【正文】 景會越來越好。采用單片機控制的弧焊逆變電源正在逐步成為產(chǎn)品呈現(xiàn)在廣大用戶面前。采用微機控制的逆變弧焊電源則可消除傳統(tǒng)電子電路的不足，硬件電路設(shè)計簡單，軟件設(shè)計靈活，隨著單片機及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，在單片機上實現(xiàn)在線編程與升級己經(jīng)成為可能，這樣就可以方便地對原有程序加以修改和更新，以適應(yīng)不同焊接工藝的要求，增加了焊接的柔性與適應(yīng)性。特別是在先進(jìn)的逆變式焊接與切割電源上配以微機控制己成為當(dāng)今焊接與切割電源發(fā)展的主流。 (2) 計算機技術(shù)的發(fā)展使數(shù)字化逆變焊接電源成為未來發(fā)展趨勢計算機技術(shù)及通信技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了各個學(xué)科的發(fā)展和進(jìn)步，大規(guī)模集成電路（LSI）與超大規(guī)模集成電路（VLSI）制造技術(shù)水平不斷得到提高，微機的應(yīng)用已普及到每個角落。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(jìn)，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。逆變電源運用先進(jìn)的功率電子器件和高頻逆變技術(shù)，比傳統(tǒng)的工頻整流電源材料減少80%～90%，節(jié)能20%～30%，動態(tài)反應(yīng)速度提高2～3個數(shù)量級。1982年華南理工大學(xué)所研制出的ZX7SO型場效應(yīng)管手工弧焊逆變器，接著成都電焊機研究所、清華大學(xué)等單位也相繼有弧焊逆變器樣機通過鑒定。在我國，弧焊逆變器方面的研究工作開展較早，發(fā)展十分迅速。1993年德國埃森國際焊接與切割博覽會上，展出了各種規(guī)格和用途的弧焊逆變器，其應(yīng)用范圍包括手工焊、TIG焊、MIG/MAG焊、二氧化碳焊等。1982年瑞典的ESAM公司率先推出了晶閘管弧焊逆變器產(chǎn)品。1978年，美國首次研制成功了300A晶閘管弧焊逆變器，1981年又出現(xiàn)晶體管式弧焊逆變器。關(guān)鍵詞:高頻電源；逆變電源；UC3875；移相控制AbstractThe paper firstly introduces the history, development, actuality about the arc welding inverter and forecasts the foreground and trend of it. That is to develop the inverter power source controled by microputer which adopts softswitches. This researching task is put forward on the base of discussing the characteristics and virtues of the arc welding inverter.The paper chooses the main circuit of a inverter power source. That is a fullbridge configuration which cooperate with high frequency transformer and mutator. The design about high frequency transformer is given. The characteristics and virtues of IGBT are also studied. The amplified circuit and the muted circuit are designed. The paper mostly researches and designs the softswitch control system. The microprocessor 80C196KC is the control kernel. The phaseshift chip UC3875 is adopted to produce four phaseshift pulse width modulate. Based on needs of cot welding, the control system samples the welding voltage by Hall element Voltage Sensors. The 80C196KC calculates dates and the chip MAX530 converts them into analogy signal, which is then modulated by UC3875 into four phaseshift pulses. At last the pulses are used to spring IGBT after they are magnified. The function of peripheral circuits and the function of all parts of system are given in the paper. These circuits include the microprocessor circuit,the circuit used to give parameters and to show them, the PWM circuit, the circuit used to magnify. In addition, the safeguard circuit that mainly consists of overcurrent 。論文中給出了相關(guān)的實驗波形，并對實驗波形進(jìn)行了分析、說明。論文中對控制系統(tǒng)組成單元電路一一作了詳細(xì)的說明，包括單片機最小系統(tǒng)、參數(shù)預(yù)置與顯示電路、移相PWM產(chǎn)生電路、驅(qū)動電路等，另外，對控制系統(tǒng)中涉及到的過流保護(hù)、過/欠壓保護(hù)、過熱保護(hù)電路也作了必要的說明。論文主要闡述和設(shè)計了一個高頻直流焊機電源，電源控制系統(tǒng)以80C196KC為核心，采用移相PWM控制，逆變電源的軟開關(guān)實現(xiàn)是通過相移芯片UC3875產(chǎn)生具有一定相序的脈沖去觸發(fā)IGBT，保證其在零電流或零電壓下通斷。摘 要根據(jù)目前高頻開關(guān)電源的研究現(xiàn)狀，通過對比適合作軟開關(guān)型逆變器的不同主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最終選取IGBT為逆變功率器件，采用能夠輸出較大功率的全橋式結(jié)構(gòu)，配以高頻變壓器和高頻整流電路構(gòu)成本課題的主電路系統(tǒng)，并對高頻大功率開關(guān)電源的主電路和控制電路進(jìn)行了理論設(shè)計和參數(shù)估算。在主電路分析中主要討論了高頻變壓器的設(shè)計，介紹了IGBT的特性，并對驅(qū)動電路、輸出整流電路的設(shè)計要求進(jìn)行了分析、研究。針對CO2氣體保護(hù)焊需要，系統(tǒng)通過霍爾電壓傳感器采樣焊接電壓，并將焊接電壓反饋輸入到單片機中與預(yù)置電壓進(jìn)行比較，再將誤差經(jīng)過PI運算，獲得相應(yīng)的控制量，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換，輸入到UC3875，最后通過UC3875的移相調(diào)節(jié)輸出有一定相序的脈沖，經(jīng)過驅(qū)動電路放大，最后觸發(fā)IGBT通斷，系統(tǒng)通過采用電壓反饋實現(xiàn)電源恒壓外特性控制?？刂葡到y(tǒng)經(jīng)過一定的實驗調(diào)試，得到了初步結(jié)果。論文針對本次設(shè)計的控制系統(tǒng)的后續(xù)研究工作提出了進(jìn)一步實驗及完善的建議，為研究大功率高頻電源奠定了一定的基礎(chǔ)。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(biāo) 32 弧焊逆變電源主電路選擇與設(shè)計 5 主電路拓?fù)浣Y(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(hù)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(jìn)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(xiàn) 561 緒論 弧焊逆變電源的發(fā)展與展望早在20世紀(jì)70年代初逆變器已應(yīng)用于中頻加工領(lǐng)域。到了80年代，隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，以功率MOSFET、絕緣柵雙極性晶體管IGBT為代表的自關(guān)斷功率開關(guān)器件取得了長足的進(jìn)步。之后，美國的Lincoln, Miller, Powcon公司，芬蘭的Kemppi，瑞士的ELTRON，日本的大坂變壓器公司等國際著名的焊接設(shè)備公司都相繼推出了各自的弧焊逆變器產(chǎn)品。容量在130A～630A之間，逆變頻率為2～20KHz。70年代末我國著手研制晶閘管式弧焊逆變器，80年代初取得初步成果。近幾年來，國內(nèi)弧焊逆變器的發(fā)展迅速，前景十分樂觀，國內(nèi)己出現(xiàn)了時代新技術(shù)公司，上海威特力焊接設(shè)備公司等一些上規(guī)模上檔次的弧焊逆變器生產(chǎn)企業(yè)。這種“明天的電源”正在以極高的速度變成今天的電源。電力電子器件制造水平的提高必將促使弧焊逆變器向著高頻率、大容量、小型化的方向發(fā)展。近10年來，利用微機進(jìn)行設(shè)計、制造焊接與切割電源有很大進(jìn)展。微機控制的焊接電源有很多優(yōu)點，一般的逆變弧焊電源控制電路都是以集成電路為主的模擬控制技術(shù)，存在硬件電路復(fù)雜，安裝維修困難，功能開發(fā)受到限制等問題。微機以其較高的可靠性和性能價格比將深入到焊接控制的各個領(lǐng)域，應(yīng)用微機控制技術(shù)可使焊機向多功能化、智能化的方向發(fā)展；并且隨著微機技術(shù)、DSP芯片技術(shù)及其他數(shù)字信號處理技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，弧焊電源將向著數(shù)字化的方向邁進(jìn)，焊機性能和適應(yīng)性將進(jìn)一步得到提高。以微機技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)字化焊接電源即將成為弧焊逆變電源未來重點研究和發(fā)展的對象，建立性能優(yōu)化和智能控制的弧焊電源專家系統(tǒng)將大大提高弧焊逆變器的各種性能。(3) 軟開關(guān)技術(shù)的實現(xiàn)是逆變焊接電源發(fā)展的重要方向弧焊逆變器的另一發(fā)展趨勢是研究旨在降低開關(guān)器件的功耗、減少電磁干擾的軟開關(guān)式零電壓、零電流開關(guān)（ZVZCSPWM）弧焊逆變器。由于采用軟開關(guān)技術(shù)可以進(jìn)一步提高逆變焊機工作頻率，大大降低開關(guān)器件功耗，因此采用此種方式的弧焊逆變器具有比硬開關(guān)型弧焊逆變器更小體積、更高效率、更小噪聲、更低成本的優(yōu)點，而作為實現(xiàn)這種軟開關(guān)方式的手段，有諧振型開關(guān)電源技術(shù)和部分諧振型開關(guān)電源技術(shù)，而后者很可能會成為今后弧焊逆變電源采用的主要技術(shù)。綜上所述，將逆變技術(shù)和微機技術(shù)結(jié)合應(yīng)用到焊接領(lǐng)域是今后焊機發(fā)展的方向，用軟開關(guān)技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬開關(guān)技術(shù)必將成為逆變電源的一個重要發(fā)展趨勢。因此我們有必要在這方面做一些有益的探討，為我國民族工業(yè)的發(fā)展盡微薄之力。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(jìn)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。(3) 焊接回路濾波電抗器的電感量因頻率的提高而大大減小，故減小了時間常數(shù)。效率可達(dá)80～90%，空載損耗極小。(6) 具有良好的動特性和弧焊工藝性能，可以設(shè)計出最合適的外特性曲線形狀，并根據(jù)焊接工藝要求對外特性和動特性進(jìn)行任意控制，以適用于各種不同的焊接方法，做各種位置的焊接，獲得優(yōu)良的焊接工藝性能和焊接結(jié)果。所研制的逆變焊機微機控制系統(tǒng)，其對應(yīng)控制的逆變主電路為全橋式逆變結(jié)構(gòu)，頻率為20KHz。通過對研究對象的分析和設(shè)計，本控制系統(tǒng)應(yīng)具有以下基本功能:(1) 向逆變焊機主電路開關(guān)管IGBT提供所需的前后沿陡峭、相位差180176。(2) 能夠控制輸出弧焊工藝所要求的電氣性能（外特性、動特性和波形）。(4) 具備參數(shù)預(yù)置、顯示和實時檢測功能。(6) 具有較強的軟、硬件抗干擾能力。該設(shè)計任務(wù)完成以后，就可以搭建一套逆變電源控制系統(tǒng)實驗平臺，為今后研究數(shù)字化軟開關(guān)型弧焊逆變電源奠定基礎(chǔ)，也為后續(xù)焊機試驗工作創(chuàng)造一定的條件。逆變電源控制系統(tǒng)研究必須以一定的逆變主電路為基礎(chǔ)，因此有必要對逆變主電路進(jìn)行討論和研究。常用的弧焊電源主電路實質(zhì)上是由三個轉(zhuǎn)換器組成，即：交流→直流整流器；直流→交流逆變器；交流→直流整流器，