基于伺服加壓的逆變點焊機

1、引言逆變電源由于具有電源體積孝重量輕、功率因數(shù)和控制精度高等優(yōu)點已成為點焊電源主要的研究方向。伺服加壓具有精度高、周期短、工件及電極1實現(xiàn)軟接觸等特點，越來越多地取代氣動加壓。而隨著電子技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，點焊過程控制也由簡單控制向智能控制方向發(fā)展，嵌入式芯片將2在點焊系統(tǒng)中獲得無法挑戰(zhàn)的地位。因此，本文將從以上三個方面，介紹逆變伺服加壓電焊機的結(jié)構(gòu)及原理。1系統(tǒng)整體設(shè)計1.1點焊逆變電源系統(tǒng)3電阻焊逆變電源系統(tǒng)由逆變器、變壓器以及整流器構(gòu)成。采用IGBT全橋逆變點焊電源，逆變頻率為1kHz。其主要形式如圖1，主要由輸入整流4濾波電路、全橋逆變主電路、焊接變壓器、次級整流電路等幾部分組成。

2、圖1IGBT全橋逆變電路作為大功率復(fù)合元器件，IGBT有著高阻抗輸入5、熱穩(wěn)定性能好、開關(guān)頻率高、容易觸發(fā)以及可以承受高電壓強電流等優(yōu)點。在驅(qū)動電路的控制下，IGBT1、IGBT4和IGBT2、IGBT63會交替的開通和關(guān)斷，超前管IGBT1和IGBT2利用其并聯(lián)的電容和變壓器的漏感來實現(xiàn)零電壓導(dǎo)通，在環(huán)流期間可以利用隔直電容C來加快7環(huán)流衰減，從而使IGBT3、IGBT4滯后管實現(xiàn)零電流關(guān)斷，同時飽和電感L能起到阻止Ls、C反向震蕩的作用，當(dāng)在滯后管開通的時候，L8處于不飽和狀態(tài)，此時電流上升比較慢，而電壓下降的較快，實現(xiàn)了零電流開通。1.2伺服加壓機構(gòu)電阻點焊加壓系統(tǒng)的組成如圖2所示，由焊

3、接電9源、運動控制器、驅(qū)動器、伺服電機、編碼器、執(zhí)行機構(gòu)等組成。其中，運動控制器、驅(qū)動器、伺服電機、編碼器、限位開關(guān)及加壓連接機構(gòu)組成伺服10加壓系統(tǒng)，和點焊逆變電源系統(tǒng)共同組成電阻點焊系統(tǒng)。其中伺服控制器主要包含電機控制電路以及電機調(diào)速電路，用于控制電機的啟動、停止、正轉(zhuǎn)11、反轉(zhuǎn)、快速運動和慢速運動。點焊系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置由焊接電源端的人機界面設(shè)置，焊接電流和焊接時間由焊接電源控制，伺服加壓系統(tǒng)控制電極位移12、速度、壓力，通過焊接電源和運動控制器的信號互動來達(dá)到焊接參數(shù)的匹配。伺服電機使用聯(lián)軸器來帶動滾珠絲桿旋轉(zhuǎn)，由絲桿螺母通過連接機構(gòu)實13現(xiàn)電極的進(jìn)給，電機旋轉(zhuǎn)量和旋轉(zhuǎn)速度決定了電極的進(jìn)給

4、量和進(jìn)給速度，轉(zhuǎn)矩決定了電極壓力。焊接電源的控制精度決定了焊接電流和焊接時間的控制14精度，伺服加壓系統(tǒng)的特性決定電極定位的控制精度和高效率。圖2點焊伺服加壓組成機構(gòu)2點焊機控制器系統(tǒng)硬件的設(shè)計一臺完整的逆變伺服加壓點15焊機從硬件上看，應(yīng)由3部分構(gòu)成：逆變電源、伺服加壓機構(gòu)和控制器。需要控制的設(shè)備有三個：電源、人機交互界面和加壓機構(gòu)。故需要4塊電路板16，分別是逆變電源電路板、人機交互面板、電機驅(qū)動電路板和控制器電路板。其基本框架如圖3所示。圖3控制器硬件框圖核心控制器作為點焊機的控17制核心，主要作用體現(xiàn)在四方面：通過串口RS232準(zhǔn)確接收來自人機交互系統(tǒng)的預(yù)設(shè)焊接參數(shù)；通過I/O口實現(xiàn)對

5、逆變電源開、關(guān)，以及電18流大小的精確控制；通過I/O口實現(xiàn)對加壓機構(gòu)直流電機的開、關(guān)，電機正、反轉(zhuǎn)以及轉(zhuǎn)速大小的精確控制；根據(jù)點焊工藝過程各階段的時間參19數(shù)，運用順序控制的算法對逆變電源和加壓機構(gòu)準(zhǔn)確控制，從而按編排的工藝過程（預(yù)壓、預(yù)熱、焊接、維持、休止）各階段順序執(zhí)行。其具體功能如20圖4所示。圖4控制器功能圖根據(jù)電阻焊工藝特點，該控制器必須具有運算速度快、中斷能力強、抗干擾能力強、豐富的接口等特征。根據(jù)以上特點，21確定以意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的低功耗、高性能、I/O豐富的STM32F103ZET6作為點焊控制系統(tǒng)的主控芯片。其片上集成32512K22B的Flash存儲器，664KB的S

6、RAM存儲器，時鐘可達(dá)72MHz，運算速度快，集成度高，并且自帶2個12位的s級A/D23轉(zhuǎn)換器（16通道）和2通道12位D/A轉(zhuǎn)換器，擁有復(fù)位電路、低電壓檢測、調(diào)壓器、精確的RC振蕩器等功能，控制功能完善。3系統(tǒng)軟件設(shè)計24在機械和控制電路硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，通過軟件的編寫來實現(xiàn)所需要的功能，程序的設(shè)計采用主程序和子程序結(jié)合的方式，各部分功能全部采用相應(yīng)的25子程序?qū)崿F(xiàn)，最后通過主程序調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)整個系統(tǒng)的控制。在軟件開發(fā)環(huán)境IAR下，結(jié)合STM32F103ZET6芯片的特點，將26C/OS-II移植到主控芯片上，在移植過程修改相應(yīng)的代碼。創(chuàng)建焊接參數(shù)顯示及電流曲線實時繪制等任務(wù)函數(shù)，利用C/OS-II的27實時調(diào)度，實現(xiàn)觸摸屏人機交互界面的焊接參數(shù)輸入、顯示，焊接完成后焊接電流曲線自動生成。伺服加壓的軟件框圖如圖5所示。圖5伺服加壓控制28系統(tǒng)的軟件流程圖4結(jié)論將逆變