微机控制能量自补偿型氩弧焊电源制造技术

一种包括模拟式晶体管主电源的微机控制能量自补偿型氩弧焊电源，设有８０９８单片机最小系统以及采用专用电源监视芯片的系统用净化电源，取自主电源的电流、电压信号经光电隔离送至单片机系统，电流信号为闭环控制，电弧电压信号为开环控制。可以均匀调节焊接电流，还可以均匀调节输出外特性斜率，在自动或半自动薄板焊接时，对弧长波动或网路电源电压变化造成的电弧能量变化，能获得相应的补偿，显著地提高焊接质量。（*该技术在2014年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及使用保护气体的电弧焊接装置，尤其涉及一种微机控制能量自补偿型氩弧焊电源。现有的通常市售焊机，其输出外特性都不能主动适应电弧负载的需求。在自动焊或半自动焊时，电弧长度的波动与网路电源电压变化是很难避免的，尤其是在薄板TIG焊时，电弧功率较小，在上列情况干扰下，对输入工件的热量变化异常敏感，极易出现烧穿、焊漏或未焊透等缺陷，不能保证在干扰情况下，使输入到工件上的有效热功率恒定，无法获得焊缝形状参数不变的焊接接头。本专利技术的目的是克服上述现有技术的不足提出一种微机控制能量自补偿型氩弧焊电源。大量的实验数据表明在纯氩气氛中，对于薄板的焊接，欲使阳极(焊件)有效热功率恒定，所用氩弧焊电源应该是补偿型的。不同材料，或同一种材料在不同板厚的情况下所对应的补偿型电源的最佳外特性不同，但这种最佳外特性是客观存在的，且在一定的干扰范围内，即网路电源电压变化△U≤±10%，弧长波动△L≤6毫米时，可用不同斜率的直线逼近。本专利技术的目的正是采用依据上述事实设计的技术方案予以实现的。本专利技术由四大部分组成1、由三相变压器、三相整流及滤波器、调整晶体管组、控制电压及电流采样电阻、高频引弧器及保护电路构成的模拟式晶体管主电源。该主电源与常用的模拟式晶体管主电源类似。该主电源为水冷式，对整流器与调整管组进行强制冷却。调整管组由大功率晶体三极管组成，可以通过对基极的控制，调节电源的输出电流。在该系统中，主机采用高频引弧器引弧，当焊炬与工件间产生电弧之后，其电弧电压经电阻分压后，取自电压采样电阻RU作为电弧电压信号送往单片机控制系统，取自串联于焊接回路的电流采样电阻RI的电流信号，也反馈给单片机控制系统。电流信号为闭环控制，电弧电压信号为开环控制。2、8098单片机最小系统这一最小系统由8098CPU、RAM及EPROM存储器、8255并行口、译码器、地址锁存器、A/D与D/A转换器、电流与电压放大器、线性光电耦合器组成。8098CPU是控制系统的核心。最小系统完全浮地，外围开关量都经光电隔离。取自主电源的电压、电流信号，和送至主电源调整晶体管组基极的D/A输出量即调整管的控制信号等三个模拟信号，经线性光电耦合器，出入最小系统。系统软件固化在一片16K的EPROM中，上电后系统即自动按其中的程序运行，控制过程中采样到的电流、电压信号量以及模型计算的中间数据等都暂存于RAM中，并不断备份、更新;8098CPU自带10位A/D转换器，其转换速度和精度较高，扩展的12位D/A转换器也保证了数模转换精度。程序由8098汇编语言编制，采用模块化设计。后台服务程序为用户提供了友好的人机交互界面，实时控制程序简便。焊接开始前，系统自检，并判断用户通过拨码盘输入的有关参数是否有效，对于系统硬件故障、参数无效、用户的不正确操作等情况都给予警报;焊接过程中，采用PID控制算法。采样周期为5毫秒，一旦弧长变化或网路电源电压波动，随即可按最佳的外特性模型进行能量补偿，其实时性强。该电源系统的软件主要由下列模块构成(1)系统自检系统上电后，自动对RAM、D/A、A/D各通道、拨码盘等硬件部分进行检查。(2)出错及状态报告对用户的操作错误、系统硬件出现故障、干扰导致系统工作失常、短路等情况给予警报;对就绪、引弧、焊接等工作状态给予提示。(3)运行参数的读入、判断拨码盘上的参数被读入到RAM中以后，再对其有效性进行判断，并与前次运行时的参数进行比较，给出相应信号。被认为正确的参数将备份至其它单元，以得到保护。(4)外特性模型Ig=I0+U/tgα的预处理将读入的BCD码数I0、α转化为三字节浮点数I0和α，并浮点运算1/tgα。(5)实时采样电压、电流(即A/D转换)，软件滤波每个采样周期5毫秒中，分别对电压、电流采样5次，并采用中值滤波法除去无效的信号量。(6)电流给定值Ig的计算在这一模块中，根据外特性模型预处理的结果和采样到的电压值计算电流给定值Ig，并将其转化为双字节的整数。(7)PID计算本系统中，采用增量式PID算法，即Tn=Tn-1+△Tn△Tn=Kp(en-en-1)+Kien+Kd(en-2en-1+en-2)其中，Kp、Ki、Kd分别为比例、积分、微分系数Tn-本次输出量Tn-1-前一次输出量en-本次模型上的电流给定值与实时采样值之差(8)限幅D/A输出根据PID计算的结果，在限定上、下幅后，由D/A转换输出。(9)电流缓升引燃电弧后，使焊接电流逐渐(速度可调)升至所需的焊接电流值。(10)电流衰减熄弧时，使焊接电流由当前值缓慢(速度可调)衰减至零。(11)运行参数的冗余设计与掉电、停机保存为了提高抗干扰能力，拨码盘输入的每一个参数及每一个中间计算结果等有用数据分别被备份至RAM的多个不相临近的区域。如果某一单元的数据丢失，而保存在其它几个单元的同一参数仍然完好，可以保证系统的正常运行。系统掉电或停机，有效参数将被保存至设有掉电保护装置的RAM中。3、净化电源系统本专利技术中的单片机最小系统所需的+5伏电源，是经屏蔽、多极LC和RC滤波、二极稳压后得到的净化电源，并采用新型的TL7705专用电源监视芯片对其进行监视。RAM存储器还设有掉电保护装置。4、人机交互界面这一部分是通过拨码盘、操作按键盘、信息提示灯、错误报警器、电源状态电路经多路光电隔离电路与8255并行口接口实现的。拨码盘用于参数的输入与显示，直观、可靠。用户通过小键盘操作该系统，并根据一排小信息提示灯了解各种异常情况及正常的工作状态。本专利技术通过对模拟式晶体管主电源配以8098单片机控制系统，使弧焊电源可以均匀调节焊接电流，还可以均匀调节输出外特性斜率，斜率的调节可以按照规范表或实验决定，一旦决定就不需随时调节。即用户可以根据电弧负载的不同和对焊缝形状参数的要求，以及材料、厚度，选择不同的焊接电流与斜率。在自动或半自动薄板焊接时，对弧长波动或网路电源电压变化造成的电弧能量变化，能获得相应的补偿，从而达到电弧输入工件的有效热功率恒定，获得焊缝形状参数稳定的接头，显著地提高焊接质量。本专利技术的焊接工艺过程采用程序控制，焊接电流及输出外特性斜率都由拨码盘输入，使用方便。保护、隔离装置以及硬、软件采用模块化设计，通用性好。具有较强抗干扰能力，工作稳定，再现性良好的特点。本专利技术适用于低炭钢、低合金钢、耐热合金、不锈钢、以及钛、锆及其合金或物理性能与以上材料相近的金属焊接。附图是本专利技术的组成方框图。下面对照附图并结合实施例对本专利技术作出进一步的说明。实施例模拟式晶体管主电源1由三相变压器5、三相整流及滤波器6、调整晶体管组7、控制电压采样电阻RU及控制电流采样电阻RI、高频引弧器8及保护电路构成。三相变压器5功率为5千瓦，三相380伏网路供电，无相序要求，其次级输出经桥式整流电路整流后，空载直流电压为40伏，最大输出电流为200安。高频引弧器电压为2-3千伏，频率为100千赫左右。单片机最小系统由8098CPU9、RAM存储器10(6264)、EPROM存储器11(27128)、8255并行口12、译码器13(74LS139×2)、地址锁存器14(74LS37×2)、A/D转换15(8098内)、D/A转换器16、电流放大器18、电压放大器19及线性光电耦合器17、20组成。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微机控制能量自补偿型氩弧焊电源，包括由三相变压器、三相整流及滤波器、调整晶体管组、控制电流及电压采样电阻、高频引弧器与保护电路构成的模拟式晶体管主电源，其特征是：１. １设有由８０９８ＣＰＵ、ＲＡＭ及ＥＰＲＯＭ存储器、８２５５并行口、 译码器、地址锁存器、Ａ／Ｄ与Ｄ／Ａ转换器、电流及电压放大器、线性光电耦合器组成的８０９８单片机最小系统，以及采用专用电源监视芯片的系统用净化电源；１. ２８０９８单片机最小系统完全浮地，外围开关量都经光电隔离，取自主电源的控制电流及电压采 样电阻的电流、电压信号和送至主电源调整晶体管组的控制信号，经线性光电耦合器，出入最小系统，电流信号为闭环控制，电弧电压信号为开环控制；１. ３还设有通过拨码盘、操作按键盘、信息提示灯、错误报警器、电源状态电路经多路光电隔离电路与８２５５并 行口接口的人机交互界面。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张仁甫，张长江，江淑园，邢丽，
申请(专利权)人：南昌航空工业学院，
类型：发明
国别省市：36[中国|江西]