单片机理论下焊机主电路可靠性探究

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及来源
手工焊条电弧焊具有非常大的灵活性，可焊接大多数金属，适用于各种位置焊接，既可焊薄板也可焊厚板。另外，这种焊接设备的成本相对较低。因此，广泛应用于制造业，建筑业和维修行业中。钨极惰性气体保护焊（GTAW）是利用钨极（非熔化极）与熔池之间的电弧进行焊接的一种电弧焊方法，该方法使用保护气体，但不施加任何压力。可使用填充金属，也可不使用填充金属。该方法是20世纪30年代后期发明的，在国际上简称为TIG焊。在工业生产中，这种传统的弧焊方法早在上世纪40年代已得到实际的应用。
TIG焊被公认为一种优质的焊接方法，它几乎可以焊接所有的金属，但由于其工艺方法本身及早期TIG焊机技术特性的不完善，应用范围受到了很大的限制。近20年来，为充分挖掘TIG焊的潜在优势，有关单位进行了广泛深入的探索研究，特别是逆变技术、微电子控制器件、微处理机、数字信号处理器和计算机软件技术在TIG焊机中的成功应用，全面提升了TIG焊方法和TIG焊机的技术特性，不仅大大提高了焊接参数的控制精度，扩展了TIG焊机的工艺适应性，而且还赋予了各种特殊的功能，使传统的直流TIG焊工艺方法演变成诸如低频直流焊、高频直流焊、工频交流方波焊和热丝焊等先进的焊接方法，从而使这种焊接方法成为各重要制造工业部门焊接高质量、精密部件、不锈钢、铝及其合金等材料不可缺少的现代加工手段。
70年代末开发的逆变式弧焊电源以其体积小，质量轻，性能好，高效，节能而受到世界的瞩目，目前已成为弧焊电源发展的主导趋势。现在许多IGBT逆变手弧焊电源兼有TIG焊的功能。如ZX7—×××ST型号的逆变整流弧焊电源就兼有手弧焊和TIG焊的功能。这样设计一方面考虑用户的需要，在一些场合要用TIG焊打底，手弧焊盖面，用一台这样的焊机就能解决问题。另一方面是因为手弧焊工艺和TIG焊工艺都要求恒流外特性，区别在于手弧焊电源需要的是恒流加外拖的特性，TIG焊仅需要恒流外特性即可。本课题是在实验室前期研制的基于80C196KB单片机控制MMA/TIG焊机基础上，针对其出现的一系列问题，包括手工电弧焊容易断弧，TIG焊引弧电流较大，小电流焊接不稳定，高频干扰严重，参数预置不太可靠等。对硬件电路和软件程序进行可靠性研究，使其各方面性能更加可靠、高效，达到实际生产应用水平的集手工电弧焊，直流TIG焊和直流脉冲TIG焊功能于一体的逆变弧焊电源。

1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
在最近一次的德国埃森国际焊接与切割博览会上，展出了各种规格和用途的弧焊逆变器，其应用范围包括手工电弧焊、TIG焊、MIG/ MAG焊、CO2焊等。容量在130～630A之间，逆变频率为2～20kHz。其中 MMA/TIG焊机以德国 EWM公司生产的INTEGRAL系列数字化焊接电源为代表，其操作面板如图 1.1(a)所示，数字处理系统处理所有焊接数据，控制整个焊接过程，焊机的整体外观如图 1.2(b)所示，焊机具有如下特点：
1）MMA/TIG 全位置焊接；
2）采用一元化操作系统，操作极其方便，自带256个焊接程（JOB）,全数字化控制方式，完美的焊接效果；
3）TIG直流焊可以选择高频引弧或接触引弧方式；
4）256个JOB和16个焊接操作点，可由焊枪直接控制，同时可直接支持自动焊接或机器人应用；
5）两步四步方式，单击切换基值模式，脉冲TIG以及直流TIG特殊模式；
6）TIG焊接方式下可调参数：引弧电流，焊接电流，基值电流，收弧电流，预送气时间，滞后气时间，上升和下降时间，脉冲峰值和脉冲基值时间等；
7）MMA焊接方式下可调参数：预熔电流和时间，电弧推力，防粘结功能；
8）焊接电压，焊接电流和其它参数的数字显示；
9）可配接各种接口：线控器，up/down焊枪和retox焊枪，自动焊接口，焊接参数记录接口板以及PC串口。

    1.3 课题意义 .............13-15
第2章 单片机控制 MMA/TIG 焊机主电路可靠性研究 ........15-27
    2.1 主电路结构 .............15-16
    2.2 中频变压器可靠性研究 .............16-18
    2.3 整流电路可靠性研究 .............18-22
        2.3.1 输入整流滤波电路 .............18-20
        2.3.2 输出整流滤波电路 .............20-22
    2.4 IGBT 可靠性研究 .............22-26
        2.4.1 IGBT 的特性 .............22-24
        2.4.2 IGBT 的参数选择 .............24-25
    2.5 本章小结 .............26-27
第3章 单片机控制 MMA/TIG 焊机控制电路可靠性研究 .....27-43
    3.1 控制系统的工作原理 .............27-28
    3.2 控制系统硬件电路可靠性研究 .............28-42
        3.2.1 电源电路 .............29
        3.2.2 数模转换电路 .............29-30
        3.2.3 数据采集电路 .............30-31
        3.2.4 脉宽调制电路 .............31-33
        3.2.5 参数预置与显示电路 .............33-35
        3.2.6 IGBT 驱动电路 .............35-37
        3.2.7 IGBT 保护电路 .............37-40
        3.2.8 高频引弧控制电路 .............40-42
    3.3 本章小结 .............42-43
第4章 系统软件程序的可靠性研究 .............43-54
    4.1 系统主程序结构 .............43
    4.2 手工电弧焊子程序可靠性研究 .............43-45
    4.3 TIG 焊子程序可靠性研究 .............45-47
    4.4 PI 控制子程序可靠性研究 .............47-49
    4.5 电流缓升与缓降子程序可靠性研究 .............49-50
    4.6 熄弧控制子程序可靠性研究............. 50-51
    4.7 故障处理子程序可靠性研究 .............51-52
    4.8 TIG 焊逆变电源的时序控制可靠性研究 .........52-53
    4.9 本章小结............. 53-54
第5章 系统抗干扰设计可靠性研究 .............54-65
    5.1 硬件抗干扰措施可靠性研究 .............54-62
        5.1.1 常用抗干扰措施 .............55-61
        5.1.2 电流采样电路 .............61
        5.1.3 高频吸收回路 .............61-62
    5.2 软件抗干扰措施可靠性研究 .............62-64
        5.2.1 监视定时器（WDT） .............62
        5.2.2 冗余指令 .............62-63
        5.2.3 数字滤波 .............63-64
    5.4 本章小结 .............64-65
第6章 系统可靠性检测 .............65-71
    6.1 脱机调试 .............65-68
        6.1.1 系统调试 .............65
        6.1.2 驱动波形测试 .............65-67
        6.1.3 保护电路调试 .............67-68
    6.2 联机调试 .............68-70
        6.2.1 空载联机调试 .............68-69
        6.2.2 负载联机调试 .............69-70
        6.2.3 焊接实验 .............70
    6.3 对系统进一步完善的建议............. 70
    6.4 本章小结 .............70-71

结论

经过对该单片机控制的MMA/TIG焊机的主电路、控制电路、软件程序、抗干扰措施的可靠性研究可以得出如下结论：
1）该系统的MMA/TIG焊机采用双管嵌位单端正激IGBT的逆变结构，结构简单可靠。手工电弧焊的额定电流为160A，TIG焊的额定电流200A。经试验表明，所设计的主电路结构合理，参数及性能稳定，能够可靠稳定的焊接。
2 ）整个控制系统以高性能的80C196KB单片机为核心，配以SG3525 、MAX7219等集成度高的专用芯片进行控制，并且在整个电路的各个环节采取了多种保护措施。数模转换控制电路改为MAX530芯片后，数模转换精度更高，可靠性得到提升。试验表明，该控制系统工作稳定可靠，电路简单，控制精度高，操作方便。
3）在TIG焊时设计了接触引弧与高频引弧两种引弧方式，试验表明，两种引弧方式都可靠稳定，这给操作者带来了很多方便与选择的余地。
4）面板参数调节采用数字编码器调节，采用一个编码器对焊接中的多个参数单独调节，电路简单，简化了面板，实现了面板参数的一体化。修改了参数预置与显示程序后，编码器的工作过程更加稳定可靠。
5）为控制系统编写的软件，指令执行效率高，速度快，并且设有软件抗干扰措施。通过修改程序，可以很方便的控制电源的输出，满足焊接工艺的需要，充分体现了微机控制的灵活性和优越性。
6）经空载和静负载测试表明，该焊机可以输出的外特性符合手工电弧焊，直流 TIG，脉冲TIG焊的要求。通过焊接试验表明了该系统有良好的可靠性。