【正文】 的。模塊內(nèi)部集成有欠飽和保護電路，通過檢測IGBT漏極與源極電壓降實現(xiàn)IGBT的欠飽和保護。IGBT屬壓控器件，當(dāng)集射極間加有高壓時，很容易受外界干擾，使柵極電壓超過UGE（th），引起器件誤導(dǎo)通。主程序用來實現(xiàn)對上述焊接過程的進度控制，而中斷服務(wù)程序則實現(xiàn)對焊接過程中發(fā)生的各種故障的響應(yīng)和相應(yīng)處理。采用“比例+積分”作用的控制算法，簡稱PI控制算法，其傳遞函數(shù)可表示為： ()式中Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時間常數(shù)。(2) 控制狀態(tài)失靈。轉(zhuǎn)變到U0H的時刻更為突出。常用的硬件抗干擾技術(shù)有：濾波技術(shù)、去耦技術(shù)、屏蔽技術(shù)、隔離技術(shù)及接地技術(shù)。單片機控制系統(tǒng)必須長期穩(wěn)定、可靠地運行，否則將導(dǎo)致控制效果變差，嚴重時會使系統(tǒng)失靈，甚至造成巨大的損失。但是單純的積分作用動作過于遲緩，過度時間過長。當(dāng)EXB841的6腳檢測到IGBT的集射極電壓大于7. 5V時，則認為有過流情況發(fā)生，EXB841通過其5腳輸出一個高電平信號，這一信號一方面?zhèn)鬏數(shù)経C3875的5腳迫使UC3875關(guān)斷PWM移相輸出，從而關(guān)斷IGBT的功率輸出；另一方面則加到LM339的同相輸入端，引起LM339輸出狀態(tài)改變，改變的狀態(tài)輸入到單片機的NM工中斷口，產(chǎn)生中斷服務(wù)。在實際電路連接中，驅(qū)動輸出端串聯(lián)電阻對于IGBT的通斷的影響很大。過流保護電路AMP EXB481內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖23168415145EXB841是混合式高速集成驅(qū)動器，：模塊僅需單電源（+20V接2腳）供電，通過內(nèi)部5V穩(wěn)壓管可為IGBT提供+15V開柵電壓和5V關(guān)柵電壓。(1) 頻率設(shè)置UC3875內(nèi)部頻率振蕩器可工作在自激振蕩或外部同步狀態(tài)，對于自激振蕩，頻率設(shè)置端16腳外接電阻R35和電容C29，通過調(diào)節(jié)并接在16腳的電阻和電容可以任意設(shè)置需要的工作頻率。圖中采用CHB500S型霍爾電流傳感器對焊接電流進行測量，由M端輸出相應(yīng)的電流經(jīng)過R53轉(zhuǎn)換為電壓，再經(jīng)過LF353放大器隔離，輸出0～5V的電壓值加到單片機的A/D口，最后經(jīng)過A/D采樣和轉(zhuǎn)換得出相應(yīng)的焊接電流。由于單片機D/A通道所采集的電壓信號范圍是0～5 V，因此采用了如圖所示的電路。(3) 對逆變主電路中關(guān)鍵性器件功率開關(guān)管的開關(guān)特性，安全工作區(qū)，驅(qū)動條件等進行了對比研究、討論，對高頻變壓器選材和參數(shù)進行了分析、計算，確定了以IGBT作為逆變電路的開關(guān)元件，設(shè)計和計算的變壓器變比適合實際需要，能夠滿足弧焊電源設(shè)計要求。這樣不僅可以保證引弧成功率，而且可以增大弧焊變壓器變比，從而提高了變壓器的效率。推算方法如下：輸入整流后面的電路每個周期中所需的能量約為： J ()式中A為輸入交流電壓的相數(shù)，單相輸入時A=1，三相輸入時A=3；每半個周期輸入濾波電容所提供的能量為： ()可得輸入濾波電容的容量為： μF ()從控制紋波角度考慮，也可驗證此結(jié)果也滿足紋波要求。ce 過流保護原理圖電壓檢測IGBT是一種安全工作區(qū)寬，使用簡單的功率元件，但負載電流過大時能夠承受的時間很短，而且開關(guān)速度高易產(chǎn)生浪涌電壓，因此使用IGBT時一般要采用過流保護電路和浪涌箝位電路。IGBT發(fā)生擎住效應(yīng)后，集極電流增大，造成過高的功耗，導(dǎo)致器件損壞。在該區(qū)中，漏極電流Ic幾乎不變，其大小取決于UGE。我們對常用的普通晶閘管（SCR）、可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力晶體管（GTR）、功率MOSFET、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等器件的主要性能指標進行比較：(1) 輸出功率與工作頻率 MOSFETGTOP/W108106105107104106f/HzSCIGBTGT 器件輸出功率與工作頻率的關(guān)系 。④ 初、次級繞組的損耗應(yīng)相等，銅損與鐵損也應(yīng)相等，損耗應(yīng)足夠低。移相控制實現(xiàn)零電壓開通的工作原理是這樣的：假定負載是感性的，根據(jù)控制時序，VT1管先導(dǎo)通，VT2經(jīng)過一定的移相角后導(dǎo)通，電流由電源正極出發(fā)，流經(jīng)VT1管從A點流到B點經(jīng)VT2流向電源負極，此時電源向負載輸出功率。這兩種主電路既可以實現(xiàn)零電壓開關(guān)，也可以實現(xiàn)零電流開關(guān)，其具體實現(xiàn)要根據(jù)頻率大小和負載情況而定。 逆變主電路拓撲性能比較/推挽式全橋式半橋式單端式功率開關(guān)管集射極間施加電壓穩(wěn)態(tài)為2E，漏感引起的尖峰使Vcemax＞2E穩(wěn)態(tài)為E，二極管箝位Vcemax≤E同全橋截止期二極管箝位Vcemax=E輸出相同功率時集電極電流IcIc2Ic2Ic功率開關(guān)管數(shù)量2421輸出濾波電容數(shù)量1121獲得的輸出容量大大中等中、小 軟開關(guān)技術(shù)在逆變電源中的應(yīng)用在常規(guī)的PWM逆變電路中，電力電子開關(guān)器件在大電壓下導(dǎo)通，大電流下關(guān)斷，處于強迫關(guān)斷過程，這種逆變電路被稱之為硬性開關(guān)電路。(6) 具有較強的軟、硬件抗干擾能力。頻率的大幅度提高減小了變壓器的體積和重量，節(jié)約了大量的材料，提高了功率因數(shù)，節(jié)省了電能，并且給弧焊逆變器的電氣性能、弧焊工藝性能帶來了明顯的好處：(1) 因為頻率高，交變電流過零的時間短，電流換向和熄弧期間由于熱慣性使得電弧空間的殘余熱場可以保持在較高的水平，這樣變換極性后電弧空間重新進行氣體放電所需的電場強度可以降低，從而有助于交流電弧的穩(wěn)定性。近10年來，利用微機進行設(shè)計、制造焊接與切割電源有很大進展。overheat, overvoltage and lowvoltage circuit are studied and designed in the paper.At last, some experiments about this control system are advised to do in the future and some improved advices are put forward so as to overing deficiency of the system and expected to make the whole system more reliable and more ideal.Key words: High frequency power supply, Inverter power sourse, UC3875, Phaseshift目 錄摘 要 IAbstract II1 緒論 1 弧焊逆變電源的發(fā)展與展望 1 1 1 弧焊逆變電源的特點和優(yōu)點 3 本課題研究對象及設(shè)計方案與設(shè)計目標 32 弧焊逆變電源主電路選擇與設(shè)計 5 主電路拓撲結(jié)構(gòu)選擇 5 軟開關(guān)技術(shù)在逆變電源中的應(yīng)用 6 6 7 7 軟開關(guān)型弧焊逆變器高頻變壓器的設(shè)計 11 11 開關(guān)器件的選擇 12 12 15 IGBT對驅(qū)動電路的要求 18 抗干擾及吸收保護電路設(shè)計 18 18 19 主電路參數(shù)計算 19 19 21 21 22 小結(jié) 233 軟開關(guān)型弧焊逆變器控制系統(tǒng)研究與設(shè)計 24 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理 24 控制系統(tǒng)硬件電路 25 25 25 26 27 UC3875移相脈寬調(diào)制電路 28 31 33 軟開關(guān)型控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 35 35 PI控制算法 36 小結(jié) 374 控制系統(tǒng)可靠性研究與抗干擾設(shè)計 38 抗干擾技術(shù)原理 38 38 39 42 控制系統(tǒng)抗干擾設(shè)計 44 44 45 46 47 47 47 小結(jié) 495 系統(tǒng)調(diào)試及建議 50 控制系統(tǒng)調(diào)試 50 50 50 52 進一步研究和完善系統(tǒng)的幾點建議 52 小結(jié) 53結(jié) 論 54致 謝 55參 考 文 獻 561 緒論 弧焊逆變電源的發(fā)展與展望早在20世紀70年代初逆變器已應(yīng)用于中頻加工領(lǐng)域。論文中給出了相關(guān)的實驗波形，并對實驗波形進行了分析、說明。就弧焊逆變器本身來說，歸納起來其發(fā)展方向主要有:(1) 器件創(chuàng)新推動逆變器向著輕量化、大容量方向發(fā)展隨著微電子技術(shù)和材料學(xué)科的迅速發(fā)展，功率開關(guān)器件、輸出整流器、快速整流二極管等器件性能不斷改進，在器件容量加大的基礎(chǔ)上，其頻率也在提高，不僅能夠獲得更好的電氣特性，而且控制性能不斷得到優(yōu)化。目前，國外在這方面的結(jié)合做的較好，美國、日本、德國、瑞典等發(fā)達國家都己有較為成熟的微機控制逆變焊機問世，而在國內(nèi)，這方面還處于實驗室研究階段。(3) 具有過流、過熱和過、欠電壓等故障診斷和處理功能。但是對于推挽式主電路結(jié)構(gòu)，它的功率開關(guān)管集射極之間承受的電壓在穩(wěn)態(tài)時為2倍的直流輸入電壓E，而其漏感引起的尖峰電壓VCEmax＞2E。目前適合采用軟開關(guān)技術(shù)的全橋逆變電路有：全橋串聯(lián)諧振逆變電路；全橋并聯(lián)諧振逆變電路；高頻直流諧振環(huán)逆變電路；移相控制的全橋逆變電路。時，輸出最大。(1) 在設(shè)計高頻變壓器時，必須滿足以下要求：① 變壓器初、次級繞組變比應(yīng)滿足要求，即輸入電壓最低時，仍能得到所需的輸出電壓。 不同磁芯材料主要性能指標對照名稱規(guī)格飽和磁感應(yīng)強度Bs（T）鐵損（W/kg）磁密度 βr/Hc矯頑磁力βr/B電阻率β（μΩcm）臨界磁滯伸縮系數(shù) λs*106硅鋼片D334*1044710鐵氧體MX02000/17*1041*1053000非晶態(tài)Fe80B203210414531 開關(guān)器件的選擇功率開關(guān)器件的品種繁多，性能指標相差很大。（UCE—通態(tài)壓降，Ic—漏極電流）。于是寄生晶體管開通，門極失去控制作用，這就是所謂的擎住效應(yīng)。(4) 驅(qū)動電路應(yīng)具有較強的抗干擾能力及對IGBT的保護功能。(2) 輸入濾波電容和電感的設(shè)計① 輸入濾波電容的設(shè)計輸入濾波電容（C1）主要起濾波和平滑直流輸出電壓，減小其脈動的作用，因此輸入濾波電容的選擇是比較關(guān)鍵的。二是選擇合適的空載電壓。 小結(jié)本章內(nèi)容主要針對弧焊逆變器主電路系統(tǒng)進行分析設(shè)計和參數(shù)計算:(1) 在對比不同拓撲結(jié)構(gòu)主電路性能基礎(chǔ)上選擇適合本課題研究的主電路結(jié)構(gòu)形式為全橋式拓撲結(jié)構(gòu)。電路設(shè)計中74LS373芯片起對低8位地址進行鎖存作用；MAX530芯片采用“8+4”方式進行D/A轉(zhuǎn)換；而MAX705在單片機最小系統(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200ms的低電平復(fù)位脈沖寬度，足以使單片機可靠復(fù)位。其中D1和D2起限壓作用，使輸入至單片機A/D轉(zhuǎn)換口的電為0～5V?！?80176。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。⑥ EXB841中設(shè)置負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。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）標準值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的高速輸入口引起單片機中斷，進而產(chǎn)生相應(yīng)的保護措施。(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。弧焊逆變器是一個強、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。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)計的重要補充。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。由于在單片機控制系統(tǒng)中內(nèi)部RAM存儲器和外部擴展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。 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。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。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。② IGBT的柵射極回路連接線一定要小于1M，并且要用絞合線。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的過流保護電路起作用，迫使UC3875輸出截止，進而導(dǎo)致IGBT關(guān)斷不再輸出功率。它能提供0～100%占空比的移相控制，并且有必要的保護、譯碼及驅(qū)動功能。在實際應(yīng)用過程中，可能工人更喜歡觀看模擬量來進行焊接，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。第三步，在進行