单片机控制脉冲TIG焊设备斩波电路研究∗

许芙蓉

（兰州石化职业技术学院，甘肃兰州 730060）

单片机控制脉冲TIG焊设备斩波电路研究∗

许芙蓉

（兰州石化职业技术学院，甘肃兰州 730060）

采用时代逆变为前级恒流源，选用绝缘栅双极晶体管（IGBT）作为斩波电路的开关管。控制电路以8位高性能单片机AT89C2051为核心，对整个电源进行实时精确控制。产生的脉冲信号，再经IGBT专用驱动模块2SD315AI－33进行功率放大触发IGBT，以实现功率的输出。通过调试和试验，测出了一系列的波形，并对这些波形进行分析。试验表明，该逆变电源的主电路和控制系统设计合理，运行可靠，实现了脉冲TIG焊功能。

逆变电源；IGBT；单片机；脉冲TIG焊

1 引 言

脉冲TIG焊是一种应用非常广泛的焊接方法，其焊缝表面质量好，内部组织细密，焊缝组织性能好。电弧能量易于控制，在高热敏感性材料和薄板焊接方面有独特的优越性［1］。特别是随着铝，镁及其合金材料在车辆、建筑、航空航天等工业中的大量应用，使脉冲TIG焊得到了进一步的推广。

脉冲TIG焊有许多独特的优点，但通常的脉冲TIG焊电源控制元器件多，电路复杂，很大程度上影响了其可靠性。将单片机用于脉冲TIG焊有许多优点［2］：如控制电路简化，提高规范调节的准确性，并能避免出现不合理的焊接规范，易于实现一机多功能。采用单片机控制可在不改变电源硬件的情况下，通过调整软件实现多种功能，为电源的后续开发提供有利条件。

2 脉冲电源主电路工作分析

笔者设计的脉冲电源的总体电路结构如图1所示，整个电路主要由三大部分组成：前级恒流源，后级IGBT斩波电路，单片机控制电路。

电源的主电路主要包括前级恒流源，后级IGBT斩波电路。前级恒流源用于调节整个电源的静特性及动特性，后级斩波电路主要是把前级输出的直流斩波为脉冲电流输出。笔者研究采用的是某公司的WS－400逆变直流弧焊电源，为前级恒流源。

图1 脉冲电源的总体电路

3 后级斩波电路的研究

（1）斩波电路开关元件和驱动模块的选择 IG⁃BT是MOSFET与双极晶体管的复合器件，它兼有MOSFET易驱动和功率晶体管电压、电流容量大的优点。其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十千赫兹频率范围内，在较高频率的大中功率应用中占据了主导地位。故而，选用IGBT作为本电路主控开关功率器件。

由于常用的IGBT驱动模块EX841、M57959等的驱动功率有限，且外围电路复杂。为此选用瑞士Concept公司生产的2SD315AI－33作驱动模块，该模块驱动功率大，有完善的保护功能，控制电路和驱动模块之间采用了光纤隔离，避免了主电路对控制电路的干扰，保证了系统的可靠运行［3］。

（2）2SD315AI－33输出波形 图2为直接模式下驱动模块输出的脉冲波形，从波形图上可看出输出脉冲的幅值为±15V，并有快速的上升沿及过冲，能够较容易开通功率开关管并减小开通损耗。

图2 直接模式输出脉冲波形

4 单片机控制系统设计

此究选用ATMEL公司生产的AT89C2051单片机。该单片机的控制系统，主要由时钟电路和复位电路构成，如图3所示。

图3 脉冲信号产生电路

在本单片机系统中，采用内部时钟方式，只需提供振荡源，如图3所示，将石英晶体振荡器和2个片电容组成外部振荡源。片内的高增益反相放大器通过XTAL1和XTAL2外接，作为反馈元件的片外晶体振荡器（呈感性），与电容组成的并联谐振回路构成一个自激振荡器，向内部时钟电路提供振荡时钟。振荡器的频率取决于晶振的振荡频率，振荡频率可在1.2～12 MHz之间。工作应用时通常采用6 MHz或12 MHz。电容C1，C2可在10～30 PF之间选择，电容的大小对振荡频率有微小的影响，可起频率微调作用。在本系统中，电容C1，C2取30 PF，晶振频率采用12 MHz。

如图3所示，本系统采用的是一种简单的上电复位电路，即自动复位电路。当接通电源的瞬间，RST端与VCC同电位，随着电容上电压的逐渐上升，RST端的电压逐渐下降，于是在RST端便形成了一个正脉冲，只要该正脉冲的宽度持续两个机器周期的高电平，就可实现系统自动复位。其参数为C＝220 uF，R＝2.2 K。

在本系统中，单片机主要用来提供脉冲信号，此脉冲信号是利用软件编程来实现的。编制的程序要实现频率为50 Hz，占空比为40%的脉冲波形。

经软件编程调试，在单片机P1.6端口所测得脉冲波形如图4所示，通过改变定时器的计数初值，可调节频率和导通比，使频率可调范围为0～500 Hz，导通比范围为10%～90%。

图4 脉冲波形

5 系统调试

为了检验所设计的印刷电路板以及编制的系统软件是否满足要求，首先对该部分进行了脱机调试。控制系统调试，实测的脉冲波形如图4所示，可以满足要求。2SD315AI－33输出的驱动波形如图2所示，满足要求。

图5 实验电路

脱机调试通过后，进行了静负载实验。按图5所示电路，连接好各器件，将焊枪抛开，将焊机面板上的焊枪插座接上带有夹具的焊把线，并将其夹在电阻两端，按下焊枪开关，测试并记录输出的电压波形。图6所示为脉冲电压波形其频率为50 Hz，占空比为40%的脉冲电压波形。由于所接电阻是固定电阻性负载，故而图6的脉冲电压波形能够反映实际脉冲电流的波形。

图6 脉冲电压波形

6 结 论

（1）所研制的脉冲TIG弧焊电源采用WS－400逆变式直流弧焊电源为前级恒流源，选用绝缘栅双极晶体管IGBT为斩波电路开关元件。经试验表明，所设计的主电路结构合理，性能稳定。

（2）整个控制系统采用以高性能的单片机为控制核心。试验表明，该系统电路简单，控制精度高，产生的脉冲信号稳定。

（3）编制的软件程序，精确可靠。通过改变程序，可得到不同频率和占空比的脉冲波形。使频率可调范围为0～500 Hz，导通比范围为10%～90%。

［1］ 杨春利，林三宝.电弧焊基础［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003.

［2］ 韩赞东.单片机控制IGBT逆变脉冲TIG焊电源的研究［J］.电焊机，1996（3）：8－11.

［3］ 王 威.高压大功率IGBT的驱动保护方案研究［J］.通信电源技术，2005（2）：11－14.

Study on Microcomputer Control for Pulsed TIG Welding Equipment Chopper Circuit

XU Fu－rong
（Lanzhou Petrochemical College of Vocational Technology，Lanzhou Gansu 730060，China）

Time inverter is applied to former step constant current power source and the Insulated Gate Bipolar Transistor（IG⁃BT）is selected in this paper.In order to obtain accurate and real－time control，high performance 8－bit single－chip micro⁃computer AT89C2051 is adopted for control kernel.The pulse signal from single－chip microcomputer are used to spring IGBT after they are magnified by driving module 2SD315AI－33.A series of waves are measured and analyzed by testing and experi⁃ments.Some conclusions are drawn from those waves.It is shown in this paper that the main circuit and the controlling system work well in the welding process，and pulse TIG welding is realized.

inverter power source；IGBT；single－chip microcomputer；pulse TIG welding

TH122

A

1007－4414（2013）04－0188－03

2013－05－25

许芙蓉（1983－），女，湖北荆门人，硕士，讲师，主要从事焊接电弧物理，焊接自动化及有色金属焊接方面的研究工作。