芯耀
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前言
將直流電變換成交流動稱逆變，實現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，即為數字化逆變焊機，或數字化弧焊逆變器、數字化逆變式弧焊電源。目前，各類數字化逆變焊機已應用于多種焊接方法，逐步成為焊機更新?lián)Q代的重要產品。
原理：數字化逆變焊機通常采用三相交流電供電，經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, 產品穩(wěn)定可靠，制精確度高，良的焊接性能，威的焊接專家數據庫，節(jié)能，絡和自動化焊接等優(yōu)良特性。
本設計優(yōu)點：電源的發(fā)展趨勢，其關鍵在于控制器的數字化。目前市場上的大多數數字化產品價格相對高昂，本設計TM32系列單片機進行經濟型數字化弧焊電源控制器的設計和實現。該控制器采用數字式PI方法進行輸出電流控制，并具有按鍵操作、 液晶顯示、過流保護、過熱保護等功能。該控制器還具有良好的擴展性，可以通過修改程序增強系統(tǒng)功能。
主電路硬件設計：
1.控制系統(tǒng)總方案設計
逆變電源是最新發(fā)展的技術，它的控制思想是：利用電子控制系統(tǒng)，以電流電壓負反饋閉環(huán)控制為核心，來獲得電源所需的外特性 ，調節(jié)特性和動特性。
其輸入輸出關系為：
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為逆變器功率管導通時間，T2為逆變器功率管關斷時間，由于E,n為定值，改變占空比q就可以調節(jié)電源輸出的電壓值。
根據公式，我們選擇定頻率調脈寬的方式調節(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脈沖的脈寬T1來調節(jié)電源輸出，脈寬越大，占空比越大，電源輸出越大。
這種調節(jié)方式主要由以下特點，可以得到相當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；只用一級可控環(huán)節(jié)，電路結構簡單；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態(tài)響應。
2，逆變電路的拓撲結構
本設計采用全橋逆變主電路來設計主回路，主電路原理圖如下
其工作原理為：家用220V交流電經過變壓器變成15V交流電，然后再經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_4四個功率管由控制電路提供波形而交替導通，再經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，經電抗器濾波提供給負載使用。
3，MOSFET的選擇
MOSFET是該逆變電源的關鍵核心元件，對它的設計，選擇直接關系到整個焊機的安全，可靠。
1，額定電壓的確定
輸入的家用220v交流電壓經過變壓器降壓為15v交流電，再經過整流濾波后，直流輸出電壓最大值U。
U=
OCUME~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。
2，額定電流的確定
高平變壓器工作頻率為20KHz，高頻變壓器一次側和而此次的匝數比為20:8，高頻變壓器一次側電流為：
I=21×8÷20=8.4A
一次每只MOSFET管子的平均電流為一次側電流的一半，即4.2A，在IRF840的額定電流8A以內。
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)總體結構設計：
主要原理：通過ARM主控板輸出PWM，然后經過光耦隔離以減少干擾增大驅動能力，然后直接驅動主電路的IRF840功率管，使其交替導通，然后再經過高頻變壓器降壓，最后通過整流濾波和穩(wěn)壓電路整流濾波后輸出給負載使用。該控制系統(tǒng)可以使得系統(tǒng)快速響應性能好，動態(tài)抗干擾能力強。
該控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結構框圖如下圖所示：
由圖可見，整個數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)進行供電。
（2）電子功率系統(tǒng)在數字化逆變電源中它實質是一次側分頻功率系統(tǒng)，即逆變主電路，其作用是分頻，變換電參數。
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)律的開關脈沖信號，驅動主電路正常工作。
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)硬件設計：
1，ARM控制板硬件設計
為了適應設計要求并減少成本，本設計了以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，本設計使用的stm32f103zet6內部集成了512K的FLASH和64K的RAM，無需外擴儲存器，RS232和RS485串口用來是處理器與計算機通信，從而調試電源控制系統(tǒng)，PWM輸出為本控制系統(tǒng)的核心，stm32具有多達28路pwm輸出，我們采用其中的兩路，通過驅動放大后，用來驅動主逆變電路的開關管，使該電源系統(tǒng)正常工作；液晶顯示用來做人機交互界面，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，用以實現閉環(huán)控制。
2，MOSFET驅動電路設計
由ARM輸出的兩路PWM脈沖波形均為峰值電壓3.3V的方波，不能滿足驅動MOSFET的功率，而且無法實現控制電路與MOSFET之間的隔離，因此，本設計在ARM和MOSFET之間采用了下圖所示的驅動電路：
從STM32控制器輸出的PWM波形如下圖所示： 
從驅動電路輸出波形
逆變橋輸出波形
最后整流濾波輸出波形：
