轎車車身螺柱焊逆變電源

目前，為較好地防銹防腐蝕，轎車車身多采用鍍鋅鋼板。但是鍍鋅鋼板的焊接性較差，為提高焊接質(zhì)量，采用焊接電流波形調(diào)幅工藝，即首先通過小電流熔燒 掉鍍層，再用大電流進行焊接，必要時輸出焊后回火電流。螺柱焊比凸焊有較高的效率。電容儲能式螺柱焊雖然也有較高的效率，但其電流波形控制功能有限，不適 于帶鍍層的轎車車身螺柱焊。逆變電源以其節(jié)能效果顯著，響應(yīng)快和動特性好等優(yōu)點成為目前焊接電源發(fā)展的方向。微機控制軟件豐富靈活，實時性強，從軟件和硬 件上均能采取提高逆變電源可靠性的措施。微機控制逆變電源無論從提高電源質(zhì)量，還是在增強電源的功能上，都具有明顯優(yōu)勢。因此，微機控制逆變焊接電源應(yīng)用 于轎車車身螺柱焊是理想的，既能輸出多種電流波形保證不同材料螺柱的焊接質(zhì)量，又可與送料機配合進行自動焊接

1　微機控制逆變電源的主電路設(shè)計

主電路采用逆變頻率為20kHz的雙IGBT單端正激電路，如圖1所示。單端電路雖然容量小，但由于螺柱焊電源負載持續(xù)率較低，一般只有15% 左右。因此仍能在短時間內(nèi)輸出最大電流可達1000A，完全滿足轎車螺柱焊接生產(chǎn)。本機采用雙IGBT的單端正激電路，控制脈沖同時開通與關(guān)閉兩個 IGBT，既能簡化控制電路，又降低單管耐壓量，增加了焊機的可靠性。


2　微機控制系統(tǒng)原理

微機控制系統(tǒng)由8031單片機最小系統(tǒng)、外圍電路、PWM電路［1］及IGBT驅(qū)動電路等組成，如圖2所示。

2．1　外圍電路

外圍電路分成4部分：I／O接口、D／A轉(zhuǎn)換器、A／D轉(zhuǎn)換器［2］和串行通訊器。I／O接口主要實現(xiàn)大小電流切換；A／D轉(zhuǎn)換器在焊接過程中 分別對焊接電流I、焊接電壓U進行檢測，用于顯示和質(zhì)量控制；串行通訊用于接收的焊接參數(shù)，并把實現(xiàn)焊接參數(shù)送往輸入顯示系統(tǒng)顯示。

2．2　PWM電路及控制原理

根據(jù)螺柱焊的要求，該電源必須能夠輸出包括小電流，大電流及回火電流三個階段的調(diào)幅電流波形。從該設(shè)計任務(wù)出發(fā)設(shè)計了以SG3525為核心器件 的PWM電路原理。如圖3所示。利用PWM技術(shù)進行波形調(diào)制，PWM電路具有功率放大作用，即輸出與給定信號具有相同的波形，因此只要控制給定信號波形， 即可控制焊機輸出電流波形。對于大電流進行PI調(diào)節(jié)，對小電流進行P調(diào)節(jié)?，F(xiàn)就具有小電流和大電流的電流波形產(chǎn)生原理分析如下：當(dāng)焊接開始時，系統(tǒng)擴展芯 片8155的PB3腳輸出高電平，通過雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器使模擬開關(guān)K1導(dǎo)通，同時8155的PB1腳輸出高電平，使多路模擬開關(guān)4051選通X2路，預(yù)熱電弧 的給定量通過放大器作用在SG3525的同相輸入端，控制焊機輸出預(yù)熱電流。當(dāng)預(yù)熱電弧時間終了后，8155的PB3腳輸出低電平而PB2腳輸出高電平， 經(jīng)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器使模擬開關(guān)K2閉合，K1斷開。同時PB1輸出低電平，使多路模擬開關(guān)4051選通X1路，微機轉(zhuǎn)換出的D／A加在SG3525的同相輸入 端，使焊機輸出焊接電流。4052截止，進行積分調(diào)節(jié)然后根據(jù)焊接電流波形，經(jīng)微機運算出回火電流給定信號作用于4051的X1路，進行焊后回火處理。當(dāng) 預(yù)熱電流結(jié)束后，8155的PB2腳輸出的高電平觸發(fā)主電路中可控硅SCR3導(dǎo)通，將大電感L1短路，實現(xiàn)大電流輸出，直到焊接過程結(jié)束。

2．3　驅(qū)動電路

本系統(tǒng)＋15　V，－15　V雙電源進行驅(qū)動保證了IGBT關(guān)斷，導(dǎo)通的可靠性。并且用保護電路進行過流保護，其原理圖如圖4所示。當(dāng)電流過大時，IC1輸出高電平。IC2翻轉(zhuǎn)輸出高電平。MOSFET管導(dǎo)通，把輸入的脈沖封鎖。

2.4 保護電路

逆變電源保護電路還具備過熱保護、高頻變壓器及IGBT的阻容吸收電路、高頻變壓器與開關(guān)可控硅的過壓保護、缺相保護和輸入軟啟動等功能，保證焊接電源可靠地工作。

3　軟件系統(tǒng)

從實現(xiàn)焊接自動化、提高焊接精度及改善人機界面等角度出發(fā)，設(shè)計了豐富的軟件對硬件進行支持。該軟件包括自檢程序和焊接程序兩大部分。它可對電 源輸出波形，方便地進行調(diào)制。而且，它還能任意設(shè)置預(yù)熱電弧、焊接電弧及焊后回火電弧的時間和電流幅值。保證不同尺寸，不同材料的螺柱焊接質(zhì)量。

利用軟件對控制部分進行模擬操作來進行自檢。對外部設(shè)備(焊槍、送料機、主電路)的自檢是在專門的檢測電路的硬件支持下通過軟件來實現(xiàn)。

4　抗干擾措施

4．1　硬件抗干擾措施

信號長線傳輸時采用屏蔽線和光耦，抑制了由于過程通道傳輸所引起的干擾。

電源系統(tǒng)采用獨立電源的方法來實現(xiàn)電源系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的完全分離，從而抑制系統(tǒng)由于網(wǎng)壓波動等所引起干擾的串入。

另外，控制板上各芯片均接去耦電容，抑制系統(tǒng)內(nèi)部干擾。

4．2　軟件抗干擾措施

系統(tǒng)上電復(fù)位后，程序開始先執(zhí)行一段時間的延時，然后再初始化。防止8031與8155復(fù)位的不同步。

每次調(diào)用子程序或者在進入中斷服務(wù)程序之前，若發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)不正常，系統(tǒng)自動復(fù)位。程序中設(shè)置多處軟件陷阱［3］，在程序跑飛的情況下，能自動復(fù)位。

4．3　制造工藝上抗干擾措施

利用靜電屏蔽效應(yīng)對控制部分進行良好的保護，以減少電磁干擾。

對信號線的布置、走線方向進行合理的設(shè)計，以減少干擾。

5　微機控制逆變電源工藝試驗

實測的各焊接規(guī)范參數(shù)范圍如下：

預(yù)熱電流IP為30～100　A　預(yù)熱時間TP為30～100　ms；預(yù)熱電壓UP為20～30　V；焊接電流IW為200～1000　A；焊接時間TW為30～200　ms；焊接電壓UW為20～30　V;回火時間Td為50～500　ms。


2．4　保護電路

實測的焊機電流波形如圖5所示。

經(jīng)實際焊接表明，焊接引弧容易，焊接自動化程度高，且焊機工作可靠，焊接質(zhì)量得到保證。

tP＝60　ms
tW＝32　ms
IP＝80　A
IW＝510　A
UP＝19　V
UW＝19　V
標(biāo)尺0．01 s／div

6　結(jié)　論

1）微機控制逆變電源的研究取得預(yù)期效果，輸出波形可方便地進行調(diào)制，能夠滿足螺柱焊需要。

2）焊機采用微機與模擬控制相結(jié)合，在小電流預(yù)熱時采用比例控制法，在大電流焊接時采用比例-積分控制法，提高了控制精度，焊接質(zhì)量得到保證。

3）焊機從硬件和軟件兩方面采取保護措施，保證逆變焊接電源和控制系統(tǒng)可靠正常地工作。

4）對于干擾問題的解決達到所希望的結(jié)果，提高了焊機的可靠性。