基于STM32的逆變焊機(jī)電源數(shù)字化控制系統(tǒng)

前言

將直流電變換成交流動(dòng)稱逆變，實(shí)現(xiàn)這種變換的裝置叫逆變器由嵌入式微處理器控制的，為焊接電弧提供電能，并具有弧焊方法所要求性能的逆變器，即為數(shù)字化逆變焊機(jī)，或數(shù)字化弧焊逆變器、數(shù)字化逆變式弧焊電源。目前，各類數(shù)字化逆變焊機(jī)已應(yīng)用于多種焊接方法，逐步成為焊機(jī)更新?lián)Q代的重要產(chǎn)品。
原理：數(shù)字化逆變焊機(jī)通常采用三相交流電供電，經(jīng)整流和濾波后變成直流電，將其逆變成幾千到幾萬赫茲的中頻交流電，再經(jīng)中頻變壓器降至適合焊接的幾十伏交流或直流電壓，并借助于DSP，ARM等嵌入式微處理器完成，具有功能豐富, 產(chǎn)品穩(wěn)定可靠，制精確度高，良的焊接性能，威的焊接專家數(shù)據(jù)庫，節(jié)能，絡(luò)和自動(dòng)化焊接等優(yōu)良特性。
本設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)：電源的發(fā)展趨勢，其關(guān)鍵在于控制器的數(shù)字化。目前市場上的大多數(shù)數(shù)字化產(chǎn)品價(jià)格相對高昂，本設(shè)計(jì)TM32系列單片機(jī)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)型數(shù)字化弧焊電源控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。該控制器采用數(shù)字式PI方法進(jìn)行輸出電流控制，并具有按鍵操作、 液晶顯示、過流保護(hù)、過熱保護(hù)等功能。該控制器還具有良好的擴(kuò)展性，可以通過修改程序增強(qiáng)系統(tǒng)功能。

主電路硬件設(shè)計(jì)：
1.控制系統(tǒng)總方案設(shè)計(jì)
逆變電源是最新發(fā)展的技術(shù)，它的控制思想是：利用電子控制系統(tǒng)，以電流電壓負(fù)反饋閉環(huán)控制為核心，來獲得電源所需的外特性 ，調(diào)節(jié)特性和動(dòng)特性。
其輸入輸出關(guān)系為：
U=q*E/n
其中： q=T1/(T1+T2)*100%
U為電源輸出電壓；E為逆變器輸入直流電壓，n為高頻變壓器變比，q為占空比，T1為逆變器功率管導(dǎo)通時(shí)間，T2為逆變器功率管關(guān)斷時(shí)間，由于E,n為定值，改變占空比q就可以調(diào)節(jié)電源輸出的電壓值。
根據(jù)公式，我們選擇定頻率調(diào)脈寬的方式調(diào)節(jié)電源輸出電壓值，即保持脈沖頻率不變，通過改變逆變器開關(guān)脈沖的脈寬T1來調(diào)節(jié)電源輸出，脈寬越大，占空比越大，電源輸出越大。
這種調(diào)節(jié)方式主要由以下特點(diǎn)，可以得到相當(dāng)接近正玄波的輸出電壓；整流電路采用二極管，可獲得接近1 的功率因數(shù)；只用一級可控環(huán)節(jié)，電路結(jié)構(gòu)簡單；通過對輸出脈寬的控制就可以改變輸出電壓，大大加快了變頻器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
2，逆變電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
本設(shè)計(jì)采用全橋逆變主電路來設(shè)計(jì)主回路，主電路原理圖如下

其工作原理為：家用220V交流電經(jīng)過變壓器變成15V交流電，然后再經(jīng)過整流橋堆整流和電容濾波后成直流電壓，最后供給由功率MOS管IRF840和高頻變壓器組成的逆變電源，IRF840_1，IRF840_2，IRF840_3和RF840_4四個(gè)功率管由控制電路提供波形而交替導(dǎo)通，再經(jīng)過變壓器降壓后在變壓器的次級得到交變的電壓；然后再由二極管整流成直流電，經(jīng)電抗器濾波提供給負(fù)載使用。
3，MOSFET的選擇
MOSFET是該逆變電源的關(guān)鍵核心元件，對它的設(shè)計(jì)，選擇直接關(guān)系到整個(gè)焊機(jī)的安全，可靠。
1，額定電壓的確定
輸入的家用220v交流電壓經(jīng)過變壓器降壓為15v交流電，再經(jīng)過整流濾波后，直流輸出電壓最大值U。
U=https://www.stmcu.org/file:///COCUME~1ADMINI~1LOCALS~1Tempksohtmlwps_clip_image-4977.png[/img]×15=21V
而IRF840的可承受電壓為500V，在其工作范圍內(nèi)。
2，額定電流的確定
高平變壓器工作頻率為20KHz，高頻變壓器一次側(cè)和而此次的匝數(shù)比為20:8，高頻變壓器一次側(cè)電流為：
I=21×8÷20=8.4A
一次每只MOSFET管子的平均電流為一次側(cè)電流的一半，即4.2A，在IRF840的額定電流8A以內(nèi)。
綜上所述，選擇額定電壓為8A，額定電流為500V的IRF840。
控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：
主要原理：通過ARM主控板輸出PWM，然后經(jīng)過光耦隔離以減少干擾增大驅(qū)動(dòng)能力，然后直接驅(qū)動(dòng)主電路的IRF840功率管，使其交替導(dǎo)通，然后再經(jīng)過高頻變壓器降壓，最后通過整流濾波和穩(wěn)壓電路整流濾波后輸出給負(fù)載使用。該控制系統(tǒng)可以使得系統(tǒng)快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)。
該控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示：

由圖可見，整個(gè)數(shù)字化焊接電源的主要組成及作用如下：
1，主電路由供電系統(tǒng)，電子功率系統(tǒng)和整流穩(wěn)壓電路組成。
（1）供電系統(tǒng)把家用220V交流電變成直流電對電子功率系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)進(jìn)行供電。
（2）電子功率系統(tǒng)在數(shù)字化逆變電源中它實(shí)質(zhì)是一次側(cè)分頻功率系統(tǒng)，即逆變主電路，其作用是分頻，變換電參數(shù)。
2，電子控制系統(tǒng)對電子功率系統(tǒng)提供足夠大的，但所需變化規(guī)律的開關(guān)脈沖信號，驅(qū)動(dòng)主電路正常工作。
3，反饋給定系統(tǒng)由檢測電路，給定電路比較和放大電路組成檢測電路主要用于最終輸出的電壓電流的檢測，給定系統(tǒng)用于脈沖開關(guān)信號的給定，比較放大電路用于放大檢測電路的微弱信號以反饋給控制器形成閉環(huán)控制。
控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)：
1，ARM控制板硬件設(shè)計(jì)
為了適應(yīng)設(shè)計(jì)要求并減少成本，本設(shè)計(jì)了以STM32F103為核心的ARM控制板，其控制原理框圖如下：

電源電路用來給stm32f103處理器提供穩(wěn)定的3.3V工作電壓，JTAG接口為stm32的程序下載接口，本設(shè)計(jì)使用的stm32f103zet6內(nèi)部集成了512K的FLASH和64K的RAM，無需外擴(kuò)儲存器，RS232和RS485串口用來是處理器與計(jì)算機(jī)通信，從而調(diào)試電源控制系統(tǒng)，PWM輸出為本控制系統(tǒng)的核心，stm32具有多達(dá)28路pwm輸出，我們采用其中的兩路，通過驅(qū)動(dòng)放大后，用來驅(qū)動(dòng)主逆變電路的開關(guān)管，使該電源系統(tǒng)正常工作；液晶顯示用來做人機(jī)交互界面，可以直觀的顯示電源系統(tǒng)輸入輸出電流電壓值以及頻率等信息；stm32f103ze還內(nèi)部集成多路12為A/D通道，我們采用其中兩路分別用來測量輸出電壓和輸出電流，用以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。
2，MOSFET驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
由ARM輸出的兩路PWM脈沖波形均為峰值電壓3.3V的方波，不能滿足驅(qū)動(dòng)MOSFET的功率，而且無法實(shí)現(xiàn)控制電路與MOSFET之間的隔離，因此，本設(shè)計(jì)在ARM和MOSFET之間采用了下圖所示的驅(qū)動(dòng)電路：

本設(shè)計(jì)采用TLP250專用驅(qū)動(dòng)芯片來驅(qū)動(dòng)MOSFET，

從STM32控制器輸出的PWM波形如下圖所示：

從驅(qū)動(dòng)電路輸出波形

逆變橋輸出波形

 最后整流濾波輸出波形：