极与数字电位器的第一输入端相连接，所述第二二极管的负极与第二电阻相连接，正极与数字电位器的第二输入端相连接，所述第一电阻和第二电阻的另一端均与焊机的反馈电压相连接；所述数字电位器的输出端均与第一电容的一端相连接，所述第一电容的另一端接地；所述数字电位器的输出端即为该短路/燃弧判断电路的输出端，且与电流调节电路的输入端相连接。

作为本发明的进一步改进，所述电弧控制电路还包括电压调节电路及给定输入电压，所述调节电路包括第一运算放大器，所述第一运算放大器的正输入端与所述焊机的反馈电压相连接，负输入端与所述给定输入电压相连接，所述第一运算放大器的输出端与所述短路/燃弧判断电路的输入端相连接；所述第一运算放大器的负输入端与输出端通过第一反馈电阻相连接。

作为本发明的进一步改进，所述电弧控制电路还包括比例放大电路，所述比例放大电路的输入端与所述短路/燃弧判断电路的输出端相连接，输出端与所述电流调节电路的输入端相连接；所述比例放大电路包括第二运算放大器，所述第二运算放大器的正输入端与所述数字电位器的输出端相连接，负输入端与外接输入电压相连接，输出端与所述电流调节电路的输入端相连接；所述第二运算放大器的负输入端与输出端通过第二反馈电阻相连接。

作为本发明的进一步改进，所述电流调节电路包括第三运算放大器，所述第二运算放大器的输出端与所述焊机的反馈电流一同连接至所述第三运算放大器的负输入端，所述第三运算放大器的正输入端接地，输出端与焊机相连接以向焊机输送控制电源，所述第三运算放大器的负输入端和输出端通过第三反馈电阻相连接。

作为本发明的进一步改进，所述电流调节电路包括第三运算放大器，所述比例放大电路的输出端与所述焊机的反馈电流一同连接至所述第三运算放大器的负输入端，所述第三运算放大器的正输入端接地，输出端与焊机相连接以向焊机输送控制电压，所述第三运算放大器的负输入端和输出端通过第三反馈电阻相连接。

作为本发明的进一步改进，所述数字电位器与上位机相连接以控制所述数字电位器的阻值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明中的短路/燃弧判断电路采用数字电位器和第一电容相连接，从而可通过上位机改变数字电位器的阻值，进而很容易调整第一电容的充电放电速度，从而可形成各种输出波形，以更精确的对短路阶段及燃弧阶段进行控制；

另外，本发明中将焊机的反馈电流和反馈电压均接入控制电路中，形成闭环控制电路，从而使得控制电路输出更加稳定，同时也增加了精确度和安全性；

附图说明

图1为本发明电弧控制电路的电路图；

图2为本发明短路/燃弧判断电路的输出端的波形；

图3为本发明电路中焊机的反馈电压、给定输入电压、电压调节电路的输出电压及短路/燃弧判断电路的输出电压在短路阶段及燃弧阶段的波形。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

根据图1至图3所示，本发明提供了一种熔化极气体保护焊电弧控制电路，以对熔化极气体保护焊过程中的短路过渡阶段的短路阶段及燃弧阶段进行分阶段控制。并且，短路/燃弧阶段中，焊机的反馈电压U_f近似为矩形波，短路阶段的电压较小，相应的燃弧阶段的电压较大。

如图1所示，本发明的所述电弧控制电路包括短路/燃弧判断电路10、电流调节电路40，所述电流调节电路40的输出端与所述焊机相连接以向所述焊机输出控制电源。

所述短路/燃弧判断电路10的输入端与所述焊机的反馈电压U_f相连接，从而通过焊机的反馈电压U_f，短路/燃弧判断电路10可以此来判断焊机此时的输出处于短路阶段还是燃弧阶段，从而，短路/燃弧判断电路10在不同的阶段形成不同波形的电压。所述短路/燃弧判断电路10的输出端与所述焊机的反馈电流I_f一同连接至电流调节电路40的输入端，以实现对焊机的精密控制。

此处需要说明的是，不能对焊机电流进行直接的采样，通常是经过采样电阻或霍尔传感器，采样成电压信号。因此，本发明中的焊机的反馈电流I_f为电压信号，而不是指电流信号。所述反馈电流I_f和短路/燃弧判断电路10的输出电压相汇合后，再供给焊机。在本实施方式中，所述反馈电压U_f是焊机的输出电压经过隔离和10:1分压后形成的，所述反馈电流I_f是焊机的输出电流经过霍尔传感器采样后形成的电压信号，并均送入本发明的电弧控制电路中，从而构成闭环控制系统，进一步提高整个系统的稳定性。

具体的，所述短路/燃弧判断电路10包括第一电阻R₁、第二电阻R₂、第一二极管D₁、第二二极管D₂、数字电位器N₁、第一电容C₁。所述第一二极管D₁的正极与所述第一电阻R₁一端相连接，负极与所述数字电位器N₁的第一输入端相连接，所述第二二极管D₂的负极与所述第二电阻R₂一端相连接，正极与所述数字电位器N₁的第二输入端相连接，所述第一电阻R₁及第二电阻R₂的另一端均与焊机的反馈电压U_f相连接；所述数字电位器N₁的第一及第二输出端均与第一电容C₁的一端相连接，所述第一电容C₁的另一端接地。所述第一电容C₁不接地的一端即为该短路/燃弧判断电路10的输出端，且与电流调节电路40的输入端相连接。

所述数字电位器N₁可通过数控方式调节电阻值，即所述数字电位器N₁相当于一种可变的电阻。在本实施方式中，所述数字电位器N₁的型号为MCP42100，具有两个可调节的电阻。所述数字电位器N₁与上位机(未图示)相连接，以控制所述数字电位器N₁的阻值。具体的，所述上位机和所述数字电位器N₁的1、2、3脚相连，其中1脚-CS为片选信号，2脚SCK为串行时钟，3脚SI为串行数据输入，以此来改变所述数字电位器N₁第一输入端及第一输出端之间和第二输入端及第二输出端之间的电阻值。在本实施方式中，如图1中所示，所述第一二极管D₁的负极与所述数字电位器N₁的10脚即PB0相连接，所述数字电位器N₁的9脚PW0和8脚PA0相连接，并一同连接至所述第一电容C₁；所述数字电位器N₁的7脚即PA1与6脚PW1相连接，并一同连接至所述第二二极管D₂的正极，所述数字电位器N₁的5脚即PB1连接至所述第一电容C₁。从而，所述上位机调整的为PB0和PW0之间以及PW1和PB1之间的电阻。则所述数字电位器N₁的10脚即为第一输入端，6脚即为第二输入端，9脚PW0为第一输出端，5脚PB1为第二输出端，且第一输出端和第二输出端均与第一电容C₁相连接，使得第一电容C₁充电或放电。

则由于所述焊机的反馈电压U_f在短路阶段及燃弧阶段的电压近似为矩形波，则经过第一电容C₁的充放电，可得到如图3所示的上升下降波形。具体的，在t0至t1阶段为燃弧阶段，此时第一二极管D₁导通，第二二极管D₂截止，使得第一电容C₁充电；在t1至t2阶段为短路阶段，此时第二二极管D₂导通，第一二极管D₁截止，使得第一电容C₁放电。并且，如图2所示，通过上位机改变数字电位器N₁的PB0及PW0、PB1及PW1之间的电阻，即可得到任意速率的上升/下降波形，图中的A-a，B-b，C-c代表在不同电阻阻值的情况下，可得到的上升/下降波形。所述第一电容C₁不接地的一端即为该短路/燃弧判断电路10的输出端，且输出有如图2所示的上升/下降波形，且该波形即为本发明电弧控制电路中的基本波形，则在短路阶段或燃弧阶段，控制电压产生不断变化，则可更好更精密的控制焊机。并且，所述第一二极管D₁及第二二极管D₂均为稳压二极管。

相应的，所述数字电位器N₁的4脚即VSS接地，11脚-RS、12脚-SHDN、14脚VDD与第一外接电压U_A相连接以向整个数字电位器N₁提供电压。在本实施方式中，所述第一外接电压U_A为+5V。所述数字电位器N₁的4脚和14脚之间连接有第二电容C₂，所述第二电容C₂为耦合电容，用以消除为数字电位器N₁供电的+5V电压的杂波干扰。

并且，所述短路/燃弧判断电路10还包括有第三电阻R₃、第四电阻R₄，所述第三电阻R₃一端与所述第一电阻R₁远离第一二极管D₁的一端相连接，另一端与焊机的反馈电压U_f相连接，用以对输入的电压值进行分压；所述第四电阻R₄一端与所述第二电阻R₂远离第二二极管D₂的一端相连接，另一端与外接+3V电压相连接，起到上拉电压的作用。

另外，为了对控制焊机的控制电压进行更好的控制，需要对焊机的反馈电压U_f进行处理，因此，所述电弧控制电路还包括电压调节电路20及给定输入电压U_g。所述电压调节电路20包括第一运算放大器A1A，所述第一运算放大器A1A的正输入端与所述焊机的反馈电压U_f相连接，负输入端与所述给定输入电压U_g相连接，所述第一运算放大器A1A的输出端与所述短路/燃弧判断电路10的输入端相连接；所述第一运算放大器A1A的负输入端与输出端通过第一反馈电阻相连接。从而，通过第一运算放大器A1A，将所述焊机的反馈电压U_f改变至合适的波形。

在本实施方式中，如图1所示，所述电压调节电路20还包括第六至第八电阻R₆-R₈及可变电阻W₁，所述第六电阻R₆一端与所述第一运算放大器A1A的负极相连接，另一端与给定输入电压U_g相连接，所述第七电阻R₇一端接地，另一端与所述第一运算放大器A1A的正极相连接，可变电阻W₁和第八电阻R₈相串联且一端与所述第一运算放大器A1A的正极相连接，另一端与所述焊机的反馈电压U_f相连接。所述第一反馈电阻包括第五电阻R₅、第十三电阻R₁₃、第三二极管D₃、第三电容C₃，所述第十三电阻R₁₃、第三二极管D₃及第三电容C₃相互并联，且一端与所述第一运算放大器A1A的输出端相连接，另一端与第五电阻R₅相连接，且第五电阻R₅的另一端连接至第一运算放大器A1A的负输入端。所述第三二极管D₃的正极连接至第一运算放大器A1A的输出端。

在本实施方式中，由于第三电容C₃所带来的积分环节较小，因此所述电压调节电路20主要还是以比例环节为主。并且，所述第三二极管D₃为肖特基二极管，用于保护第三电容C₃的使用，防止积分饱和。

因此，根据运算放大器的“虚短”、“虚断”原则，可对所述电压调节电路20的输出端即该第一运算放大器A1A的输出端电压进行计算，记该输出端电压为U₀。

虚短：U₊＝U_-

虚断：I₊＝I_-＝0

经过代入计算可得：

由上文可知，焊机的反馈电压U_f为矩形波，给定输入电压U_g为一既定不变的电压，因此，第一运算放大器A1A输出的电压U₀也为矩形波，大致波形如图3中所示。

从而，将反馈电压U_f和给定输入电压U_g转化成所述短路/燃弧判断电路10的输入电压U₀，从而短路/燃弧判断电路10可更好判断短路阶段及燃弧阶段，从而更好的形成输出波形。

在本实施方式中，为了调节短路/燃弧判断电路10的输出电压，所述电弧控制电路还包括连接于短路/燃弧判断电路10和电流调节电路40之间的比例放大电路30。所述比例放大电路30包括第二运算放大器A1B，所述第二运算放大器A1B的正输入端与所述第一电容C₁不接地的一端相连接，负输入端与外接输入电压相连接，输出端与所述焊机的反馈电流I_f一同连接至电流调节电路40。所述第二运算放大器A1B的负输入端与输出端通过第二反馈电阻相连接。

具体的，所述比例放大电路30还包括第十至第十二电阻R₁₀-R₁₂，所述第二运算放大器A1B的负输入端与所述第十一电阻R₁₁相连接，并连接至第二外接电压U_B，在本实施方式中，所述第十一电阻R₁₁所接的第二外接电压U_B为+5V；所述第二运算放大器A1B的负输入端还与第十电阻R₁₀相连接，并接地；所述第二反馈电阻为第十二电阻R₁₂，所述第二运算放大器A1B的正输入端和负输入端之间以第十二电阻R₁₂相连接。

因此，将所述短路/燃弧判断电路10的输出端即第一电容C₁不接地的一端记为U₁，并且，所述短路/燃弧判断电路10的输出端和第二运算放大器A1B的正输入端之间连接有第九电阻R₉，由于第九电阻R₉的阻值相应较小，因此不考虑第九电阻R₉的分压，则可得所述短路/燃弧判断电路10的输出端电压与所述第二运算放大器A1B的正输入端电压相等，记为：

U₁＝U₊

并且，将所述第二运算放大器A1B的输出端电压记为I_g，此处需要注意的是，I_g为一个电压信号，此处将第二运算放大器A1B的输出端电压记为I_g，是为了和焊机的电流反馈I_f保持一致，并且是指该第二运算放大器A1B的输出端电压I_g虽然为电压信号，实则是用于对电流的调整。并且，如上文所述，电流不能直接采样，焊机的电流反馈I_f也为电压信号。

因此，同上文所述，根据运算放大器的“虚短”、“虚断”原则，可对第二运算放大器A1B的输出端电压I_g进行计算。

虚短：U₊＝U_{_}＝U₁

虚断：I₊＝I_{_}＝0

经过带入计算可得：

由于U_B为+5V，因此I_g为：

因此，通过上述所述的比例放大电路30，对短路/燃弧判断电路10的输出电压U₁进行放大调整，使得其能和所述焊机的反馈电流I_f相匹配。从而，所述比例放大电路30的输出电压I_g和所述焊机的反馈电流I_f一同与所述电流调节电路40相连接。当然，若不需要设置比例放大电路30，直接将短路/燃弧判断电路10与电流调节电路40相连接，也可达到本发明的目的，但是上述事实例是本发明的较佳实施例。

为了调整所述比例放大电路30的输出电压I_g和焊机的反馈电流I_f之间的关系，使最后输入焊机的电源控制信号更合理精确，所述电流调节电路40包括第三运算放大器A1C，所述比例放大电路30的输出端与所述焊机的反馈电流I_f一同连接至所述第三运算放大器A1C的负输入端，所述第三运算放大器A1C的正输入端接地，输出端与焊机相连接以向焊机输送控制电源，所述第三运算放大器A1C的负输入端和输出端通过第三反馈电阻相连接。

在本实施方式中，所述电流调节电路40还包括第十四至第十六电阻R₁₄-R₁₆。所述比例放大电路30的输出端通过第十四电阻R₁₄与第三运算放大器A1C的负输入端相连接；所述焊机的反馈电流I_f通过第十五电阻R₁₅与第三运算放大器A1C的负输入端相连接；所述电流调节电路40还包括第三外接电压U_C，所述第三外接电压U_C通过第十六电阻R₁₆与第三运算放大器A1C的负输入端相连接，在本实施方式中，所述第三外接电压U_C为-15V。

所述第三反馈电阻包括第十七及十八电阻R₁₇-R₁₈，第四二极管D₄及第四电容C₄。所述第十七电阻R₁₇及第十八电阻R₁₈相互串联且两端分别连接于所述第三运算放大器A1C的负输入端及输出端。所述第四电容C₄并联于第十八电阻两端R₁₈，所述第四二极管D₄的正极与所述第三运算放大器A1C的负输入端相连接，负极与所述第三运算放大器A1C的正极相连接，在本实施方式中，所述第四二极管D₄为稳压二极管。由于所述第四电容C₄的值较小，因此其带来的积分效果有限，则整个电流调节电路40按照比例环节该分析。

因此，同上文所述，根据运算放大器的“虚短”、“虚断”原则，可对第三运算放大器A1C的输出端电压U₂进行计算。

虚短：U₊＝U_{_}＝0

虚断：I₊＝I_-＝0

经过带入计算可得：

由于U_C为-15V，因此，所述第三运算放大器A1C的输出端电压U₂为：

另外，本发明的电弧控制电路中还包括有第十九电阻R₁₉、第二十电阻R₂₀，所述第十九电阻R₁₉一端与所述第三运算放大器A1C的输出端相连接，另一端连接至焊机；所述第二十电阻R₂₀一端与所述焊机相连接，另一端接地。则，所述电弧控制电路最终的输出电压U₃要经过第十九电阻R₁₉、第二十电阻R₂₀的分压，具体为：

在本实施方式中，所述电弧控制电路的输出电压并非直接输入至焊机中，而是先输送至PWM控制器(PWM，Pulse Width Modulation，脉冲宽度调节)，对输出的电压脉冲的宽度进行控制，进而控制整个焊机的功率输出电路，从而达到控制整个焊机输出的目的。

因此，综上所述，本发明通过设计短路/燃弧判断电路10，并根据焊机的反馈电压U_f，可判断焊机处于短路阶段还是燃弧阶段，并在不同的阶段输出不同波形的电压，从而可对焊机短路阶段及焊接阶段进行分阶段控制，从而可更合理的控制电弧，降低飞溅，改善焊缝成形；

其次，本发明中的短路/燃弧判断电路10采用数字电位器N₁和第一电容C₁相连接，从而可通过上位机改变数字电位器N₁的阻值，进而很容易调整第一电容C₁的充电放电速度，从而可形成各种输出波形，以更精确的对短路阶段及燃弧阶段进行控制；

另外，本发明中将焊机的反馈电流I_f和反馈电压U_f均接入控制电路中，形成闭环控制电路，从而使得控制电路输出更加稳定，同时也增加了精确度和安全性；

最后，为了使得电路各个部分的电压输出更精确，本发明电弧控制电路还加入了电压调节电路、电流调节电路40及比例放大电路30，对输出波形进行不断的修正，使得最后的输出电压可以满足焊机的要求。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。