【正文】 制系統(tǒng)硬件電路單片機(jī)最小系統(tǒng)是弧焊逆變電源控制系統(tǒng)的核心部分，如果將整個控制系統(tǒng)比作人的神經(jīng)系統(tǒng)，則單片機(jī)最小系統(tǒng)就相當(dāng)于人的大腦指揮著整個控制系統(tǒng)發(fā)揮作用。電路設(shè)計中74LS373芯片起對低8位地址進(jìn)行鎖存作用；MAX530芯片采用“8+4”方式進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換；而MAX705在單片機(jī)最小系統(tǒng)中發(fā)揮著使80C196KC可靠復(fù)位的功能，它在系統(tǒng)上電時提供長達(dá)200ms的低電平復(fù)位脈沖寬度，足以使單片機(jī)可靠復(fù)位。參數(shù)顯示電路屬于輔助電路，它的功能是實現(xiàn)簡單的人機(jī)對話。LED動態(tài)顯示電流很大，例如，若8位顯示器各段的平均電流為20mA，各個段同時點亮期間的電流就是160mA。而對于單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換通道來說，它所采集的信號范圍是0～5V，因此又必須把獲得的電壓和電流通過一定的調(diào)理電路按照確定的比例關(guān)系轉(zhuǎn)換為單片機(jī)所要求的采集信號范圍（0～5V）內(nèi)的值，這一步的工作就是由調(diào)理電路來完成的。其中D1和D2起限壓作用，使輸入至單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換口的電為0～5V。焊接電流測量范圍是0～500A，當(dāng)額定測量電流為500A時，霍爾電流傳感器M端輸出100mA的額定電流。在本設(shè)計中采用的移相控制信號芯片是UC3875。uuuttttUeOUTBOUTAOUTBOUTAOUTDOUTCOUTDOUTCOUTD 移相脈沖產(chǎn)生過程示意UC3875芯片實現(xiàn)移相PWM脈寬調(diào)制的基本原理是：加在誤差放大器同相端（E/A（+））的信號與加在誤差放大器反相端的信號進(jìn)行比較，其誤差信號經(jīng)過調(diào)節(jié)輸出到UC3875中誤差放大器輸出端，與三角波發(fā)生器產(chǎn)生的三角波進(jìn)行比較，所得的輸出脈沖經(jīng)過內(nèi)部電路的延時處理，既可生成兩組有確定相移的驅(qū)動信號OUTA、OUTB和OUTC、 OUTD。～180176。UC3875輸出的PWM脈沖頻率的調(diào)節(jié)公式為： ()(2) 死區(qū)時間設(shè)置UC3875的輸出驅(qū)動信號和零電壓開關(guān)的延遲時間可以由接在延遲設(shè)定端子（7腳和15腳）的電阻和電容進(jìn)行設(shè)置，可以分別對A、B和C、D兩對開關(guān)器件進(jìn)行編程，A、B、C、。當(dāng)通過IGBT的電流過大超過了其所能承受的最大電流時，若不采取必要的限流保護(hù)措施，則IGBT會在很短的時間內(nèi)損壞。通過在芯片的軟啟動端（6腳）接一適當(dāng)?shù)碾娙荩涂梢允筓C3875具有軟啟動功能。功率開關(guān)管IGBT的驅(qū)動電路既可以由分立元件組成，也可以采用集成模塊式的專用驅(qū)動電路。輸入（14, 15腳）采用的是高速光耦隔離電路，輸出（C3腳）為互補(bǔ)形式。實際使用EXB841專用驅(qū)動集成模塊必須注意以下幾個問題:① 輸入電路與輸出電路應(yīng)分開。④ 極限參數(shù)應(yīng)符合模塊規(guī)定的數(shù)值。⑥ EXB841中設(shè)置負(fù)偏置電壓的目的是為了防止關(guān)斷時duCE/dt過大、漏極浪涌電流過大而引起IGBT誤導(dǎo)通。門極電阻RG過大，將使IGBT的開通和關(guān)斷時間增加，因而使開通與關(guān)斷能耗均增加。為了防止這類現(xiàn)象的發(fā)生，在柵射極間必須接一個電阻RGE，RGE不能太小，否則器件開通時間變長，降低了開關(guān)頻率，一般RGE=（1000～5000） RG。③ 隨著負(fù)載過程的持續(xù)，開關(guān)損耗引起的開關(guān)管結(jié)溫上升；或因散熱不良導(dǎo)致的結(jié)溫上升等情況引起的過熱。其工作原理是：當(dāng)網(wǎng)壓波動時，由降壓變壓器T1輸出的電壓將大于（或小于）標(biāo)準(zhǔn)值9V，經(jīng)過整流濾波以后得到一電壓，經(jīng)R1, R2,分壓后加到LM3391的同相輸入端和LM3392的反向輸入端，設(shè)加到LM339上的電壓為U，（對應(yīng)于420V的網(wǎng)壓）（對應(yīng)于340V的網(wǎng)壓），LM3391或LM3392輸出端狀態(tài)改變，產(chǎn)生過/欠壓信號，這一信號傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的高速輸入口引起單片機(jī)中斷，進(jìn)而產(chǎn)生相應(yīng)的保護(hù)措施。 過/欠壓、過流、過熱保護(hù)電路 軟開關(guān)型控制系統(tǒng)軟件設(shè)計設(shè)計的系統(tǒng)控制軟件針對的是這樣一個焊接工作過程：首先通保護(hù)氣體，滯后一段時間后焊機(jī)主電路通電，然后慢啟動建立空載電壓，予送絲準(zhǔn)備進(jìn)行焊接，等焊槍開關(guān)合上時，進(jìn)入正式焊接過程，控制電源輸出的焊接電壓恒定，實現(xiàn)恒壓特性輸出。設(shè)計的單片機(jī)控制程序?qū)崿F(xiàn)的是電源恒壓特性反饋控制。對于逆變焊接電源系統(tǒng)來講，不僅它在焊接過程的系統(tǒng)模型很復(fù)雜，而且加在焊接過程中的干擾也是復(fù)雜多樣的。(1) 比例調(diào)節(jié) 比例調(diào)節(jié)是最簡單的一種，其輸出隨輸入信號按比例變化，對干擾有及時而有力的抑制作用，但它有一個不可避免的缺點—存在靜態(tài)誤差，一旦被調(diào)量偏差不存在，調(diào)節(jié)器的輸出也就為零。(3) 微分調(diào)節(jié) 從物理概念上看，微分調(diào)節(jié)能在偏差信號出現(xiàn)或變化的瞬間，立即根據(jù)變化趨勢，產(chǎn)生強(qiáng)烈的調(diào)節(jié)作用，使偏差盡快地消除在萌芽狀態(tài)之中。將上式經(jīng)過拉氏變換，并考慮到控制量初值，即可求得時域內(nèi)的PI控制算式為： ()式中e （t）為系統(tǒng)偏差，P0為控制量初值，P為輸出量。該控制系統(tǒng)除了包括實現(xiàn)焊接過程控制的主功能單元，研制的控制系統(tǒng)還配備了人機(jī)對話、參數(shù)預(yù)置、顯示等電路，并針對焊接過程中可能發(fā)生的過流、過/欠壓、過熱等故障設(shè)計了必要的檢測和保護(hù)電路?；『改孀兤魇且粋€強(qiáng)、弱電共同作用的系統(tǒng)，控制系統(tǒng)是逆變器正常工作的核心，由于其所處的環(huán)境較為惡劣，周圍環(huán)境對它的影響很大，所以控制系統(tǒng)應(yīng)該采取哪些可靠性設(shè)計和抗干擾設(shè)計，將是本章討論的問題。影響單片機(jī)控制系統(tǒng)可靠、安全運行的主要因素是來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電氣干擾，以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、元件選擇、安裝、制造工藝和外部環(huán)境條件等。如若某些輸入信號受到干擾，引入到單片機(jī)的是虛假的信號，則將導(dǎo)致單片機(jī)輸出控制誤差加大，甚至控制失常。單片機(jī)中程序計數(shù)器PC的正常工作是維持系統(tǒng)程序正常運行的關(guān)鍵所在，但若由于外界干擾導(dǎo)致PC值改變，則使程序無法按照設(shè)定的順序進(jìn)行，這將導(dǎo)致程序運行控制混亂或系統(tǒng)控制錯誤。硬件抗干擾技術(shù)是控制系統(tǒng)抗干擾主要部分，而軟件抗干擾技術(shù)則作為一個輔助部分成為系統(tǒng)抗干擾設(shè)計的重要補(bǔ)充。(1) 濾波技術(shù)Z 感性負(fù)載++輸入輸出 輸入、輸出濾波技術(shù)濾波是為了抑制噪聲干擾，當(dāng)電路從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)換成另一個狀態(tài)時，就會在電源線上產(chǎn)生一個很大的尖峰電流，形成瞬變的噪聲電壓；另外，當(dāng)電路接通與斷開電感負(fù)載時，也會產(chǎn)生瞬變噪聲干擾。這種尖峰電流的存在給整個測控系統(tǒng)帶來了不良影響，它將在傳輸線和供電電源內(nèi)阻上產(chǎn)生較大的壓降，使供電電壓跳動，形成嚴(yán)重的干擾。去耦電容一方面提供和吸收該集成電路開門關(guān)門瞬間的充放電能量，以便穩(wěn)定。數(shù)字電路的開關(guān)動作很快，如TTL的工作時間為5～10ns，這樣就會產(chǎn)生瞬變電流，在電源內(nèi)阻和公共阻抗作用下，產(chǎn)生所謂開關(guān)噪聲。(2) 去耦技術(shù)(a)(b)(c)UoigigUolUohtttIglIgeIglIge 數(shù)字電路電平轉(zhuǎn)換時的尖峰電流數(shù)字電路從電源供給的高電平電流I0H和低電平電流IOL,是不同的，即I0HIOL當(dāng)數(shù)字電路信號高低電平轉(zhuǎn)換時，（b）所示，（c）所示，它具有很大的尖峰電流，尤其是在輸出低電平U0L。應(yīng)用硬件抗干擾技術(shù)是一種有效方法，只要精心布置電路結(jié)構(gòu)、合理設(shè)置元件參數(shù)，硬件抗干擾措施就能抑制系統(tǒng)的絕大部分干擾。因此，在逆變焊接電源控制系統(tǒng)的設(shè)計中如何提高系統(tǒng)的抗干擾能力，減小電路受干擾程度及電路之間的相互干擾，成為控制系統(tǒng)設(shè)計必須充分考慮的一個重要環(huán)節(jié)。由于在單片機(jī)控制系統(tǒng)中內(nèi)部RAM存儲器和外部擴(kuò)展RAM存儲器是可以讀/寫的，因此如果受到干擾侵害，RAM中的數(shù)據(jù)有可能被竄改，這樣，有的會造成數(shù)據(jù)誤差，有的使控制失靈，有的改變了程序狀態(tài)，有的改變了某些部件（如定時器/計數(shù)器等）的工作狀態(tài)等。當(dāng)干擾侵入單片機(jī)系統(tǒng)測量單元模擬信號的輸入通道，疊加在有用信號上時，會使采集到的數(shù)據(jù)誤差增大，有時甚至不能反應(yīng)實際情況。但是，逆變焊接電源中單片機(jī)控制系統(tǒng)所處的工作環(huán)境是比較惡劣和復(fù)雜的，其應(yīng)用的可靠性、安全性就成為一個非常突出的問題。4 控制系統(tǒng)可靠性研究與抗干擾設(shè)計弧焊逆變器一經(jīng)出現(xiàn)就引起了廣泛的關(guān)注，國內(nèi)外己出現(xiàn)了不少生產(chǎn)逆變焊機(jī)的廠家。 小結(jié)在移相控制軟開關(guān)型全橋式逆變主電路基礎(chǔ)上，研究和設(shè)計了軟開關(guān)型逆變器的控制系統(tǒng)及電源恒壓特性控制軟件。由于焊接過程中不斷出現(xiàn)“短路一引弧一燃燒一熄弧”的階躍過程，如果引入微分控制則會導(dǎo)致輸出量的劇烈變化，這將不利于焊接電源系統(tǒng)的穩(wěn)定和電弧的穩(wěn)定，因此，焊接電源控制系統(tǒng)中一般不引入微分調(diào)節(jié)作用，實際上采用比例、積分作用進(jìn)行控制的逆變焊接電源系統(tǒng)已經(jīng)能夠很好地滿足焊接人員的要求了。在被調(diào)量的偏差消除以后，由于積分規(guī)律的特點，輸出將保持在新的位置而不能恢復(fù)原位，因而能保持靜差為零。PID控制算法是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)中的控制策略。當(dāng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型已知時，可根據(jù)被控對象的數(shù)學(xué)模型設(shè)計控制算法，實現(xiàn)最優(yōu)控制。當(dāng)電流降下來之后切斷電源控制開關(guān)，然后再滯后幾秒關(guān)閉通氣開關(guān)。(3) 過流保護(hù)過流信號是由EXB841驅(qū)動電路提供的。因此在所設(shè)計的控制系統(tǒng)中，考慮采取過壓/欠壓、過流、過熱等保護(hù)技術(shù)并設(shè)計了相應(yīng)的軟件中斷處理子程序。對于弧焊逆變電源而言，在工作過程中不可避免會發(fā)生以下情況：① 網(wǎng)壓波動導(dǎo)致的輸入電壓過高或過低。通過折中考慮和實驗選擇，確定RG=47Ω 。跟據(jù)上述分析和要求。⑤ 由于從過流檢測到保護(hù)輸出存在1. 5～3. 5μs的保護(hù)盲區(qū)，雖然IGBT能夠承受一定的過載電流，但過載電流太大或長期在對應(yīng)于盲區(qū)時間的窄脈沖下過流，IGBT仍會損壞。② IGBT的柵射極回路連接線一定要小于1M，并且要用絞合線。過流檢測信號按驅(qū)動信號與IGBT漏極電壓之間的關(guān)系確定；當(dāng)流過IGBT的電流超過內(nèi)部設(shè)定值時，為了防止其關(guān)斷時di/dt過大而產(chǎn)生尖峰電壓，通過低速關(guān)斷電路將其慢速關(guān)斷，從而保證了IGBT的安全。由于在主電路中采用的是BSM150GB120DN2型號的IGBT功率模塊，所以選用了與之配套的專用驅(qū)動模塊EXB841。② UC3875控制電路的控制部分和輸出驅(qū)動部分供電電源應(yīng)該分開，否則會產(chǎn)生相互干擾導(dǎo)致移相時頻率發(fā)生變化。其作用過程為：通過EXB841驅(qū)動電路監(jiān)視流過IGBT的電流，當(dāng)出現(xiàn)過流狀況時，由驅(qū)動電路產(chǎn)生一個過流信號（高電平狀態(tài)），將此高電平信號加在UC3875的電流控制端，這時UC3875的過流保護(hù)電路起作用，迫使UC3875輸出截止，進(jìn)而導(dǎo)致IGBT關(guān)斷不再輸出功率。死區(qū)延時時間由下式確定： ()這里R延時就是7腳和15腳的可調(diào)電阻之和，而V延時則是7腳和15腳的電壓通常情況下取1mAI延時25μA，t延時。UC3875移相控制器不僅可以提供相移控制，而且具有頻率設(shè)置、死區(qū)時間隨意設(shè)置、軟啟動及限流保護(hù)功能。這四個驅(qū)動脈沖中屬于同一橋臂的兩個脈沖的重疊部分的寬度正好與加在E/A（+）端電壓的控制量相對應(yīng)，即E/A（+），端的輸入電壓值控制著OUTA～OUTD的相位。它能提供0～100%占空比的移相控制，并且有必要的保護(hù)、譯碼及驅(qū)動功能。 UC3875移相脈寬調(diào)制電路移相PWM脈寬調(diào)制電路是實現(xiàn)軟開關(guān)型全橋弧焊逆變器的重要環(huán)節(jié)，它與硬開關(guān)型逆變器控制電路比較大同小異，大致上也是由控制信號產(chǎn)生芯片，外接給定反饋比較放大電路，電源穩(wěn)定電路及保護(hù)電路等組成。 ()V+V+M+15V15VR53C45R54D14D13Vcc 電流采樣與調(diào)整電路CHB500SLF353+15V+15VR58R56C44R57R55。圖中采用CHV25P型霍爾電壓傳感器對Uh+與Uh之間的焊接電壓進(jìn)行測量，在M端得到相應(yīng)的輸出電流，經(jīng)電阻R4R50轉(zhuǎn)換成0～5V的電壓輸入到單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換口進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換。在實際應(yīng)用過程中，可能工人更喜歡觀看模擬量來進(jìn)行焊接，因此顯示電路也可以考慮使用少數(shù)發(fā)光二極管以步進(jìn)形式表現(xiàn)出焊接電壓以及電流的大小，這樣比數(shù)字更加直觀，而且這樣可以節(jié)省部分電路，降低整個電源的制作成本并且更加提高電路的可靠性。雖然顯示電路不參與對逆變電源的控制，但它對于整個控制系統(tǒng)來講是不可或缺的。焊接電壓預(yù)留預(yù)留預(yù)留送絲速度80C196KCCH0CH1CH2CH3CH4Vcc 參數(shù)預(yù)置電路原理圖其指導(dǎo)思想是：通過旋轉(zhuǎn)改變多圈電位器的阻值，從而獲得與給定參數(shù)值對應(yīng)的電壓，然后通過單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換通道轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的工藝參數(shù)值。同時還增設(shè)了12位專門的D/A轉(zhuǎn)換芯片MAX530，從而把通過單片機(jī)計算獲得的數(shù)字量控制信號轉(zhuǎn)化為模擬電壓控制信號。第三步，在進(jìn)行PI控制的過程中，每隔一定的時間由程序判斷是否結(jié)束焊接過程（此時間段很小，以至于可以認(rèn)為是在實時監(jiān)測焊槍開關(guān)的開合）?？刂葡到y(tǒng)工作過程可分為三個步驟：第一步，首先通過參數(shù)預(yù)置電路給定焊接工藝參數(shù)，如焊接電壓的大小、送絲速度的快慢等，然后經(jīng)過單片機(jī)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道采樣到單片機(jī)中儲存。(2) 通過分析目前適合作軟開關(guān)型全橋式逆變器的串聯(lián)諧振逆變電路、并聯(lián)諧振逆變電路、移相控制全橋逆變電路及高頻諧振環(huán)逆變電路等電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，確立了用移相控制方式實現(xiàn)軟開關(guān)型逆變主電路的設(shè)計方案，并設(shè)計了軟開關(guān)型全橋式逆變主電路。所以電感的電感量取，考慮到通過電感的電流較大，為方便電感制作，減小體積，實際采用兩個電感并聯(lián)?；谝陨峡紤]，當(dāng)輸出電壓較高，輸出電流較小時，一般采用全橋整流方式；當(dāng)輸出電壓較低，輸出電流較大時，一般采用全波整流方式。為了在規(guī)定的輸入電壓范圍內(nèi)保證輸出電壓符合要求，變壓器的初、次級變比應(yīng)該按照最低直流輸入電壓來計算。隨著弧焊逆變器工作頻率的提高，則輸出的電感可減小，而弧焊電源的空載電壓也可以適當(dāng)降低。軟開關(guān)型弧焊逆變器在滿載時二次側(cè)導(dǎo)通比丟失最大，且電源的寄生電阻導(dǎo)致的壓降也最大。對于弧焊變壓器來說，一、二次側(cè)匝數(shù)比值愈高，則IGBT的最大導(dǎo)通電流愈小，高頻變壓器的利用率愈高。② 輸入濾波電感的設(shè)計輸入濾波電感的選取一般根據(jù)經(jīng)驗公式進(jìn)行選擇