專利名稱：全數(shù)字逆變式方波交流氬弧焊機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及逆變式方波交流氬弧悍機(jī)，方波交流氬弧焊機(jī)主要應(yīng)用于 鋁材的高質(zhì)量焊接。
背景技術(shù)：
逆變技術(shù)在弧焊電源中的應(yīng)用已十分普遍，現(xiàn)今主流的方波交流氬弧焊機(jī) 多采用逆變方式(一次逆變)。如


圖1所示，按電氣功能分類，可將逆變式方波交
流氬弧焊機(jī)劃分為兩個(gè)系統(tǒng)，功率系統(tǒng)100和控制系統(tǒng)200。逆變式方波交流氬 弧焊機(jī)是在控制系統(tǒng)的有效監(jiān)視和有序控制下使功率系統(tǒng)100將電網(wǎng)高壓正旋 交流電(固定頻率)轉(zhuǎn)換成低壓方波交流電(可變頻率)并最終通過(guò)焊接回路 完成電能到熱能的轉(zhuǎn)換。功率系統(tǒng)100通常包括一次整流濾波、 一次逆變、主變 壓器、二次整流濾波、二次逆變、輸出回路等六個(gè)部分?？刂葡到y(tǒng)200通常包括 輔助電源、網(wǎng)壓檢測(cè)、原邊電流反饋、焊接電流反饋、電弧電壓反饋、功率單 元的溫度反饋、焊矩開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)、冷卻單元控制及驅(qū)動(dòng)、保護(hù)氣體通斷控制 及驅(qū)動(dòng)、引弧穩(wěn)弧電路、 一次逆變驅(qū)動(dòng)、二次逆變驅(qū)動(dòng)、定時(shí)器、時(shí)序控制邏 輯、波形發(fā)生、給定信號(hào)調(diào)理、反饋信號(hào)調(diào)理、誤差計(jì)算、比例積分運(yùn)算、PWM 調(diào)節(jié)、人機(jī)交互界面220 (包括鍵盤(pán)、開(kāi)關(guān)、調(diào)節(jié)旋鈕、電位器等及LED指示燈、 指針式表頭、數(shù)字表頭、LED數(shù)碼管、LED表頭、LCD顯示器及其它類似部件)等 二十一個(gè)部分。
逆變式方波交流氬弧悍機(jī)控制系統(tǒng)200的核心功能單元210包括給定信號(hào)調(diào) 理、反饋信號(hào)調(diào)理、誤差計(jì)算、定時(shí)器、時(shí)序控制邏輯、波形發(fā)生、比例積分 運(yùn)算、PWM調(diào)節(jié)等八個(gè)部分。根據(jù)控制系統(tǒng)200的核心功能單元210的控制機(jī)理和實(shí)現(xiàn)方法的不同，可將目前已知的逆變式方波交流氬弧焊機(jī)分為A、 B兩類。
A類焊機(jī)可稱為模擬式或不可編程式，如圖2所示，核心功能單元210的核心 控制功能主要由不可編程的小規(guī)模的時(shí)序控制邏輯、定時(shí)器、波形發(fā)生、P麗調(diào) 節(jié)等電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。這類焊機(jī)的主要問(wèn)題是可靠性、 一致性、穩(wěn)定性比較差、 精度低、輸出特性單調(diào)、功能單一無(wú)法拓展、方波交流頻率及正負(fù)比不可調(diào)、 調(diào)試煩瑣、維修不便。
B類焊機(jī)可稱為半數(shù)字式或有限可編程式，如圖3所示，核心功能單元210的 核心控制功能主要由微控制器230和P麗調(diào)節(jié)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。微控制器230取代了A 類焊機(jī)的時(shí)序控制邏輯電路、定時(shí)器電路、波形發(fā)生電路等三部分，使控制電 路得以簡(jiǎn)化，但由于微控制器230處理能力的限制及另外的五部分功能仍由其它 電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以存在如下主要問(wèn)題 一致性、可靠性、穩(wěn)定性比較差、輸出 特性單調(diào)、功能較少較難拓展、性能改善有限。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種全數(shù)字逆變式方波交流氬弧焊機(jī)，該焊機(jī)可 以解決上述A類和B類逆變式方波交流氬弧焊機(jī)的問(wèn)題，能夠大量減少電子元器 件用量而提高可靠性，最大限度地減少模擬電路的使用，而提高一致性和穩(wěn)定 性，采用數(shù)字技術(shù)而大幅度改善系統(tǒng)控制的精度，以滿足高端或特殊用戶的使 用要求。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是一種全數(shù)字逆變式方波
交流氬弧焊機(jī)，包括
功率系統(tǒng)，具有一次整流濾波、 一次逆變、主變壓器、二次整流濾波、二 次逆變、輸出回路，響應(yīng)于一個(gè)控制信號(hào)，將電網(wǎng)高壓正旋交流電轉(zhuǎn)換成低壓
方波交流電，通過(guò)焊接回路完成電能到熱能的轉(zhuǎn)換；和控制系統(tǒng)，具有輔助電源、網(wǎng)壓檢測(cè)、原邊電流反饋、焊接電流反饋、電 弧電壓反饋、功率單元的溫度反饋、焊矩開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)、冷卻單元控制及驅(qū)動(dòng)、 保護(hù)氣體通斷控制及驅(qū)動(dòng)、引弧穩(wěn)弧電路、 一次逆變驅(qū)動(dòng)、二次逆變驅(qū)動(dòng)以及 包含給定信號(hào)調(diào)理、反饋信號(hào)調(diào)理、誤差計(jì)算、定時(shí)器、時(shí)序控制邏輯、波形 發(fā)生、比例積分運(yùn)算、PWM調(diào)節(jié)的核心功能單元，人機(jī)交互界面；
其特征在于，所述控制系統(tǒng)的核心功能單元是數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)或者 數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)。
作為優(yōu)選，所述的數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)的型號(hào)為T(mén)MS320F28x，該 TMS320F28x包括
C28X 32位CPU (DSC)，用于數(shù)據(jù)的存取、運(yùn)算、管理和輸入/輸出的控制； 外設(shè)總線，CPU通過(guò)外部總線連接且管理外部設(shè)備；
中斷管理單元，對(duì)外設(shè)總線所掛接的外部設(shè)備產(chǎn)生的瞬變事件作出高速響 應(yīng)處理；
存儲(chǔ)器總線，其連接CPU及閃爍存儲(chǔ)器(FLASH)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、 只讀存儲(chǔ)器(R0M)。
作為優(yōu)選，所述C28X 32位CPU (DSC)包括 32x32乘法器，進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算； 讀-修改-寫(xiě)算術(shù)邏輯單元(R-M-W ALU);
32位浮點(diǎn)單元，通過(guò)CPU內(nèi)部總線或/和存儲(chǔ)器總線及外設(shè)總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的
傳遞；
32位定時(shí)器；
實(shí)時(shí)JTAG單元，用于DSC的調(diào)試和仿真。
作為優(yōu)選，所述外設(shè)總線連接SCI、 SPI、 12C、 CAN、 CAP、 QEP、 PWM、 ADC等外部設(shè)備接口。
由于本實(shí)用新型控制系統(tǒng)的核心控制功能，即給定信號(hào)調(diào)理、反饋信號(hào)調(diào)
理、誤差計(jì)算、定時(shí)器、時(shí)序控制邏輯、波形發(fā)生、比例積分運(yùn)算、PWM調(diào)節(jié)等 八項(xiàng)功能，由數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)即可實(shí)現(xiàn)，且由于DSC的高速、高精度運(yùn) 算和控制能力，使本實(shí)用新型具有很高的性能。本實(shí)用新型所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng) 比起A類焊機(jī)的控制系統(tǒng)減少了約6(m的元器件，比起B(yǎng)類焊機(jī)的控制系統(tǒng)減少了 約30°/。的元器件，零部件大量減少，意味著故障率降低，這將極大地提高了焊機(jī) 的可靠性。本實(shí)用新型最大限度地減少了模擬電路的使用，其一致性和穩(wěn)定性 都得到很大的提高，數(shù)字技術(shù)大幅度改善了系統(tǒng)控制的精度。本實(shí)用新型采用 的DSC具有高速運(yùn)算和控制能力(這是MCU所無(wú)法比擬的)，可實(shí)現(xiàn)各種輸出特性 的控制，因此本實(shí)用新型可實(shí)現(xiàn)各類強(qiáng)大功能，例如，多種焊接方式，多種操 作方式，以及通過(guò)變更軟件實(shí)現(xiàn)各不相同的功能(其它形式的電源)，本實(shí)用新 型有利于自動(dòng)化焊接的聯(lián)網(wǎng)作業(yè)、便于生產(chǎn)調(diào)試及售后維護(hù)、滿足高端或特殊 用戶的使用要求。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
圖1是逆變式方波交流氬弧焊機(jī)電氣功能分類框圖。
圖2是A類焊機(jī)控制系統(tǒng)核心功能模塊結(jié)構(gòu)框圖。 圖3是B類焊機(jī)控制系統(tǒng)核心功能模塊結(jié)構(gòu)框圖。
圖4是本實(shí)用新型電氣功能分類框圖。 圖5是圖4中數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)的結(jié)構(gòu)框圖。
圖5中，PWM—脈沖寬度調(diào)制器模塊，ADC—模/數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊，QEP—積分編碼脈沖模塊，CAP—捕捉單元，GPIO"通用數(shù)字輸入輸出，SPI—同步串行接 口， SCI—串行通訊接口， McBSP—多通道緩沖串行端口， 12C—內(nèi)部整合串行 接口， CAN—控制局域網(wǎng)接口。
具體實(shí)施方式
如圖4所示，本實(shí)用新型全數(shù)字逆變式方波交流氬弧焊機(jī)，包括
功率系統(tǒng)300，具有一次整流濾波、 一次逆變、主變壓器、二次整流濾波、 二次逆變、輸出回路，響應(yīng)于一個(gè)控制信號(hào)，將電網(wǎng)高壓正旋交流電轉(zhuǎn)換成低 壓方波交流電，通過(guò)焊接回路完成電能到熱能的轉(zhuǎn)換；和
控制系統(tǒng)400,具有輔助電源、網(wǎng)壓檢測(cè)、原邊電流反饋、焊接電流反饋、 電弧電壓反饋、功率單元的溫度反饋、焊矩開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)、冷卻單元控制及驅(qū) 動(dòng)、保護(hù)氣體通斷控制及驅(qū)動(dòng)、引弧穩(wěn)弧電路、 一次逆變驅(qū)動(dòng)、二次逆變驅(qū)動(dòng) 以及包含給定信號(hào)調(diào)理、反饋信號(hào)調(diào)理、誤差計(jì)算、定時(shí)器、時(shí)序控制邏輯、 波形發(fā)生、比例積分運(yùn)算、P麗調(diào)節(jié)的核心功能單元，人機(jī)交互界面420;
其特征在于，所述控制系統(tǒng)的核心功能單元是數(shù)字信號(hào)控制器(DSC) 410 或者數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)。
如圖5所示，所述的數(shù)字信號(hào)控制器(DSC) 410的型號(hào)為T(mén)MS320F28x，該 TMS320F28x包括
C28X 32位CPU (DSC) 450，用于數(shù)據(jù)的存取、運(yùn)算、管理和輸入/輸出的 控制；
數(shù)據(jù)總線430，包括外設(shè)總線和存儲(chǔ)器總線， 外設(shè)總線，CPU通過(guò)外部總線連接且管理外部設(shè)備；
中斷管理單元440，對(duì)外設(shè)總線所掛接的外部設(shè)備產(chǎn)生的瞬變事件作出高速 響應(yīng)處理；存儲(chǔ)器總線，其連接CPU及閃爍存儲(chǔ)器(FLASH)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、 只讀存儲(chǔ)器(ROM)。
如圖5所示，所述C28X 32位CPU (DSC) 450包括 32x32乘法器451，進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算； 讀-修改-寫(xiě)算術(shù)邏輯單元454 (R-M-W ALU);
32位浮點(diǎn)單元455，通過(guò)CPU內(nèi)部總線或/和存儲(chǔ)器總線及外設(shè)總線實(shí)現(xiàn)數(shù)
據(jù)的傳遞；
32位定時(shí)器452;
實(shí)時(shí)JTAG單元453，用于DSC的調(diào)試和仿真。
如圖5所示，所述外設(shè)總線連接SCI、 SPI、 I2C、 CAN、 CAP、 QEP、 P麗、ADC 等外部設(shè)備接口。
功能技術(shù)參數(shù)說(shuō)明
全數(shù)字逆變式方波交流氬弧悍機(jī)所涉及到的數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)或數(shù)字 信號(hào)處理器(DSP)(沒(méi)有附圖)在基本功能方面類同于微控制器(MCU)或單片機(jī)， 不同的是它們具有更多的功能和更高的性能，其特點(diǎn)概略如下
1) 高速實(shí)時(shí)控制能力，單周期指令(一般在40MIPS以上)，快速輸入輸出 端口；
2) 高速數(shù)據(jù)運(yùn)算或強(qiáng)大的處理能力，具有較寬的數(shù)據(jù)總線(16位以上)， 具有乘累加指令；
3) 包含SCI、 SPI、 12C、 CAN、 CAP、 QEP、 P麵等豐富的外部設(shè)備接口 ， PWM 為可編程的硬件模塊，分辨率高、響應(yīng)快、處理方式靈活，內(nèi)嵌高性能模/數(shù)轉(zhuǎn) 換器(ADC)，采樣速度快，分辨率高。
DSC或DSP芯片有多個(gè)生產(chǎn)廠家，代表廠家為美國(guó)德州儀器(TI)、美國(guó)模擬器件公司(ADI)和美國(guó)飛思卡爾(Freescale)，各個(gè)廠家的芯片具有不同的特點(diǎn)， 現(xiàn)以德州儀器的TMS320F28x為例對(duì)其進(jìn)行說(shuō)明。
TMS320F28x的主要特點(diǎn)如下
1) 32位CPU，性能可達(dá)150MIPS;
2) 混合的16位及32位指令集；
3) 單周期32x32位的乘加操作(multiply-accumulate);
4) 芯片閃存可高達(dá)256KB;
5) 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)存架構(gòu)；
6) 同類最優(yōu)(Best-in-class)的編譯器效率；
7) 中斷服務(wù)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)保存及恢復(fù)；
8) 高分辨率脈寬調(diào)制(PWM)的精度為150ps;
9) P碰控制器擁有可編程的死區(qū)(dead band)、相位或占空周期控制以及最高 可達(dá)6個(gè)的絆區(qū)(trip zone)，可用于產(chǎn)生任意所需波形；16路12位高速ADC; 采樣時(shí)間達(dá)80ns;支持SCI、 SPI、 I2C以及CAN端口。
以下就TMS320F28x功能詳細(xì)說(shuō)明
(1) C28x 32位CPU是TMS320F28x芯片的核心部分，各類數(shù)據(jù)的存取、運(yùn) 算、管理和輸入/輸出的控制都是由它負(fù)責(zé)完成的。CPU采用改良的哈佛體系(不 同于Von Neumarm方式)和精簡(jiǎn)指令集管理(即RISC，實(shí)現(xiàn)單周期指令執(zhí)行)， 具有并行存取指令和數(shù)據(jù)的能力。數(shù)據(jù)的運(yùn)算依賴于32x32乘法器、R-M-W ALU
(讀-修改-寫(xiě)算術(shù)邏輯單元)及32位浮點(diǎn)單元，數(shù)據(jù)的傳遞通過(guò)CPU內(nèi)部總線 (圖中未標(biāo)出)或/和存儲(chǔ)器總線及外設(shè)總線實(shí)現(xiàn)。CPU中的實(shí)時(shí)JTAG單元主要 用于DSC的調(diào)試和仿真。
(2) 在TMS320F28x芯片中，中斷管理單元提供對(duì)外設(shè)總線所掛接的外部設(shè)備瞬變事件的高速響應(yīng)處理。
(3) 存儲(chǔ)器總線連接CPU及三類存儲(chǔ)單元，F(xiàn)LASH是可編程大容量閃爍存 儲(chǔ)器，主要存放應(yīng)用程序和不變數(shù)據(jù)，RAM是隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，主要存儲(chǔ)臨時(shí)工 作變量或參數(shù)，ROM為只讀存儲(chǔ)器，它存放芯片生產(chǎn)廠家預(yù)裝的程序庫(kù)。
(4) 在TMS320F28x芯片中，CPU通過(guò)外部總線與PWM、 ADC、 QEP、 CAP、 GPIO、 SPI、 SCI、 McBSP、 12C、 CAN等外部設(shè)備連接，以實(shí)現(xiàn)多種外部設(shè)備的有效管理。 這些外部設(shè)備的主要功能如下-
PWM—脈沖寬度調(diào)制器模塊，這是全數(shù)字焊機(jī)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵部件之一。 ADC—模/數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊，在焊機(jī)中可通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器將焊接電流、焊接 電壓等模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量以便進(jìn)行數(shù)字處理。 QEP—積分編碼脈沖模塊，可用于電機(jī)速度的實(shí)時(shí)測(cè)定。 CAP—捕捉單元，可用于快速信號(hào)的監(jiān)控。
GPIO—通用數(shù)字輸入輸出，實(shí)際上就是普通的數(shù)字輸入輸出端口 。 SPI—同步串行接口。
SCI—串行通訊接口，可應(yīng)用于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的RS-232、 RS-422/RS-485通訊。
McBSP—多通道緩沖串行端口 。
12C—內(nèi)部整合串行接口。
CAN—控制局域網(wǎng)接口，可用于自動(dòng)化焊接組網(wǎng)。
權(quán)利要求1.一種全數(shù)字逆變式方波交流氬弧焊機(jī)，包括功率系統(tǒng)，具有一次整流濾波、一次逆變、主變壓器、二次整流濾波、二次逆變、輸出回路，響應(yīng)于一個(gè)控制信號(hào)，將電網(wǎng)高壓正旋交流電轉(zhuǎn)換成低壓方波交流電，通過(guò)焊接回路完成電能到熱能的轉(zhuǎn)換；和控制系統(tǒng)，具有輔助電源、網(wǎng)壓檢測(cè)、原邊電流反饋、焊接電流反饋、電弧電壓反饋、功率單元的溫度反饋、焊矩開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)、冷卻單元控制及驅(qū)動(dòng)、保護(hù)氣體通斷控制及驅(qū)動(dòng)、引弧穩(wěn)弧電路、一次逆變驅(qū)動(dòng)、二次逆變驅(qū)動(dòng)以及包含給定信號(hào)調(diào)理、反饋信號(hào)調(diào)理、誤差計(jì)算、定時(shí)器、時(shí)序控制邏輯、波形發(fā)生、比例積分運(yùn)算、PWM調(diào)節(jié)的核心功能單元，人機(jī)交互界面；其特征在于，所述控制系統(tǒng)的核心功能單元是數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)或者數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的全數(shù)字逆變式方波交流氬弧焊機(jī)，其特征在于， 所述的數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)的型號(hào)為T(mén)MS320F28x，該TMS320F28x包括C28X 32位CPU (DSC)，用于數(shù)據(jù)的存取、運(yùn)算、管理和輸入/輸出的控制; 外設(shè)總線，CPU通過(guò)外部總線連接且管理外部設(shè)備；中斷管理單元，對(duì)外設(shè)總線所掛接的外部設(shè)備產(chǎn)生的瞬變事件作出高速響 應(yīng)處理；存儲(chǔ)器總線，其連接CPU及閃爍存儲(chǔ)器(FLASH)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、 只讀存儲(chǔ)器(R0M)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的全數(shù)字逆變式方波交流氬弧焊機(jī)，其特征在于， 所述C28X 32位CPU (DSC)包括32x32乘法器，進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算； 讀-修改-寫(xiě)算術(shù)邏輯單元(R-M-W ALU);32位浮點(diǎn)單元，通過(guò)CPU內(nèi)部總線或/和存儲(chǔ)器總線及外設(shè)總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的 傳遞；32位定時(shí)器；實(shí)時(shí)JTAG單元，用于DSC的調(diào)試和仿真。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的全數(shù)字逆變式方波交流氬弧焊機(jī)，其特征在于， 所述外設(shè)總線連接SCI、 SPI、 12C、 CAN、 CAP、 QEP、 PWM、 ADC等外部設(shè)備接口。
專利摘要一種可靠性、一致性和穩(wěn)定性優(yōu)良的全數(shù)字逆變式方波交流氬弧焊機(jī)，包括功率系統(tǒng)，具有一次整流濾波、一次逆變、主變壓器、二次整流濾波、二次逆變、輸出回路，響應(yīng)于一個(gè)控制信號(hào)，將電網(wǎng)高壓正旋交流電轉(zhuǎn)換成低壓方波交流電，通過(guò)焊接回路完成電能到熱能的轉(zhuǎn)換；和控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)包含核心功能單元和人機(jī)交互界面；特點(diǎn)是所述控制系統(tǒng)的核心功能單元是數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)或者數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)。
文檔編號(hào)B23K9/16GK201385179SQ20092000676
公開(kāi)日2010年1月20日 申請(qǐng)日期2009年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月16日
發(fā)明者徐愛(ài)平, 磊 潘, 波 蕭 申請(qǐng)人:深圳市佳士科技發(fā)展有限公司