本發明屬于一種電弧控制電路，特別是一種用于熔化極氣體保護電弧焊焊機中的可對過渡期間的電弧進行合理控制的電弧控制電路。

背景技術：

在采用較小電流和低電壓焊接時，熔滴在未脫離焊絲端頭前就與熔池直接接觸，電弧瞬間熄滅短路，則溶滴在短路電流產生的電磁收縮力及液體金屬的表面張力等作用下過渡到熔池中。整個短路過渡過程分為短路階段和燃弧階段，兩個階段交替進行。

但是，在熔化極氣體保護焊特別是二氧化碳氣體保護焊的短路過渡階段，如果不能對電弧進行合理的控制，則極其容易造成飛濺，進而污染工件增加勞動強度降低熔敷率等。

因此，目前廣泛應用于短路過渡階段電弧的控制分為兩大類：一類是在焊機的輸出端串聯大感量的電感(或稱“物理電抗器”)，或者是在控制電路中增加積分環節(或稱“電子電抗器”)；另一類是利用數字控制技術例如DSP、CPLD\FPGA等結合復雜的硬件電路對電弧進行分階段控制。

上述的現有技術對短路過渡電弧的控制比較簡陋，僅僅只是增加第一個電感或者是積分環節，從而對短路階段的電弧和燃弧階段的電弧一同進行控制，通過電感來限制短路電流上升速度以及短路電流峰值，并且電感在短路期間存儲的能量在燃弧期間放出，有助于增加燃弧能量，有利于獲得更好的焊縫成形。目前國內二氧化碳保護焊焊機大多采用這種方法。但是，這種方法有很大的局限性，由于短路階段和燃弧階段所需的電壓不同，上述這種方法無法同時滿足兩個階段的不同要求；而且不同階段，不同的焊接規范對電感的要求各不一樣，因此這種方法的調節精度和適用范圍有一定的局限性。

或者，采用另一種技術如STT技術，對整個短路過渡階段進行分階段控制，但是該種技術采用復雜的控制電路和精密的功率器件，但是成本太高、操作過于復雜。

因此，必須設計一種在有限成本之下的，可對整個短路過渡階段的兩個階段——短路階段及燃弧階段的電流波形進行有效的控制，進而達到對電弧的控制要求。

技術實現要素：

本發明提供一種熔化極氣體保護焊電弧控制電路，用于熔化極氣體電弧焊機中，所述電弧控制電路包括短路/燃弧判斷電路、電流調節電路，所述電流調節電路的輸出端與所述焊機相連接以向焊機輸出控制電流；所述短路/燃弧判斷電路的輸入端與所述焊機的反饋電壓相連接，所述短路/燃弧判斷電路的輸出端與所述焊機的反饋電流一同連接至電流調節電路的輸入端；所述短路/燃弧判斷電路包括第一電阻、第二電阻、第一二極管、第二二極管、數字電位器、第一電容；所述第一二極管的正極與第一電阻相連接，負極與數字電位器的第一輸入端相連接，所述第二二極管的負極與第二電阻相連接，正極與數字電位器的第二輸入端相連接，所述第一電阻和第二電阻的另一端均與焊機的反饋電壓相連接；所述數字電位器的輸出端均與第一電容的一端相連接，所述第一電容的另一端接地；所述數字電位器的輸出端即為該短路/燃弧判斷電路的輸出端，且與電流調節電路的輸入端相連接。

作為本發明的進一步改進，所述電弧控制電路還包括電壓調節電路及給定輸入電壓，所述調節電路包括第一運算放大器，所述第一運算放大器的正輸入端與所述焊機的反饋電壓相連接，負輸入端與所述給定輸入電壓相連接，所述第一運算放大器的輸出端與所述短路/燃弧判斷電路的輸入端相連接；所述第一運算放大器的負輸入端與輸出端通過第一反饋電阻相連接。

作為本發明的進一步改進，所述電弧控制電路還包括比例放大電路，所述比例放大電路的輸入端與所述短路/燃弧判斷電路的輸出端相連接，輸出端與所述電流調節電路的輸入端相連接；所述比例放大電路包括第二運算放大器，所述第二運算放大器的正輸入端與所述數字電位器的輸出端相連接，負輸入端與外接輸入電壓相連接，輸出端與所述電流調節電路的輸入端相連接；所述第二運算放大器的負輸入端與輸出端通過第二反饋電阻相連接。

作為本發明的進一步改進，所述電流調節電路包括第三運算放大器，所述第二運算放大器的輸出端與所述焊機的反饋電流一同連接至所述第三運算放大器的負輸入端，所述第三運算放大器的正輸入端接地，輸出端與焊機相連接以向焊機輸送控制電源，所述第三運算放大器的負輸入端和輸出端通過第三反饋電阻相連接。

作為本發明的進一步改進，所述電流調節電路包括第三運算放大器，所述比例放大電路的輸出端與所述焊機的反饋電流一同連接至所述第三運算放大器的負輸入端，所述第三運算放大器的正輸入端接地，輸出端與焊機相連接以向焊機輸送控制電壓，所述第三運算放大器的負輸入端和輸出端通過第三反饋電阻相連接。

作為本發明的進一步改進，所述數字電位器與上位機相連接以控制所述數字電位器的阻值。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

本發明中的短路/燃弧判斷電路采用數字電位器和第一電容相連接，從而可通過上位機改變數字電位器的阻值，進而很容易調整第一電容的充電放電速度，從而可形成各種輸出波形，以更精確的對短路階段及燃弧階段進行控制；

另外，本發明中將焊機的反饋電流和反饋電壓均接入控制電路中，形成閉環控制電路，從而使得控制電路輸出更加穩定，同時也增加了精確度和安全性；

附圖說明

圖1為本發明電弧控制電路的電路圖；

圖2為本發明短路/燃弧判斷電路的輸出端的波形；

圖3為本發明電路中焊機的反饋電壓、給定輸入電壓、電壓調節電路的輸出電壓及短路/燃弧判斷電路的輸出電壓在短路階段及燃弧階段的波形。

具體實施方式

以下將結合附圖所示的具體實施方式對本發明進行詳細描述。但這些實施方式并不限制本發明，本領域的普通技術人員根據這些實施方式所做出的結構、方法、或功能上的變換均包含在本發明的保護范圍內。

根據圖1至圖3所示，本發明提供了一種熔化極氣體保護焊電弧控制電路，以對熔化極氣體保護焊過程中的短路過渡階段的短路階段及燃弧階段進行分階段控制。并且，短路/燃弧階段中，焊機的反饋電壓U_f近似為矩形波，短路階段的電壓較小，相應的燃弧階段的電壓較大。

如圖1所示，本發明的所述電弧控制電路包括短路/燃弧判斷電路10、電流調節電路40，所述電流調節電路40的輸出端與所述焊機相連接以向所述焊機輸出控制電源。

所述短路/燃弧判斷電路10的輸入端與所述焊機的反饋電壓U_f相連接，從而通過焊機的反饋電壓U_f，短路/燃弧判斷電路10可以此來判斷焊機此時的輸出處于短路階段還是燃弧階段，從而，短路/燃弧判斷電路10在不同的階段形成不同波形的電壓。所述短路/燃弧判斷電路10的輸出端與所述焊機的反饋電流I_f一同連接至電流調節電路40的輸入端，以實現對焊機的精密控制。

此處需要說明的是，不能對焊機電流進行直接的采樣，通常是經過采樣電阻或霍爾傳感器，采樣成電壓信號。因此，本發明中的焊機的反饋電流I_f為電壓信號，而不是指電流信號。所述反饋電流I_f和短路/燃弧判斷電路10的輸出電壓相匯合后，再供給焊機。在本實施方式中，所述反饋電壓U_f是焊機的輸出電壓經過隔離和10:1分壓后形成的，所述反饋電流I_f是焊機的輸出電流經過霍爾傳感器采樣后形成的電壓信號，并均送入本發明的電弧控制電路中，從而構成閉環控制系統，進一步提高整個系統的穩定性。

具體的，所述短路/燃弧判斷電路10包括第一電阻R₁、第二電阻R₂、第一二極管D₁、第二二極管D₂、數字電位器N₁、第一電容C₁。所述第一二極管D₁的正極與所述第一電阻R₁一端相連接，負極與所述數字電位器N₁的第一輸入端相連接，所述第二二極管D₂的負極與所述第二電阻R₂一端相連接，正極與所述數字電位器N₁的第二輸入端相連接，所述第一電阻R₁及第二電阻R₂的另一端均與焊機的反饋電壓U_f相連接；所述數字電位器N₁的第一及第二輸出端均與第一電容C₁的一端相連接，所述第一電容C₁的另一端接地。所述第一電容C₁不接地的一端即為該短路/燃弧判斷電路10的輸出端，且與電流調節電路40的輸入端相連接。

所述數字電位器N₁可通過數控方式調節電阻值，即所述數字電位器N₁相當于一種可變的電阻。在本實施方式中，所述數字電位器N₁的型號為MCP42100，具有兩個可調節的電阻。所述數字電位器N₁與上位機(未圖示)相連接，以控制所述數字電位器N₁的阻值。具體的，所述上位機和所述數字電位器N₁的1、2、3腳相連，其中1腳-CS為片選信號，2腳SCK為串行時鐘，3腳SI為串行數據輸入，以此來改變所述數字電位器N₁第一輸入端及第一輸出端之間和第二輸入端及第二輸出端之間的電阻值。在本實施方式中，如圖1中所示，所述第一二極管D₁的負極與所述數字電位器N₁的10腳即PB0相連接，所述數字電位器N₁的9腳PW0和8腳PA0相連接，并一同連接至所述第一電容C₁；所述數字電位器N₁的7腳即PA1與6腳PW1相連接，并一同連接至所述第二二極管D₂的正極，所述數字電位器N₁的5腳即PB1連接至所述第一電容C₁。從而，所述上位機調整的為PB0和PW0之間以及PW1和PB1之間的電阻。則所述數字電位器N₁的10腳即為第一輸入端，6腳即為第二輸入端，9腳PW0為第一輸出端，5腳PB1為第二輸出端，且第一輸出端和第二輸出端均與第一電容C₁相連接，使得第一電容C₁充電或放電。

則由于所述焊機的反饋電壓U_f在短路階段及燃弧階段的電壓近似為矩形波，則經過第一電容C₁的充放電，可得到如圖3所示的上升下降波形。具體的，在t0至t1階段為燃弧階段，此時第一二極管D₁導通，第二二極管D₂截止，使得第一電容C₁充電；在t1至t2階段為短路階段，此時第二二極管D₂導通，第一二極管D₁截止，使得第一電容C₁放電。并且，如圖2所示，通過上位機改變數字電位器N₁的PB0及PW0、PB1及PW1之間的電阻，即可得到任意速率的上升/下降波形，圖中的A-a，B-b，C-c代表在不同電阻阻值的情況下，可得到的上升/下降波形。所述第一電容C₁不接地的一端即為該短路/燃弧判斷電路10的輸出端，且輸出有如圖2所示的上升/下降波形，且該波形即為本發明電弧控制電路中的基本波形，則在短路階段或燃弧階段，控制電壓產生不斷變化，則可更好更精密的控制焊機。并且，所述第一二極管D₁及第二二極管D₂均為穩壓二極管。

相應的，所述數字電位器N₁的4腳即VSS接地，11腳-RS、12腳-SHDN、14腳VDD與第一外接電壓U_A相連接以向整個數字電位器N₁提供電壓。在本實施方式中，所述第一外接電壓U_A為+5V。所述數字電位器N₁的4腳和14腳之間連接有第二電容C₂，所述第二電容C₂為耦合電容，用以消除為數字電位器N₁供電的+5V電壓的雜波干擾。

并且，所述短路/燃弧判斷電路10還包括有第三電阻R₃、第四電阻R₄，所述第三電阻R₃一端與所述第一電阻R₁遠離第一二極管D₁的一端相連接，另一端與焊機的反饋電壓U_f相連接，用以對輸入的電壓值進行分壓；所述第四電阻R₄一端與所述第二電阻R₂遠離第二二極管D₂的一端相連接，另一端與外接+3V電壓相連接，起到上拉電壓的作用。

另外，為了對控制焊機的控制電壓進行更好的控制，需要對焊機的反饋電壓U_f進行處理，因此，所述電弧控制電路還包括電壓調節電路20及給定輸入電壓U_g。所述電壓調節電路20包括第一運算放大器A1A，所述第一運算放大器A1A的正輸入端與所述焊機的反饋電壓U_f相連接，負輸入端與所述給定輸入電壓U_g相連接，所述第一運算放大器A1A的輸出端與所述短路/燃弧判斷電路10的輸入端相連接；所述第一運算放大器A1A的負輸入端與輸出端通過第一反饋電阻相連接。從而，通過第一運算放大器A1A，將所述焊機的反饋電壓U_f改變至合適的波形。

在本實施方式中，如圖1所示，所述電壓調節電路20還包括第六至第八電阻R₆-R₈及可變電阻W₁，所述第六電阻R₆一端與所述第一運算放大器A1A的負極相連接，另一端與給定輸入電壓U_g相連接，所述第七電阻R₇一端接地，另一端與所述第一運算放大器A1A的正極相連接，可變電阻W₁和第八電阻R₈相串聯且一端與所述第一運算放大器A1A的正極相連接，另一端與所述焊機的反饋電壓U_f相連接。所述第一反饋電阻包括第五電阻R₅、第十三電阻R₁₃、第三二極管D₃、第三電容C₃，所述第十三電阻R₁₃、第三二極管D₃及第三電容C₃相互并聯，且一端與所述第一運算放大器A1A的輸出端相連接，另一端與第五電阻R₅相連接，且第五電阻R₅的另一端連接至第一運算放大器A1A的負輸入端。所述第三二極管D₃的正極連接至第一運算放大器A1A的輸出端。

在本實施方式中，由于第三電容C₃所帶來的積分環節較小，因此所述電壓調節電路20主要還是以比例環節為主。并且，所述第三二極管D₃為肖特基二極管，用于保護第三電容C₃的使用，防止積分飽和。

因此，根據運算放大器的“虛短”、“虛斷”原則，可對所述電壓調節電路20的輸出端即該第一運算放大器A1A的輸出端電壓進行計算，記該輸出端電壓為U₀。

虛短：U₊＝U_-

虛斷：I₊＝I_-＝0

經過代入計算可得：

由上文可知，焊機的反饋電壓U_f為矩形波，給定輸入電壓U_g為一既定不變的電壓，因此，第一運算放大器A1A輸出的電壓U₀也為矩形波，大致波形如圖3中所示。

從而，將反饋電壓U_f和給定輸入電壓U_g轉化成所述短路/燃弧判斷電路10的輸入電壓U₀，從而短路/燃弧判斷電路10可更好判斷短路階段及燃弧階段，從而更好的形成輸出波形。

在本實施方式中，為了調節短路/燃弧判斷電路10的輸出電壓，所述電弧控制電路還包括連接于短路/燃弧判斷電路10和電流調節電路40之間的比例放大電路30。所述比例放大電路30包括第二運算放大器A1B，所述第二運算放大器A1B的正輸入端與所述第一電容C₁不接地的一端相連接，負輸入端與外接輸入電壓相連接，輸出端與所述焊機的反饋電流I_f一同連接至電流調節電路40。所述第二運算放大器A1B的負輸入端與輸出端通過第二反饋電阻相連接。

具體的，所述比例放大電路30還包括第十至第十二電阻R₁₀-R₁₂，所述第二運算放大器A1B的負輸入端與所述第十一電阻R₁₁相連接，并連接至第二外接電壓U_B，在本實施方式中，所述第十一電阻R₁₁所接的第二外接電壓U_B為+5V；所述第二運算放大器A1B的負輸入端還與第十電阻R₁₀相連接，并接地；所述第二反饋電阻為第十二電阻R₁₂，所述第二運算放大器A1B的正輸入端和負輸入端之間以第十二電阻R₁₂相連接。

因此，將所述短路/燃弧判斷電路10的輸出端即第一電容C₁不接地的一端記為U₁，并且，所述短路/燃弧判斷電路10的輸出端和第二運算放大器A1B的正輸入端之間連接有第九電阻R₉，由于第九電阻R₉的阻值相應較小，因此不考慮第九電阻R₉的分壓，則可得所述短路/燃弧判斷電路10的輸出端電壓與所述第二運算放大器A1B的正輸入端電壓相等，記為：

U₁＝U₊

并且，將所述第二運算放大器A1B的輸出端電壓記為I_g，此處需要注意的是，I_g為一個電壓信號，此處將第二運算放大器A1B的輸出端電壓記為I_g，是為了和焊機的電流反饋I_f保持一致，并且是指該第二運算放大器A1B的輸出端電壓I_g雖然為電壓信號，實則是用于對電流的調整。并且，如上文所述，電流不能直接采樣，焊機的電流反饋I_f也為電壓信號。

因此，同上文所述，根據運算放大器的“虛短”、“虛斷”原則，可對第二運算放大器A1B的輸出端電壓I_g進行計算。

虛短：U₊＝U_{_}＝U₁

虛斷：I₊＝I_{_}＝0

經過帶入計算可得：

由于U_B為+5V，因此I_g為：

因此，通過上述所述的比例放大電路30，對短路/燃弧判斷電路10的輸出電壓U₁進行放大調整，使得其能和所述焊機的反饋電流I_f相匹配。從而，所述比例放大電路30的輸出電壓I_g和所述焊機的反饋電流I_f一同與所述電流調節電路40相連接。當然，若不需要設置比例放大電路30，直接將短路/燃弧判斷電路10與電流調節電路40相連接，也可達到本發明的目的，但是上述事實例是本發明的較佳實施例。

為了調整所述比例放大電路30的輸出電壓I_g和焊機的反饋電流I_f之間的關系，使最后輸入焊機的電源控制信號更合理精確，所述電流調節電路40包括第三運算放大器A1C，所述比例放大電路30的輸出端與所述焊機的反饋電流I_f一同連接至所述第三運算放大器A1C的負輸入端，所述第三運算放大器A1C的正輸入端接地，輸出端與焊機相連接以向焊機輸送控制電源，所述第三運算放大器A1C的負輸入端和輸出端通過第三反饋電阻相連接。

在本實施方式中，所述電流調節電路40還包括第十四至第十六電阻R₁₄-R₁₆。所述比例放大電路30的輸出端通過第十四電阻R₁₄與第三運算放大器A1C的負輸入端相連接；所述焊機的反饋電流I_f通過第十五電阻R₁₅與第三運算放大器A1C的負輸入端相連接；所述電流調節電路40還包括第三外接電壓U_C，所述第三外接電壓U_C通過第十六電阻R₁₆與第三運算放大器A1C的負輸入端相連接，在本實施方式中，所述第三外接電壓U_C為-15V。

所述第三反饋電阻包括第十七及十八電阻R₁₇-R₁₈，第四二極管D₄及第四電容C₄。所述第十七電阻R₁₇及第十八電阻R₁₈相互串聯且兩端分別連接于所述第三運算放大器A1C的負輸入端及輸出端。所述第四電容C₄并聯于第十八電阻兩端R₁₈，所述第四二極管D₄的正極與所述第三運算放大器A1C的負輸入端相連接，負極與所述第三運算放大器A1C的正極相連接，在本實施方式中，所述第四二極管D₄為穩壓二極管。由于所述第四電容C₄的值較小，因此其帶來的積分效果有限，則整個電流調節電路40按照比例環節該分析。

因此，同上文所述，根據運算放大器的“虛短”、“虛斷”原則，可對第三運算放大器A1C的輸出端電壓U₂進行計算。

虛短：U₊＝U_{_}＝0

虛斷：I₊＝I_-＝0

經過帶入計算可得：

由于U_C為-15V，因此，所述第三運算放大器A1C的輸出端電壓U₂為：

另外，本發明的電弧控制電路中還包括有第十九電阻R₁₉、第二十電阻R₂₀，所述第十九電阻R₁₉一端與所述第三運算放大器A1C的輸出端相連接，另一端連接至焊機；所述第二十電阻R₂₀一端與所述焊機相連接，另一端接地。則，所述電弧控制電路最終的輸出電壓U₃要經過第十九電阻R₁₉、第二十電阻R₂₀的分壓，具體為：

在本實施方式中，所述電弧控制電路的輸出電壓并非直接輸入至焊機中，而是先輸送至PWM控制器(PWM，Pulse Width Modulation，脈沖寬度調節)，對輸出的電壓脈沖的寬度進行控制，進而控制整個焊機的功率輸出電路，從而達到控制整個焊機輸出的目的。

因此，綜上所述，本發明通過設計短路/燃弧判斷電路10，并根據焊機的反饋電壓U_f，可判斷焊機處于短路階段還是燃弧階段，并在不同的階段輸出不同波形的電壓，從而可對焊機短路階段及焊接階段進行分階段控制，從而可更合理的控制電弧，降低飛濺，改善焊縫成形；

其次，本發明中的短路/燃弧判斷電路10采用數字電位器N₁和第一電容C₁相連接，從而可通過上位機改變數字電位器N₁的阻值，進而很容易調整第一電容C₁的充電放電速度，從而可形成各種輸出波形，以更精確的對短路階段及燃弧階段進行控制；

另外，本發明中將焊機的反饋電流I_f和反饋電壓U_f均接入控制電路中，形成閉環控制電路，從而使得控制電路輸出更加穩定，同時也增加了精確度和安全性；

最后，為了使得電路各個部分的電壓輸出更精確，本發明電弧控制電路還加入了電壓調節電路、電流調節電路40及比例放大電路30，對輸出波形進行不斷的修正，使得最后的輸出電壓可以滿足焊機的要求。

應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施方式中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。

上文所列出的一系列的詳細說明僅僅是針對本發明的可行性實施方式的具體說明，它們并非用以限制本發明的保護范圍，凡未脫離本發明技藝精神所作的等效實施方式或變更均應包含在本發明的保護范圍之內。