一种可输出多外特性的数字化水下焊接电源及其工作方法

1.本发明涉及焊接技术领域，更具体地说，涉及一种可输出多外特性的数字化水下焊接电源及其工作方法。


背景技术：

2.水下焊接的环境相对于陆地更为苛刻，因此对焊接电源的要求也更高。由于在水中进行引弧和焊接，即使焊条中添加了大量造气剂和稳弧剂，引弧仍然比较困难，因此在引弧阶段需要较高的焊接电流，且电源输出需保持恒流外特性。水下焊接过程中，由于水的压力和气泡的生长
‑
破裂对电弧稳定性有影响，因此焊接电源在焊接阶段需要保持恒功率外特性，以此保证焊接过程稳定。
3.目前水下焊接采用普通的陆上焊接电源，其外特性单一，控制系统由模拟器件构成，无法通过软件算法实现对电源输出外特性的实时变换控制，不能根据实际需要灵活变换。此外，对于现有的焊接电源外特性的控制，其反馈系统多采用模拟器件进行控制，在水下焊接时，根据不同的水下工作环境(温度、湿度、深度等)，其性能会随之改变，响应速度较慢，精度较低，且模拟器件会随着时间推移而老化。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明的第一目的在于提供一种可输出多外特性的数字化水下焊接电源，解决了传统水下焊接电源输出外特性单一的问题。
5.本发明的第二目的在于提供一种可输出多外特性的数字化水下焊接电源的工作方法。
6.本发明的第一目的通过以下技术方案实现：一种可输出多外特性的数字化水下焊接电源，包括：emc模块、输入整流桥模块、逆变模块、降压变压器模块、输出整流滤波模块、电流电压反馈模块、arm微控制器模块、pac模块、驱动模块和辅助电源模块；
7.emc模块、输入整流桥模块、逆变模块、降压变压器模块和输出整流滤波模块依次连接并作为焊接电源主电路的前向通路，输出整流滤波模块的输出端连接至负载；emc模块的输入端接入电网侧交流电，整流桥模块用于将经过emc模块的电网侧交流电整流成高压直流电，逆变模块用于将高压直流电转变为方波交流电，降压变压器用于对方波交流电进行降压，输出整流滤波模块用于将降压后的方波交流电转换成低压直流电，并传输给负载；
8.输出整流滤波模块的输出端还连接至电流电压反馈模块的输入端，电流电压反馈模块的输出端、arm微控制器模块、pac模块和驱动模块依次连接，驱动模块的输出端连接逆变模块；电流电压反馈模块用于采集负载的电流和电压并反馈给arm微控制器模块；arm微控制器模块用于根据负载的电流和电压，生成实现不同外特性输出的pwm脉冲波；pac模块用于根据实现不同外特性输出的pwm脉冲波，生成相应的电压信号给驱动模块；驱动模块用于根据pac模块发送的电压信号生成相应的pwm脉冲并发送给逆变模块；
9.emc模块的输出端连接辅助电源模块，辅助电源模块连接输入整流桥模块、逆变模
块、降压变压器模块、输出整流滤波模块、电流电压反馈模块、arm微控制器模块、pac模块和驱动模块，并为这些模块供电。
10.优选的，arm微控制器将负载的电流和电压值与设定值进行比较，获得偏差后运行外特性闭环程序控制算法，从而得到实现不同外特性输出的pwm脉冲波，其中，外特性输出包括恒流外特性输出、恒压外特性输出以及恒功率外特性输出，实现不同外特性输出的pwm脉冲波的占空比不同；外特性闭环程序控制算法包括恒流pi算法、恒压pi算法以及恒功率pi算法。
11.优选的，arm微控制器模块生成0～100％占空比可调的pwm脉冲波，pac模块对应输出0～10v的电压信号，驱动模块对应输出0～50％占空比可调的pwm脉冲波。
12.更进一步的，逆变模块具有两对igbt桥式开关，驱动模块输出0～50％占空比可调的pwm脉冲波，并分别发送给对应的igbt开关管，数字化水下焊接电源输出的电压和电流由igbt开关管的pwm占空比决定。
13.优选的，pac模块包括光耦和pac芯片，光耦通过其内部的发光二极管与arm微控制器模块相连接，光耦通过其内部的光探测器与pac芯片相连接，pac芯片连接驱动模块。
14.优选的，辅助电源模块包括变压器和稳压芯片，变压器的输入端连接emc模块，变压器的输出端连接稳压芯片，稳压芯片再与输入整流桥模块、逆变模块、降压变压器模块、输出整流滤波模块、电流电压反馈模块、arm微控制器模块、pac模块和驱动模块相连接。
15.本发明的第二目的通过以下技术方案实现：一种本发明第一目的所述的可输出多外特性的数字化水下焊接电源的工作方法，包括如下步骤：
16.s1、将焊枪接入输出整流滤波模块的输出端，emc模块接入电网侧交流电，数字化水下焊接电源上电后，辅助电源模块为其他模块供电；
17.s2、arm微控制器模块先进行初始化，然后不断循环判断焊枪开关是否闭合，如果焊枪开关未闭合，则继续循环检测焊枪开关状态；如果焊枪开关闭合，则进入步骤s3；
18.s3、焊枪开关闭合后，arm微控制器模块开始执行引弧控制，使输出整流滤波模块开始恒流外特性输出；
19.随后，arm微控制器模块将电流电压反馈模块采集的负载电流作为电流采样反馈值，根据电流采样反馈值和给定值计算pwm输出占空比大小，随后判断是否引弧成功，引弧成功的标准为电源输出400a以上电流持续时间长达5s，如若电源不能够连续输出400a电流5s，则表示引弧失败；如果未引弧成功，则继续执行引弧控制；如果引弧成功，则进入步骤s4；
20.s4、引弧成功后，arm微控制器模块通过电流电压反馈模块实时检测焊接工况，并选择一个适合当前焊接工况的外特性模式输出，如果选择恒流外特性输出，arm微控制器模块则进行恒流输出控制；如果选择恒压外特性输出，arm微控制器模块则进行恒压输出控制；如果选择恒功率外特性输出，arm微控制器模块则进行恒功率输出控制；
21.s5、arm微控制器模块执行恒流、恒压或者恒功率输出控制之后，实时判断焊枪开关状态，如果焊枪开关继续闭合，则返回步骤s4继续检测焊接工况，判断选择哪种外特性输出；如果焊枪开关断开，则执行收弧控制，使输出整流滤波模块恒压外特性输出；
22.随后，arm微控制器模块判断收弧完成与否，如果收弧完成，则关闭输出整流滤波模块的电流和电压输出；如果未完成收弧，则继续执行收弧控制。
23.优选的，其特征在于，在步骤s3中，arm微控制器模块调用恒流pi算法子程序来执行引弧控制，使输出整流滤波模块开始恒流外特性输出；
24.在步骤s4中，如果选择恒流外特性输出，arm微控制器模块调用恒流pi算法子程序并进行恒流输出控制；
25.arm微控制器模块调用恒流pi算法子程序进行恒流输出控制的过程如下：
26.首先读取电流采样反馈值并赋值给变量i
f
，然后计算反馈值与给定值i
g
之间的偏差并放大一定倍数，得到放大后的偏差e
c
；
27.随后利用偏差e
c
进行pi运算，获得占空比u＝k
p
*e
c
+r
c
，k
p
为arm微控制器模块设定的比例系数，r
c
为arm微控制器模块计算出的积分补偿量；为了防止计算占空比u溢出，将u与最小占空比u
min
和最大占空比u
max
进行比较：
28.如果u<＝u
min
，则取电压u
c
为最小占空比对应值u
min
，否则执行下一步，判断u>＝u
max
是否成立；如果u>＝u
max
成立，则取u
c
为最大占空比对应值u
max
，将其限制在u
max
以下，以防止逆变模块内的开关管直通；如果u>＝u
max
不成立，则执行u
c
＝u；
29.然后更新下一次计算占空比所用的积分补偿量r
c
，接着按照原来放大倍数，将u
c
进行缩小来复原计算结果，从而得到电压实际值，再将电压实际值赋值给比较寄存器，用于更新pwm占空比。
30.优选的，在步骤s4中，如果选择恒压外特性输出，arm微控制器模块调用恒压pi算法子程序并进行恒压输出控制；
31.在步骤s5中，arm微控制器模块调用恒压pi算法子程序来执行收弧控制，使输出整流滤波模块恒压外特性输出；
32.arm微控制器模块调用恒压pi算法子程序进行恒压输出控制的过程如下：
33.首先读取电压采样反馈值并赋值给变量u
f
，然后计算反馈值与给定值u
g
之间的偏差并放大一定倍数，得到放大后的偏差e
v
；
34.随后利用偏差e
v
进行pi运算，获得占空比u＝k
p
*e
v
+r
v
，k
p
为arm微控制器模块设定的比例系数，r
v
为arm微控制器模块计算出的积分补偿量；为了防止计算占空比u溢出，将u与最小占空比u
min
和最大占空比u
max
进行比较：
35.如果u<＝u
min
，则取电压u
v
为最小占空比对应值u
min
，否则执行下一步，判断u>＝u
max
是否成立；如果u>＝u
max
成立，则取u
v
为最大占空比对应值u
max
，将其限制在u
max
以下，以防止逆变模块内的开关管直通；如果u>＝u
max
不成立，则执行u
v
＝u；
36.然后更新下一次计算占空比所用的积分补偿量r
v
，接着按照原来放大倍数，将u
v
进行缩小来复原计算结果，从而得到电压实际值，再将电压实际值赋值给比较寄存器，用于更新pwm占空比。
37.优选的，在步骤s4中，如果选择恒功率外特性输出，arm微控制器模块调用恒功率pi算法子程序并进行恒功率输出控制；
38.arm微控制器模块调用恒功率pi算法子程序进行恒功率输出控制的过程如下：
39.首先读取电流采样反馈值和电压采样反馈值并分别赋值给变量i
f
和u
f
，判断u
f
与常量u
d
的大小，如果u
f
>u
d
成立，则根据恒功率公式计算电压给定值，在保持输出功率恒定的情况下执行恒压外特性输出；
40.如果u
f
>u
d
不成立，则根据恒功率公式计算电流给定值，在保持输出功率恒定的情
况下执行恒流外特性输出。
41.与现有技术相比，本发明的具有如下优点与有益效果：
42.(1)与传统的焊接电源相比，本发明数字化水下焊接电源设计了以arm为控制核心的反馈控制系统，通过软件编程的方式，实现不同工况下焊接电源不同外特性的输出，包括恒流外特性、恒压外特性及恒功率外特性，具有控制灵活、响应速度和调节精度高的优点。
43.(2)本发明数字化水下焊接电源采用单一arm微控制器代替复杂的模拟控制，简化了控制系统结构，可以有效减小焊接电源的体积。软件编程灵活性更高，可以增加焊接电源的多功能性。
附图说明
44.图1是本发明数字化水下焊接电源的原理图。
45.图2是图1焊接电源的整体拓扑结构电路图。
46.图3是pac模块的电路图。
47.图4是图1焊接电源的恒流引弧外特性曲线图。
48.图5是图1焊接电源的恒功率焊接外特性曲线图。
49.图6是图1焊接电源的恒压收弧外特性曲线图。
50.图7是图1焊接电源的工作方法的流程图。
51.图8是恒流pi算法子程序的控制流程图。
52.图9是恒压pi算法子程序的控制流程图。
53.图10是恒功率pi算法子程序的控制流程图。
具体实施方式
54.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。
55.实施例
56.本实施例公开了一种可输出多外特性的数字化水下焊接电源，外特性输出具体包括恒流外特性输出、恒压外特性输出以及恒功率外特性输出。如图1所示，该焊接电源包括emc模块10、输入整流桥模块20、逆变模块30、降压变压器模块40、输出整流滤波模块50、电流电压反馈模块60、arm微控制器模块70、pac模块80、驱动模块90、辅助电源模块100。
57.emc模块、输入整流桥模块、逆变模块、降压变压器模块和输出整流滤波模块依次连接并作为焊接电源主电路的前向通路，输出整流滤波模块连接至负载。
58.电网侧220v的交流电接入emc模块，通过emc模块10来减小电网侧电磁干扰对焊接电源的影响，经过emc模块的电网侧交流电再经过输入整流桥模块20的整流，转变为高压直流电。高压直流电经过逆变模块30，变为方波交流电，方波交流电经过降压变压器40和输出整流滤波模块50，变为低压直流电。
59.如图2所示，辅助电源模块包括变压器和稳压芯片。变压器的输入端连接emc模块的输出端，变压器的输出端连接稳压芯片，稳压芯片再与输入整流桥模块、逆变模块、降压变压器模块、输出整流滤波模块、电流电压反馈模块、arm微控制器模块、pac模块和驱动模块相连接。辅助电源模块可将电网侧交流电转换为相应的直流电，并为所连接模块供电。
60.输出整流滤波模块的输出端还连接至电流电压反馈模块的输入端，电流电压反馈模块的输出端、arm微控制器模块、pac模块和驱动模块依次连接，驱动模块的输出端连接逆变模块。
61.arm微控制器模块采用arm芯片，电流电压反馈模块可采用霍尔传感器。电流电压反馈模块60采集负载端的电流和电压信号(即低压直流电的电流和电压值)，并反馈给arm微控制器模块70的a/d接口。arm微控制器模块70将采集到的电压、电流值与对应的设定值比较，获得偏差后运行设定的外特性闭环程序控制算法，输出0～100％占空比可调的pwm脉冲波来控制pac模块80输出0～10v的电压信号给驱动模块90，驱动模块90可采用现有驱动模块，实现根据0～10v电压信号输出0～50％占空比可调的pwm脉冲波给逆变模块30。
62.如图2所示，emc模块可采用emc芯片。输入整流桥模块由整流桥、电容c1和电阻r1并联而成，整流桥的输入端连接emc芯片，输出端连接并联的电容c1和电阻r1，电容c1和电阻r1再连接逆变模块。
63.逆变模块30具有两对igbt桥式开关，igbt开关管v1、v2、v3、v4的栅极均连接至驱动模块。arm微控制器模块70运行外特性闭环程序控制算法，控制驱动模块90输出0～50％占空比可调的pwm脉冲波给逆变模块30中的两对igbt开关管。igbt开关管的pwm占空比决定了焊接电源输出的电压和电流大小。这里，外特性闭环程序控制算法包括恒流pi算法、恒压pi算法以及恒功率pi算法。
64.降压变压器模块采用变压器，初级绕组连接逆变模块的两对igbt开关管，次级绕组连接输出整流滤波模块。
65.输出整流滤波模块包括两个二极管d5、d6，一个电感l1和一个电容c2，次级绕组的其中一个接线端依次连接二极管d5和电感l1，作为输出整流滤波模块的正极输出，电感l1再连接电流电压反馈模块；次级绕组的中心抽头通过电容c2连接至电感l1；中心抽头作为输出整流滤波模块的负极输出，其连接电流电压反馈模块；次级绕组的另一个接线端通过二极管d6连接二极管d5的阴极。
66.图3为pac模块80的电路图，pac模块包括光耦和pac芯片，光耦通过其内部的发光二极管与arm微控制器模块相连接，光耦通过其内部的光探测器与pac芯片相连接，pac芯片连接驱动模块。arm微控制器模块输出0～100％占空比可调的pwm脉冲波经过光耦隔离再输入pac芯片，pac芯片根据0～100％占空比可调的pwm脉冲波输出对应0～10v的电压信号，该电压信号输入驱动模块90。
67.如图4所示，水下焊接的引弧阶段采用恒流引弧，图4的曲线为通过实验测得的本实施例焊接电源恒流引弧阶段的外特性曲线。对于水下焊接的引弧阶段，起始时维持一个较高的空载电压，空载电压值可取60v，较高的空载电压可以击穿焊接处的绝缘层而导电。同时空载段配合推力电流(在增大的电流可称为推力电流)，电流不断增大，最终将电流控制在400a附近，大电流能够使引弧更加容易，若400a电流能够输出持续5s，则可判断引弧成功。
68.图5是将本实施例焊接电源输出功率设定在7.2kw时测得的恒功率外特性曲线图。水下焊接过程中，电源输出保持恒功率外特性。在手弧焊过程中，手的抖动所导致的弧长的波动是不可避免的，此时需保持功率不变，以此保证焊接过程有一定熔深、熔宽和熔化速度，以及具有较好的焊缝成型。
69.如图6所示，水下焊接的收弧阶段采用恒压收弧，图6的曲线为通过实验测得的本实施例焊接电源恒压收弧阶段的外特性曲线。收弧电压过高会导致收弧困难，不利于熔池冷却和凝固，所以可以选取20v左右的电压作为收弧电压。从图6可以看出，每个电流值对应的电压都在20v附近。
70.如图7所示，本实施例还公开了上述数字化水下焊接电源的工作方法，过程如下：
71.s1、将焊枪接入输出整流滤波模块的输出端，emc模块接入电网侧交流电，数字化水下焊接电源上电后，辅助电源模块为其他模块供电；
72.s2、arm微控制器模块先进行初始化，然后不断循环判断焊枪开关是否闭合，如果焊枪开关未闭合，则继续循环检测焊枪开关状态；如果焊枪开关闭合，则进入步骤s3；
73.s3、焊枪开关闭合后(此时焊枪已接入焊接电源，焊枪接触工件可产生电弧)，arm微控制器模块开始调用恒流pi算法子程序来执行引弧控制，使输出整流滤波模块开始恒流外特性输出；
74.随后，arm微控制器模块将电流电压反馈模块采集的负载电流作为电流采样反馈值，根据电流采样反馈值和给定值计算pwm输出占空比大小，随后判断是否引弧成功，引弧成功的标准为电源输出400a以上电流持续时间长达5s，如若电源不能够连续输出400a电流5s，则表示引弧失败；
75.如果未引弧成功，则继续调用恒流pi算法子程序来执行引弧控制；如果引弧成功，则进入步骤s4；
76.s4、引弧成功后，arm微控制器模块通过电流电压反馈模块实时检测焊接工况，并选择一个适合当前焊接工况的外特性模式输出，如果选择恒流外特性输出，arm微控制器模块则调用恒流pi算法子程序来进行恒流输出控制；如果选择恒压外特性输出，arm微控制器模块则调用恒压pi算法子程序来进行恒压输出控制；如果选择恒功率外特性输出，arm微控制器模块则调用恒功率pi算法子程序来进行恒功率输出控制；
77.s5、arm微控制器模块执行外恒流、恒压或者恒功率输出控制之后，实时判断焊枪开关状态，如果焊枪开关继续闭合，则返回步骤s4继续检测焊接工况，判断选择哪种外特性输出；如果焊枪开关断开，则调用恒压pi算法子程序来执行收弧控制，使输出整流滤波模块恒压外特性输出；
78.随后，arm微控制器模块判断收弧完成与否，如果收弧完成，则关闭输出整流滤波模块的电流和电压输出；如果未完成收弧，则继续调用恒压pi算法子程序来执行收弧控制。
79.如图8所示为恒流外特性时恒流pi算法子程序的控制流程图，具体为：
80.首先读取电流采样反馈值并赋值给变量i
f
，然后计算反馈值与给定值i
g
之间的偏差e
c
并放大一定倍数，防止arm在运算过程中因偏差e
c
太小而误把其当成0。这里是放大1000倍，得到放大后的偏差e
c
。
81.随后进行pi运算获得占空比u＝k
p
*e
c
+r
c
，k
p
为arm微控制器模块设定的比例系数，r
c
为arm微控制器模块计算出的积分补偿量，为了防止计算占空比u溢出，将其与最小占空比u
min
和最大占空比u
max
进行比较：
82.如果u<＝u
min
，则取u
c
为最小占空比对应值u
min
，否则执行下一步判断u>＝u
max
是否成立；
83.如果u>＝u
max
成立则取u
c
为最大占空比对应值u
max
，将其限制在u
max
以下防止开关
管直通；
84.如果u>＝u
max
不成立则执行u
c
＝u。
85.下一步计算积分补偿量r
c
＝r
c
+k
i
*e
c
+k
c
*(u
c
‑
u)，等式左侧的r
c
为更新后的积分补偿量，以便下一次计算占空比，等式右侧的r
c
为当前积分补偿量，k
i
为积分系数，k
c
为防饱和积分系数，紧接着复原计算结果，将u
c
缩小1000倍得到实际值，然后赋值给arm微控制器模块中的比较寄存器cmpa、cmpb，cmpa＝u
c
，cmpb＝u
c
，用于更新pwm占空比。
86.如图9所示为恒压外特性时恒压pi算法子程序的控制流程图，具体为：
87.首先读取电压采样反馈值并赋值给变量u
f
，然后计算反馈值与给定值u
g
之间的偏差e
v
并放大一定倍数，防止arm在运算过程中因偏差e
c
太小而误把其当成0。这里是放大1000倍，得到放大后的偏差e
v
。
88.随后进行pi运算获得占空比u＝k
p
*e
v
+r
v
，k
p
为arm微控制器模块设定的比例系数，r
v
为arm微控制器模块计算出的积分补偿量，为了防止计算占空比u溢出，将其与最小占空比u
min
和最大占空比u
max
进行比较：
89.如果u<＝u
min
，则取u
v
为最小占空比对应值u
min
，否则执行下一步判断u>＝u
max
是否成立；
90.如果u>＝u
max
成立，则取u
v
为最大占空比对应值u
max
，将其限制在u
max
以下防止开关管直通；
91.如果u>＝u
max
不成立，则执行u
v
＝u。
92.下一步计算积分补偿量r
v
＝r
v
+k
i
*e
c
+k
c
*(u
v
‑
u)，等式左侧的r
v
为更新后的积分补偿量，以便下一次计算占空比，等式右侧的r
v
为当前积分补偿量，k
i
为积分系数，k
c
为防饱和积分系数，紧接着复原计算结果，将u
v
缩小1000倍得到实际值，然后赋值给比较寄存器，用于更新pwm占空比。
93.如图10所示为恒功率外特性时恒功率pi算法子程序的控制流程图，具体为：
94.首先读取电流和电压采样反馈值并赋值给变量i
f
和u
f
，判断u
f
与常量u
d
的大小，如果u
f
>u
d
成立，则根据恒功率公式计算电压给定值，在保持输出功率恒定的情况下执行恒压外特性输出；
95.如果u
f
>u
d
不成立，则根据恒功率公式计算电流给定值，在保持输出功率恒定的情况下执行恒流外特性输出。
96.这里用u
f
>u
d
进行判断主要是为了保证不断弧，如果反馈电压过大，则电弧过长，容易断弧，因此需要恒压控制，如果反馈电压满足条件，则执行恒流控制。
97.随后的恒压/流外特性输出执行过程与之前相同，首先计算反馈值与给定值之间的偏差e
c
(e
v
)并放大1000倍，防止arm在运算过程中因偏差e
c
太小而误把其当成0。
98.随后进行pi运算获得占空比u，为了防止计算占空比u溢出，将其与最小占空比u
min
和最大占空比u
max
进行比较：
99.如果u<＝u
min
，则取u
c
(u
v
)为最小占空比对应值u
min
，否则执行下一步判断u>＝u
max
是否成立；
100.如果u>＝u
max
成立则取u
v
为最大占空比对应值u
max
，将其限制在u
max
以下防止开关管直通；
101.如果u>＝u
max
不成立则执行u
c
(u
v
)＝u。
102.下一步计算积分补偿量r
c
(r
v
)，紧接着复原计算结果，将u
c
(u
v
)缩小1000倍得到实际值，然后赋值给比较寄存器，用于更新pwm占空比。
103.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。