一种YAG激光焊接电源教学实验及过级考试平台

本发明属于激光焊接工业应用技术领域，具体涉及一种YAG激光焊接电源教学实验及 过级考试平台。

由于YAG激光焊接电源是一套高电压大电流的设备，在教学上应用存在一定的安全危 险性，目前的YAG激光焊接电源的教学设备主要是把一台工业应用的YAG激光焊接电源平 铺安装，然后放置在一个封闭的透明的展示箱里，学生只能看不能上手操作电路，或者亲 自动手连接线路进行实验，这样就限制了学生的动手操作能力的训练。

本发明的目的在于提供一种YAG激光焊接电源教学实验及过级考试平台，以解决上述 背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种YAG激光焊接电源教学实验及过级 考试平台，包括上位机电性连接、学生实验考试低压小电流故障模拟模块、YAG激光焊接 实体电源、学生实验考试低电压小电流模拟电路、检测电路、故障模拟电路，所述YAG 激光焊接实体电源、学生实验考试低电压小电流模拟电路、学生实验考试低压小电流故障 模拟模块均通过CAN总线与上位机电性连接，所述学生实验考试低压小电流故障模拟模 块22包括检测电路和故障模拟电路。

优选的，所述YAG激光焊接实体电源的总体电路包括220V交流市电、大电流空芯功 率电感器、LP1为氙灯、IGBT模块、回路续流二极管、IGBT驱动保护电路、主控模块、 霍尔电流互感器模块，所述220V交流市电的一端连接在D1、D2之间，所述C1、C2分 别于D1、D2连接，所述220V交流市电的另一端连接在C1、C2之间，所述霍尔电流互 感器模块分别与主控模块和大电流空芯功率电感器连接，所述IGBT驱动保护电路分别与 主控模块及IGBT模块连接，所述氙灯连接在IGBT模块和大电流空芯功率电感器之间， 所述回路续流二极管连接在霍尔电流互感器模块和氙灯的两端。

优选的，所述学生实验考试低电压小电流模拟电路包括9V交流电源、小电流功率电 感、大功率LED、小功率IGBT、回路续流二极管、霍尔电流互感器、IGBT驱动保护电路、 实验电路主控模块、双触头继电器，所述实验电路主控模块与分别于IGBT驱动模块和大 功率LED连接，所述9V交流电源的一端连接在C1、C2之间，所述9V交流电源的另一 端连接在D1、D2之间，所述霍尔电流互感器连接在小电流功率电感和D1的两端，所述 回路续流二极管连接在大功率LED和霍尔电流互感器的两端，所述IGBT驱动保护电路连 接在主控模块和小功率IGBT之间，所述电路中每一条连线都增加了一个双触头继电器， 所述继电器触头串联在连接线的两端。

本发明的技术效果和优点：该发明通过用一套在安全电压下的低电压低电流电路模拟 实体的高电压高电流电源电路与实体电源同步工作。把本发明应用于教学上，不仅能让学 生看到YAG激光焊接电源的实体，而且还能在绝对安全的情况下让学生在模拟电路平台下 搭建像实体电源电路一样的电子线路进行实验，并且在学生上电操作之前能够在线自动检 测出电子线路连接是否正确，从而避免了因为连接不当而造成电子元器件烧坏的后果；本 发明还能够自动模拟产生各种电路故障让学生去寻故障点排除故障，培养学生的问题解 决能力；与此同时在过级考试时能够自动地从命题库里出题，自动的把学生考试成绩以及 所动手搭建的电子线路图能够以文档的方式保存下来，为学生成绩查档保留依据。

图1为本发明结构示意图；

图2为YAG激光焊接实体电源的总体电路；

图3为学生进行动手实验操作电路；

图4为检测电路；

图5为电子线路错误的一种连接；

图6为电子线路错误的一种连接；

图7为电子线路错误的一种连接。

图中：21上位机电性连接、22学生实验考试低压小电流故障模拟模块、23YAG激光 焊接实体电源、24学生实验考试低电压小电流模拟电路、25检测电路、26故障模拟电路。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地 描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本 发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实 施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了如图1所示的一种YAG激光焊接电源教学实验及过级考试平台，包括上 位机电性连接21、学生实验考试低压小电流故障模拟模块22、YAG激光焊接实体电源23、 学生实验考试低电压小电流模拟电路24、检测电路25、故障模拟电路26，所述YAG激 光焊接实体电源23、学生实验考试低电压小电流模拟电路24、学生实验考试低压小电流 故障模拟模块22均通过CAN总线与上位机21电性连接，所述学生实验考试低压小电流 故障模拟模块22包括检测电路25和故障模拟电路26。

本发明的总体设计框图如图1，YAG激光焊接实体电源的总体电路如图2，图中4 为220V交流市电输入，经过D1，D2及C1，C2倍压整流后产生的总线直流电压Vbus大约 为620V，L1为180uH的大电流空芯功率电感器，LP1为氙灯，Q1为400A/1200V的IGBT 模块，D3为回路续流二极管，1为IGBT驱动保护电路，2为主控模块，3为额定电流为400A 的霍尔电流互感器模块。电路工作控制原理为：设定给定的参考电流，由霍尔电流互感器 量测主回路电流回馈给主控器，主控制器通过PWM控制IGBT，使回路中流过氙灯的电流稳 定于设定的参考电流。

由于YAG激光焊接实体电源总线电压Vbus达到620V，主回路电流最大可达到400A， 如此大的电压电流不适合应用于学生教学实验，所以本解决方案中增加了一套在安全电压 下的低电压小电流实验电路，其电路原理和实体电源的电路原理完全相同，模拟实验电路 模块与实体电源电路模块通过CAN总线进行通信实现操作控制同步；同时为了能够在线 自动检测学生所搭建连接的电子线路，在电路中每一条连接线的两端各串接一个可控制的 开关，这种可控制开关可使用但不限于MOSFET、继电器等，本解决方案使用了一个双触 头继电器，继电器触头各串联在连接线的两端，这样在检测连接线时就可以把这条连接线 与电路中其它连接线隔离开，就可以单独的测量这条连接线是否正确连接。用于学生进行 动手实验操作的电路如图3所示，图中5为9V交流电源，其经过倍压整流后产生的总线 直流电压Vbus大约为25V，L2为180uH的小电流功率电感，LP2为一个额定电流为1A前 向压降为6V的大功率LED用来代替氙灯，Q2为10A/600V的小功率IGBT，D4为回路续流 二极管，6为额定电流为1A的霍尔电流互感器，7为IGBT驱动保护电路，8为实验电路主 控模块，S为继电器常闭触头。其工作控制原理和实体电源的控制原理相同。为了让实验 模拟电路和实体电源电路同步运行工作，使学生感觉到控制模拟电路就像在控制实体电源 一样，用CAN总线把实验模拟电路和实体电源电路连接在一起进行通信，操作设置实体电 源上的参数，实体电源上的主控制器通过CAN通信就会把同样的参数传送到实验模拟电路 的主控制器，操作执行实体电源的每一个动作都会通过CAN总线通知实验模拟电路，这样 就达到了总体同步。

为了能够在线实时检测实验模拟电路的电子连接线路，还需要增加检测电路，如图4 所示，连接线与连接线之间的交点称为端点，实验平台上的连线插座与端点连接，实验电 路中每个端点有几条连接线与之连接则此端点就安装有几个连线端子插座，或者最多多出 一个连线端子插座(如对地的接线端子座，多出一个作为其它检测用端子)，检测每一条 连接线以端点为检测单位，每个端点都有17这样一个检测电路，图中S为继电器常闭触 头，10，11为实验平台端点连线插座，12，13为需要正确的连接线，23中的9为由实验 模拟电路主控模块控制的输出线路检测电压，电压值为5V，连线的另一端点21中的14 为由实验模拟电路主控模块控制的输出使能检测电平信号，U1为一个比较器，Vref为比 较器参考电压--2.5V，15为比较器输出信号。为了方便说明连接线检测原理，约定如下术 语：1.在检端点：正在检测本端点是否与其它端点有连接线的端点为在检端点，例如图4 中正要检测端点10与其它端点(如端点11，、19、22)是否有连接线连接，则端点10为 在检端点。2.扫描端点：扫描检测非在检端点的其它端点是否与在检端点有连接线连接称 为扫描端点。3.端点检测电压信号：实验模拟电路主控模块控制输出到在检端点23中9 的电压，端点检测电压信号为5V时有效，0V时无效；任意时刻有且仅有一个端点检测电 压信号有效，或者全部无效。4.端点扫描使能信号：实验模拟电路主控模块控制输出使能 信号到扫描端点21中的14检测电平信号，允许检测本扫描端点是否与在检端点有连接线 连接，当电平信号为高电平时为使能信号有效，低电平时为使能信号无效；任意时刻有且 仅有一条连接线检测使能信号有效，或者全部无效；在扫描检测扫描端点期间，在检端点 23中的9端点检测电压保持有效。任意时刻同一端点的端点检测电压和端点扫描使能信号 不能同时有效。

连接检测电路工作原理如下：当学生把要试验的电路连接好后，按下启动按钮让电路 工作，主控模块检测到启动信号后，此时主控模块还不允许实验电路工作，它先输出信号 让所有继电器动作，把所有常闭触点断开，然后逐个端点检测，例如图4中端点10与端 点11之间12连线为正确连接，现在检测端点10的连接状态，此时端点10为在检端点， 主控制器输出端点检测电压信号有效到端点10上，同时输出端点扫描使能信号有效到端 点11上，如果12有正确的连接线，此时因为14为高电平，PNP三极管Q3E-C极连通， 这样端点检测电压信号9经过D5，R1(＝1K)，连接线12，R2(＝1K)，PNP三极管Q3， R3(＝100K)，(R4＝30K，R5＝30K，R6＝10K)最后连接到地，这样在16产生的电压将 会高于参考电压Vref，比较器U1输出15就会输出一个高电平；如果12没有连接线连接 则15的输出就是低电平。所以当主控模块输出端点检测电压信号到9有效，端点扫描使 能信号到14有效后，在15检测到高电平则12就有正确的连接线连接，如果为低电平就 没有连接线连接。之后实验模拟电路主控制器输出端点扫描使能信号依次扫描检测其它剩 余没有检测到的端点，如果其它端点的17中15有高电平输出则此端点与本在检端点有连 接线连接，如果为低电平则没有连接。

图5，图6，图7为电子线路错误连接的示意图。

如果只是作为学生实验应用，则实验模拟电路就可以完成了各种线路故障的模拟，因 为电路中的每一条连接线都有一个继电器与其连接，这些继电器又是可以单独控制的。但 是当进行过级考试时，如果学生所连接的电路不正确，则电路就不能正常工作，所以电路 就不能模拟故障让学生进行故障排查的题目考试。为了解决这个问题，本套设备又增加了 一套电路和实验模拟电路一模一样，称之为故障模拟电路，故障模拟电路中的每一个连接 线的端点都和实验模拟电路相对应的端点连接，这样故障模拟电路就好像实验模拟电路的 影子一样。在正常情况下，故障模拟电路中的所有继电器触点是断开的，故障模拟电路不 参加工作，这样就不会影响到实验模拟电路的运行，只有在故障排查题目考试时它才参与 工作。当故障模拟电路工作时，实验模拟电路的所有继电器全部断开，使实验模拟电路不 影响故障模拟电路的正常运行。故障模拟电路中主控模块控制某个继电器断开触点就模拟 出相关联的线路出现了故障，当学生到了故障点的正确位置，就说明其能正确排除了故 障。

为了便于老师对学生过级考试的命题以及学生考试档案等管理，上位机有专门的应用 管理软件用来编写命题题库以及学生考试成绩档案数据库，通过CAN总线下发命题库给YAG 激光焊接实体电源主控模块，学生的考试成绩也通过CAN总线由实体电源主控模块上传给 上位机数据库。由于本方案实现了学生连接实验电路的在线自动检测，这样学生考试所要 求完成的动手连接线路图的自动归档成为了可能，实体电源主控模块对实验模拟电路进行 完全控制，实验模拟电路的所有控制指令都是由实体电源主控模块来执行，考试连接线路 的在线自动检测由实体电源主控模块和实验电路主控模块协同完成，连接线路中的每一条 连线，每一个元器件都编成唯一的编码，实体电源把这些编码上传给上位机，上位机管理 软件自动把它转化为CAD的dxf文件格式保存起来。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽 管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以 对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡 在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的 保护范围之内。