基于80C196KC的软开关型脉冲MIG焊机的研究

摘要：根据脉冲MIG(Metal Inert Gas)焊工艺特点，设计了基于80C196KC控制的软开关型脉冲MIG焊机。采用单片机80C196KC作为控制系统的核心，主电路采用软开关式全桥逆变结构，功率开关器件为绝缘栅双极晶体管(IGBT)，逆变频率为20kHz。采用PI算法实现恒流外特性，脉冲MIG焊接电源获得了电流频率、电流幅值、峰值基值导通比均可以独立调节的波形。试验表明脉冲MIG焊接电源控制系统运行稳定、可靠。
关键词：焊机；软开关；逆变；比例积分控制

1 引言
脉冲MIG焊以其在较大电流调节范围内均能够实现射滴过渡、轴向性好，适用于全位置焊接、热输入量方便可调以及焊接质量好等优点，受到国内外广大焊接工作者的关注。软开关技术采用谐振变流技术，其特点是功率器件在零电压和零电流条件下自然开通和关断。它从本质上克服了硬开关型弧焊电源的缺点，在较大程度上解决了功率开关损耗过大的问题。根据脉冲MIG工艺要求，设计了基于80C196KC控制的软开关型脉冲MIG焊机，峰值、基值电流调节范围为20～500 A，输出空载电压70 V，熔滴过渡方式为射滴过渡，焊接参数独立可调。

2 总体设计
软开关型脉冲MIG焊接电源系统整体结构如图1所示，由主电路、控制电路、驱动电路3个主要部分组成。系统采用目前较为常用的AC／ DC／AC／DC的逆变模式，脉冲开关信号来自单片机给出的控制指令，经驱动和放大后，为功率开关管提供固定频率为20 kHz的高频脉冲开关信号。在峰值电流期间，采样实际输出的峰值电流，经A／D转换后送入单片机与给定的峰值电流进行比较，单片机根据两者间偏差进行离散PI运算，得到1个控制参量，利用该控制参量实时调整20 kHz高频控制脉冲的宽度，使输出峰值电流与给定峰值电流相等；在基值电流期间，采用同样的方法，使输出基值电流与给定基值电流相等。

3 电源主电路设计
3．1 主电路工作原理
全桥软开关型逆变电源主电路结构如图2所示，主要分为：抗共模滤波、三相整流滤波、全桥逆变、功率变换和输出整流滤波5部分。

3．2 全桥软开关的工作原理
逆变电路采用软开关全桥逆变电路，由4个IGBT开关管(VT1～VT4)，4个反并联二极管(VD1～VD4和外加IGBT吸收电容C3，C4组成，L4为谐振电感，C12为阻断电容。其控制原理与常规移相PWM控制原理相同，在大范围内也是PWM控制。IGBT驱动波形如图3所示。

在t0时刻前，VT1，VT4两个IGBT导通，此时电流由A流向B，在t0时刻，VT1提前关断，此时电容C3，C4开始充放电，此时VT2的管压降迅速降低，由于C3，C4容量极小，故在很短的时间内(t2时刻到来前)，VT2的管压降降为零，与其并联的逆导二极管VD2导通，此时电流流向为C4→L4→C12→T1→VT4，由于初级电流衰减，流过VD2的电流也迅速降为零，饱和电感L4阻断电流反向增加，同时阻断电容C12上的电压迅速升高，使初级电流保持为零。故在t1时刻，滞后臂上的VT4是在零电流状态下关断的；在t2时刻，VT2在零电压、零电流状态下导通。同理，在t3时刻，VT2提前关断，C3，C4又一次开始充放电，此时电流流向是VT3→T1→C12→L4→C4，在极短的时间内C4充电完成，其电压与前端的正电压相等，此时L4再次反方向的产生阻断电流，阻断电容此时反方向充电，产生反方向高压来阻止初级电流，故在t4时刻，滞后臂上的VT3在零电流状态下关断；在t5时刻，VT1在零电压、零电流状态下导通。
综上所述，超前臂实现零电流零电压开关(ZVZCS)，滞后臂实现零电流开关，从而整个软开关逆变电路实现了ZVZCS。

4 电源控制系统设计
4．1 控制系统工作原理
在单片机闭环控制系统中，采用高性能的MCS-96系列单片机80C196KC作为电源控制系统核心，通过编程实现焊接过程控制、电流电压采样、A／D转换、PI运算、参数预置等功能。整个系统采用闭环负反馈控制，逆变采用PWM方式控制输出电流的大小，控制量经由MAX530组成的D／A转换电路后送到脉宽调制芯片UC3846，输出自带死区的两路PWM驱动信号，经过脉冲变压器的隔离驱动IGBT，输出恒流外特性。
4．2 IGBT驱动波形
图4为实测IGBT驱动波形，其中图4a为同一桥臂VT1，VT2上的驱动波形ugVT1，ugVT2，由图可知，两路驱动波形相位相反，脉宽相等，与预期的目标相同。图4b为同一导通回路VT1，VT4上的驱动波形ugVT1，ugVT4，即ugVT4一直保持最大脉宽，通过控制ugVT1脉宽来实现PWM调节。图4c为VT2，VT3上的驱动波形ugVT2，ugVT3。图4d为VT3，VT4上的驱动波形ugVT3，ugVT4。由图可见，ugVT3，ugVT4一直保持最大脉宽，只有ugVT1，ugVT2的脉冲宽度是跟随PI计算后的给定值而变化的，符合所设计的软开关主电路要求。