马铁军，高文成，张 勇，万 鹏，杨思乾

(1.西北工业大学 摩擦焊接陕西省重点实验室，陕西 西安 710072；2.边防学院，陕西 西安 710108)

焊接设备

斩波式中频点焊电源的PLC控制系统

马铁军1，高文成1，张 勇1，万 鹏2，杨思乾1

(1.西北工业大学 摩擦焊接陕西省重点实验室，陕西 西安 710072；2.边防学院，陕西 西安 710108)

设计的斩波式中频点焊电源主电路由一对反向串联的IGBT及其保护电路组成，两个IGBT在设定的占空比通断信号控制下轮流导通，从而实现了焊接变压器次级交流斩波波形的输出，线路简单、工作稳定可靠。以S7-200PLC为核心，设计开发了电源及焊接过程控制系统。其中，斩波控制信号由基于TL494的PWM信号发生电路产生，该电路还可对斩波电压进行闭环控制实现网压补偿。空载调试结果表明，PLC控制系统的软、硬件设计合理，能够控制主电路按照设定的占空比输出理想的斩波电压波形。从输出波形可以看出，该电源可获得较高的调节精度及连续稳定的能量输出，理想焊接工艺性更理想。

斩波式；中频点焊电源；S7-200PLC；TL494芯片；网压补偿

0 前言

交流斩波控制调压技术是一种通过控制全控型开关器件的有序通断，将正弦交流电压分割成轮廓为正弦波的若干个电压脉冲的交流调压技术[1]。由于输出斩波电压波形的特殊性，使得基于交流斩波控制调压技术的斩波式中频点焊电源具有动态响应速度快、控制精度高、工艺性好等优点，加之斩波电路结构简单、控制方便，斩波式中频点焊电源已经引起了人们的关注[2]。由于点焊过程中的冲击电流较大，在运用单片机进行控制时，控制系统的稳定性较差。考虑到PLC具有可靠性高、适应性强、编程方便、扩展能力强等一系列优点，运用PLC来实现焊接过程中的程序控制[3]。

1 控制系统原理

1.1 斩波式中频点焊电源的主电力电路

如图1所示，斩波式中频点焊电源的主电路由一对反向串联的全控型开关器件以及滤波器组成。电源采用GA75TSK120ST型IGBT功率模块作为全控型开关器件，实现对输入交流电压的斩波。该功率模块的最大耐压值为1 200 V，最大集电极直流电流可达75 A。IGBT的集-射极间加有R1、C1和R2、C2串联的阻容保护电路，用来吸收两个IGBT关断时产生的反峰电势，并可降低关断损耗。C3为10 μ F的滤波电容，用以降低加在焊接变压器一次侧的工频分量[2-4]。

图1 斩波式交流点焊电源主电力电路

电路输入电压选用220 V工频交流电压。在正弦电压的正、负半周，IGBT1和IGBT2轮流导通对工频电压进行斩波，斩波后的电压经过C3滤波后加在焊接变压器T两端，产生焊接电流对工件进行焊接。R3为续流电阻，IGBT1、IGBT2的控制极触发信号以网路电压的零点为基准。在网路电压正半周，IGBT2关断，IGBT1在栅极信号的控制下，以设定的频率导通、关断(定义一个周期内导通与关断时间的比值为占空比)，从而实现对输入电压的斩波；在网路电压的负半周，IGBT1关断，IGBT2在栅极信号的控制下，以设定的频率导通、关断，从而实现对输入电压的斩波。如此循环，即可实现对连续时间输入正弦电压的斩波操作。

1.2 斩波式中频点焊电源系统设计

斩波式中频点焊电源系统如图2所示。电源系统主要由同步电路、交流斩波电路、电压采样电路、PWM信号发生电路以及对整个焊接过程进行时序控制的PLC组成。同步电路的作用是将相电压的零点变为脉冲信号，输入PLC作为系统时序控制的基准。PWM信号发生电路可产生占空比连续可调的矩形波控制信号，该控制信号经过隔离及功率放大后对IGBT进行驱动，实现对输入电压的斩波操作。当输入工频电压波动时，PWM信号发生器可根据电压采样电路所得反馈电压的变化对斩波电压进行闭环控制，相应地调整控制信号的占空比，进而稳定输出电压。采用混合集成电路EXB841实现对IGBT的驱动及保护。采用西门子TD200对焊接过程中的参数进行输入及显示。

图2 斩波式点焊电源系统框图

1.3 PWM信号发生器

PWM波形发生电路如图3所示。TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它由振荡器、误差放大器、脉宽比较器、基准电压源及输出电路等组成。振荡器产生的锯齿波输入PWM比较器的反相输入端，脉冲调宽电压输入PWM比较器的同相输入端，通过PWM比较器进行比较，输出一定宽度的脉冲波。当调宽电压变化时，TL494输出的脉冲宽度也随之改变，从而改变开关管的导通时间，达到调节输出电压的目的。TL494芯片的5、6脚电容和电阻的大小决定了输出了PWM波形的频率，电路中RT＝22 kΩ、CT＝0.1μ F，则振荡频率f＝1.1／(RT·CT)＝500Hz。

脉冲宽度可由1、2以及3脚共同控制，以实现输入和反馈比较的闭环控制。其中，1脚输入给定电压，调节变阻器RP可改变该给定电压的大小。如图3所示，焊接变压器一次侧经反馈变压器隔离后，整流、采样，然后接入2脚；3脚为TL494芯片内部误差放大器1输出信号补偿元件的连接端，3脚与2脚通过RC连接构成PI调节器以保证脉冲宽度的稳定以及调节精度。1脚、2脚以及3脚经误差放大器1作用产生调宽电压，此调宽电压与振荡器产生的锯齿波经PWM比较器共同作用产生一定宽度的脉冲波。当网压波动时，则接入2脚的变压器一次侧电压相应地波动，此波动的反馈电压可促使TL494相应地改变输出PWM波的宽度，从而对网压进行补偿，稳定输出电压。TL494的13脚为输出控制端，该脚接地，设置为单路输出，由8、12引脚共同输出一路脉宽可控的PWM控制信号[5]。

图3 PWM波形发生电路

2 PLC控制系统的设计

2.1 点焊工艺流程的控制

图4所示为目前应用最广的点焊循环，即“加压—焊接—维持—休止”的四程序段点焊[6]。焊接过程中所要控制的焊接参数有加压时间t1、焊接时间t2、维持时间t3以及休止时间t4。四个程序的调节范围均为0～99周。

图4 点焊焊接循环示意

2.2 PLC硬件系统的设计

PLC控制系统硬件电路如图5所示。其中，输入开关量包括IGBT驱动保护芯片EX841的报警信号、电源报警信号、水压开关、脚踏开关、监控IGBT温度的温控开关以及用于计数器计数的同步信号；输出开关量包括气阀启动信号、输入给定电压信号以及IGBT驱动信号。硬件电路中的继电器KM1控制气阀的工作，KM2控制PWM波对IGBT触发，KM3控制TL494管脚1给定电压的输入。

由于开关点数较少(输入6点，输出3点)且焊接循环过程控制简单，因此，选用西门子公司的S7-200系列PLC即可实现对焊接过程的可靠控制，型号为CPU222(输入8点，输出6点)。西门子S7-200是整体式PLC，具有极高的可靠性、丰富的指令集、便捷的操作、丰富的内置集成功能｜强大的通信能力以及丰富的扩展模块等特点[3]。

2.3 PLC软件系统的设计

软件系统采用西门子公司专用编程软件STEP 7-Micro／WIN来实现。PLC软件系统实现如下功能：通电进入主程序，为了确保焊接过程中IGBT以及焊接电极的可靠冷却，PLC应首先检测水压开关是否闭合。焊接循环开始前，操作TD200上的按键，分别键入焊接参数，即加压时间、焊接时间、维持时间以及休止时间。脚踏开关闭合之后，气阀开起，同时输入同步信号，计数器C1开始计算同步信号的输入周波数，直到达到加压时间；然后PLC向TL494芯片的1号管脚发出输入给定电压信号，并且控制两路PWM信号交替驱动IGBT1、IGBT2，同时计数器C2计算同步信号周波数，直至达到焊接时间；此后计数器C3、C4顺序计算同步信号周波数，直至维持、休止结束；最后，PLC的一个扫描周期结束，程序返回开始阶段，等待下一焊接循环的开始。相应的PLC软件系统流程如图6所示。

图5 PLC硬件电路

图6 PLC软件系统流程

3 实验结果

焊接变压器空载工作时，用TDS2014记忆示波器测得的IGBT1、IGBT2栅-射极控制信号以及焊接变压器次级空载电压波形分别如图7a、7b所示。图7a为频率为500 Hz的交替矩形波信号。

从图7b可见，正弦波已被斩成f＝500 Hz的近似矩形脉冲波，宽度为1 ms，但其包络线近似为正弦波形式，斩波脉冲的宽度与图7a所示的控制信号的脉冲宽度相等。由于感性元件变压器的存在，使得在IGBT关断的瞬间，不可避免地出现了与斩波电压相位相差180°的反电动势，将会对IGBT产生不利影响。而主电路中的续流电阻R3以及IGBT集-射极间的阻容保护电路能够吸收反峰电势，从而保护IGBT。

从这种中频斩波电源的电压输出波形可看出，通过调节占空比，容易获得精确、连续的能量输出，可有效控制点焊过程中的加热速率。该电源用于点焊时，塑性环在熔核长大过程中不易被破坏，从而能够防止焊接飞溅的产生。与普通交流点焊电源相比，斩波式中频点焊电源具有明显的工艺优势，将成为一种新型的无飞溅点焊电源。

图7 实验测试波形

4 结论

(1)用一对反向串联IGBT组成的斩波式交流调压电路，具有线路简单、工作稳定可靠的优点。

(2)PLC控制系统硬、软件设计合理，能够控制主电路按照预先设定的占空比输出理想的斩波电压波形。

(3)斩波式中频点焊电源与一般点焊电源相比，更容易获得精确、连续的能量输出。

[1]王兆安，黄 俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2]王 铄.交流斩波式变频点焊电源的研制[D].陕西：西北工业大学，2005.

[3]孙承志，徐 智.西门子S7-200／300／400PLC基础与应用技术[M].北京：机械工业出版社，2009.

[4]毛行奎，张文雄.交流斩波控制调压技术探讨[J].机床电器，2004(2)：50-53.

[5]曹作群，王 萍，张力延.集成脉宽调制式开关稳压控制电路的特点与应用[J].计量技术，1997(3)：21-23.

[6]赵熹华，冯吉才.压焊方法及设备[M].北京：机械工艺出版

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

马铁军(1972—)，男，陕西西安人，副教授，主要从事压力焊理论与质量控制方面的研究工作。