李朋朋 楊志東 陳書錦 張國祥 孫宏偉 方臣富

摘要：設(shè)計一種基于dsPIC30F4011的CO2氣保焊機。為降低功率開關(guān)管的損耗和改善焊機的電磁干擾，主電路采用移相全橋軟開關(guān)電路，使超前臂為恒頻調(diào)脈寬實現(xiàn)ZVS，滯后臂為恒頻恒寬實現(xiàn)ZCS，提高了焊機整體性能。主變壓器設(shè)計是重點和難點，從磁心材料選擇、磁心型號選擇以及線圈繞組設(shè)計三個方面進行了全方位的分析與設(shè)計?？刂齐娐愤x用dsPIC30F4011作為主控芯片，實時監(jiān)控焊機的工作狀態(tài)。根據(jù)DSC硬件電路進行了相應(yīng)的軟件程序設(shè)計，軟件程序采用模塊化設(shè)計，包括波控軟件設(shè)計、程控軟件設(shè)計以及送絲軟件設(shè)計，最終實現(xiàn)焊接飛濺小、精確時序控制以及等速送絲等目標。

關(guān)鍵詞：CO2氣保焊機;移相全橋軟開關(guān);dsPIC30F4011;數(shù)字化送絲機

中圖分類號：TG434.5 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）10-0078-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.10.16

0 前言

CO2氣保焊因其優(yōu)質(zhì)高效的優(yōu)點在工業(yè)制造中得到了廣泛的應(yīng)用，但市場上大多數(shù)焊機均采用模擬電路控制系統(tǒng)，存在電路復(fù)雜、靈活性差、控制精度低以及可靠性低等問題[1]。因此，焊接電源正向數(shù)字化和綠色化發(fā)展。

文中設(shè)計了一種基于dsPIC30F4011的CO2氣保焊機，控制系統(tǒng)采用數(shù)字信號傳遞控制信息，無論是抗干擾性、響應(yīng)速度還是控制精度均高于模擬電路，從而大大提高了CO2氣保焊機的性能。具有效率高、焊接飛濺小、送絲速度穩(wěn)定以及精確的時序控制等優(yōu)點。CO2氣保焊接設(shè)備已經(jīng)成為焊接工作者重要的研究領(lǐng)域之一[2]。

dsPIC30F系列芯片既有16位單片機的快速中斷處理能力和強大功能外圍設(shè)備，又兼?zhèn)鋽?shù)字信號處理器的數(shù)字信號處理能力和數(shù)據(jù)計算能力，所以又被Microchip公司稱作數(shù)字信號控制器（DSC）[3]。dsPIC30F系列芯片既彌補了MCU控制的焊機所無法做到的大量實時信息采集、PI運算處理和控制等缺陷，同時又具備了很多智能化外設(shè)和多種外圍控制接口，且芯片價格便宜，非常適合CO2氣保焊機的各種信號檢測和動作控制[4]。

1 總體設(shè)計方案和指標

基于dsPIC30F4011的CO2氣保焊機的總體設(shè)計框圖如圖1所示。

整個焊機分為主電路和控制電路兩大部分。主電路包括三相輸入整流濾波電路、移相全橋軟開關(guān)電路、主變壓器、輸出整流濾波電路四部分，整個主電路是一個AC—DC—AC—DC的過程，最終輸出適合焊接的低壓大電流直流電?？刂齐娐芬詳?shù)字信號控制器dsPIC30F4011為核心，通過采樣電路采集主電路輸出電流、電壓信號，經(jīng)DSC內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，由軟件程序?qū)Ψ答佇盘柡涂刂泼姘褰o定信號進行PI調(diào)節(jié)，再由PWM模塊輸出PWM脈沖信號，經(jīng)隔離驅(qū)動電路控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通。送絲系統(tǒng)采用數(shù)字化控制，最終實現(xiàn)精確的時序控制和等速送絲。設(shè)計CO2氣保焊機的主要技術(shù)指標如表1所示。

2 主電路

2.1 移相全橋軟開關(guān)電路設(shè)計

軟開關(guān)電路相比硬開關(guān)電路會大大降低開關(guān)管的開通和關(guān)斷損耗，提高整機的性能[5]。此外，軟開關(guān)電路還可以降低開關(guān)管電流電壓應(yīng)力和改善焊機EMI特性。

移相全橋軟開關(guān)電路原理如圖2所示。Uin為輸入整流濾波后的直流電壓。IGBT1～IGBT4為逆變開關(guān)管，其中IGBT1和IGBT3組成超前橋臂（可調(diào)脈寬），IGBT2和IGBT4組成滯后橋臂（固定脈寬）。VD1～VD4分別為IGBT1～IGBT4的體二極管，C1、C3分別是IGBT1、IGBT3的并聯(lián)外接電容，C2、C4分別是IGBT2、IGBT4的寄生電容。Lr是飽和電感，Cr為隔直電容，T為主變壓器，VDR1、VDR2為輸出整流二極管，Lf為輸出濾波電感，負載等效為一個電阻R[6]。

開關(guān)管IGBT的驅(qū)動波形及逆變電路主要波形對照如圖3所示?？梢钥闯?，超前臂可以通過改變驅(qū)動信號PWM占空比調(diào)節(jié)輸出能力的大小。在移相全橋電路中，通常用移相角θ來表示超前臂和滯后臂驅(qū)動脈寬之間的相位差，移相角θ越小，則輸出能量越大;移相角θ越大，則輸出能量越小。

2.2 主變壓器設(shè)計

2.2.1 磁心材料選擇

開關(guān)電源常用的變壓器磁心材料主要有硅鋼片、鐵氧體和納米晶三種[7]。由于大多數(shù)的磁心材料都是在交變磁場下工作的，所以選擇磁心材料時主要考慮的性能指標是飽和磁通密度、相對磁導(dǎo)率、電阻率、損耗、工作溫度以及成本等。硅鋼片具有高飽和磁通密度、高居里溫度點和成本低的優(yōu)點，但電阻率非常低，高頻時渦流損耗很大，所以硅鋼片一般適合低頻場合，如市電的工頻變壓器[8]。鐵氧體高頻特性優(yōu)異、損耗較小、磁心規(guī)格最全面且價格低廉，但其飽和磁通密度較小，僅適用于制造中小功率的焊機[9]。納米晶材料具有高導(dǎo)磁率、高飽和磁通密度、高居里溫度點和低損耗的優(yōu)點[10]。納米晶合金的鐵心損耗在20～50 kHz的頻率范圍是鐵氧體損耗的1/2～1/5，磁導(dǎo)率是鐵氧體的10倍以上，且各方面性能指標優(yōu)異，適合大功率焊機。本設(shè)計選用北京安泰科技股份有限公司的二代納米晶磁心，即AC-ONL-ODIDHT系列。

2.2.2 磁心型號選擇

磁心形狀的選擇對變壓器設(shè)計至關(guān)重要，市場上常見的磁心形狀有E型磁心、U型磁心、罐型磁心和環(huán)型磁心等[11]。線圈均勻繞制的環(huán)形磁心具有漏磁少、線圈層數(shù)少、雜散磁通低、EMI特性好等優(yōu)點，適合逆變焊機變壓器設(shè)計[12]。

采用AP法確定磁心型號，即AP=AεAw，即根據(jù)Aε磁心截面積與鐵心有效窗口面積Aw的乘積，查AP值表就可以確定磁心型號。

AP=AεAw=（1）

式中 Po為焊機額定輸出功率（單位：W）;fT為變壓器工作頻率（單位：Hz）;J為電流密度（單位：A/mm2）;ΔB為磁通密度擺幅（單位：T）。

額定輸入的有功功率為

Pin=Sincosθ（2）

式中 Pin為額定輸入的有功功率（單位：W）;Sin為額定輸入的視在功率（單位：W）。

額定輸出功率為

Po=Pinη（3）

式中 η為整機效率。

由表1可知，設(shè)計的焊機額定輸入視在功率Sin為25 kVA，功率因數(shù)cosφ為0.9，代入式（2）得額定輸入有功功率Pin為22.5 kW。焊機整機效率為85%，代入式（3）可知焊機的額定輸出功率Po為19 kW。焊機工作頻率為20 kHz，J取為3 A/mm2為最優(yōu)。磁通密度擺幅ΔB一般遠小于飽和磁通密度Bs，因此ΔB取小于飽和磁通密度Bs的1/3，在此取0.4 T，而全橋電路磁心工作在一、三象限，即雙向磁化，因此ΔB=0.8 T。0.53為經(jīng)驗系數(shù)。

AP=AεAw=≈74 cm4（4）

可選北京安泰科技股份有限公司的二代納米晶磁心ONL-1308040，其有效截面積Aε=7 cm2，窗口面積為45.36 cm2，考慮到留出空間方便線圈繞線和散熱要求，實際應(yīng)用中窗口面積利用率取1/3為最優(yōu)，即Aw為15.12 cm2，所以AεAw為105.84 cm2，大于式（4）計算值。該磁心的磁環(huán)的平均磁路長度le為33 cm，外徑130 mm，內(nèi)徑80 mm，高度50 mm，符合設(shè)計焊機對空間的要求。

2.2.3 線圈繞組設(shè)計

變壓器的一個重要設(shè)計是線圈繞組設(shè)計，包括變壓器的匝比、線圈匝數(shù)以及線圈股徑和股數(shù)。

（1）變壓器匝比計算。

輸出整流電路采用全波整流輸出，所以變壓器是中心抽頭式，設(shè)一次側(cè)、二次側(cè)的匝比為Np∶1∶1;變壓器的二次輸出電壓Uo：

Uo=Uk+UDR+UL=70+1.25+0.5=71.75 V（5）

式中 Uk為空載電壓（單位：V）;UDR為副邊二極管的正向?qū)▔航担▎挝唬篤）;UL為導(dǎo)線的等效壓降（單位：V）。

市電輸入380 V/50 Hz在整流濾波后可得母線電壓UT為：

UT=Uin≈537 V（6）

根據(jù)一、二次電壓，可求變壓器匝比N為：

N=≈7（7）

所以變壓器原、副邊匝比為7∶1∶1。

（2）原、副邊的匝數(shù)計算。

原、副邊的匝數(shù)可以根據(jù)以下公式計算

Np=（8）

式中 U1變壓器一次側(cè)輸入電壓（單位：V）;Dmax為開關(guān)管最大占空比。為防止全橋電路上下橋臂直通，留有一定死區(qū)時間，所以設(shè)置最大占空比為0.4。有效截面積Ae=7 cm2，磁通密度擺幅ΔB=0.8 T。

計算原邊匝數(shù)得：

Np==≈19.3（9）

綜合考慮，變壓器原邊線圈匝數(shù)為Np=21匝。變壓器匝數(shù)比為7∶1，則副邊匝數(shù)Ns=3匝。

（3）線圈股徑與股數(shù)的設(shè)計。

設(shè)計的CO2氣保焊機工作頻率為20 kHz，高頻狀態(tài)下產(chǎn)生集膚效應(yīng)，造成線圈有效截面積變小，導(dǎo)致線圈損耗增大，所以選擇線圈股徑要小于集膚深度的2倍[13]。變壓器線圈銅導(dǎo)線的集膚深度為：

Δ==0.054 cm=0.54 mm（10）

式中 為導(dǎo)線電流的頻率（單位：Hz）。

在選擇股徑時也要考慮鄰近效應(yīng)，鄰近效應(yīng)產(chǎn)生的渦流損耗是相當(dāng)大的，且隨著層數(shù)增加鄰近效應(yīng)呈指數(shù)增加，所以要綜合考慮兩方面的因素。最終選擇單股直徑d為0.8 mm，則單股的橫截面積Sd為：

Sd=π

2（11）

線圈股數(shù)n為：

n=（12）

式中 IR為電流有效值（單位：A）;J為電流密度（單位：A/mm2）;Sd為單股導(dǎo)線的截面積（單位：mm2）。

將單股直徑d為0.8 mm代入式（11）求出單股的橫截面積為0.503 mm2。一般線圈電流密度取值范圍3～5 A/mm2最佳，考慮到散熱和線包損耗，故銅導(dǎo)線的電流密度取4 A/mm2。變壓器一次側(cè)電流最大值IR為71.4 A，代入式（12）計算得原邊股數(shù)為36股。已知焊機最大輸出電流為500 A，由于輸出整流電路采用全波整流，所以變壓器副邊線圈的最大有效值電流取250 A。將IR為250 A代入式（12）得到副邊股數(shù)為124股。為了變壓器繞制方便，副邊繞組采用三組并聯(lián)形式，即副邊每組線圈股數(shù)為41股。

3 軟件設(shè)計

3.1 波控軟件設(shè)計

數(shù)字化波形控制系統(tǒng)以DSC為控制核心，根據(jù)電壓采樣電路的反饋信號對短路、燃弧階段進行判斷，進而DSC執(zhí)行相應(yīng)的短路、燃弧子程序控制電流的波形。因為短路過渡具有隨機性的特點，所以在系統(tǒng)中采用了中斷。當(dāng)電弧電壓低于10 V，則認定為短路狀態(tài)，DSC立即執(zhí)行短路子程序，在短路初期，使電流保持在一個較小值，以實現(xiàn)抑制瞬間短路而造成飛濺的目的。在短路中期時，電流以較大斜率K1上升，加大熱能輸入使縮頸快速形成。在短路后期時，降低電流上升率至K2，減小短路峰值電流值，完成熔滴的平滑過渡。當(dāng)短路狀態(tài)結(jié)束后，DSC再執(zhí)行燃弧子程序，實現(xiàn)焊接電流波形控制。波形控制軟件流程如圖4所示，輸出電壓電流波形示意如圖5所示。

3.2 程控軟件設(shè)計

送絲系統(tǒng)時序控制框圖如圖6所示，送絲時序流程如圖7所示。

由圖7可知，送絲時序控制的基本原理為：焊機上電復(fù)位后，DSC首先檢測點動送絲開關(guān)是否閉合，如果閉合則啟動點動送絲子程序使送絲機以最大速度送絲;如果未閉合則繼續(xù)檢測焊槍開關(guān)是否閉合，如果焊槍未閉合則返回到點動送絲處繼續(xù)檢測信號，如果焊槍開關(guān)已閉合則調(diào)用送氣子程序使供氣系統(tǒng)提前3 s輸出保護氣體;為使焊機可靠地引弧，調(diào)用空載慢送絲子程序使送絲機慢速送絲，增加引弧的成功率;當(dāng)采樣電路檢測到成功引弧后，系統(tǒng)調(diào)用讀入設(shè)置子程序，按照設(shè)置的給定值使送絲機以正常速度送絲;當(dāng)焊接結(jié)束后，啟動剎車電路使送絲機停止轉(zhuǎn)動，再調(diào)用滯后送氣子程序，使送絲系統(tǒng)延遲送氣，提高焊縫質(zhì)量。

3.3 數(shù)字送絲軟件設(shè)計

在熔化極氣體保護焊中，焊絲作為熔化電極需要不斷送進電弧區(qū)熔化，若焊絲速度變化較大，會使電弧弧長波動較大，最終影響焊縫成形和質(zhì)量，因此送絲速度的穩(wěn)定程度直接影響焊接過程的穩(wěn)定性[14-15]。采用DSC的PWM功能對送絲速度進行控制，通過調(diào)節(jié)PWM波脈沖寬度可實現(xiàn)送絲機速度的調(diào)節(jié)。

數(shù)字送絲流程如圖8所示?；贒SC控制的送絲系統(tǒng)，由軟件程序?qū)崿F(xiàn)送絲速度的調(diào)節(jié)，與傳統(tǒng)的模擬電路組成的送絲系統(tǒng)相比，采用數(shù)字化送絲方式具有提高控制精度和簡化電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。通過控制面板設(shè)定送絲速度傳到DSC的通信接口，DSC內(nèi)置子程序讀取送絲速度給定值，并與反饋值進行數(shù)字PI調(diào)節(jié)，最后經(jīng)數(shù)字PI調(diào)節(jié)后輸出占空比可調(diào)的PWM波，通過光耦隔離控制MOSFET開關(guān)電源為送絲機供電，進而調(diào)節(jié)送絲速度。

4 實驗與測試結(jié)果分析

4.1 軟開關(guān)超前臂零電壓

選取超前臂IGBT柵極電壓UGE和集射極電壓UCE為測試對象，圖9中深灰色波形為驅(qū)動電壓UGE，淺灰色波形為集射極電壓UCE。驅(qū)動電壓波形UGE和集射極電壓UCE波形呈交錯分布，當(dāng)IGBT導(dǎo)通時，集射極電壓UCE為零，從而實現(xiàn)了零電壓導(dǎo)通;當(dāng)驅(qū)動電壓UGE由高電平變低電平時，集射極電壓UCE保持為零，從而實現(xiàn)了零電壓關(guān)斷。

4.2 軟開關(guān)滯后臂零電流

選取滯后臂IGBT柵極UGE和變壓器一次電流IL為測試點，圖10中方波為柵極，正弦波為一次電流IL。圖中可以反映出滯后臂在導(dǎo)通和關(guān)斷過程中流經(jīng)IGBT上的電流近似為零?？梢钥闯鲵?qū)動脈沖開始從高電平向低電平轉(zhuǎn)換時，一次側(cè)電流為零，在關(guān)斷過程中，一次側(cè)電流雖然也會出現(xiàn)波動，但很快就恢復(fù)為零，關(guān)斷的損耗近似為零。

4.3 輸出波形測試

焊接電壓電流波形如圖11所示，在焊接短路階段，焊接電流波形以雙斜率狀態(tài)上升。在短路階段初期，電弧電壓降至0 V，電流以較大斜率上升，加大熱能輸入使縮頸快速形成，從而促進熔滴過渡。在短路后期時，降低電流上升率，完成熔滴的平滑過渡。在燃弧階段，電弧電壓快速上升至燃弧電壓，保證電弧引燃，此時電流開始以較大斜率下降，當(dāng)電流下降至較小的穩(wěn)定值時，使熔滴形成。由以上分析可知，測試輸出的電壓電流波形符合設(shè)計的要求。

4.4 送絲機測試

送絲機工作波形如圖12所示，方波為控制電壓波形，三角波為送絲機電流波形。控制電壓波形為占空比可調(diào)的PWM波，通過改變占空比就可以控制送絲機速度。送絲機電流波形平滑過渡，送絲機速度平穩(wěn)。

5 結(jié)論

（1）全橋逆變電路采用軟開關(guān)設(shè)計，通過對IGBT開關(guān)過程的電壓和電流波形測試，驗證設(shè)計的零電壓零電流軟開關(guān)電路工作正常，與設(shè)計要求具有高一致性。

（2）主變壓器從磁心材料選擇、磁心型號選擇以及線圈繞組設(shè)計三個方面進行了全方位的分析與設(shè)計，確定了磁心型號，并計算出線圈匝數(shù)、股數(shù)和股徑等。

（3）數(shù)字化波形控制系統(tǒng)以DSC為控制核心，實現(xiàn)短路電流“雙斜率”上升。通過測試輸出電流電壓波形，驗證了波形控制系統(tǒng)符合設(shè)計要求，可實現(xiàn)焊接飛濺小、焊縫成形好的效果。

（4）送絲機系統(tǒng)采用數(shù)字化控制技術(shù)，通過DSC的PWM功能可實現(xiàn)送絲速度的精確控制，顯著提高了送絲速度穩(wěn)定性。通過送絲機工作波形測試，驗證了設(shè)計數(shù)字化送絲與設(shè)計要求具有很高的一致性。

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