基于ARM的嵌入式数字化多功能逆变式软开关弧焊电源制造技术

本发明专利技术公开了一种基于ＡＲＭ的嵌入式数字化多功能逆变式软开关弧焊电源，包括主电路、控制电路以及高频引弧电路；主电路包括整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块、整流平滑和稳弧模块组成，控制电路包括过压欠压保护检测模块、电流电压采样检测与反馈模块、ＡＲＭ微控制器和高频驱动模块组成。本发明专利技术实现了全数字化控制；对焊接电弧的瞬态能量进行实时精细化控制，使焊接过程的控制更精确和柔性化；采用软开关高频１ＧＢＴ逆变技术，在进一步提高效率和逆变频率、节省制造材料的同时，提高了逆变焊机的电磁兼容能力和可靠性；能够提供手工焊／直流氩弧焊／脉冲氩弧焊等多功能的应用，同时还预留了网络化管理的接口功能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光机电一体化
，还涉及电力电子技术、高频逆变技 术、数字化控制技术以及自动控制理论与技术，具体是指一种基于ARM的 嵌入式数字化多功能逆变式软开关弧焊电源。
技术介绍
目前，在焊接电源领域，由于其工艺所需要的大电流、大功率，传统的 焊接电源主要以硅整流和晶闸管整流式为主，体积庞大、笨重、能耗低、效 率低，且由于其结构原因，动、静态特性均不够理想。.采用逆变技术是解决 这些问题的最好办法。首先，逆变技术大幅度提高电源的频率使得电源主变 压器的体积、质量大幅度的减小；同时，由于电子功率器件工作于开关状态， 变压器等可以采用铁损很小的磁芯材料，效率得到极大提高；由于主电路中 存在电容，功率因数得到提高，节能效果明显；此外，由于工作频率很高， 主电路中滤波电感值小，电磁惯性小，易于获得良好的动特性，因此可控性 好。弧焊逆变电源的数字化控制是大势所趋。弧焊逆变电源的数字化控制技 术，使逆变电源更可靠，性能更好，功能更全， 一致性更好。弧焊逆变电源 的数字化控制技术主要有两个目的 一是使用数字化技术迅速解决弧焊逆变 电源自身问题；二是用数字化技术提升弧焊逆变电源的功能，满足先进制造 技术的需求。数字化控制易于采用先进的控制方法和智能控制算法，使得弧 焊电源的智能化程度更高，性能更加完美；控制系统灵活，系统升级方便， 易于实现多参数的协同控制，甚至可以在线修改控制算法及控制参数，而不 必改动硬件线路，大大縮短了设计周期；控制电路的元器件数量明显减少， 因此縮小了控制板体积，提高了系统的抗干扰能力和系统稳定性；控制系统 的可靠性提高，易于标准化；系统的一致性较好，生产制造方便；由于控制 方法灵活，便于多个逆变电源并联运行控制，从而实现更大功率输出。目前，严重制约弧焊逆变电源发展的问题之一就是其对环境的污染问题， "电磁污染"已经继"水、气、渣、声"之后被确定为第五大环境污染源。 为进一歩提高我国电气电子产品的安全性和可靠性，电气电子产品的电磁兼 容性要求将纳入国家强制性产品认证范围。在出口方面，由于受欧盟指令的 限制，我国逆变焊机产品很难进入欧洲市场。中国已经加入世界贸易组织， 随着世界经济一体化进程的加快，焊机行业如不加快逆变电源的"绿色化" 改造进程，国产的逆变焊机很可能被挤出国际甚至国内市场。釆用软开关高 频逆变技术，不仅可以有效改善功率器件工作环境、提高系统可靠性，还可 以有效地降低逆变焊机电磁干扰，提高逆变焊机的电磁兼容性，实现"绿色 化"设计，对国产逆变焊机占领国内外市场，推动焊机行业技术进步具有重 要意义。数字化焊接电源是一个典型的对时间要求比较苛刻的嵌入式系统。对每 一个异步事件，系统都必须在规定的有限时间内给出响应。例如，对焊枪手 动开关的响应，对起弧和收弧是否成功的信号的响应，对过流、过热信号的 响应等。在这种系统中，响应时间短、速度快是关系到焊接过程的正确性和 焊接质量的重要因素。对异步事件的处理，不仅要输出正确的结果，而且还 要看它的处理时间是否在指定的时间范围内，否则难以达到预期的焊接效果， 甚至会出现焊接时序混乱的情况。为追求更快的响应速度，除了在控制电路 上采用性能更好、速度更快的微处理器外，运行于微处理器上的操作系统的 采用和选择也是一个十分重要的环节。要达到强实时控制下的稳定性和安全 性，这是是否采用嵌入式操作系统以及嵌入式系统是否符合应用要求的评价 标准。据统计，目前全世界嵌入式控制领域，ARM微处理器凭借其高性能、低 功耗、低成本的优势，应用最为广泛，占有近70%的市场。在逆变焊机的嵌 入式数字化控制方面，ARM具有丰富的控制接口，较强大的运算能力，综合 性能好；IJC / OS - ll嵌入式实时操作系统得到了美国联邦航空管理局的稳定 性与安全性标准的认证，是一个完整的、可移植、固化、裁剪的占先式实时 多任务内核，它的函数调用和服务执行的时间具有确定性，是可知的。该时 间不依赖于用户应用程序任务数目的多少；除此之外，它是完全剥夺型的实 时内核，总是运行就绪条件下优先级最高的任务，因此特别适合于焊接电源 这种多任务、对时间要求比较苛刻的场合。据检索，目前还未有以32位ARM嵌入式微处理器作为数字化核心的软开关逆变焊机相关技术成果，市场上更没有相关的产品；在将lJC/OS-l版入式实时操作系统与ARM相结合，利 用模块化、可移植的设计方法，实现对软开关逆变焊机的实时精密化控制方 面，还没有相关的报道，均属于空白。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了解决上述现有技术中存在的不足之处，针对目前 弧焊电源存在的问题以及相关技术的发展趋势，提供一种基于ARM的嵌入式 数字化多功能逆变式软开关弧焊电源。该电源以32位ARM嵌入式微处理器为 核心，将(JC/0S-ll嵌入式实时操作系统移植到焊机的控制中，结合软开关 高频逆变技术，使焊机具备优异的一致性、可靠性和动态响应能力，实现手 工焊/氩弧焊/脉冲氩弧焊等三种焊接功能，基于电弧瞬态能量的精细化控 制技术，优化利用焊接电弧能量，提高热效率，保证良好的电弧稳定性，以 获得优质的焊缝性能。本专利技术的目的通过如下技术方案实现本专利技术所述基于ARM的嵌入式数字化多功能逆变式软开关弧焊电源，包 括主电路、控制电路以及高频引弧电路相互连接组成；所述主电路包括整流 滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块、整流平滑和稳弧模块依次连接组 成，所述整流滤波模块与三相交流输入电源相连接，所述整流平滑和稳弧模 块与负载相连接；所述控制电路包括过压欠压保护检测模块、电流电压采样 检测与反馈模块、ARM微控制器和高频驱动模块相互连接组成，所述ARM微 控制器分别与高频驱动模块、电流电压采样检测与反馈模块、过压欠压保护 检测模块相连接，所述电流电压采样检测与反馈模块的另一端还与负载相连 接，所述过压欠压保护检测模块的另一端还与三相交流输入端相连接，所述 高频驱动模块还与高频逆变模块相连接；所述高频引弧电路分别与ARM微控 制器、负载相连接。为了更好地实现本专利技术，所述ARM微控制器分别连接有人机对话模块、 温度检测模块、网络化管理扩展模块；所述高频驱动模块包括两个由高频场 效应管、脉冲变压器构成的高频驱动单元SC7024M以及外围电路相互连接组 成；所述ARM微控制器采用32位高速ARM嵌入式微处理器，包括固化有mC / OS - ll嵌入式实时操作系统的ARM芯片、ULN2003A以及外围电路相互连接组成；所述整流平滑和稳弧模块包括电容C3-5、 C6—8以及整流桥BJ目互连接组成；所述高频引弧电路包括芯片IC1555、脉冲变压器T1及外围电路相互连 接组成。本专利技术为基于ARM微控制器的数字化IGBT软开关逆变式多功能焊接电 源，主电路全桥逆变式拓扑，在非手工焊时采用高频引弧。脉宽调制是通过 在IJC / OS - ll嵌入式实时操作系统中进行软件编程，来实现给定信号与反馈 信号的比较运算，并通过ARM微控制器的PWM模块输出两组四路相位差可 调节的推挽驱动信号，来控制功率开关管IGBT按照一定的时序导通与关闭， 实现高频交直流转变。电流反馈是在负载电流输出端用霍尔元件检测输出电 流，得到采样信号，经过放大、比较，再输送到ARM微控制器，来改变功率 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于ＡＲＭ的嵌入式数字化多功能逆变式软开关弧焊电源，其特征是，包括主电路、控制电路以及高频引弧电路相互连接组成；所述主电路包括整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块、整流平滑和稳弧模块依次连接组成，所述整流滤波模块与三相交流输入电源相连接，所述整流平滑和稳弧模块与负载相连接；所述控制电路包括过压欠压保护检测模块、电流电压采样检测与反馈模块、ＡＲＭ微控制器和高频驱动模块相互连接组成，所述ＡＲＭ微控制器分别与高频驱动模块、电流电压采样检测与反馈模块、过压欠压保护检测模块相连接，所述电流电压采样检测与反馈模块的另一端还与负载相连接，所述过压欠压保护检测模块的另一端还与三相交流输入端相连接，所述高频驱动模块还与高频逆变模块相连接；所述高频引弧电路分别与ＡＲＭ微控制器、负载相连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王振民，白中启，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]