dsPIC30F4011 的气保焊机

1万 · 2022-12-4 09:05

dsPIC30F4011 的气保焊机
基于 dsPIC30F4011 的气保焊机，具有焊接飞溅小、焊接成本低、工作性能稳定以及精确
的时序控制等优点，具有较大的科学研究价值和工业应用价值。
主电路设计包括三相输入整流滤波电路、全桥逆变电路、主变压器设计以及输出整流电路。
通过详尽地分析与计算，对整流桥模块、输入滤波电容、功率开关管和输出整流二级管进行合理
地选择。针对 IGBT 硬开关损耗大和电磁干扰严重的弊端，全桥逆变电路采用软开关设计，使超前
臂为恒频调脉宽实现 ZVS，滞后臂为恒频恒宽实现 ZCS，提高了焊机整体性能。主变压器设计是
重点和难点，从磁芯材料选择、磁芯形状的选择以及线圈绕组设计三个方面进行了全方位地分析
与设计，确定了变压器磁芯型号为纳米晶磁芯 ONL-1308040，并计算出线圈匝数、股数和股径等。
控制电路选用 dsPIC30F4011 作为主控芯片，实时监控焊机的工作状态和精确的时序控制。设
计了 DSC 最小系统、波形控制系统和数字化送丝系统等。此外还设计了采样电路和供电电源电路
等外围电路。其中针对气保焊机焊接过程中飞溅大的问题，设计了双闭环波形控制电路使熔滴平
稳过渡，减少了焊接飞溅产生；为了使送丝机平稳可靠的工作，设计了数字化送丝系统，硬件电
路设计包括气阀驱动电路、送丝机速度反馈电路、可控硅整流输出电路、焊枪开关和点动送丝电
路等，配合软件程序可实现送丝速度稳定和精确的时序控制。脉宽调制电路以 UC3846 为控制核
心，设计了良好的外围控制电路以及不可或缺的故障保护电路，实现了峰值电流控制模式。
根据设计的 DSC 硬件电路进行了相应的软件程序设计，软件程序采用模块化设计，包括程控
软件设计和数字送丝软件设计。因为逆变焊机工作在高频状态下易受干扰信号影响，进而对 DSC
控制系统正常工作产生影响，所以本文采取不同的硬件、软件抗干扰措施，极大地提高了焊机的
抗干扰能力。最终设计的样机工作频率为 20kHz，额定输出功率为 19kW，并对其进行波形测试和
分析。

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基于 DSC 控制的逆变焊机特点
随着半导体技术和电力电子技术的迅速发展，使得 DSC(数字信号控制器)技术突飞猛进，并
已应用到各行各业。近年来采用以 DSC 为控制核心的数字化焊机已得到迅速发展并已成为当今市
场的主流方向。
其特点大致可以归纳为以下几点 [25~27] ：
（1）控制精度高。数字化控制系统精度由系统的位数决定。控制系统位数越高，则控制精度
越高，如一个 16 位的系统，其精度可以达到 2 15 。
（2）多功能化的集成和柔性化控制。通过数字系统控制，可以实现一机多用，如手工电弧焊
和气保焊的集成在一台机器上。通过编写程序可以使系统优化设计。
（3）焊接工艺时序和焊接故障的控制。如提前送气、滞后断气等；焊接过程中实时的对故障
进行诊断和报警。
（4）稳定性很好。数字控制系统不受环境的湿度和温度影响，可靠性较高。
（5）一致性好。数字系统不受运放等元器件参数性能变化的影响，因此数字化控制系统方便
调试、测试以及大规模生产。
（6）功能方便升级。通过编写软件能够灵活地对程序进行修改和升级。
因此，以 DSC 为控制核心的数字化逆变焊机越来越受到市场欢迎。焊机设计的重点一方面集
中在通用性强、可靠性高、简单易造以及抗干扰强的硬件电路设计；另一方面积极探索符合数字
化焊机性能要求的控制程序，实现焊机稳定可靠的工作.

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基于 dsPIC30F4011 气保焊机的总体设计框图

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整个焊机分为主电路和控制电路两大部分。主电路包括三相输入整流滤波电路、全桥逆变电
路、主变压器、输出整流滤波电路四部分，整个主电路是一个 C 的过程。控制电
路主要由数字信号控制器 dsPIC30F4011、采样电路、PWM 控制电路、驱动电路、参数给定电路、
送丝系统电路、波形控制电路以及保护电路等组成，同时焊机从硬件和软件两个方面增加抗干扰
性，保证焊机稳定可靠的工作。各个部分电路主要作用如下：
（1）输入整流滤波电路：将电网输入的三相交流电经整流滤波电路转换成比较平滑的直流电，
即完成交流-直流(AC-DC)过程。
（2）全桥逆变电路：直流电通过 IGBT 组成的全桥逆变电路，转化为频率可高达几万赫兹高
压交流方波，即完成直流-交流(AC-DC)过程。
（3）主变压器：高压交流方波通过主变压器降压、隔离形成低压大电流的交流电，主变压器
设计以及 EMC 优化是设计焊机的重点。
（4）输出整流电路：通过快恢复二极管组成的全波整流电流，形成适合焊接的低压大电流直
流电。
（5）dsPIC30F4011 芯片：充分利用集 MCU 和 DSP 优点于一体的高性能数字信号控制器，
采用改良型的哈佛结构，拥有高度的可靠性和稳定性、快速的指令处理能力和逻辑控制能力，是
整个控制系统的核心。
（6）采样电路：采样反馈电路实时采集电弧电压、焊接电流以及送丝机速度等，以对控制系
统进行闭环控制。
（7）波形控制电路：针对气保焊存在焊接飞溅大、焊缝成形差的缺点，设计模拟电路波形控
制电路提高焊接质量。
（8）PWM 控制电路：以为核心芯片构成 PWM 控制电路，实现峰值电流模式双闭环
控制系统，输出占空比可调的 PWM 脉冲，用于驱动全桥逆变的开关管。
（9）驱动电路：驱动电路的主要作用是放大和隔离。PWM 芯片的输出信号功率不足，无法
驱动逆变开关管，驱动电路需要放大、隔离之后，才能快速、可靠地导通和关断 IGBT。
（10）保护电路：当芯片检测到过流、过热、过欠压等相关信号时，需要采取相应的动作关
闭焊机输出，可延长焊机的使用寿命。
（11）送丝电路：送丝电路配合时序程序来控制焊机，主要包括提前送气、滞后断气、两步/
四步切换、收弧切换、点动送丝等功能。

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全桥逆变电路原理分析

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数字信号控制器 dsPIC30F4011 及外围的硬件电路组成的。如图 3.1
所示，DSC 是控制电路核心，将反馈信号包括电流、电压和焊枪开关开/合、电磁气阀启/停和送丝
速度等进行 A/D 转换输入 DSC，并且数码表显示实时各种焊接参数。由于气保焊要实现恒压外特
性，由模拟电路波形控制系统根据给定值和反馈值进行 PI 调节控制，PI 调节后送入电流模式芯片
UC3846，然后输出占空比可调的 PWM 脉冲，经驱动电路隔离放大后驱动 IGBT，从而得到焊机的
外特性、动特性和调节特性。当发生过热、欠压故障信号时，UC3846 立即关闭输出脉冲，从而保
护焊机。
基于 DSC 控制的逆变焊机可以实现如下功能：
(1)焊接时序控制：主要是指气保焊过程中提前送气、焊接引弧、送丝机慢送丝、成功起弧
后正常焊接、焊接收弧、滞后关气等时序，精确的时序控制有利于提升焊机性能。
（2）信号处理：主要包括反馈信号和焊机保护信号。反馈信号是由分流器采集的电流信号，
经过滤波电路滤除干扰信号后，再由光耦隔离输入到 DSC，由 DSC 内部的 A/D 转换模块将模拟信
号转换成数字信号，这是信号反馈过程。此外还包括送丝系统的信号处理，可靠的采样电路是整
个控制系统的关键。保护电路中需要检测过流、过热、欠压等各种故障信号，一旦出现故障信号，
DSC 会立刻封锁 PWM 输出，停止焊接过程，从而实现焊机保护。
（3）波形运算控制：气保焊焊接过程中，分为短路和燃弧两个阶段。借助于运放 PI 调节器
组成的波形控制系统对短路阶段的短路电流上升率进行控制，减少焊接飞溅，实现熔滴的平稳过
渡；通过控制燃弧阶段的电弧电压和焊接电流，优化焊缝成形。
（4）给定参数和显示作用：用户通过设置给定的焊接参数，实时显示焊接系统的各种参数。
（5）串口通信：实现人机通信，方便程序算法输入。
（6）抗干扰能力：由于焊机的工作环境恶劣，控制系统需要从硬件和软件两个方面提高其抗
干扰能力。

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Microchip公司推出的dsPIC30F系列既有16位单片机快速中断处理能力和强大功能的外围设
备，又兼备数字信号处理器的数字信号处理能力和数据计算能力，所以也被 Microchip 公司称作数
字信号控制器（DSC） [61] 。系列芯片中，“ds”代表该芯片拥有数字信号快速处理能力、
强大的运算能力和信息处理能力，但不完全表现为 DSC；“PIC”表示该系列芯片虽然有 DSC 快速
处理能力，但它主要还是一颗单片机(MCU)，系列芯片既可以执行 DSC 指令又有能执行
MCU 指令。
综上，dsPIC30F 系列芯片弥补了由 MCU 控制的焊机所无法做到的大量实时信息采集反馈、
PI 运算处理和控制等缺陷，同时又具备了很多智能化外设和多种外围控制接口，且芯片价格便宜，
非常适合气保焊机的各种信号检测和动作控制（包括模拟量采集、送丝机速度、气阀开关、焊枪
开关等）。
本文采用 dsPIC30F4011 是 44 引脚 TQFP 形式封装的芯片，其采用改良型的哈佛结构，属于
电机控制类芯片。片内存储器具有 48KB 片上 flash 程序空间，2KB 片上数据 RAM，1KB 非易失
性数据 EEPROM。除此之外还具有如下一些特点 [62] ：
（1）高性能的 CPU：做为主控芯片需要高性能的 CPU，以便实现采样信号的模数转换、PI
运算以及波形的产生。CPU 采用 16 的数据总线宽度，24 位宽度的程序总线，可以寻址高达 4M 24
位的用户程序存储空间。
(2)工作范围：最高的工作速度可达到30MIPS，温度范围为﹣40~85℃，工作电压为2.5V~5.5V。
（3）A/D 转换模块：每个采样电路需要将外部的模拟信号转换为可测量的数字信号，所以需
要 A/D 转换模块。此芯片内置 4 个釆样/保持放大器输入的 10 位高速模数转换器（ADC）模块，
最大的转换速度 1MSPS，具有 9 个模拟输入引脚，对多达四个模拟输入引脚进行同时采样，可在
休眠和空闲模式下运行。
（4）电机控制模块：6 路 PWM 输出通道，具有 3 个占空比发生器，用于独立或互补模式。
（5）外部中断：焊机不可避免的会有过流、过热、欠压等故障，需要焊机采取相应的动作保
护焊机，因此需要外部中断。此芯片具有 3 个外部中断以及其他 27 个内部中断源，而且提供了可
编程的 8 个中断优先级。
dsPIC30F4011 芯片的高度集成化，大大简化了外围电路，提高了控制电路系统的可靠性。芯
片可靠性高、稳定性好、数字计算处理速度高，提高了控制系统的精度。此外芯片成本低，性价
比高，降低了焊机的成本。

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根据气保焊机短路过渡的特点，在短路阶段和燃弧阶段分别对电流波形进行调节，使熔滴平
稳过渡以减少焊接飞溅，因而本文设计了串型连接的电压环和电流环两种 PI 调节器。电压环的输
出当作电流环的输入，再由电流环的输出来调节 PWM 的输出。从结构上看，电流环在里面叫做
内环，电压环在外面叫做外环，因而形成电压、电流双闭环控制系统 [63,64] 。
在短路阶段时，只有电流环起调节电流波形作用，电流波形跟随着给定的电流波形变化而变
化；在燃弧阶段时，电压环、电流环均起调节作用，电压环对反馈电压和给定值进行调节，调节
后的值输入电流环的给定端，与反馈电流比较后调整电流输出，使电弧稳定燃烧。这样一方面保
证弧长稳定，另一方面可以根据电弧电压实时地控制电流输出。双闭环控制系统结构框图如图 3.4
所示。

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模拟电路波形控制电路
模拟电路波形控制电路如图 3.6 所示，包括电压环、RC 积分电路和电流环三个部分。电压环
是气保焊为了实现恒压输出(平特性)而设置的，电压给定值 Ug 为负值，电压反馈值 U f 为正值。电
压环由电压给定值与电压反馈值同时输入 U3C 构成的 PI 调节器。当反馈电压或给定电压发生变化
时，同相求和电路 U3C 会根据反馈电压值或给定电压值的变化来改变输出，其中给定值占主导。
正常燃弧时，电压环 U3C 输出不饱和，通过 PI 调节后输出电压送入电流环；短路时，由于
U f 接近为 0，则 U3C 输出饱和，电压环被隔断，系统仅有电流负反馈而构成单闭环控制系统。
RC 积分电路是气保焊特有的电路，主要是通过改变电流的上升率和下降率实现减小焊机飞溅
的目的，等效于在焊机输出串联可调节的大电感的作用。从电压环输出变化的直流电压信号经电
位器 W1 对电容 C9 充放电将变化的直流电变成变化的三角波，通过改变 W1 大小即可改变三角波
的上升沿和下降沿斜率，此变化的电流三角波送到 U3A 电流环与电流反馈信号比较来改变输出电
流的上升和下降率达到输出电流变化的特性，以达到通过调节电感减小飞溅作用。电流环是由 U3A
及阻容元件构成 PI 调节器，实时控制短路电流。

1万 · 2022-12-4 09:20

分流器用于焊机输出电流采样，其型号为 FL-2 的 500A/75mV 锰铜直插分流器，即
在通过 500A 电流时，分流器两端的压降为 75mV。
在采集模拟信号传到控制系统过程中，会有各种干扰信号随着采集信号进行 DSC 控制系统，
导致模拟信号失真甚至控制系统不稳定，因此反馈信号必须经过电气隔离进行抗干扰。反馈信号
一方面需要滤波器滤除干扰，另一方面需要线性光耦将模拟信号与 DSC 进行电气隔离。HCNR200能较好地解决反馈信号采集到 DSC 过程中出现的准确度降低和线性度低的问题。

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对比电流和电压采集：

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