一种高频逆变直流点焊电源装置及其应用的制作方法

专利名称：一种高频逆变直流点焊电源装置及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高频精密逆变电阻点焊电源装置，特别是涉及高频精密逆变直流电阻点 焊电源装置，适用于焊接技术领域。
背景技术：
近年来，在电子器件、医疗器械、传感器等产品的制造中，涉及大量小尺寸零件的电阻 点焊。尺寸微小使得焊接比较困难，主要问题包括焊接质量不稳定、容易导致零件熔毁、难 以形成正常熔合，焊接成品率低，有的零件甚至难以用一般的电阻点焊焊接。为解决微型零 件的电阻点焊问题，电阻点焊技术需向更加精密的方向发展。电阻焊的精密性包括电源的精 细调节、参数的精确控制和加压机构的精密稳定等多个方面，多技术集成构成精密电阻焊系 统。用于微型零件焊接的电源主要有单相交流电源、电容贮能电源和逆变电源。
单相工频交流点焊电源由开关装置、焊接变压器及次级焊接回路组成。调节周期较长， 对50Hz的电网，焊接时间调节分辨率为20ms，加热时间相对较长；由于电流过零的影响， 热效率低，用晶闸管调节电流，当电流百分比偏小时，过零时间长，影响更大；变压器损耗 大，焯机功率因素低，回路损耗大，设备较笨重。
电容贮能电源由输入整流装置，充电电容、充放电开关、焊接变压器及次级回路组成。 电容器向变压器放电，放电时间较长，电流峰值较小。因此电容贮能电源贮能电容器体积庞 大，电力部分复杂，焊机成本高；贮能电容器经常处于快速冲放电过程，介质损耗大，寿命 短；电容贮能电源将电容中储存的能量一次性释放给焊接回路，输出能量调节靠控制电容的 充电能量完成，通常有调节充电电压和电容容量两种方法，输出电流为脉冲电流，时间不能 通过电子控制来调节。逆变直流焊机为较平稳的直流，电流通过逆变脉宽调节，时间通过逆 变周期数调节，焊接能量可由电流和时间精确控制。然而，电容贮能电源需要合理的电容充 电过程(否则电容易损坏)，降低了生产速度；变压器实际工作在更低的频率，为防止饱和， 变压器铁心更大，损耗加大，电容充电回路也增加损耗；变压器铁心大，储能电容也占据相 当的空间，设备笨重。
次级整流点焊电源由开关装置、焊接变压器、次级整流组件及其它次级回路组成。次级 整流是通过整流器把变压器次级侧交流电整流，其核心是达容量的整流器。次级整流焊电源 也是直流输出，工艺性方面有直流的优势；从控制的角度，它仍然是基于工频频率的控制， 时间调节分辨率仍为20ms，当焊机为三相输入时，反馈控制响应速度可以比单相工频交流稍
高，但仍有限。焊接速度快，但变压器损耗大，焊机功率因素低，回路损耗大，设备较笨重。 中频交流点焊电源是将工频(50Hz)交流变换为中频(数百Hz)交流输出，时间分辨率比工
频提高，控制精度提高，但由于输出回路电感的影响，频率受到限制；输出电流受次级输出
回路变化影响大，热效率较低，输出功率较小(受频率影响)。变压器功耗较低，但回路电感
的无功损耗很大，不适合于回路大的场合。体积与重量小，成本低。
电阻焊逆变电源在八十年代末开始出现，在九十年代中期趋于成熟，受电阻焊特点(低
电压、大电流、短时间)的限制，最初的逆变频率为800—1000Hz，相对于工频被称为高频。
随着小尺寸零件点焊的需要，考虑到微型件点焊精密调节输出能量和快速响应速度的需要，
频率逐步提高，电阻焊逆变电源技术需要有进一步发展的必要。逆变频率的提高需要在变压
器设计、减小回路损耗上下功夫，它们直接影响产品的品质。
综上所述，当前的焊接电源装置存在着电源工作频率低；焊接控制精度低；焊接速度不
快；变压器体积，损耗大；电源输出效率低，成本较高等缺点。

发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种提出了一种高频精密逆变直流点 焊电源装置，其逆变频率可达25KHz。该电源装置电源输出效率高、运行成本低。' 本发明的目的通过如下技术方案实现
一种高频逆变直流点焊电源装置，包括将工频50Hz三相或单相交流电网电压转变成直 流电压的输入整流滤波装置，将输出部分与输入电网隔离的逆变器和把直流电压变换成高频 交流电压的高频变压器，将高频交流电压整流滤波得到直流电压的输出整流滤波装置，各装 置依次连接；该装置还包括产生25KHzPWM信号的控制装置，所述控制装置包括微处理器、 驱动电路组成；驱动电路包括功率放大电路和隔离电路，隔离电路为光电耦合隔离器，微处 理器与驱动电路连接，来自微处理器产生的四路PWM信号经光电耦合隔离器隔离后，输出四 路信号，分别经由三极管组成四个功率放大电路放大后，输出到逆变器的IGBT功率开关管的 门极，控制IGBT功率开关管的导通与关断。
所述高频变压器的铁芯为环形的铁基非晶材料制作。
应用所述电源装置进行高频逆变直流点焊的方法三相或单向交流电接通后，微处理系 统初始化后，接受用户通过键盘设定焊接参数值，然后判断焊接开关是否按下，若按下，则 进入点焊焊接循环，首先是通过上电极下压，给工件加压，然后是启动pwm子程序，控制IGBT 功率开关管开通关断，给工件通电；通电完成后维持设定时间，保证上电极继续加压；最后 电极上抬、完成一次焊接循环，再设置焊接参数后，进入下一点焊焊接循环。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果
1、 频率提高，高频变压器体积减小，节省材料，降低电源成本。根据式Kj=4.^/A^5w， 可知，在相同的功率输出下，随着频率/的提高，磁心有效面积^e就越小，变压器的体积就 越小，重量就越轻，节省了材料，降低了成本，现有技术的/只能1 4khz;本发明/达到25khz。 因此该装置具有焊接变压器型小量轻；
2、 频率提高，电源动态响应速度加快，动态响应性好，提高控制精度。
3、 控制精度提高了，能够输出低脉动率的直流焊接电流，提高电源的功率因。
总之，本发明具有高速精密控制、动态响应性好、输出低脉动率的直流焊接电流、功率 因数高、节能经济性好、成本较低等特点，可应用于微型零件的精密点焊和一些难焊金属的 点焊。


图1是本发明精密逆变点焊电源装置的结构框图； 图2是带有反馈电路精密逆变点焊电源装置结构框图； 图3是图1、 2中电源装置的主电路原理图； 图4是图1、 2中控制装置电路原理图； 图5是本发明微处理器应用软件组成结构示意框图； 图6是PWM信号产生流程框图； 图7是有限双极性控制程序框图； 图8是微处理器控制程序框图； 图9是驱动波形图。
具体实施例方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步地描述,但本发明要求 保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
参照图1,精密逆变点焊电源装置包括将工频50Hz三相交流电网电压转变成直流电压的 输入整流滤波装置1;把直流电压变换成高频交流电压，并且将输出部分与输入电网隔离的 逆变器2和高频变压器7;将高频变压器7输出的高频交流电压整流滤波得到需要的直流电 压，并防止高频噪声对负载的干扰的输出整流滤波装置3;上述装置依次连接，逆变点焊电 源装置还包括产生25KHz PWM信号，驱动功率开关管(IGBT)的控制装置4。控制装置4 与逆变器2连接。输入整流滤波装置1接受单向或者三相交流电6的输入，输出整流滤波装 置3与负载5连接。
如图2所示，精密逆变点焊电源装置还包括电流电压反馈装置，即在整流滤波装置3的 输出端设有电流传感器8，电流传感器与控制装置4连接；在整流滤波装置3的输出端设有 电压传感器9，电压传感器与与控制装置4连接，实现闭环控制方式。电流传感器8 (CHV 系列)和电压传感器9采用(CHB系列)霍尔传感器。在闭环控制中，采用电流电压传感器 检测电路中的电流电压值，将他们和预先设定的值进行比较，从而调整PWM信号，使电源 按照需要输出合适的电流电压。
图3示出了本发明逆变点焊电源装置的主电路原理图。主电路主要由三相滤波整流电路、 逆变电路、高频变压和次级整流组成。如图3所示，输入整流滤波装置1包含整流单元和滤 波单元，整流单元由六个整流二极管，采用三相半桥式电路，而滤波单元为RC滤波电路。输 入整流滤波装置1将交流380V整流滤波后成低纹波的直流电压。逆变器2由四个绝缘栅双 极型晶体管(IGBT)采用全桥式电路连接组成，每个IGBT具有与CPU的PWM信号输出引 脚相连接的控制端子，其中，IGBT1和IGBT2组成超前桥臂，IGBT3和IGBT4组成滞后桥臂。 输出整流滤波装置3由两个整流二极管VD1、 VD2和RC滤波电路组成。输出整流滤波采用 全波中心抽头式全波整流电路。根据输出电流大小，输出整流二极管可采用二极管组代替， 每组二极管由若干二极管并联组成。具体连接方式为IGBT1的源极S与IGBT4的源极S相 连，再连接到输入整流滤波装置1输出的直流电的正极；IGBT1的漏极D与IGBT2的源极S 相连，IGBT4的漏极D与IGBT3的源极S相连，IGBT2的漏极D与IGBT4的漏极相连并接地， IGBT1和IGBT4的漏极D引线到高频变压器两端。在IGBT1和IGBT3导通，IGBT2、 IGBT4关 断时，原边电流由电源正极经IGBT1、谐振电感L。变压器原边绕组以及IGBT3，最后回到电 源负极。负边电流则由负边绕组的正端，经整流管DV1与负载，回到负边绕组负端。在IGBT2 和IGBT4导通，IGBT1、 IGBT3关断时，原边电流由电源正极经IGBT4、变压器原边绕组，谐 振电感L以及IGBT2，最后回到电源负极。负边电流则由负边绕组的正端，经整流管DV2与 负载，回到负边绕组负端。
本发明的逆变频率高达25KHz，高频变压器7的铁芯材料采用环形的铁基非晶材料作为 变压器的铁芯。铁基非晶合金铁芯具有高饱和磁感应强度、低矫顽力、低损耗(相当于硅钢片 的1/3-1/5)、低激磁电流和良好的温度稳定性。
如图4所示，控制装置4由微处理器39 (CPU)、驱动电路50，输入输出装置51及电流 电压检测装置52组成。微处理器39与驱动电路50连接，驱动电路50包括功率放大电路54 和隔离电路53，功率放大电路54选用三极管放大电路，隔离电路53选用TLP521型的光电 耦合隔离器，来自微处理器39产生的四路PWM信号经光电耦合隔离器53隔离后，输出四路 信号，分别经由三极管组成四个功率放大电路54放大后，输出到IGBT功率开关管的门极， 控制IGBT功率开关管的导通关断。微处理器39与输入、输出装置51连接，输入装置包括键 盘，以及所需的接口电路，用来在焊接时预置焊接时间、电流大小、采样周期等参数；输出
装置包括LED， LCD等，它显示用户输入的设定值或指定值，还显示通过设备表现(输出) 出来的监视数据、报警等。微处理器39与电流电压检测装置52连接，电流电压检测装置包 括电流电压霍尔传感器，A/D转换模块，将电流电压传感器检测输出电流电压值，将测量值 反馈到CPU，与设定值进行比较，来调整PWM信号输出，实现精密控制。微处理器39以 microchip公司的dsPIC30F6010芯片作为中心控制单元，主要负责接受操作命令，如接受脚 踏开关信号等；接受预定值，如各循环所需的周波数以及预热、焊接、后热三循环中电流的 大小等；采集信号，包括初级焊接电流、次级焊接电压、网压等信号；以及按一定的时序发 出的控制信号，如电极抬起、下压信号，PWM信号，报警信号等。
图5是本发明微处理器应用软件组成结构示意框图；软件系统实现以卞三方面的功能 其一是实现点焊焊接循环过程；其二是在网压波动、分流及电极端头磨损情况下智能给予焊 接电流一定的补偿，以保证焊接质量；其三是有效检测焊接过程中出现的各种异常情况。为 了实现上述三方面的功能，如图5所示，本发明控制系统软件包括9个功能模块，分别是数 据设定模块37、数据存储模块35、 LCD驱动模块38、键盘程序模块30、 PWM信号模块36、 A/D采样模块39、报警程序模块34、启动程序模块31和检测显示模块33。各模块分别与微 处理器39信号连接。LCD驱动模块38、键盘程序模块30实现实现人机交互和参数的输入功 能；由于电阻点焊的焊接参数是要预先设定的，而不同的材料，它的焊接参数也不同，因此 系统必须要有存取数据的功能，数据存储模块35实现该功能。要实现精密、稳定的控制，系 统需要闭环控制，要有一个采集信号作为反馈信号的功能，A/D采样模块32实现该功能； 如果所接电流过大、网压过欠压等故障，系统设置了报警程序模块34。当发生上述故障时， 系统通过LCD显示报警并使焊机处于停机状态，避免焊接继续工作，以保证焊接的质量，检 测显示模块33实现该功能。数据设定模块37根据不同的焊接材料设定相应的焊接参数，该 参数主要包括电流、电压、焊接时间。启动程序模块31实现开机启动和初始化功能。
PWM信号模块36产生PWM信号，产生的PWM信号经驱动电路转换成能驱动功率开关管的 驱动信号。如图6所示，PWM信号通过如下方式产生
首先，进行Pwm一count (Pwm计数器)初始化，使计数器的初值为0，即令Pwm_count=0 (步骤21);设置输出PWM信号的占空比(步骤22)，再开启定时器中断，使定时器完成计时 后能够进入中断处理程序，然后幵定时器，使定时器工作，产生中断信号，进入中断子程序， 通过定时器的计时和中断，进入移相有限双极性控制，产生PWM信号(步骤23 25)，通过 反馈的电流电压信号与设定的参数比较进行闭环控制(步骤26),判断Pwm_COunt是否大于 等于设定值，从而都确定控制间隔时间，如为否，继续让Pwmjount加1，返回控制子程序 (步骤27)。如是，则结束(步骤28)。
图7是移相有限双极性控制流程图如图7所示，中断服务器程序开始后(步骤40)， 进行清中断标志位，将中断标志位清零，关闭中断服务(步骤41);随后运行前后桥臂导通 选择(步骤42):选择开通或关断逆变器2的超前桥臂和滞后桥臂；如选择超前桥臂，选择 开通关断控制超前桥臂IGBT (IGBT1或IGBT2)(步骤43);如选择滞后桥臂，选择开通关 断控制滞后桥臂IGBT (IGBT3或IGBT4)(步骤44);计数器加1，无论选择超前桥臂还是 滞后桥臂，随后让PWMjount计数器数值加1 (步骤45);设置输出PWM信号的端口 ，以确 定控制超桥臂或者滞后桥臂中具体的IGBT功率开关管(步骤46);再开定时器，让定吋器开 始计时(步骤47);由微处理器4控制定时器开通和中断产生PWM信号，从选定端口输出(步 骤48);中断返回，返回PWM子程序(步骤49)。在本发明中，采用的是移相有限双极性控制 方式，驱动波形如图9所示，在一个开关周期的前半周，使得IGBT1导通时间Ton,该时间 可预先设定，同时使IGBT3在整个前半周期T/2处于一直导通状态；后半周其使得IGBT2导 通时间Ton，同时使IGBT4在整个后半周期T/2处于一直导通状态，同时控制超前桥臂IGBT1 和IGBT2的开启时间，实现IGBT的零电压开通和关断，降低逆变器2中IGBT功率开关管的 开关损耗(能耗的降低)，提高电源的输出效率。
本发明微处理器4整体控制程序框图如图8所示，三相或单向交流电接通后，微处理4 系统初始化(步骤IO)，再进入空载调整，接受用户通过键盘设定焊接参数值(步骤ll)，然 后判断焊接开关是否按下，若按下，则进入点焊焊接循环。首先是通过上电极下压(步骤12)， 给工件加压，然后是启动pwm子程序，控制IGBT功率开关管开通关断，给工件通电(步骤 13);通电完成后维持设定时间，保证上电极继续加压(步骤14);最后电极上抬、关指示灯， 一次焊接循环完成(步骤15)。焊接完成后再次进入空载调整阶段重复上述过程。
本发明380V交流电经输入整流滤波后成低纹波的直流电压，然后提供给由逆变器2，由 控制装置4提供驱动波形控制逆变器2， IGBT,、 IGBT3和IGBT2、 IGBT4l交替导通，再经高 频变压器7后，在高频变压器7的次级得到交变的电压；然后再由输出整流滤波装置3整流 成直流电，提供给负载5使用。霍尔传感器采样输出电流电压信号后，提供给控制电路进行 放大、比较后，控制逆变器2中IGBT的驱动波形，从而控制IGBT的开关工作。其中与IGBT、 输出整流二极管并联的电阻和电容起阻容吸收作用。图2中，闭环控制装置的工作过程为 启动焊机采用软启动方式，即先给滤波电容限流充电数秒，然后再屏蔽限流电路。在预压阶 段，微控制器4发出加压信号通过电磁气阀执行电路使电极执行下压动作。在通电阶段，微 控制器4发出25KHz PWM信号给驱动电路，经驱动电路隔离放大后驱动IGBT,从而导通主回 路产生焊接电流。同时，微控制器4通过A/D通道采集电流和电压值，此电流值和电压值是 经过采样电路离散积分方法获取的有效值。这两个参数作为模糊控制的输入参量，得出控制
调节量后进行调整PWM的占空比，从而控制焊接的电流。
本发明整个回路的通断取决于逆变电路的PWM驱动信号。当逆变电路中的IGBT有驱动信 号时，回路中就有电流通过，反之则无电流。回路电流大小的调节可以通过PWM信号的占空 比来实现，改变PWM信号的占空比即可改变回路的电流大小。同样，通过调节PWM信号的输 出时间就可以实现对焊接时间间接控制的目的。
以上所述仅为本发明较佳的可行实施例，并非因此限定本发明的保护范围，故凡应用本 发明说明书或附图内容所进行的等效结构变化，均包含于本发明保护范围内。
权利要求
1、一种高频逆变直流点焊电源装置，包括将工频50Hz三相或单相交流电网电压转变成直流电压的输入整流滤波装置(1)，将输出部分与输入电网隔离的逆变器(2)和把直流电压变换成高频交流电压的高频变压器(7)，将高频交流电压整流滤波得到直流电压的输出整流滤波装置()3，各装置依次连接；其特征在于该装置还包括产生25KHz PWM信号的控制装置(4)，所述控制装置(4)包括微处理器(39)、驱动电路(50)组成；驱动电路(50)包括功率放大电路和隔离电路，隔离电路为光电耦合隔离器，微处理器(39)与驱动电路(50)连接，来自微处理器(39)产生的四路PWM信号经光电耦合隔离器(53)隔离后，输出四路信号，分别经由三极管组成四个功率放大电路(54)放大后，输出到逆变器(2)的IGBT功率开关管的门极，控制IGBT功率开关管的导通与关断。
2、 根据权利要求1所述的一种高频逆变直流点焊电源装置，其特征在于所述高频变压器 7的铁芯为环形的铁基非晶材料制作。
3、 应用权利要求1所述电源装置进行高频逆变直流点焊的方法，其特征在于三相或单 向交流电接通后，微处理器系统初始化后，接受用户通过键盘设定焊接参数值，然后判断焊 接开关是否按下，若按下，则进入点焊焊接循环，首先是通过上电极下压，给工件加压，然 后是启动pwm子程序，控制IGBT功率开关管开通关断，给工件通电；通电完成后维持设定时 间，保证上电极继续加压；最后电极上抬、完成--次焊接循环，再设置焊接参数后，进入下 一点焊焊接循环。
全文摘要
本发明公开了一种高频逆变直流点焊电源装置及其应用。该装置包括输入整流滤波装置、逆变器、高频变压器，输出整流滤波装置，各装置依次连接，还包括产生25KHz PWM信号的控制装置，控制装置包括微处理器、驱动电路组成；微处理器与驱动电路连接，来自微处理器产生的四路PWM信号经光电耦合隔离器隔离后，输出四路信号，分别经由三极管组成四个功率放大电路放大后，输出到逆变器的IGBT功率开关管的门极，控制IGBT功率开关管的导通与关断。本发明具有高速精密控制、动态响应性好、输出低脉动率的直流焊接电流、功率因数高、节能经济性好、成本较低等特点，可应用于微型零件的精密点焊和一些难焊金属的点焊。
文档编号H02M7/04GK101104219SQ20071002863
公开日2008年1月16日 申请日期2007年6月18日 优先权日2007年6月18日
发明者彪 曹, 敏 曾, 黄增好 申请人:华南理工大学