专利名称：全数字控制式逆变电焊机的电路架构的制作方法
技术领域：
本发明涉及电焊机的控制系统，尤其涉及一种全数字控制式逆变电焊机的电路架构。
背景技术：
逆变式电焊机的基本电路结构如图1所示。传统的电焊机采用模拟控制系统，其控制电路主要由分立元件和集成运放构成。这样的系统硬件架构较为复杂，且模拟元件的电参数会随着环境温度的变化而产生漂移，影响控制系统的性能。因此，模拟控制系统的稳定性不是很好；此外，由于各元件功能单一，模拟控制系统的控制功能有限，特别是无法实现较为复杂的焊接电流波形。这样，无论对焊接质量，还是飞溅控制，都不能达到较好的效果O随着电力电子技术的发展，出现了数字电焊机，其控制系统采用全数字模式或部分数字模式。数字电焊机克服了模拟电焊机的缺点，不仅硬件结构简单，而且可以对焊接工艺过程实现更为精确的控制，提高了焊接质量，减少了飞溅。目前国内外主要电焊机厂家的数字焊机产品均采用图2的控制电路结构。图2的控制电路结构与传统的模拟电焊机相比，硬件结构简单，参数一致性强，并可以提高焊接质量，减少飞溅。但其核心运算器件DSP对多个运算是顺序执行，而为了更加精确地对焊接过程进行实时控制，需要同时进行多个运算(至少输出电压控制PWM与焊丝送料伺服电机控制要同时进行)，这就需要增加DSP的数量；而且DSP只是一个运算器件，整体控制还需要周边器件(CPLD或FPGA)来配合。实际上，DSP的优势在于连续的复杂乘法运算，而对于所用乘法运算并不复杂的比例积分运算，DSP与FPGA相比，并没有优势。如果多个DSP与周边器件的功能可以用一个FPGA来替代，图2的电路结构将进一步简化，性价比也将提闻。
发明内容
本发明提供一种结构简单，性价比高，可实现更为精细控制，从而提高焊接质量，减少飞溅的全数字式逆变电焊机的控制电路架构。本发明的核心器件为一个带有A/D转换功能的单片机和一个容量不小于I万个LE (逻辑单元)的FPGA(现场可编程逻辑门阵列)。单片机的主要作用为a、通过总线将焊机输出端采样反馈的电流和电压数据(模拟量)，及焊机内部传感器测得的有关温度数据(模拟量)输入到其具有A/D转换模块的I/O 口，并进行A/D转换，转换后的数字数据再通过另一 I/O 口输出，送给FPGA的I/O引脚；b、通过其串行通信接口协调控制电路与生产线自动控制系统之间的通信；C、通过其I/O 口输出数据到接口电路，实现参数(如设定的电压、电流等)显示电路(一般用LED或液晶)的控制。FPGA的主要作用为a、其I/O引脚接收单片机I/O 口输出的已经进行了 A/D转换的数据，对其进行数字滤波运算；b、对滤波后的采样数据进行比例积分运算，目的是最终控制焊接用直流电压的大小；c、其I/O 口接收用户输入的预设定焊接实时工艺参数，用于控制焊接过程中的输出电流；d、根据有关设定值及b的运算结果，产生激励全桥IGBT模块的PWM信号，并通过其I/O 口输出，IGBT模块在其激励下产生的高压PWM脉冲作为变压器初级输入，变压器次级感应的PWM脉冲整流后作为电焊机的电压输出；e、用FPGA内部SRAM预存储焊接工艺所要求的基本电流波形；f、根据C的输入参数值和E所预存储的相关电流波形，进行相关运算，结果通过其I/O 口输出，用于在焊接过程中实时调整焊丝送料长度和速度，从而达到焊接工艺所要求电流波形；g、根据预设定的参数，通过有关运算，产生短路、过流、过压、过热等保护电路控制信号，通过其I/O口输出。FPGA接收的用户设置参数为(I)、焊丝到接触被焊接物的焊丝速度；(2)、开始电流的峰值电流；(3)、开始电流的峰值时间；(4)、产生电弧时电流的下降时间；(5)、短路时电流上升时间；(6)、电弧时电流下降时间；(7)、大电流时焊接丝的送线量；(8)、次电流时焊接丝的送线量。通过这些参数的设置，可以针对具体的焊接对象和焊丝规格，来调整相关的焊接工艺。本发明的优点在于FPGA和单片机的软件与硬件相配合，来共同完成对焊接工艺的实时控制。因FPGA中有SRAM作为内置存储器，可以用来存储预置的焊接电流的基本波形，焊接的实时控制过程中可以调用相关的基本波形并通过运算进行扩展，作为焊丝送料伺服电机控制系统的控制输入。由于存储波形每个采样点的值都参与焊接电流控制，与经典电路的仅关键值(如峰值电流、持续时间等)参与控制相比，控制更为精细。
图1为逆变式电焊机的通用基本电路结构；图2为目前通用的逆变式电焊机数字控制电路结构；图3为本发明的逆变式电焊机控制电路结构；图4为本发明的逆变式电焊机控制电路的单片机的软件架构；图5为本发明的逆变式电焊机控制电路的FPGA的软件架构。
具体实施例方式以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明本发明基于图1所示的逆变式电焊机的基本电路结构，电源为采用IGBT模块的PWM控制方式。电源的主回路可以为单相或三相交流输入，经过整流桥模块整流后，采用移相全桥电路，实现PWM，并经变压器变压实现逆变。变压器采用非晶合金变压器，可以有效减小电焊机的体积。变压器的次级经过整流，输出直流电压。在焊机输出端，通过弧压传感器则对输出电压、电流进行采样。采样的电压和电流值进入反馈控制及保护电路。焊丝送料采用伺服电机系统。本发明是基于图3所示的以FPGA为核心运算器件的全数字电路，对电源的电压输出进行闭环比例积分控制；对焊丝送料伺服电机控制系统输送电流波形的相关参数(焊接电流的大小由焊丝的送线量来决定)。伺服电机的闭环控制由其本身的控制系统来实现，电焊机的控制电路则为它实时提供有关的参数。FPGA还通过监控采样的电流和电压及温度来对电路保护系统发出保护信号。FPGA所输入的参数都是焊接工艺的关键参数，影响到焊接的质量和飞溅的大小，均由用户通过有关终端输入，FPGA接收到的是数字参数。FPGA的内置SRAM预存储焊接时要求的电流基本波形。存储单元的地址增长与时间的增长相对应，每个存储单元所存储的是波形在其地址所对应时间点的采样值。对存储的波形参数进行实时运算，其结果就可以对焊丝送料伺服电机控制系统实时输送有关控制参数，使其在相应的各时间点实时输出要求的理想电流值，从而达到对焊接工艺过程中电流的实时精确控制。FPGA控制的效果，取决于它的软件。单片机和FPGA均有其软件，软件是控制系统的核心，硬件是软件的载体，软件通过硬件来实现。可见，这种全数字控制式逆变电焊机实际上是一种程序控制式电焊机，它与模拟控制式电焊机有着本质的区别。本发明控制系统的实质是用软件进行程序控制，单片机和FPGA是控制软件的载体。单片机软件的架构如图4所示；FPGA软件的架构如图5所示。本发明的核心器件为一个带有A/D转换功能的单片机，如PIC18F458，和一个容量不小于I万个LE (逻辑单元)的FPGA (现场可编程逻辑门阵列)，如ALTERA公司的CycloneII系列的EP2C20。单片机的主要作用为a、通过总线将焊机输出端采样反馈的电流和电压数据(模拟量)，及焊机内部传感器测得的有关温度数据(模拟量)输入到其具有A/D转换模块的I/O 口，并进行A/D转换，转换后的数字数据再通过另一 I/O 口输出，送给FPGA的I/O引脚山、通过其串行通信接口协调控制电路与生产线自动控制系统之间的通信；c、通过其I/O 口输出数据到接口电路，实现参数(如设定的电压、电流等)显示电路(一般用LED或液晶)的控制。FPGA的主要作用为a、其I/O引脚接收单片机I/O 口输出的已经进行了 A/D转换的数据，对其进行数字滤波运算山、对滤波后的采样数据进行比例积分运算，目的是最终控制焊接用直流电压的大小；c、其I/O 口接收用户输入的预设定焊接实时工艺参数，用于控制焊接过程中的输出电流；d、根据有关设定值及b的运算结果，产生激励全桥IGBT模块的PWM信号，并通过其I/O 口输出，IGBT模块在其激励下产生的高压PWM脉冲作为变压器初级输入，变压器次级感应的PWM脉冲整流后作为电焊机的电压输出；e、用FPGA内部SRAM预存储焊接工艺所要求的基本电流波形；f、根据C的输入参数值和E所预存储的相关电流波形，进行相关运算，结果通过其I/O 口输出，用于在焊接过程中实时调整焊丝送料长度和速度，从而达到焊接工艺所要求电流波形；g、根据预设定的参数，通过有关运算，产生短路、过流、过压、过热等保护电路控制信号，通过其I/O 口输出。FPGA接收的用户设置参数为(I)、焊丝到接触被焊接物的焊丝速度；(2)、开始电流的峰值电流；(3)、开始电流的峰值时间；(4)、产生电弧时电流的下降时间；(5)、短路时电流上升时间；(6)、电弧时电流下降时间；(7)、大电流时焊接丝的送线量；(8)、次电流时焊接丝的送线量。通过这些参数的设置，可以针对具体的焊接对象和焊丝规格，来调整相关的焊接工艺。
权利要求
1.一种全数字控制式逆变电焊机的电路架构，包括有一个带有A/D转换功能的单片机和一个容量不小于I万个LE的FPGA，其特征在于通过单片机来实现: a.通过总线将焊机输出端采样反馈的电流和电压数据及焊机内部传感器测得的有关温度数据输入到其具有A/D转换模块的I/O 口，并进行A/D转换，转换后的数字数据再通过另一 I/O 口输出，送给FPGA的I/O引脚; b.通过其串行通信接口协调控制电路与生产线自动控制系统之间的通信； c.通过其I/O口输出数据到接口电路，实现参数、显示电路的控制；通过FPGA来实现: a.其I/O引脚接收单片机I/O口输出的已经进行了 A/D转换的数据，对其进行数字滤波运算； b.对滤波后的采样数据进行比例积分运算，目的是最终控制焊接用直流电压的大小； c.其I/O引脚接收用户输入的预设定焊接实时工艺参数，用于控制焊接过程中的输出电流；d.根据有关设定值及b的运算结果，产生激励全桥IGBT模块的PWM信号，并通过其I/O引脚输出，IGBT模块在其激励下产生的高压PWM脉冲作为变压器初级输入，变压器次级感应的PWM脉冲整流后为电焊机的电压输出； e.用FPGA内部SRAM预存储焊接工艺要求的基本电流波形； f.根据c的输入参数值和e所预存储的相关电流波形，进行相关运算，将结果通过其I/O 口输出，用于在焊接过程中实时调整焊丝送料长度和速度，从而达到焊接工艺所要求的电流波形； g.根据预设定的参数，通过有关运算，产生短路、过流、过压、过热及其它保护电路控制信号，通过其I/O 口输出。
2.根据权利要求1所述的全数字控制式逆变电焊机的电路架构，其特征在于所述的FPGA的c过程中其I/O引脚接收用户输入的预设定各项焊工艺参数设置包括(I)、焊丝到接触被焊接物的焊丝速度；(2)、开始电流的峰值电流；(3)、开始电流的峰值时间；(4)、产生电弧电流的下降时间；(5)、短路时电流上升时间接；(6)、电弧时电流下降时间接；(7)、大电流时焊接丝的送线量；(8)、次电流时焊接丝的送线量。
3.根据权利要求1所述的全数字控制式逆变电焊机的电路架构，其特征在于在FPGA的SRAM中预存储基本电流波形。
4.根据权利要求1所述的全数字控制式逆变电焊机的电路架构，其特征在于由单片机对采样值进行A/D转换，由FPGA完成相关运算。
全文摘要
本发明涉及一种逆变电焊机的全数字控制架构，本发明采用一个带有A/D转换功能的单片机作为主控制器件及采用一个FPGA作为核心运算器件，可以进行并行运算，同时可以进行其他逻辑控制。本发明的优点是与以DSP为核心运算器件的电焊机数字控制相比，省去了周边器件及可能用到的多片联用，简化了电路结构，节省了成本，也提高了对电焊机焊接工艺控制的精确度，可进一步提高焊接质量，减少飞溅。
文档编号B23K9/095GK103071893SQ20111034674
公开日2013年5月1日 申请日期2011年10月26日 优先权日2011年10月26日
发明者尤剑鸣, 章宏, 康选林 申请人:咸阳华清设备科技有限公司