毕业设计基于电磁兼容分析的数字化NBC逆变焊接电源单片机控制和显示电路的原理和设计.docx
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毕业设计基于电磁兼容分析的数字化NBC逆变焊接电源单片机控制和显示电路的原理和设计
本科毕业设计（论文）
题目基于电磁兼容分析的数字化NBC逆变焊接电源单片机控制和显示电路的原理和设计
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二〇一三年六月十日
基于电磁兼容分析的数字化NBC逆变焊接电源单片机控制和显示电路的原理和设计
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摘要
焊机数字化是目前焊机发展的主流方向，与原来模拟焊机相比，其采用可编程器件控制，实现了控制的柔性化，调节参数更加细致，功能更加强大，控制精度以及系统稳定性更是大幅提高。
而IGBT逆变焊机大多采用PWM脉宽调制技术，此过程会产生很多电磁的干扰。
由于电磁兼容性的危害严重，所以在设计焊机时必须采用相应的解决措施来降低电磁干扰。
高效率、低谐波、低电磁污染、自动控制的智能型绿色焊接设备已成为未来焊机的发展方向。
NBC逆变焊就是半自动熔化极气体保护焊，其采用可熔化的焊丝与工件之间的电弧作为热源来熔化焊丝与母体金属，并向焊接区输送保护气体，使电弧、熔化的焊丝、熔池及附近的母材金属免受周围空气的有害作用。
本文在详细分析了逆变焊接电源电磁兼容性的基础上，利用AVR单片机（ATmega64）实现对电源的控制，主要体现在逻辑控制、按键处理、程序存储等功能。
通过设计出单片机与控制面板键盘扫描、数码管驱动等硬件电路，实现使逆变焊接电源和控制面板正常工作的目的。
关键词：
数字化电磁兼容IGBT逆变电源AVR单片机
ABSTRACT
Themainstreamdirectionofthedevelopmentofthedigitalweldingmachineistheweldingmachine,comparedwiththeoriginalanalogweldingmachine,itadoptsprogrammablecontroldevice,realizesthecontrolflexibility,adjusttheparametermoremeticulous,morepowerful,controlaccuracyandsystemstabilityisgreatlyincreased.TheIGBTinverterweldingmachinemostlyadoptsthePWMpulsewidthmodulationtechnology,theprocesswillproducealotofelectromagneticinterference.Asthedangersofelectromagneticcompatibility,sowhendesigningtheweldermustadoptcorrespondingmeasurestoreduceelectromagneticinterference.Electromagneticpollution,highefficiency,lowharmonic,lowautomaticcontrolintelligentgreenweldingequipmenthasbecomethefuturedevelopmentdirectionofweldingmachine.
NBCinverterweldingismeltsemi-automaticgasshieldedwelding,itsusecanbemoltensolderwirearcasheatsourcetomeltbetweenworkpieceandweldingwireandbasemetal,andtransmissionofprotectivegastotheweldingarea,makethearcandmoltensolderwire,moltenpool,andfromthebasemetalneartheharmfuleffectsofthesurroundingair.Thisarticleintheinverterweldingpowersourceareanalyzedindetail,onthebasisofelectromagneticcompatibility,usingAVRmicrocontrollerATmega64controlsystemforthepowersupply,mainlyreflectedinthelogicalcontrol,keyprocess,programstorage,etc.Throughthedesignthesingle-chipmicrocomputerandthecontrolpanelkeyboardscanning,digitaltubedriver,suchashardwarecircuit,makingthepurposeoftheinverterweldingpowersourceandthenormalworkofthecontrolpanel.
Keywords：
Digitalization;EMC（ElectroMagneticCompatibility）;IGBT;Inverter;AVRSinglechip
第一章绪论
1.1逆变焊机技术的发展现状和趋势
逆变焊接电源重量轻、体积小，既节能又省材，特别是拥有良好的控制性能，动态响应较快，易于对焊接过程进行实时的控制，在性能上有很大的潜在优势。
国内外焊机界已经广泛采用逆变电源，特别是数字化逆变焊接电源。
1.1.1逆变焊机的发展历史
作为焊接过程主要设备的焊接电源，已有百年的发展历史。
焊机电源先后经历了弧焊发电机，二极管整流电源，可控硅整流电源，以及现阶段主要流行的逆变焊接电源的发展过程。
随着科学技术的日益进步，逆变焊接电源中的功率器件也由最初的半控器件（SCR）发展为现如今的全控型器件，如MOSFET（功率场效应管）、IGBT（绝缘栅晶体管）等。
在我国，逆变焊机的逆变频率也由最初80年代的2kHz~5kHz提升至现在的20kHz~50kHz。
1.1.2逆变技术的应用现状
逆变焊接电源主要有单端式、半桥式、全桥式以及组合式等几种电路形式。
控制策略一般以PWM为主，功率开关器件多为IGBT，逆变频率为20kHz，输出电流也达到了2kA，功率器件的工作方式也有硬开关工作方式和软开关工作方式两种。
但是，硬开关工作方式功率器件开关应力大，损耗大，可靠性低，同时，逆变回路向外界的电磁辐射干扰也大。
相比之下，软开关工作方式利用LC谐振的方法，零电压（流）关断，零电压（流）开通，开通损耗为零，开关应力也几乎消除，可靠性得到了显著地提高。
特别是数字化技术在逆变焊机上的成功应用，对焊机的发展起到很重要的意义。
焊机数字化是目前焊机的发展方向，它是在原来模拟焊机的基础上，采用可编程控制器件，并结合目前焊机的一些不足进行了数字化改造，数字化焊机实现了柔性化控制，调节参数更加细致，功能更加强大。
具有控制精度高，系统稳定性好，产品一致性好，功能升级方便，良好的人机界面，能与上位机通讯等优点。
1.1.3逆变焊机的发展方向
逆变式焊机总的发展趋势是向着大容量、轻量化、高效率、模块化、智能化发展并以提高可靠性、焊接性能及拓宽用途为核心，愈来愈广泛应用于各种弧焊、电阻焊、切割等等工艺中。
1）采用混合FPGA开发的专用控制芯片，继续提高电焊机的可靠性。
根据不同的焊接材料和工艺建立专家系统，进行焊接特性精细控制，提高焊接效率。
方波电源向低噪声，多波形方向发展。
气体保护焊机向低飞溅、高熔敷率发展，实现高效率双丝脉冲MIG，交流MIG，脉动送丝与溶滴过渡协同控制等焊接方式。
2）国内电焊机的逆变频率基本上是20KHz，20KHz的逆变频率已经不能满足精细控制的动特性要求，提高逆变器的工作频率，提高动特性成为焊接电源特性进一步提升的途径。
3）逆变式弧焊设备在工作时会产生较大的谐波污染，目前在欧盟市场销售的弧焊设备及辅助设备必须通过CE认证，其所依据的标准即包含电磁兼容（EMC）的要求。
因此针对于逆变式弧焊设备的测试和研究非常迫切和重要。
4）嵌入式系统在电焊机上的应用，实现友好的人机界面，具有网络接口进行数据交换。
5）机器人配套焊接电源。
1.2电磁兼容性分析在数字逆变焊机电源设计中的必要性
1.2.1电磁兼容性概念分析
电磁兼容性（EMC）是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。
因此，EMC包括两个方面的要求：
一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性。
所谓电磁干扰是指任何能使设备或系统性能降级的电磁现象。
习惯上说，EMC包含EMI（电磁干扰）和EMS（电磁敏感性）两个方面。
由上分析，我们便可以知道，逆变焊机中的电磁兼容既包括电磁干扰对焊机本身的影响（电磁敏感性），又包括焊机对外界的影响（电磁干扰）。
1.2.2电磁干扰的危害
随着电力电子器件的不断问世和新型焊机的不断涌现，出现了晶闸管整流焊机、模拟式逆变焊机和数字化逆变焊机等，弧焊电源向着高效化、智能化和大容量化的方向发展，同时也产生了大量电磁干扰问题：
如高频噪声、谐波、切断设备时产生的瞬时噪声和接通负载时的冲击电流等。
这不仅影响了焊接设备自身工作的可靠性，同时也对电网造成了污染。
以焊机中心器件单片机为例，电磁干扰对单片机系统的作用主要体现在三个部位。
第一个部位是输入，电磁干扰使模拟信号失真，数字信号出错；第二个部位是输出，电磁干扰使输出信号混乱，不能反映真实的输出；第三部位是系统内核，电磁干扰使三总线上的信号混乱。
以上影响会导致控制失误，程序出错，造成一系列严重后果。
由于电磁兼容性的危害严重，所以在设计焊机时必须采用相应的解决措施来降低电磁干扰。
高效率、低谐波、低电磁污染、自动控制的智能型绿色焊接设备已成为未来焊机的发展方向。
1.3设计方案
NBC逆变焊就是半自动熔化极气体保护焊，其采用可熔化的焊丝与工件之间的电弧作为热源来熔化焊丝与母体金属，并向焊接区输送保护气体，使电弧、熔化的焊丝、熔池及附近的母材金属免受周围空气的有害作用。
1.3.1熔化极气体保护焊的组成
半自动熔化极气体保护焊一般由焊接电源、送丝机构、焊枪、气表等器件构成。
图1-1工作接线图
其工作时一般采用反接法，工件接负极，焊接时，飞溅小，焊接效果好；采用正接法时，飞溅较大，焊接电源不稳定。
1.3.2焊机控制面板介绍
焊机的控制面板用于焊机的功能选择和部分参数设定。
控制面板包括数字显示窗口、调节旋钮、按键和发光二极管指示灯。
图1-2焊机控制面板图
1）功能选择区
【2】焊丝直径选择按钮可根据焊丝直径选择φ1.0、φ1.2、φ1.6，相应指示灯亮。
【3】工作方式选择按钮
二步工作方式：
按下焊枪开关可正常焊接，松开开关即可停止焊接。
适合于段焊缝焊接；
四步工作方式：
按下焊枪开关引弧成功后，可松开开关正常施焊。
当再次按下焊枪开关后，则转入前面板旋钮设定的收弧焊接规范，松开开关时停止焊接。
适合于长焊缝焊接。
图1-34/2步工作方式时序图
点焊工作方式：
按下焊枪开关引弧成功后，经过点焊时间后自动停止焊接。
如果在点焊期间松开开关，则马上停止焊接。
【4】调节方式选择按钮选择分别、一元化调节方式。
分别调节时，电压电流分别由送丝机控制器对应旋钮调节；一元化调节时，电压随电流给定自动匹配，用电压给定旋钮可进行电压微调。
【5】实芯/药芯焊丝选择按钮
【6】气检按钮按下该按钮送气30秒，30秒内再次按下时，停止送气。
【7】丝检按钮按下该按钮时送气，松开时停止送气。
2）参数设定区
【8】电感旋钮该旋钮可以改变焊接稳定性、熔深和飞溅量。
【9】收弧电压旋钮四步时，调节收弧电压。
【10】收弧电流/点焊时间旋钮四步时，调节收弧电流。
点焊时调节点焊时间：
0.5~5秒。
3）存储/显示区
【1】电压显示数码管显示电感、电压（空载时显示预置电压，焊接时显示实际焊接电压）。
【14】通道显示数码管显示0~9通道号，用户根据需要存储、调用10套焊接规范。
【15】电流显示数码管显示送丝速度、电流、点焊时间。
【16】焊接状态指示灯
调节焊接规范参数时，焊接指示灯亮，数码管显示焊接规范；
调节收弧规范参数时，收弧指示灯亮，数码管显示收弧规范；
停止调节3秒后，收弧指示灯熄灭，数码管显示焊接规范。
4）组合键功能介绍
图1-4组合键示意图
【1.5.4.1】提前送气、滞后停气时间调节组合键调节提前送气或滞后停气的时间。
同时按下“电感”旋钮和“气检”按钮，进入提前送气时间调节功能菜单，此时电流显示数码管显示功能代码“P03”，“S”指示灯亮。
调节“收弧电压”旋钮，调节提前送气时间。
调节范围0.01～9.99秒。
五秒钟后，界面恢复。
同时按下“电感”旋钮和“气检”按钮两次，进入滞后停气时间调节功能菜单，此时电流显示数码管显示功能代码“P04”，“S”指示灯亮。
调节“收弧电压”旋钮，调节滞后停气时间。
调节范围0.01～9.99秒。
五秒钟后，界面恢复。
【1.5.4.2】慢送丝速度、回烧时间调节组合键调节不同焊丝直径的回烧时间或慢送丝速度。
同时按下“电感”旋钮和“焊丝直径”按钮，进入慢送丝速度调节功能菜单，此时电流显示数码管显示功能代码“P02”，“M/Min”指示灯亮。
调节“收弧电压”旋钮，调节慢送丝速度。
五秒钟后，界面恢复。
调节范围0.8焊丝：
0.5～2.9M/Min
1.0焊丝：
0.5～2.9M/Min
1.2焊丝：
0.5～4.2M/Min
1.6焊丝：
0.5～2.9M/Min
同时按下“电感”旋钮和“焊丝直径”按钮两次，进入回烧时间调节功能菜单，此时电流显示数码管显示功能代码“P01”，“S”指示灯亮。
调节“收弧电压”旋钮，调节回烧时间。
调节范围0.01～2.00秒。
五秒钟后，界面恢复。
【1.5.4.3】显示预置电流和预置送丝速度切换组合键切换显示预置电流和预置送丝速度
同时按下“收弧电流”和“收弧电压”旋钮1秒，电流显示数码管将在显示预置电流和预置送丝速度之间切换。
【1.5.4.4】调用当前焊丝直径标准规范组合键调用当前焊丝直径标准规范。
同时按下“收弧电压”旋钮和“电感”旋钮1秒，当前所选用焊丝直径标准规范被调用，有助于用户试用及维修焊机。
按下调用键退出。
【1.5.4.5】恢复出厂设置合键焊接参数恢复出厂设置。
同时按下“收弧电流”旋钮和“电感”旋钮3秒钟，焊接参数均恢复到出厂设置。
第二章电磁兼容性分析
逆变焊机是当今焊机发展的潮流，而逆变焊机的电磁兼容性是制约其发展的一个重要因素。
电磁兼容性的研究，是指使电子设备在电磁场环境中能相互兼顾并能正常工作。
随着电力电子器件的不断问世和新型焊机的不断涌现，数字化逆变焊机随之诞生。
随之而来的是大量的电磁干扰问题，这在数字化逆变焊机中尤为突出。
如高频噪声、谐波、切断设备时产生的瞬时噪声和接通负载时的冲击电流等。
这不仅影响了焊接设备自身工作的可靠性，同时也对电网造成了污染。
由于电磁兼容性的危害严重，所以在设计焊机时必须采用相应的解决措施来降低电磁干扰。
高效率、低谐波、低电磁污染、自动控制的智能型绿色焊接设备已成为未来焊机的发展方向。
2.1硬件系统的电磁兼容性分析
2.1.1逆变焊机电磁骚扰的主要来源
1）输入整流引起的低频谐波骚扰
图[2-1]是IGBT逆变焊机主电路简图，由图可知三相380V电源进入焊机首先要经过三相整流桥QL1整流和C2滤波，滤波电容器的等效容量一般在50～1000µf之间，在采用大电容器滤波的整流滤波电路中，整流二极管导通时间较短，滤波电容充电电流瞬时峰值大，电流波形为近似尖脉冲，使50Hz正弦电流波形发生畸变，产生谐波电流。
图2-1全桥逆变焊机简图
2）由逆变器引起的高频骚扰
大多数工业应用的IGBT逆变焊机主电路采用了20kHz全桥或半桥逆变电路，焊机的逆变器开关器件、快恢复整流管、主变压器在运行时均会产生频率较高的电磁骚扰，高频骚扰可通过线路和多种途径耦合传输以外，以电磁场的形式向外辐射的强度远大于低频谐波骚扰，对使用金属外壳的焊机而言，由于机壳的屏蔽作用，这些有害辐射的受害者往往是焊机本身，向外辐射一般只能通过输入电缆、焊接电缆实现。
在IGBT逆变焊机中，IGBT在很高的电压下以高频开关方式工作，开关电压、电流均接近方波，方波含有丰富的高次谐波，其频谱可达基波频率的1000次以上，辐射能力大大提高。
用于次级整流的快恢复二极管也是产生高频骚扰的一个重要原因，整流管工作于高频开关状态时，由于二极管的引线寄生电感、结电容的存在，以及反向恢复电流的影响，使之工作在很高的电压及电流变化率下，且产生高频震荡。
由次级整流快恢复二极管产生的高频骚扰很容易通过焊机输出端馈出。
2.1.2逆变焊机电磁骚扰的解决办法
1）无源LDC滤波电路
无源滤波一般由电感、电容组成的LC滤波网络来实现。
为了解决LC滤波电路的潜在谐振问题，在输入滤波电感上并联一续流二极管D1，可抑制LC振荡的产生，故称之为LDC滤波电路。
LDC滤波电路由L1、C1、D1组成，电路结构如图[2-2]所示。
图2-2加装LDC滤波电路的逆变焊机主电路
无源滤波电路材料成本低，运行稳定可靠，容量大，适用于大部分逆变焊机，虽然其谐波滤除率一般只有80％，对基波的无功补偿也是有限的，但通GB15579.10-2008规定的电流谐波畸变率测试已卓卓有余，是目前解决IGBT逆变焊机谐波电流发射最简单、有效的手段之一。
2）软开关逆变技术
逆变电源的软开关工作方式是指利用LC谐振的方法，在开关过程中使开关管两端电压或开关管中的电流为零，使其开关损耗约为零。
不仅降低了期间运行时的结温，更是减少了电磁干扰，从根本上克服了硬开关IGBT逆变电路的缺点。
图2-3带有软开关的移相谐振式逆变电路
如图[2-3]所示，Q3Q4为超前臂，Q1Q2为滞后臂，Q1Q2Q3Q4选用大功率IGBT管。
C10C11为超前臂并联电容，C7为抑制环流电容，L3为饱和电感，T1为变压器。
与传统的移相谐振式电路不同点是：
主回路是不对称电路，传统的移相谐振式电路谐振电容是相等的，而这个电路中，超前臂并联电容，滞后臂无并联电容，在主变压器原边回路中增加了抑制环流电容C7和饱和电感L3，用来产生零电流关断和零电流开通的条件。
软开关实现的驱动波形如下图所示：
图2-4驱动波形图
其工作过程大致分为八个阶段，前四个和后四个是对称的。
阶段1Q1，Q4导通，电流通路为:
阶段2Q4截止，电流通路为：
Q4两端电压上升，电流由支路Q4转到支路C11。
阶段3当Q4两端电压至E时，D3（Q3内部反并联二极管）导通，电流通路为：
阶段4Q1截止。
另外半个周期的工作状况是对称的。
3）单路转双路的脉冲分频电路
在AVR内部的PWM模块产生一路频率恒定、占空比可调的PWM后，可以输入可编程逻辑器件（GAL）后经内部分频输出两路PWM，再经驱动电路输出到功率开关器件。
PWM转化电路如图[2-5]所示，D触发器为一个基本分频单元，输入端D与输出反相端～Q相连，就组成了对输入PWM脉冲进行二分频的分频器。
转换器件主要是D触发器和与非门。
图2-5PWM转化原理图
软硬件相结合，通过对单路PWM信号分频实现双路脉冲输出，提高了电源抗干扰性能，增强了焊机可靠性和稳定性。
4）选择适当的电路参数和功率器件
首先应该IGBT、FRD（快恢复二极管）或FRED（外延型快恢复二极管）吸收、保护电路的参数进行优化设计，并通过实验验证，把IGBT、FRED关断时的dv/dt、尖峰电压限值在尽量低而合理的水平上，为了取得良好的效果，吸收、保护电路的电阻应为无感电阻，电容器应采用凸波吸收电容器。
快恢复二极管反向恢复造成的电磁骚扰还可以通过选择恢复时间短、恢复特性软的器件获得一些改善，例如FRED就较一般的FRD在恢复时间、反向电压等方面有一定的优势。
另外，二次整流滤波部分增加机架电容版的架设可以有效防止电缆上的干扰信号窜入焊机，导致反馈信号不准确。
线路中加入小磁环，也可以很大程度上较少信号干扰的危害。
5）PCB电磁兼容性的有效注意措施
PCB设计中存在的电磁干扰主要有传导干扰、传音干扰和辐射干扰等三种，为了有效抑制这些干扰的影响，我们一般需做如下处理：
Ø旁路电容、去耦电容和储能电容的合理加入；
Ø合理分层，PCB的合理分层不但可以降低系统的射频发射，更可以提高系统的性能，最典型的就是保证信号的完整性；
Ø合理布局，印制电路板上各种单元的相互位置直接影响电路的电磁兼容性，因此要根据单元电路在使用中对电磁兼容性的敏感程度的不同进行分组，按组对电路板进行分割，让同组元器件放在一起，这样在空间上可以保证各组之间不产生相互干扰；
Ø合理布线，电源线、信号线、地线都应得到合理的布局。
2.2基于电磁兼容性的软件系统分析
软件抑制干扰同样有多种方法，常用的方法有以下几种：
1）数字滤波
模拟信号必须经A/D转换为数字子信号后才能为单片机接受。
当模拟信号受到干扰作用后，A/D的转换结果将偏离实值。
仅采样一次，结果不可靠，必须经多次采样，得到A/D转换的数据系列，再通过数字滤波，才能获得可信度较高的结果。
2）指令冗余
指令冗余可以在CPU受到干扰，引起程序混乱时尽快将程序纳入正轨。
其方法是在编程时尽量多采用单字节指令，且在关键地方人为地插入一些单字节指令（NOP），或将有效单字节指令重复书写。
在双字节指令和三字节指令后面插入两条NOP指令不被拆撒，而被完整执行，使程序恢复正常。
常在一些对程序流向起决定作用的指令前插入两条NOP指令，以保证跑飞的程序回归正确轨道。
3）软件陷阱
指令冗余使跑飞的程序恢复正常应具备两个条件：
第一，程序跑飞后仍落在程序区；第二，必须执行到所设置的冗余指令。
当地一个条件不满足时，可以采取设立软件陷阱的方法进行补救。
软件陷阱安排在以下地方：
Ø未使用的中断向量区。
Ø未使用的大片ROM空间。
Ø表格。
Ø程序区。
当第二个条件不满足时，程序陷入一个临时形成的死循环，软件陷阱将失去作用。
这时可以采用设置软件监视定时器（软件看门狗）的方法使程序回归正规。
通常程序都是循环执行，且每次执行时间基本相同。
监视定时器的作用就是用于监视程序执行时间，一旦程序因某些原因运行超时，则强行将程序转到初始化重新启动。
2.3逆变焊机在实际使用过程中相关的电磁兼容注意事项
1）概述
焊接会引起电磁干扰，通过采取适当的安装方式和正确的使用方法，可使弧
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