收稿日期:1998-06-15 第一作者：男,1972年生，硕士
韦 鲲 魏继昆 李春旭
(甘肃工业大学材料工程系，兰州 730050)
摘 要 以半桥式逆变焊机为例，研制了以80C 552单片机为核心的控制系统，介绍
了该控制系统的控制原理及硬、软件的组成.经过实验研究表明：采用该系统控制自
行研制的ZX7-500IGBT 焊机，焊接参数稳定，电流控制精度为2A，并具有恒流带 关键词 IGBT 单片机 控制 逆变 脉宽调制
分类号 TG455
当前国内外逆变焊机多为模拟控制，存在着控制电路复杂、维修困难等问题.虽然进口焊机质量较有保证，
但价格昂贵.国产逆变焊机存在着返修率高，可靠性较低等问题.为此将微机控制技术应用于逆变焊机中，以确保逆变焊机的动、静特性品质，更进一步体现逆变焊机轻巧和节能的特点[1].本文就研制微机控制的500A 半桥式IGBT 逆变焊机的问题进行了探讨.1 硬件设计
1.1 逆变主电路
所研制的ZX 7-500IGBT 手弧焊机主电路见文[2]，其结构形式为半桥式，使用两个功率开关管IGBT .焊机额定输出电流500A ，额定工作电压40V ，空载电压70V .其工作原理为：当两个IGBT 开关管VT 1,VT 2交替导通时，在变压器原边流过换流电容C 01,C 02的充放电电流，在高频变压器次级感应出电流电压，经次级整流滤波输出直流，完成逆变过程.半桥式主电路工作时，因其电容桥臂中点的电压具有浮动的特点，而造成变压器原边的电压也具有浮动的特点，从而保证变压器正负半周的波形“伏-秒”数相等.而半桥式电路具有较强的抗不平衡能力，不需要在电路中设计专门的祛磁电路.
在所设计的ZX7-500IGBT 焊机中，桥臂换流电容采用多只聚丙烯薄膜电容并联，有利于分流及减小等效阻抗.高频变压器设计成具有中间抽头的结构，相当于两个同样的变压器并联，既解决了输出容量的问题，又增大了有效散热面积.变压器初级回路中串联了可饱和电抗器，实现了IGBT 零电压开通，为焊机大容量输出时降低开关管功耗创造了条件.
1.2 控制系统硬件电路
本文选用荷兰菲利浦公司的MCS-51系列单片机80C552作为控制系统的核心.该单片机是专门为工业控制等实时应用场合而设计的.本文的80C 552控制系统硬件构成框图如图1所示.
第25卷第1期
1999年3月甘 肃 工 业 大 学 学 报Journal of G ansu U niv ersity o f T echnolog y Vo l.25No.1M ar.1999
图1 80C 552控制系统硬件构成框图
焊机上电之后，单片机复位、初始化，然后软启动焊机，建立空载电压.焊接过程中，单片机通过外部接口电路将焊接参数(如电流、电压)进行模数转换和PI 控制运算，控制量从其PWM 0端口输出，经过积分电路(即模数转换电路)进入PWM 脉宽调制器.该调制器输出两路互不重叠的PWM (定频率调脉宽)触发脉冲，经驱动电路去触发IGBT.通过改变IGBT 的导通时间来改变输出电流.所用的脉宽调制器为SG3525芯片，该芯片具有工作电压范围宽、死区时间任意调节的特点，还具有缺相掉电保护功能，因此本控制系统中未再设置缺相保护电路.
焊机中还设计有过热、网压过欠压、IGBT 过流检测及保护电路.因该单片机能捕捉外部信号的上升沿或下降沿而产生中断，利用这一功能可实现对电路故障信号的及时捕捉，从而起到保护作用，并且能自动鉴别不同故障，采取不同的保护措施，并显示报警.
值得一提的是过流检测功能，因所用驱动模块为日本富士EXB841模块，该模块具有过流保护功能.当其检测到IGBT 过流时，就会低速关断IGBT ，同时向外输出报警信号.
2 系统控制软件
2.1 恒流外拖控制算法
实验证明，选择PI 算法能获得满意的恒流带外拖特性，并且动态响应迅速.
PI 算法位置式表达式[3]为
I (k )=I (k -1)+K p [E (k )-E (k -1)+K i E (k )]
式中 I (k )
第k 次控制时的输出 I (k -1)
第(k -1)次控制时的输出 E (k )
第k 次电流采样与给定电流之差 E (k -1)
第(k -1)次电流采样值与给定电流之差 比例系数
・12・甘肃工业大学学报 第25卷
K i 积分系数,K i =T /T i ,T 为采样周期,T i 为积分常数
图2 主程序流程图
外拖特性控制公式为
I t =I g +I t (5-U h /20)K
式中 I t
外拖段电流给定值 I g
恒流段电流给定值 I t
给定外拖趋势值(0～9) U h 电弧电压
K 电流调整系数
外拖拐点电压为10V 左右.
在对K p ,T ,T i 多次整定之后，可以做到系统基本稳
定无静差，焊机外特性完全取决于I g 及I t .
2.2 系统控制软件
系统上电复位，初始化之后首先延时，等主电路上
电冲击消失之后IGBT 开关管导通脉宽由小逐渐增大,
缓慢建立空载电压，这就是软启动.然后系统处于空载
状态.
引弧判断：当负载电压小于10V ，同时负载电流大
于40A 时，系统处于短路引弧阶段.
焊接阶段：恒流特性段，采用电流负反馈控制，调用
PI 控制子程序；外拖特性段，采用电流、电压负反馈控
制，调用PI 控制子程序.当电弧电流I h <40A 时，则表
明要熄弧.
熄弧阶段：减小IGBT 导通脉宽，直至电流为零，然
后再软启动焊机，处于空载状态.
主程序流程图如图2所示.3
试验结果图3 实测焊机的外特性曲线
所研制的ZX7-500IGBT 手弧焊机的外
特性是恒流带外拖静特性，焊接参数稳定，控制精度较高.电流控制精度为2A.
图3为实测焊机的外特性曲线.
用碱性焊条焊接时，通过示波器测试表
明：该焊机动特性好，响应速度快，可满足焊接
工艺对电源特性的要求，焊缝成型较美观，飞
溅小.
该焊机具有控制电路集成度高、结构简单
和整机可靠性高的特点，是一种实用的新型逆
变焊机.・13・第1期 韦 鲲等:80C 552单片机控制IGBT 逆变焊机的研究
致谢：马跃洲老师在实验中给予的指导和帮助.
参 考 文 献
1 赵家瑞.逆变焊接与切割电源.北京：机械工业出版社,1995.283～297
2 李春旭，韦 鲲，魏继昆.电感量对I GBT 逆变焊机可靠性的影响.甘肃工业大学学报,1998,24(4):10～133 陈兆全，林水生.实用微机与单片机控制技术.成都：电子科技大学出版社,1993.11～21
Development of a single chip computer controlled
IGBT inverter power source
W ei K un ,W ei J ikun ,L i Chunx u
(Dept.of M at erials Engineer ing ,G ansu U niv.o f T ech.,Lanzhou 730050)
Abstract T aking a half -bridg e inv erter pow er source for exam ple ,a co ntro lling system is developed using 80C552single chip co mputer as its core unit.The contr olling principle and co nfiguratio n of both hardw ar e and softw are are introduced.It is show n through exper im ental study
that a steady w elding param eter is achieved when the co ntrolling system is used to contro l the ZX 7-500IGBT w elder developed by the authors .T he controlling accuracy fo r cur rent is 2A.This controlling sy stem has a ex ternal characteristic of constant current w ith decent output,and has high responding speed in dy namic characteristics.Key words IGBT,sing le-chip,computer,contr ol,inverter ,pulse w idth modulation(PWM )・14・甘肃工业大学学报 第25卷
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议