图1　电源主电路原理图

　　网路电压经降压和整流后通过晶体管开关输出断续脉冲电流，如果输入电压为恒稳直流，则经晶体管开关得到的是方波。如果输入电压为脉动的直流电压，例如，输入为单相全波整流波形，经过开关后则得到被截去一部分的整流波形，很显然，如果负载要求稳定的直流电压，则在晶体管开关与负载之间须有滤波电抗器。
　　功率晶体管在主回路中作为开关使用，对它的要求也与小信号晶体管不同，主要是有足够的容量(高电压、大电流)、适当的增益、较高的工作速度和较低的功率损耗等。由于功率晶体管的工作状态与小信号晶体管相比，具有功率损耗大、工作电流大、电流增益低等特点，这些将给其驱动电路造成负担，而达林顿结构是提高电流增益的一种有效方式，因此，电源的功率晶体管选用了达林顿管。
　　电源主回路采用闭环控制式，其结构原理如图2所示：CPU是微处理器，ROM为只读存储器，通常用光擦除可编程只读存储器EPROM，而RAM是随机读写存储器，A／D为模－数转换器。开环控制时，给定值通过CPU对电源的输出量实施控制；闭环控制时，还要对电源的输出量进行采样，并通过A／D转换为数字量，然后CPU对采样值与给定值加以比较，判断误差的性质和大小，选择适当的控制算法，计算出控制量，再通过定时器、驱动器对电源主电路输出量进行调节，使之与给定值一致或接近。
　　图2虚线框内所示为微机闭环控制的原理框图，其中包括中央处理单元CPU、RAM和ROM、并行输入／输出接口、计数器／定时器、模／数转换器A／D、电流采样用分流器FL、电压采样用分压电阻R1、R1以及倒相、放大用的运算放大器。输入的作用在于焊接参数(如焊接电压、焊接电流)的预置，采样及反馈控制用于稳定焊接电压Uf。

图2　微机闭环控制式晶体管弧焊电源电路框图

　　作为控制系统“心脏”的微机可选用单片微机。权衡性能机价比，决定选用8031单片微机作为整个控制系统的核心。

3　反馈电路和GTR驱动电路

　　开关晶体管弧焊电源反馈电路为电流控制型连接电路。反馈信号送至CPU处理之后，控制GTR驱动电路，从而改变GTR的通断时间，达到稳定焊接电压的目的。CPU输出的信号经过GTR驱动电路功率放大使GTR动作。
　　GTR驱动电路的设计也是比较关键的一步。理想的基极驱动电路应当满足3个条件：开通时要有一定的过驱动；正常导通时要浅饱和；关断时要反向偏置。
　　开通时基极要过驱动，流过较大的基极电流，以缩短开通时间。正常导通时，基极流过必要的最小基极电流而使晶体管不至于深饱和。关断时，反向偏置有利于基区积累电荷快速泄放，减少关断时间。
　　GTR驱动电路采用基极驱动的方式，为了使功率晶体管工作在安全工作区S0A内，应该尽量缩短开关时间、降低通态损耗和开关损耗。
　　本文所设计的GTR驱动电路属于改进型雷希密勒驱动电路，可参见文献［1］。

4　微机控制总体框架

　　MCS－8031系列单片微机为用户提供了十分丰富的硬件、软件资源，用户只需添加少量的元器件，便可组成一种软硬件结合、品质性能较好的微机控制系统。
　　在组成单片机应用系统时，虽然实际问题涉及领域很宽，要求各不相同，组成方案千差万别，很难有一个固定的模式适用于一切问题，但考虑问题的基本出发点大体相同。对于MIG/MAG弧焊电源的控制对象主要是焊接电压Uf，因为在等速送丝的熔化极弧焊电源中，电源外特性一般采用平特性，这样，可以具有电弧自身调节作用强、焊接规范易于稳定，且短路电流大，容易引弧，有利于防止焊丝回烧和粘丝等好处，因此，在焊接过程中，熔化极电弧要求电源输出电压Uf基本保持恒定。
　　本文的微机控制的关键技术在于脉宽调制波的产生、电压采样和反馈控制。脉宽调制技术是指在微机控制系统中，通过输入焊接电压等设定参数，产生相应的PWM波，使焊接电弧工作在预置的参数范围内，并能够根据检测反馈的信号调节PWM波；电压采样采取定时采样处理的方式，通过模／数转换，信号进入CPU；反馈控制信号经过CPU处理之后，通过定时器8253产生PWM信号，经过GTR驱动电路，控制GTR的开关状态，从而使电路主回路中的工作电压稳定，即使焊接电压Uf稳定。
　　微机控制总体框架如图3所示。

图3　微机控制总体框架图

整个微机控制系统共分为三大模块：一为脉宽调制发生系统，由定时器8253提供；二为模／数(A／D)转换，由ADC0809负责将模拟量转换为数字量；三为输出／输入(I／0)系统，由键盘、数码显示管组成，主要解决输入参数和显示参数的问题。
　　结合微机硬件的整体设计，本论文编制了相应的控制软件，以模块为单位，分为如下4个部分：脉宽调制部分、模／数转换处理部分、按键识别部分和数码显示部分。
　　脉宽调制部分主要是产生PWM脉宽调制波，控制GTR的开关状态，稳定焊接电压；模／数转换处理部分主要是用于电压采样，由于反馈电压是模拟量，而微机只能识别数字量，因而采样的模拟量信号需要通过模／数转换成为数字量，以便单片机能够识别；按键识别部分主要是实现输入量的识别和储存，如预置焊接电压、焊接电流等参数的输入，逻辑控制指令的接收等；数码显示部分则主要是以数字形式显示输入值的大小，焊接过程中焊接电压和焊接电流的大小及一些代表逻辑命令的特殊符号。
　　微机控制系统的数／模(D／A)转换，是用来控制熔化极弧焊电源送丝机构中的送丝速度。(图中未标出)

5　脉宽调制技术

　　开关管的控制信号可由PWM技术来产生。所谓PWM即脉冲宽度调制技术，就是在周期不变的条件下，将输入电压转变成一定脉宽的方波，使GTR的控制从原来的相位控制中摆脱出来，技术性能和可靠性得到明显的提高。
　　本文微机控制系统所输出的PWM波主要是通过8031和8253定时器共同作用来产生。所设计的电路充分利用了可编程计数／定时器8253的工作方式2的特点，减少了中断次数，节约了中断服务程序执行时间。同时也减少了PWM波脉冲的边沿误差。
　　本文采用的MCS－51的主振频率fosc为12?MHz，则CLK频率为fosc／6＝2?MHz。
　　由于每个载波周期只中断一次，采用8253十六位定时器，其时钟频率为2?MHz，因此PWM波精度较高。
　　整个微机系统的PWM波的程序框图如图4所示。这里要注意：在比较采样前后的脉宽值是否相等时，存在一个比较范围的问题，也就是说，在一定的差值范围内，即允许误差范围内，两者可被认为是相等的。本文脉宽比值的允许误差为10%(含10%)。

图4　脉宽控制程序框图

6　实验结果

　　(1)采样数据经单片机处理之后，产生了脉宽调制信号，如图5所示，图中的脉宽调制的频率为40?kHz。
　　(2)采样信号经过CPU处理转换成相应的反馈控制信号。
　　(3)当输入的采样信号发生变化时，脉宽亦发生变化，如图6所示。

图5　40kHz的宽调制波

(a)

(b)
图6　脉宽调制波的变化情况

　　(4)键盘输入给定值，数码管显示相应的数值，产生相应的脉宽调制波。

7　结论

　　本电源采用微机控制系统，可以实现对电压与电流值等焊接参数的预置、显示及精确调节，当焊接电压或电流发生波动时，可利用电压和电流反馈信号，运用单片机处理系统，控制脉宽调制信号，从而改变GTR的驱动信号，以稳定焊接电压Uf，从而获得电源的平外特性，使焊接电源能较稳定地工作。同时，也可实现故障的自诊断、自处理，其控制功能强，作用效果好。
　　在微机控制直流弧焊电源中，不仅给定值，而且外特性、动特性和调节特性等均由微机直接进行数字控制，对这种电源中的微机控制系统要求较高，特别是对软件的要求更高。可以说，在有相同硬件的情况下，这类电源的功能和性能就几乎完全依赖于软件。因此，这类电源靠开发软件可以灵活控制其性能，还可以做到一机多用，而不增加电源的硬件、体积和重量。
　　微机控制的开关式弧焊电源不仅可应用于熔化极电弧焊，也可应用于非熔化极电弧焊，只要微机控制系统的工作软件作相应的调整，如加入控制焊接电压U和焊接电流I的外特性曲线的功能，把电弧电压U和电流I的相关性处理成缓降特性或陡降的外特性，便可将该电源当作非熔化极的弧焊电源使用。当然，此时在微机控制板的抗干扰方面必须做得更加完善，因为非熔化极的弧焊电源在高频引弧时，高频将产生比较大的干扰信号，这种干扰信号会对微机控制板产生很大的冲击，轻则使控制程序紊乱，微机失控，重则将微机控制板的芯片烧毁。■

作者单位：吴万华(上海交通大学，上海，200030)
　　　　　姚舜(上海交通大学，上海，200030)
　　　　　俞海良(上海交通大学，上海，200030)

参考文献：

［1］中国集成电路大全　编委会.电力电子技术与运动控制系统［M］.北京：国防工业出版社，1995.23～24.
［2］陈建铎.Intel单片机应用技术［M］.西安：陕西科学技术出版社，1991.
［3］吴万华.微机控制开关式弧焊电源(上海交通大学硕士学位论文)［D］.上海：上海交通大学，1999.58～60