斬波式中頻點焊電源的PLC控制系統

馬鐵軍，高文成，張 勇，萬 鵬，楊思乾

(1.西北工業大學 摩擦焊接陜西省重點實驗室，陜西 西安 710072；2.邊防學院，陜西 西安 710108)

焊接設備

斬波式中頻點焊電源的PLC控制系統

馬鐵軍1，高文成1，張 勇1，萬 鵬2，楊思乾1

(1.西北工業大學 摩擦焊接陜西省重點實驗室，陜西 西安 710072；2.邊防學院，陜西 西安 710108)

設計的斬波式中頻點焊電源主電路由一對反向串聯的IGBT及其保護電路組成，兩個IGBT在設定的占空比通斷信號控制下輪流導通，從而實現了焊接變壓器次級交流斬波波形的輸出，線路簡單、工作穩定可靠。以S7-200PLC為核心，設計開發了電源及焊接過程控制系統。其中，斬波控制信號由基于TL494的PWM信號發生電路產生，該電路還可對斬波電壓進行閉環控制實現網壓補償。空載調試結果表明，PLC控制系統的軟、硬件設計合理，能夠控制主電路按照設定的占空比輸出理想的斬波電壓波形。從輸出波形可以看出，該電源可獲得較高的調節精度及連續穩定的能量輸出，理想焊接工藝性更理想。

斬波式；中頻點焊電源；S7-200PLC；TL494芯片；網壓補償

0 前言

交流斬波控制調壓技術是一種通過控制全控型開關器件的有序通斷，將正弦交流電壓分割成輪廓為正弦波的若干個電壓脈沖的交流調壓技術[1]。由于輸出斬波電壓波形的特殊性，使得基于交流斬波控制調壓技術的斬波式中頻點焊電源具有動態響應速度快、控制精度高、工藝性好等優點，加之斬波電路結構簡單、控制方便，斬波式中頻點焊電源已經引起了人們的關注[2]。由于點焊過程中的沖擊電流較大，在運用單片機進行控制時，控制系統的穩定性較差。考慮到PLC具有可靠性高、適應性強、編程方便、擴展能力強等一系列優點，運用PLC來實現焊接過程中的程序控制[3]。

1 控制系統原理

1.1 斬波式中頻點焊電源的主電力電路

如圖1所示，斬波式中頻點焊電源的主電路由一對反向串聯的全控型開關器件以及濾波器組成。電源采用GA75TSK120ST型IGBT功率模塊作為全控型開關器件，實現對輸入交流電壓的斬波。該功率模塊的最大耐壓值為1 200 V，最大集電極直流電流可達75 A。IGBT的集-射極間加有R1、C1和R2、C2串聯的阻容保護電路，用來吸收兩個IGBT關斷時產生的反峰電勢，并可降低關斷損耗。C3為10 μ F的濾波電容，用以降低加在焊接變壓器一次側的工頻分量[2-4]。

圖1 斬波式交流點焊電源主電力電路

電路輸入電壓選用220 V工頻交流電壓。在正弦電壓的正、負半周，IGBT1和IGBT2輪流導通對工頻電壓進行斬波，斬波后的電壓經過C3濾波后加在焊接變壓器T兩端，產生焊接電流對工件進行焊接。R3為續流電阻，IGBT1、IGBT2的控制極觸發信號以網路電壓的零點為基準。在網路電壓正半周，IGBT2關斷，IGBT1在柵極信號的控制下，以設定的頻率導通、關斷(定義一個周期內導通與關斷時間的比值為占空比)，從而實現對輸入電壓的斬波；在網路電壓的負半周，IGBT1關斷，IGBT2在柵極信號的控制下，以設定的頻率導通、關斷，從而實現對輸入電壓的斬波。如此循環，即可實現對連續時間輸入正弦電壓的斬波操作。

1.2 斬波式中頻點焊電源系統設計

斬波式中頻點焊電源系統如圖2所示。電源系統主要由同步電路、交流斬波電路、電壓采樣電路、PWM信號發生電路以及對整個焊接過程進行時序控制的PLC組成。同步電路的作用是將相電壓的零點變為脈沖信號，輸入PLC作為系統時序控制的基準。PWM信號發生電路可產生占空比連續可調的矩形波控制信號，該控制信號經過隔離及功率放大后對IGBT進行驅動，實現對輸入電壓的斬波操作。當輸入工頻電壓波動時，PWM信號發生器可根據電壓采樣電路所得反饋電壓的變化對斬波電壓進行閉環控制，相應地調整控制信號的占空比，進而穩定輸出電壓。采用混合集成電路EXB841實現對IGBT的驅動及保護。采用西門子TD200對焊接過程中的參數進行輸入及顯示。

圖2 斬波式點焊電源系統框圖

1.3 PWM信號發生器

PWM波形發生電路如圖3所示。TL494是一種固定頻率脈寬調制電路，它由振蕩器、誤差放大器、脈寬比較器、基準電壓源及輸出電路等組成。振蕩器產生的鋸齒波輸入PWM比較器的反相輸入端，脈沖調寬電壓輸入PWM比較器的同相輸入端，通過PWM比較器進行比較，輸出一定寬度的脈沖波。當調寬電壓變化時，TL494輸出的脈沖寬度也隨之改變，從而改變開關管的導通時間，達到調節輸出電壓的目的。TL494芯片的5、6腳電容和電阻的大小決定了輸出了PWM波形的頻率，電路中RT＝22 kΩ、CT＝0.1μ F，則振蕩頻率f＝1.1／(RT·CT)＝500Hz。

脈沖寬度可由1、2以及3腳共同控制，以實現輸入和反饋比較的閉環控制。其中，1腳輸入給定電壓，調節變阻器RP可改變該給定電壓的大小。如圖3所示，焊接變壓器一次側經反饋變壓器隔離后，整流、采樣，然后接入2腳；3腳為TL494芯片內部誤差放大器1輸出信號補償元件的連接端，3腳與2腳通過RC連接構成PI調節器以保證脈沖寬度的穩定以及調節精度。1腳、2腳以及3腳經誤差放大器1作用產生調寬電壓，此調寬電壓與振蕩器產生的鋸齒波經PWM比較器共同作用產生一定寬度的脈沖波。當網壓波動時，則接入2腳的變壓器一次側電壓相應地波動，此波動的反饋電壓可促使TL494相應地改變輸出PWM波的寬度，從而對網壓進行補償，穩定輸出電壓。TL494的13腳為輸出控制端，該腳接地，設置為單路輸出，由8、12引腳共同輸出一路脈寬可控的PWM控制信號[5]。

圖3 PWM波形發生電路

2 PLC控制系統的設計

2.1 點焊工藝流程的控制

圖4所示為目前應用最廣的點焊循環，即“加壓—焊接—維持—休止”的四程序段點焊[6]。焊接過程中所要控制的焊接參數有加壓時間t1、焊接時間t2、維持時間t3以及休止時間t4。四個程序的調節范圍均為0～99周。

圖4 點焊焊接循環示意

2.2 PLC硬件系統的設計

PLC控制系統硬件電路如圖5所示。其中，輸入開關量包括IGBT驅動保護芯片EX841的報警信號、電源報警信號、水壓開關、腳踏開關、監控IGBT溫度的溫控開關以及用于計數器計數的同步信號；輸出開關量包括氣閥啟動信號、輸入給定電壓信號以及IGBT驅動信號。硬件電路中的繼電器KM1控制氣閥的工作，KM2控制PWM波對IGBT觸發，KM3控制TL494管腳1給定電壓的輸入。

由于開關點數較少(輸入6點，輸出3點)且焊接循環過程控制簡單，因此，選用西門子公司的S7-200系列PLC即可實現對焊接過程的可靠控制，型號為CPU222(輸入8點，輸出6點)。西門子S7-200是整體式PLC，具有極高的可靠性、豐富的指令集、便捷的操作、豐富的內置集成功能｜強大的通信能力以及豐富的擴展模塊等特點[3]。

2.3 PLC軟件系統的設計

軟件系統采用西門子公司專用編程軟件STEP 7-Micro／WIN來實現。PLC軟件系統實現如下功能：通電進入主程序，為了確保焊接過程中IGBT以及焊接電極的可靠冷卻，PLC應首先檢測水壓開關是否閉合。焊接循環開始前，操作TD200上的按鍵，分別鍵入焊接參數，即加壓時間、焊接時間、維持時間以及休止時間。腳踏開關閉合之后，氣閥開起，同時輸入同步信號，計數器C1開始計算同步信號的輸入周波數，直到達到加壓時間；然后PLC向TL494芯片的1號管腳發出輸入給定電壓信號，并且控制兩路PWM信號交替驅動IGBT1、IGBT2，同時計數器C2計算同步信號周波數，直至達到焊接時間；此后計數器C3、C4順序計算同步信號周波數，直至維持、休止結束；最后，PLC的一個掃描周期結束，程序返回開始階段，等待下一焊接循環的開始。相應的PLC軟件系統流程如圖6所示。

圖5 PLC硬件電路

圖6 PLC軟件系統流程

3 實驗結果

焊接變壓器空載工作時，用TDS2014記憶示波器測得的IGBT1、IGBT2柵-射極控制信號以及焊接變壓器次級空載電壓波形分別如圖7a、7b所示。圖7a為頻率為500 Hz的交替矩形波信號。

從圖7b可見，正弦波已被斬成f＝500 Hz的近似矩形脈沖波，寬度為1 ms，但其包絡線近似為正弦波形式，斬波脈沖的寬度與圖7a所示的控制信號的脈沖寬度相等。由于感性元件變壓器的存在，使得在IGBT關斷的瞬間，不可避免地出現了與斬波電壓相位相差180°的反電動勢，將會對IGBT產生不利影響。而主電路中的續流電阻R3以及IGBT集-射極間的阻容保護電路能夠吸收反峰電勢，從而保護IGBT。

從這種中頻斬波電源的電壓輸出波形可看出，通過調節占空比，容易獲得精確、連續的能量輸出，可有效控制點焊過程中的加熱速率。該電源用于點焊時，塑性環在熔核長大過程中不易被破壞，從而能夠防止焊接飛濺的產生。與普通交流點焊電源相比，斬波式中頻點焊電源具有明顯的工藝優勢，將成為一種新型的無飛濺點焊電源。

圖7 實驗測試波形

4 結論

(1)用一對反向串聯IGBT組成的斬波式交流調壓電路，具有線路簡單、工作穩定可靠的優點。

(2)PLC控制系統硬、軟件設計合理，能夠控制主電路按照預先設定的占空比輸出理想的斬波電壓波形。

(3)斬波式中頻點焊電源與一般點焊電源相比，更容易獲得精確、連續的能量輸出。

[1]王兆安，黃 俊.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2009.

[2]王 鑠.交流斬波式變頻點焊電源的研制[D].陜西：西北工業大學，2005.

[3]孫承志，徐 智.西門子S7-200／300／400PLC基礎與應用技術[M].北京：機械工業出版社，2009.

[4]毛行奎，張文雄.交流斬波控制調壓技術探討[J].機床電器，2004(2)：50-53.

[5]曹作群，王 萍，張力延.集成脈寬調制式開關穩壓控制電路的特點與應用[J].計量技術，1997(3)：21-23.

[6]趙熹華，馮吉才.壓焊方法及設備[M].北京：機械工藝出版

PLC control system of chopped mode medium frequency spot welding source

MA Tie-jun1，GAO Wen-cheng1，ZHANG Yong1，WAN Peng2，YANG Si-qian1
(1.Shanxi Key Laboratory of Friction Welding Technologies，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China；2.Border Defense College，Xi'an 710108，China)

The designed main circuit of chopped mode medium frequency spot welding source is composed of one pair of inverse opposing IGBTs and protective circuit.The two IGBTs conduct in turn under the control of switching signal whose duty cycle is presetted,which could lead the output of welding transformer secondary AC chopping waveform.The main circuit is simple and works stably and reliably.The control system of power supply and welding process is developed based on S7-200PLC.The chopping signal which controls the two IGBTs to take turns conduction is generated by PWM signal generating circuit based on TL494，besides，this circuit could play the roleof closed loop control on chopped voltage to realize voltage auto-compensating.Finally，the whole system is debugged in the case of welding transformer no-load，and the experiment result shows that the hardware and software of control system are designed reasonably，which could control the main circuit to output ideal chopped voltage waveform with pre-set duty cycle.As can be seen from the output waveform that this power supply could obtain higher regulation accuracy and more continuous energy output compared with the general spot welding source,therefore，it has a more ideal welding process.

chopped mode；medium frequency spot welding source；S7-200PLC；TL494；supply voltage auto-compensating

TG434.1

A

1001-2303(2011)12-0001-05

2011-07-10

馬鐵軍(1972—)，男，陜西西安人，副教授，主要從事壓力焊理論與質量控制方面的研究工作。