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1、摘 要 I基于单片机控制的软开关式逆变 TIG 焊机的研制 摘 要 目前逆变焊机存在的最主要问题之一是可靠性较差，其主要原因是逆变焊机的主电路多采用 PWM 硬开关工作模式，即功率开关管在高电压下开通，大电流时关断。本文采用软开关技术使功率开关管在开关过程瞬间电流轨迹和管压降轨迹错开，解决了功率开关管开关损耗和开关应力过大的问题，减少了电磁干扰。本文功率电路采用饱和电感式 FB- ZVZCS- PWM 变换器拓扑，超前桥臂实现零电压开关，滞后桥臂实现零电流开关。控制系统采用主从单片机结构，主控单片机实现整个控制系统的参数设定、时序控制等功能，并分别与表头单片机、遥控器单片机实现通信，表头单片机
2、使表头显示参数总共达到 13 个，遥控器单片机实现焊机的远距离参数设定和显示。本文针对传统逆变焊机采用电压模式单闭环控制系统响应较慢的特点，采用以 UC3846 为核心芯片的峰值电流模式控制，内环控制功率器件每个开关周期的峰值电流，实现功率器件电流限制和自动纠正偏磁并大大提高了系统的响应速度；外环控制焊机输出的平均电流。 本文根据设计的单片机硬件电路相应地进行了软件程序设计，软件程序采用模块化设计，分为主程序模块和功能子程序模块两部分。主程序模块包括主控单片机程序模块、表头单片机程序模块和遥控器单片机程序模块；功能子程序模块包括焊条焊一元化子程序模块、脉冲两步子程序模块和脉冲四步子程序模块；并
3、设计了单片机之间的通信子程序模块。 由于逆变焊机工作环境恶劣、TIG 焊高频引弧时会产生高频干扰，可能会影响单片机控制系统正常工作。本文分别从硬件和软件两大方面进行了焊机的抗干扰设计，极大地提高了系统的抗干扰能力。 关键词：焊机；软开关；单片机；抗干扰 Abstract IIIResearch on soft- switching inverter TIG welding machine based on MCU controlling Abstract One of the main problem of conventional inverter welding machine is it
4、s lower reliability mainly due to hard- switching operation which most inverter welding machine s main circuit adopted. Hard- switching operation make IGBTs turn on in high voltage and turn off in high current. Soft- switching technology is adopted in this thesis, making the track of current and Vds
5、 can t intersect when IGBTs switching, so it significantly solve the problem of high switching losses and switching stress of IGBTs, and make less electromagnetic interference. FB- ZVZCS- PWM topology with saturable inductor is used in power circuit, achieving ZVS in leading leg and ZCS in lagging l
6、eg. Three pieces of MCU are adopted in control system, main control MCU is used to set value and control sequence of the whole control system, faceplate MCU is used to display 13 welding parameters in all, telecontrol MCU is used to set value and display welding parameters in far distance. In conven
7、tional inverter arc welding machine, voltage mode is mostly adopted, which contains only one control loop, so the transient response is slow, peak current mode with UC3846 as core chip is adopted, the inner loop controls the peak current of IGBTs in each period, therefore the flux balancing is obtai
8、ned automatically and the transient response is improved greatly, while outer loop controls the average output current. Software programs are designed according to hardware circuit. Software programs used modular design, which are divided into main program module and functional program module. Main
9、program module included main control MCU program module, faceplate MCU program module and telecontrol MCU program module; Functional program design Abstract IV included MMA with unification control program module, pulse welding with two steps program module and four steps program module; Telecom pro
10、gram module between main MCU and faceplate MCU、felecontrol MCU are also designed. Because of inverter welding machine s hard working environment and high frequency during arc ignition, which may influence MCU control system can t work abnormally. This thesis take the anti- interference design from h
11、ardware and software aspects, greatly improve the anti- interference of the system. Keywords: welding machine；soft- switching；MCU；anti- interference 论 文 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得江苏科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡
12、献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日 期： 学 位 论 文 使 用 授 权 声 明 江苏科技大学有权保存本人所送交的学位论文的复印件和电子文稿，可以将学位论文的全部或部分上网公布，有权向国家有关部门或机构送交并授权其保存、上网公布本学位论文的复印件或电子文稿。本人电子文稿的内容和纸质论文的内容一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 研究生签名： 导师签名： 日 期： 日 期： 第二章 硬件系统设计 1第一章 绪论 1.1 课题背景及来源 目前，逆变焊机存在的最主要问题是可靠性较差，其原因是多方面的，其中最主要原因是目前逆变焊机的主电路多采用 PWM
13、硬开关工作模式1，这种工作模式使功率开关器件在高电压下开通，大电流时关断，是一种强迫开关过程，即所谓的硬开关，而软开关技术使得功率开关管在开关过程瞬间电流轨迹和管压降轨迹错开，在较大程度上解决了功率开关管损耗和开关应力过大的问题，减少了功率器件的 du/dt 和 di/dt造成的电磁干扰，提高了效率。因此软开关式焊机是一种具有广阔前景的新型焊机。 在焊机中，其控制部分对整机性能的优劣关系重大。现在绝大多数焊机都以集成运放为核心组成控制系统，这种系统用硬件电路实现，电路复杂，灵活性不足。而单片机控制的焊机控制灵活，能通过软件实现精确控制、多特性控制和协同控制等。随着单片机技术在焊机中的应用，焊机
14、的柔性化设计成为可能，正朝着模块化方向发展，焊机设计周期大大缩短。因此，单片机控制的逆变焊机越来越引起人们的关注，先进的逆变焊机配上单片机控制已成为当今焊机的发展方向2。 为适应科技进步和现代化焊机的发展需要，我们以课题形式开展了基于单片机控制的软开关式逆变 TIG焊机的研制工作，为推动我国焊机的现代化发展作出我们应有的努力。 1.2 逆变焊机的发展及存在的问题 1.2.1 逆变焊机的发展 逆变焊机具有优良的电气性能和焊接工艺性能，是目前国际上公认的最先进的焊机。根据国内外大多数专家的观点，逆变焊机具有八大优异性能和特点，按照其重要性可排列如下： （1）控制性能优异； （2）动特性好； （3）
15、质量轻； （4）效率及功率因数高； （5）体积小； （6）引弧性能好； （7）焊接速度快； （8）功能多且转换方便。以上这八大性能和特点，都是现代制造工业选择焊机所极力追求的。 1972 年，美国首先研制出一台 300A晶闸管逆变焊机，但由于晶闸管属于半控器件，需加辅助电路才能将其关断，加上其开关频率不高，没有得到广泛推广应用。80年代初，由于电力电子技术的发展，特别是各种各样的自关断器件不断涌现及其价格第二章 硬件系统设计 2不断下降，给逆变焊机更新换代创造了条件。逆变焊机从晶体管逆变焊机发展到场效应管式逆变焊机，然后发展到 IGBT 逆变焊机。逆变焊机在 80 年代后得到迅猛发展，所有国际
16、上焊接设备制造公司都大力研发、生产逆变焊机。从代表世界先进水平的德国埃森国际焊接与切割博览会上可看到逆变焊机比例逐年增多，近几届的博览会几乎成了逆变焊机的海洋。从长远观点来看，逆变焊机是焊接设备的发展方向，国外逆变焊机的发展也充分说明了这一点。目前在工业发达国家，焊条焊、TIG 焊、MIG/MAG焊已经广泛采用逆变焊机。世界上几家主要焊机制造商，如瑞典伊萨、芬兰肯比、日本松下等，都将焊机的重心移到逆变焊机上。国内的山东奥太、北京时代等焊机制造商也开始大批量生产逆变焊机。尽管逆变焊机当前还存在一些问题有待解决，但它必定是未来焊机的主导产品3- 6。 1.2.2 逆变焊机目前存在的主要问题 1.2.2.1 逆变焊机的可靠性问题 目前市场上一部分产品可靠性较差，其原因是多方面的7：其一是电焊机市场管理混乱。由于逆变焊机需要的投资少，很多厂商和公司
