基于LLC的一体化脉冲MIG焊电源系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了基于LLC的一体化脉冲MIG焊电源系统及其控制方法，包括三相交流输入电网、人机界面模块、主控制模块，脉冲峰值模块、脉冲基值模块和电弧负载；所述脉冲峰值子模块包括主电路、驱动模块、故障保护模块、电压电流检测模块；所述主控制模块包括DSP数字化控制模块，所述DSP数字化控制模块分别与故障保护模块、驱动模块和电压电流检测模块相连接，所述主控制模块根据脉冲时序控制驱动模块，实现对脉冲基值模块和脉冲峰值模块满载输出的交替开关切换，本发明专利技术结构简单消除分体式系统结构复杂的缺点；抗干扰能力强，解决分体式结构中子系统相互通信方式容易受干扰等问题；改善了工作条件，降低了电磁干扰，提高了整机效率。

Integrated Pulse MIG Welding Power Supply System Based on LLC and Its Control Method

The invention discloses an integrated pulse MIG welding power supply system based on LLC and its control method, including three-phase AC input grid, man-machine interface module, main control module, pulse peak module, pulse base module and arc load; the pulse peak electronic module includes main circuit, driving module, fault protection module and voltage and current detection module; the main control module includes D. SP digital control module, the DSP digital control module is connected with the fault protection module, the drive module and the voltage and current detection module respectively. The main control module controls the drive module according to the pulse sequence to realize the alternating switch switch switch between the full-load output of the pulse base module and the pulse peak module. The structure of the present invention is simple and eliminates the disadvantage of the complex structure of the split system. It has strong anti-jamming ability, solves the problems of easy interference in communication mode between subsystems in split structure, improves working conditions, reduces electromagnetic interference, and improves the efficiency of the whole machine.

【技术实现步骤摘要】
基于LLC的一体化脉冲MIG焊电源系统及其控制方法
本专利技术涉及数字化焊接电源
，具体涉及一种基于LLC的一体化脉冲MIG焊电源系统及其控制方法。
技术介绍
脉冲MIG(MetalInert-GasWelding，熔化极惰性气体保护焊)焊技术较多用于高性能的自动焊场合，它集高效优质和自动化于一体，它的突出优点表现为：焊接电流调节范围比较宽，包括短路过渡到喷射过渡的所有电流区域，既能焊接厚板，也能焊接薄板，焊接薄板时与短路过渡比较熔透性好、变形小、焊接效率高；采用脉冲电流后，可采用较小的平均电流进行焊接，平均电流比MIG焊时的连续电流喷射过渡的临界电流低，因此母材的热输入量低，焊接变形小，适用于全位置焊接；熔滴过渡过程可控性比较强；焊接时无飞溅(或基本无飞溅)、弧长短，轴向性好、熔敷效率高、焊缝成形好，焊缝表面宽而平坦、焊接烟尘小。因此脉冲MIG焊在生产上得到了重视，特别是机器人焊接时对焊接质量和精度要求比较高的场合更是如此。在今后一段时间内，脉冲MIG焊将在主要工业国家的焊接中进一步代替手工电弧焊和CO2焊，应用范围将越来越广泛。近年来随着市场竞争的日趋激烈，提高焊接生产效率、保证产品质量、实现焊接生产的自动化、智能化越来越受到焊接生产企业的重视，特别是机器人焊接时对焊接质量和精度要求比较高的场合更是如此。加上现代人工智能技术、数字化信息处理技术、计算机视觉技术等高新技术的融入，也促使脉冲MIG焊技术正朝着焊接高速高效化、焊接控制数字化、控制系统智能化方向发展。目前脉冲MIG焊电源主电路可分为硬开关和移相全桥软开关形式。硬开关电路功率器件开通和关断的过程中电压和电流会有一部分重叠在一起，造成开关损耗，导致效率低，带来电磁污染，因此每个功率器件都需要外接缓冲吸收电路，导致电路繁杂。移相全桥软开关电路在开关管开通阶段使用移相控制，让电流滞后电压，可以实现功率开关管零电压开通，但存在轻载时滞后桥臂难以实现软开关；且副边整流二极管不能实现零电流关断，造成开关损耗，存在反向恢复问题并导致振铃电压尖峰难以处理，恶化整机可靠性，因此副边整流二极管需要外接缓冲吸收电路；当重载时，原边电流过大导致的副边占空比丢失更加严重，使得电源能量没有得到充分的利用，并使得电压振铃进一步加剧。这大大增加电能的损耗，愈发跟不上当前市场上要求越来越高的节能化需求。与硬开关和移相全桥软开关技术相比较，LLC谐振变换器不但具有原边MOSFET功率开关管零电压开通特性，同时能实现副边整流二极管的零电流关断和低耐压要求，副边整流二极管零电流关断克服反向恢复损耗，产生的电磁干扰小，容易解决传导和辐射问题，而且其掉电维持时间特性比较好，损耗低，转换效率更高。当LLC谐振变换器工作在谐振频率时，其增益和负载无关，在这个工作条件下，原边的电流接近正弦电流、原边MOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor,金属-氧化物-半导体场效应晶体管)功率开关管可以实现零电压开通、副边整流二极管可以实现零电流关断，原副边的功率器件都得到最优的利用，效率最高，电磁干扰也最小，谐振频率为LLC谐振电路的最佳工作点。采用LLC谐振变换器拓扑结构的脉冲MIG焊电源，需要采用多台子模块经协同控制为电弧负载供电。多台子模块要实现协同控制，必须在工作过程中进行数据通信，通常采用CAN现场总线逐脉冲通信的方式，但该方式软硬件设计复杂，成本高，容易受到外界干扰，不利于焊接过程的稳定。由此可见，现有的基于LLC谐振变换器拓扑结构的数字化焊接电源主要有以下几个方面的缺点：(1)结构复杂。多台子模块控制系统相互独立，两个控制系统之间通过通信协议来进行数据交换实现子模块控制系统之间的协同控制。分体式系统结构复杂，体积庞大，控制系统软硬件复杂。(2)系统不够稳定。分体式控制系统采用通信协议的方式进行数据交换实现电源之间的协同控制，该方式容易受到外界干扰，不利于焊接过程的稳定。目前市面上缺乏一种结构简单，系统稳定高效的脉冲MIG焊电源系统。基于LLC的一体化脉冲MIG焊电源系统，可通过单一控制系统实现子模块控制系统的调节和电流脉冲相位的协同控制，避免了上述缺陷。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本专利技术提供一种基于LLC的一体化脉冲MIG焊电源系统及其控制方法。本专利技术的目的至少通过如下技术方案实现。一种基于LLC的一体化脉冲MIG焊电源系统，包括三相交流输入电网、人机界面模块、主控制模块，脉冲峰值模块、脉冲基值模块和电弧负载；所述脉冲基值模块由一个脉冲基值子模块组成，所述脉冲峰值模块由若干个脉冲峰值子模块并联组成，所述脉冲峰值子模块包括主电路、驱动模块、故障保护模块、电压电流检测模块；所述主控制模块包括DSP(DigitalSignalProcessor，数字信号处理器)数字化控制模块，所述DSP数字化控制模块分别与故障保护模块、驱动模块和电压电流检测模块相连接，所述故障保护模块及电压电流检测模块分别与主电路的输入端及输出端连接；所述主电路包括依次连接的输入整流滤波模块、LLC谐振模块、功率变压器模块和输出整流滤波模块，所述输入整流滤波模块与三相交流输入电网连接，所述输出整流滤波模块与电弧负载连接；所述主控制模块分别与脉冲基值模块和脉冲峰值模块相连接，所述主控制模块根据脉冲时序控制驱动模块，从而实现对脉冲基值模块和脉冲峰值模块满载输出的开关切换，所述脉冲峰值模块中若干个子模块同时工作输出脉冲峰值电压和脉冲峰值电流，此阶段脉冲基值模块无输出；所述脉冲基值模块中一个子模块工作输出脉冲基值电压和脉冲基值电流，此阶段脉冲峰值模块无输出，从而保证所有子模块LLC谐振模块工作于谐振频率最佳工作点。所述主控制模块中设有DSP数字化控制模块，所述脉冲基值模块和脉冲峰值模块中的电压电流检测模块分别采集各个子模块的实时电压电流信号，并将电压电流采样信号通过电压电流检测模块送入DSP数字化控制模块，所述DSP数字化控制模块设置各个子模块的电流给定值，该电流给定值与各个子模块的实时电流反馈值比较产生偏差量，偏差量分别经防积分饱和PI算法后得到输出量分别调节脉冲基值模块和脉冲峰值模块各个子模块的PFM(PulseFrequencyModulation，脉冲频率调制)。所述DSP数字化控制模块采用TMS320F28335数字信号处理器，所述数字信号处理器内嵌事件管理器，所述事件管理器具有脉冲频率调制单元，通过单一DSP产生多路PFM信号实现对脉冲基值模块和脉冲峰值模块的交替控制。所述LLC谐振模块由逆变网络和LLC谐振网络构成，所述逆变网络由四个功率开关管和第一电容构成；所述四个功率开关管均为MOSFET功率开关管，分别为第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管及第四功率开关管；所述第一功率开关管DS极分别与第二功率开关管D极和第三功率开关管D极相连接，所述第二功率开关管DS极分别与第一功率开关管D极和第四功率开关管D极相连接，所述第三功率开关管DS极分别与第一功率开关管S极和第四功率开关管S极相连接，所述第四功率开关管DS极分别与第二功率开关管S极和第三功率开关管S极相连接。所述LLC谐振网络包括谐振电感、励磁电感和谐振电容本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于LLC的一体化脉冲MIG焊电源系统，其特征在于，包括三相交流输入电网、主控制模块，脉冲峰值模块、脉冲基值模块和电弧负载；所述脉冲峰值模块包括若干个脉冲峰值子模块，所述脉冲基值模块包括一个脉冲基值子模块，所述脉冲基值子模块与脉冲峰值子模块均包括主电路、驱动模块、故障保护模块、电压电流检测模块；所述主控制模块包括DSP数字化控制模块，所述DSP数字化控制模块分别与各个子模块故障保护模块、驱动模块和电压电流检测模块相连接，所述故障保护模块与主电路的输入端连接；所述电压电流检测模块与主电路的输出端连接；所述主电路包括依次连接的输入整流滤波模块、LLC谐振模块、功率变压器模块和输出整流滤波模块，所述输入整流滤波模块与三相交流输入电网连接，所述输出整流滤波模块与电弧负载连接；所述主控制模块分别与脉冲基值模块和脉冲峰值模块相连接，所述主控制模块根据脉冲时序控制驱动模块，从而实现对脉冲基值模块和脉冲峰值模块满载输出的开关切换，所述脉冲峰值模块中若干个子模块同时工作输出脉冲峰值电压和脉冲峰值电流，此阶段脉冲基值模块无输出；所述脉冲基值模块中的子模块工作输出脉冲基值电压和脉冲基值电流，此阶段脉冲峰值模块无输出；所述主控制模块中设有DSP数字化控制模块，所述脉冲基值模块和脉冲峰值模块中的电压电流检测模块分别采集各自子模块的实时电压电流信号，并将电压电流采样信号送入DSP数字化控制模块，所述DSP数字化控制模块设置各个子模块的电流给定值，该电流给定值与各个子模块的实时电流反馈值比较产生偏差量，偏差量分别经防积分饱和PI算法后得到输出量分别调节脉冲基值模块和脉冲峰值模块中各个子模块的PFM。...

【技术特征摘要】
1.基于LLC的一体化脉冲MIG焊电源系统，其特征在于，包括三相交流输入电网、主控制模块，脉冲峰值模块、脉冲基值模块和电弧负载；所述脉冲峰值模块包括若干个脉冲峰值子模块，所述脉冲基值模块包括一个脉冲基值子模块，所述脉冲基值子模块与脉冲峰值子模块均包括主电路、驱动模块、故障保护模块、电压电流检测模块；所述主控制模块包括DSP数字化控制模块，所述DSP数字化控制模块分别与各个子模块故障保护模块、驱动模块和电压电流检测模块相连接，所述故障保护模块与主电路的输入端连接；所述电压电流检测模块与主电路的输出端连接；所述主电路包括依次连接的输入整流滤波模块、LLC谐振模块、功率变压器模块和输出整流滤波模块，所述输入整流滤波模块与三相交流输入电网连接，所述输出整流滤波模块与电弧负载连接；所述主控制模块分别与脉冲基值模块和脉冲峰值模块相连接，所述主控制模块根据脉冲时序控制驱动模块，从而实现对脉冲基值模块和脉冲峰值模块满载输出的开关切换，所述脉冲峰值模块中若干个子模块同时工作输出脉冲峰值电压和脉冲峰值电流，此阶段脉冲基值模块无输出；所述脉冲基值模块中的子模块工作输出脉冲基值电压和脉冲基值电流，此阶段脉冲峰值模块无输出；所述主控制模块中设有DSP数字化控制模块，所述脉冲基值模块和脉冲峰值模块中的电压电流检测模块分别采集各自子模块的实时电压电流信号，并将电压电流采样信号送入DSP数字化控制模块，所述DSP数字化控制模块设置各个子模块的电流给定值，该电流给定值与各个子模块的实时电流反馈值比较产生偏差量，偏差量分别经防积分饱和PI算法后得到输出量分别调节脉冲基值模块和脉冲峰值模块中各个子模块的PFM。2.根据权利要求1所述的一种基于LLC的一体化脉冲MIG焊电源系统，其特征在于，所述DSP数字化控制模块采用TMS320F28335数字信号处理器，所述数字信号处理器内嵌事件管理器，所述事件管理器具有脉冲频率调制单元，通过单一DSP产生多路PFM信号实现对脉冲基值模块和脉冲峰值模块的交替控制。3.根据权利要求1所述的一种基于LLC的一体化脉冲MIG焊电源系统，其特征在于，所述LLC谐振模块包括逆变网络和LLC谐振网络，所述逆变网络包括四个功率开关管和第一电容；所述四个功率开关管均为MOSFET管，分别为第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管和第四功率开关管；所述第一功率开关管DS极分别与第二功率开关管D极和第三功率开关管D极相连接，所述第二功率开关管DS极分别与第一功率开关管D极和第四功率开关管D极相连接，所述第三功率开关管DS极分别与第一功率开关管S极和第四功率开关管S极相连接，所述第四功率开关管DS极分别与第二功率开关管S极和第三功率开关管S极相；所述LLC谐振网络包括谐振电感、励磁电感和谐振电容，所述谐振电感、励磁电感、谐振电容和等效负载依次串联构成谐振腔，所述等效负载包括功率变压器模块、输出整流滤波模块和电弧负载。4.根据权利要求1所述的一种基于LLC的一体化脉冲MIG焊电源系统，其特征在于，所述故障保护模块包括相互连接的过压检测电路、欠压检测电路、过流检测电路、过温检测电路和门电路；所述输出整流滤波模块包括第一整流二极管、第二整流二极管和第二电容。5.根据权利要求1或3所述的一种基于LLC的一体化脉冲MIG焊电源系统，其特征在于，所述LLC谐振模块工作于谐振频率最佳工作点，工作在四个不同的工作模态上：所述LLC谐振模块在第一工作模态时，所述第一功率开关管和第四功率开关管开通，所述三相交流输入电网为谐振腔提供能量，谐振电流流经第一功率开关管及第四功率开关管，变压器原边提供给负载的电流等于谐振电流减去励磁电流，励磁电流先负后正，变压器副边电压上正下负，所述第一整流二极管开通，第二整流二极管关断，所述励磁电感被输出电压箝位，不参与谐振过程，所述励磁电流线性上升...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴开源，谢沛民，詹家通，曹宣伟，尹彤，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44