本发明涉及焊接技术领域，更具体地说，涉及恒功率外特性焊接电源的数字化控制电路。
背景技术：
与陆上焊接相比，水下湿法焊接虽然本质上仍采用陆上焊接的方法，但是水下焊接环境更为苛刻，通常需要对焊接装备，如焊接电源，进行一定的工艺改善，以克服水下环境对焊接造成的影响。
水下手工焊条电弧焊的湿法焊接，与在空气中进行手工焊一样，焊接过程中由于焊件的不平整和手的抖动，会造成电弧长度变化，电弧长度变化则引起焊接电压变化，从而影响焊接质量。此外，水下焊条湿法焊接相比于空气中焊接，存在如下独有的问题：1）水下焊条尽管添加了大量造气剂和稳弧剂，但由于在水中，引弧过程仍然比较困难；2）与空气焊接相比，水下湿法焊接需要承受更大的外部压力，因此电极之间需要更大的电压和电流来保证电弧的稳定燃烧；3）电弧在动态气泡中燃烧，气泡长大-破裂-再生长，对电弧稳定性有影响。总之，在水下湿法焊接过程中，焊接电压和电流受到的影响因素多，因此针对以上问题提出了恒功率外特性焊接电源，保证焊接过程平稳进行，有良好的焊接效果。
对于现有的焊接电源，其反馈系统多采用模拟器件进行控制，其响应速度较慢，精度较低。因此提出了以单片机为控制核心的反馈控制系统，能够提高响应速度和精度。
技术实现要素：
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种使焊接引弧容易，焊接过程稳定，焊接响应速度更快，精度更高的一种水下恒功率外特性焊接电源的数字化控制电路。
本发明的目的通过以下的技术方案来实现：
一种水下恒功率外特性焊接电源的数字化控制电路，包括：一种水下恒功率外特性焊接电源的数字化控制电路，其特征在于：包括全桥整流滤波电路、逆变电路、光耦隔离电路、单片机电路和电源电路；所述全桥整流滤波电路与电网侧220v交流电连接；所述逆变电路包括逆变模块、变压模块和滤波平滑模块；其中，滤波平滑模块与外部电弧负载相连；所述光耦隔离电路分别与滤波平滑模块和单片机电路相连；所述电源电路与5v的直流电源连接；所述单片机电路分别与逆变模块、光耦隔离电路和电源电路相连。
进一步地，所述逆变模块包括开关管m1、开关管m2、开关管m3和开关管m4；所述变压模块包括变压器t1；所述滤波平滑模块包括整流二极管vd1、整流二极管vd2、电感l1和电容c6；
所述开关管m1和开关管m3串联后，与开关管m2和开关管m4串联形成的电路一起并联组成全桥逆变电路，再与变压器t1的初级连接；其中开关管m1和开关管m3的连接处与变压器t1的初级第一输入端连接，开关管m2和开关管m4的连接处与变压器t1的初级第二输入端连接；
所述变压器t1的次级第一输出端通过依次连接的整流二极管vd1和整流二极管vd2与变压器t1的次级第三输出端连接；整流二极管vd1和整流二极管vd2连接处与电感l1的一端连接；电感l1的另一端和变压器t1的次级第二输出端分别作为逆变电路的输出端与负载连接；电容c6并联在负载的两端。
进一步地，所述开关管m1、开关管m2、开关管m3和开关管m4的两端分别并联有二极管d5、二极管d6、二极管d7和二极管d8。
进一步地，所述开关管m1、开关管m2、开关管m3和开关管m4的两端还分别并联有rc吸收电路。
进一步地，所述rc吸收电路包括电容c2、电容c3、电容c4、电容c5、电阻r2、电阻r3、电阻r4和电阻r5；
所述电容c2和电阻r2串联后并联到开关管m1上；
所述电容c3和电阻r3串联后并联到开关管m2上；
所述电容c4和电阻r4串联后并联到开关管m3上；
所述电容c5和电阻r5串联后并联到开关管m4上。
进一步地，所述全桥整流滤波电路包括整流二极管d1、整流二极管d2、整流二极管d3、整流二极管d4、电阻r1和电容c1；整流二极管d1与整流二极管d2串联再与整流二极管d3与整流二极管d4串联形成的电路并联形成全桥整流电路；电阻r1与电容c1并联，两端再分别接入整流二极管d2与整流二极管d3的连接处和整流二极管d1与整流二极管d4的连接处。
进一步地，所述光耦隔离电路包括电阻r201、电阻r202、电容c201、电容c202、放大器a1、放大器a2和线性光耦芯片；
所述输入电压正极经电阻r201和线性光耦芯片引脚3相连，输入电压负极和线性光耦芯片引脚4相连；放大器a1的正极和电阻r201与线性光耦芯片引脚3的连接处相连，放大器a1的负极和线性光耦芯片的引脚4相连，放大器a1的输出端经过电阻r203和线性光耦芯片的引脚1相连；电容c201并联在放大器a1的负极和输出端；电阻r202与电容c202并联，再与线性光耦芯片引脚6和放大器a2的输出端相连；线性光耦芯片的引脚6与线性光耦芯片引脚5和放大器a2的负极与放大器a2的正极连接。
进一步地，所述电源电路包括电容c7、电容c8、电容c9、电阻r6、电阻r7和电压转换芯片；所述单片机电路的3.3v引脚与gnd引脚和电压转化芯片输出端连接。
进一步地，所述单片机电路的单片机adc1引脚与单片机adc2引脚和光耦隔离电路的输出端相连；所述单片机电路的单片机pwm1引脚与逆变模块的开关管m1和开关管m4连接；所述单片机电路的单片机pwm2引脚与逆变模块的开关管m2和开关管m3连接。
本发明将电源负载端的电压和电流引入光耦隔离电路，再进入单片机的adc引脚进行采集，将采集到的电压和电流值与预设值进行比较之后，改变逆变电路中开关管的导通和关断时间，实现占空比调节，获得恒功率外特性曲线，完成闭环反馈控制。
与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点与有益效果：
（1）本发明电路，线性光耦的线性转换精度高，在进行高低压转换时误差小，使电压和电流采集更加准确。使用单片机进行电压和电流采集，也可以对采集过程中产生的系统误差进行数字化修正。
（2）本发明电路中使用单片机代替传统模拟器件作为反馈控制核心，单片机的处理速度快，使得闭环反馈系统的响应速度更快，响应精度更高。
（3）本发明采用了基于单片机的数字化控制技术，使得电路设计更为简单，使用单片机的定时器功能产生pwm波形，使得占空比的调控变得简单。
附图说明
图1是本发明一种水下恒功率外特性焊接电源的数字化控制电路的电路框图；
图2是本发明一种水下恒功率外特性焊接电源的数字化控制电路的整体拓扑结构电路图；
图3是本发明一种水下恒功率外特性焊接电源的数字化控制电路中逆变电路的电路图；
图4是本发明一种水下恒功率外特性焊接电源的数字化控制电路中光耦隔离电路的电路图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。
如图1、图2所示，一种水下恒功率外特性焊接电源的数字化控制电路包括全桥整流滤波电路10、逆变电路20、光耦隔离电路30、单片机电路40和电源电路50；全桥整流滤波电路10与电网侧220v交流电连接；逆变电路20包括逆变模块21、变压模块22和滤波平滑模块23；其中，滤波平滑模块23与外部电弧负载相连；所述光耦隔离电路30分别与滤波平滑模块23和单片机电路40相连；所述电源电路50与5v的直流电源连接。所述单片机电路40分别与逆变模块21、光耦隔离电路30和电源电路50相连。
本发明控制电路的原理是：将电源负载端的电压和电流引入光耦隔离电路30，再进入单片机电路40的adc引脚进行采集，将采集到的电压和电流值与预设值进行比较之后，改变逆变电路20中开关管的导通和关断时间，实现占空比调节，获得恒功率外特性曲线，完成闭环反馈控制。
与现有技术对比，本发明具有如下优点：1）本发明电路，线性光耦的线性转换精度高，在进行高低压转换时误差小，使电压和电流采集更加准确。使用单片机进行电压和电流采集，也可以对采集过程中产生的系统误差进行数字化修正；2）本发明电路中使用单片机代替传统模拟器件作为反馈控制核心，单片机的处理速度快，使得闭环反馈系统的响应速度更快，响应精度更高；3）本发明采用了基于单片机的数字化控制技术，使得电路设计更为简单，使用单片机的定时器功能产生pwm波形，使得占空比的调控变得简单。
如图3所示，逆变电路20包括逆变模块21、变压模块22和滤波平滑模块23；其中，滤波平滑模块23与外部电弧负载相连。
逆变电路20中4个开关管的导通和关断时间的占比决定了输出电压与电流的大小，即占空比的改变决定电源输出的外特性。因此，逆变电路使得控制电源外特性变得容易，只要通过单片机输出可调的pwm波形控制逆变电路20的4个开关管的占空比就可以实现对外特性的控制。
逆变模块21包括开关管m1、开关管m2、开关管m3、开关管m4。开关管m1与开关管m3连接再和开关管m2与开关管m4连接的电路并联形成逆变电路；每个开关管上并联有rc吸收电路，rc吸收电路包括：电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电容c2、电容c3、电容c4和电容c5。电阻r2和电容c2连接，再和开关管m1并联；电阻r3和电容c3连接，再和开关管m2并联；电阻r4和电容c4连接，再和开关管m3并联；电阻r5和电容c5连接，再和开关管m4并联。每个开关管上还并联有二极管，具体是指：开关管m1还并联有二极管d5，开关管m2还并联有二极管d6，开关管m3还并联有二极管d7，开关管m4还并联有二极管d8。
变压模块22包括变压器t1。变压器t1的初级输入端分别和开关管m1与开关管m3的连接处和开关管m2与开关管m4的连接处连接。
滤波平滑模块23包括整流二极管vd1、整流二极管vd2、电感l1和电容c6。整流二极管vd1和整流二极管vd2连接，再分别与变压器t1次级第一输出端与变压器t1次级第三输出端连接；电感l1和电容c6连接，再分别接入整流二极管vd1与整流二极管vd2的连接处和变压器t1次级第二输出端；电容c6作为逆变电路20的输出端与负载连接。
如图2所示，全桥滤波整流电路10包括二极管d1、二极管d2、二极管d3、二极管d4、电阻r1和电容c1。整流二极管d1与整流二极管d2串联再和整流二极管d3与整流二极管d4串联形成的电路并联形成全桥整流电路；电阻r1与电容c1串联，两端再分别接入整流二极管d2与整流二极管d3的连接处和整流二极管d1与整流二极管d4的连接处；电容c1两端作为滤波整流电路10的输出端与逆变电路20的输入端连接。
全桥整流滤波电路10的电路结构简单，只需要4个二极管，1个电阻和1个电容就可以将电网侧的交流电转换成波纹平滑的直流电。电路中的电阻值和电容值的乘积决定了电容器的充放电时间长短，因此全桥整流滤波电路10的输出直流电的波纹平滑程度由电阻值和电容值的乘积决定，这使得对全桥整流滤波电路10的输出端直流电波纹平滑程度的控制变得简单。
如图2所示，单片机需要用到3个模块，分别为供电电源模块、adc模块和pwm模块。单片机adc1引脚与单片机adc2引脚和光耦隔离电路30的输出端相连；所述单片pwm1引脚与逆变模块20的开关管m1和开关管m4连接；所述单片机pwm2引脚与逆变模块21的开关管m2和开关管m3连接。
单片机集成了ad模数转换电路、定时器电路和usart串口通信电路等。通过ad模数转换接口可以直接采集电压值，定时器接口可以输出pwm波形，usart串口通信可以将采集到的电压值发送到电脑端进行显示，因此该型号单片机可以简化本发明电路。此外，单片机的程序编写简单，可以用st公司开发的stm32cubemx软件配置引脚功能，直接输出配置程序，简化程序编写工作。
如图2所示，电源电路50包括电容c7、电容c8、电容c9、电阻r6、电阻r7和电压变换器。电压变换器型号可以将5v的输入电压转换为3.3v输出电压。
如图4所示，光耦隔离电路30包括电阻r201、电阻r202、电容c201、电容c202、放大器a1、放大器a2和线性光耦芯片；输入电压正极经电阻r201和线性光耦芯片引脚3相连，输入电压负极和线性光耦芯片引脚4相连；放大器a1的正极和电阻r201与线性光耦芯片引脚3的连接处相连，放大器a1的负极和线性光耦芯片的引脚4相连，放大器a1的输出端经过电阻r203和线性光耦芯片的引脚1相连；电容c201并联在放大器a1的负极和输出端；电阻r202与电容c202并联，再与线性光耦芯片引脚6和放大器a2的输出端相连；线性光耦芯片的引脚6与线性光耦芯片引脚5和放大器a2的负极与放大器a2的正极连接。
光耦隔离电路30的作用是将电源负载端的高电压进行线性的缩小，再接入单片机的ad引脚采集电压。在此过程中，光耦隔离电路可以很好地将电源负载端的强电与单片机的弱电隔开，避免了强电系统对弱电系统造成干扰。
线性光耦芯片的输入电压与输出电压的比例等于电阻r202与r201的比值。光耦的线性转换精度高，为±5%。在电路中可以测得光耦的转换精度误差，此误差为系统误差，可以进行修正。
本发明的具体拓扑电路如图2所示，电网侧220v的交流电接入全桥滤波整流电路10的输入端，交流电经过滤波整流变为波纹平滑的直流电。滤波整流电路10的输出端接入逆变电路20的输入端，逆变电路20的输出端与负载连接。负载两端接入光耦隔离电路30的输入端，负载两端的电压经过线性光耦等比例缩小，光耦输出端电压再与单片机的adc引脚连接，进行电压和电流信号的采集。单片机将采集到的电压与电流值和预设值进行比较，通过输出pwm电压改变逆变电路20中开关管的导通和关断时间，实现占空比调节，从而实现对逆变电路20输出电信号的控制。
该拓扑电路相比较与现有技术，最大的优点是用单片机作为反馈控制系统，取代了传统的模拟反馈控制元件，实现了数字化控制，使得反馈控制电路更为简单，同时也提高了反馈的响应速度，解决了反馈精度随着模拟元件老化而带来的精度下降的问题。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
1.一种水下恒功率外特性焊接电源的数字化控制电路，其特征在于：包括全桥整流滤波电路、逆变电路、光耦隔离电路、单片机电路和电源电路；
所述全桥整流滤波电路与电网侧220v交流电连接；
所述逆变电路包括逆变模块、变压模块和滤波平滑模块；其中，滤波平滑模块与外部电弧负载相连；
所述光耦隔离电路分别与滤波平滑模块和单片机电路相连；
所述电源电路与5v的直流电源连接；
所述单片机电路分别与逆变模块、光耦隔离电路和电源电路相连。
2.根据权利要求1所述的一种水下恒功率外特性焊接电源的数字化控制电路，其特征在于：所述逆变模块包括开关管m1、开关管m2、开关管m3和开关管m4；所述变压模块包括变压器t1；所述滤波平滑模块包括整流二极管vd1、整流二极管vd2、电感l1和电容c6；
所述开关管m1和开关管m3串联后，与开关管m2和开关管m4串联形成的电路一起并联组成全桥逆变电路，再与变压器t1的初级连接；其中开关管m1和开关管m3的连接处与变压器t1的初级第一输入端连接，开关管m2和开关管m4的连接处与变压器t1的初级第二输入端连接；
所述变压器t1的次级第一输出端通过依次连接的整流二极管vd1和整流二极管vd2与变压器t1的次级第三输出端连接；整流二极管vd1和整流二极管vd2连接处与电感l1的一端连接；电感l1的另一端和变压器t1的次级第二输出端分别作为逆变电路的输出端与负载连接；电容c6并联在负载的两端。
3.根据权利要求2所述的一种水下恒功率外特性焊接电源的数字化控制电路，其特征在于：所述开关管m1、开关管m2、开关管m3和开关管m4的两端分别并联有二极管d5、二极管d6、二极管d7和二极管d8。
4.根据权利要求2所述的一种水下恒功率外特性焊接电源的数字化控制电路，其特征在于：所述开关管m1、开关管m2、开关管m3和开关管m4的两端还分别并联有rc吸收电路。
5.根据权利要求4所述的一种水下恒功率外特性焊接电源的数字化控制电路，其特征在于：所述rc吸收电路包括电容c2、电容c3、电容c4、电容c5、电阻r2、电阻r3、电阻r4和电阻r5；
所述电容c2和电阻r2串联后并联到开关管m1上；
所述电容c3和电阻r3串联后并联到开关管m2上；
所述电容c4和电阻r4串联后并联到开关管m3上；
所述电容c5和电阻r5串联后并联到开关管m4上。
6.根据权利要求1所述的一种水下恒功率外特性焊接电源的数字化控制电路，其特征在于：所述全桥整流滤波电路包括整流二极管d1、整流二极管d2、整流二极管d3、整流二极管d4、电阻r1和电容c1；整流二极管d1与整流二极管d2串联再与整流二极管d3与整流二极管d4串联形成的电路并联形成全桥整流电路；电阻r1与电容c1并联，两端再分别接入整流二极管d2与整流二极管d3的连接处和整流二极管d1与整流二极管d4的连接处。
7.根据权利要求1所述的一种水下恒功率外特性焊接电源的数字化控制电路，其特征在于：所述光耦隔离电路包括电阻r201、电阻r202、电容c201、电容c202、放大器a1、放大器a2和线性光耦芯片；
所述输入电压正极经电阻r201和线性光耦芯片引脚3相连，输入电压负极和线性光耦芯片引脚4相连；放大器a1的正极和电阻r201与线性光耦芯片引脚3的连接处相连，放大器a1的负极和线性光耦芯片的引脚4相连，放大器a1的输出端经过电阻r203和线性光耦芯片的引脚1相连；电容c201并联在放大器a1的负极和输出端；电阻r202与电容c202并联，再与线性光耦芯片引脚6和放大器a2的输出端相连；线性光耦芯片的引脚6与线性光耦芯片引脚5和放大器a2的负极与放大器a2的正极连接。
8.根据权利要求1所述的一种水下恒功率外特性焊接电源的数字化控制电路，其特征在于：所述电源电路包括电容c7、电容c8、电容c9、电阻r6、电阻r7和电压转换芯片；所述单片机电路的3.3v引脚与gnd引脚和电压转化芯片输出端连接。
9.根据权利要求1所述的一种水下恒功率外特性焊接电源的数字化控制电路，其特征在于：所述单片机电路的单片机adc1引脚与单片机adc2引脚和光耦隔离电路的输出端相连；所述单片机电路的单片机pwm1引脚与逆变模块的开关管m1和开关管m4连接；所述单片机电路的单片机pwm2引脚与逆变模块的开关管m2和开关管m3连接。
技术总结