摘 要

已有的弧焊电源的研究表明，数字化和智能化是当今焊接电源发展的必然趋势。弧焊电源的拓扑结构，主要有半桥和全桥两种，但也有不可控的拓扑结构。全桥和半桥拓扑结构的研究很多，它们都需要用到稳压二极管，所以工作原理都较为复杂，但是不可控拓扑结构只需要六个普通二极管即可，所以工作原理简单易理解。因为斩波对于弧焊电源的稳定尤为重要，所以国内外许多学者都致力于斩波拓扑结构的研究。斩波电路的工作方式有三种，其中最主要的是脉宽调制机制—PWM，通过调节脉冲宽度达到调节占空比的目的，从而调节输出电压。

本课题在已有斩波拓扑结构的研究成果上，根据钨极惰性气体保护焊的电源外特性要求，设计了一个高频斩波器，主要研究内容有：变压器工作原理及其选型的研究、整流器电路的原理研究及设计、斩波器电路工作原理研究及设计、斩波驱动电路的设计和斩波控制系统的设计。其中，在斩波电路的研究过程中，确定了斩波电路的主要开关器件并对其工作原理进行了详细的阐述。而本文的关键研究就在于斩波拓扑电路，所以必须有一个精准的驱动系统和控制系统。本文就斩波拓扑电路的驱动原理选择了一款合适的驱动芯片，并对其驱动原理及过程进行了详细阐述；其次此驱动系统需要可行的控制系统，合理有效的控制其输出脉冲，就此，本文对其控制原理及过程也做了设计说明阐述，并且编写了一套控制程序，使控制系统可以实现本课题设计所需的功能。在最后，本文对本课题设计的一整套电源系统进行了实验和调试，最终设计出了本文所呈现出的整个电路和高频斩波器。

关键词：钨极惰性气体保护焊 Mosfet 斩波 PWM

Research on High Frequency Chopper for Tungsten Inert Gas Welding

Abstract

With reference to existing studies of arc welding power sources, digitization and intelligence are inevitable trends in today's welding power supply development. The topology of arc welding power supplies is mainly half-bridge and full-bridge, but there are also uncontrollable topologies. There are many researches on full-bridge and half-bridge topology. They all need to use zener diodes, so the working principle is more complicated, but uncontrollable topology requires only six common diodes, so the working principle is simple and easy to understand. Because the chopping wave is particularly important for the stability of the arc welding power source, many scholars at home and abroad are committed to the study of the chopping wave topology. The chopper circuit works in three ways. The most important one is the pulse-width modulation mechanism—PWM. The purpose of adjusting the duty cycle is to adjust the pulse width to adjust the output voltage.

In this paper, based on the research results of the existing chopper topology, a high-frequency chopper is designed according to the external characteristics of the power supply of tungsten inert gas shielded arc welding. The main research contents are: the working principle of the transformer and its selection. , Rectifier circuit principle research and design, chopper circuit working principle research and design, chopper drive circuit design and chopper control system design. Among them, in the research process of the chopper circuit, the main switching device of the chopper circuit is determined and its working principle is elaborated in detail. The key research of this paper lies in the chopper topology circuit, so there must be a precise drive system and control system. This paper selects a suitable driver chip for the drive principle of the chopper topology circuit, and elaborates on its driving principle and process. Secondly,

this drive system needs a feasible control system to control its output pulse reasonably and effectively. In this paper, the design principle of the control principle and the process are explained, and a set of control programs are written so that the control system can achieve the functions required for the design of this topic. In the end, this article has carried on the experiment and the debugging to a complete set of power system that this subject designs, finally has designed the entire circuit and the high frequency chopper presented in this article.

Key words：Tungsten inert gas shielded welding; Mosfet; Libo; PWM

目 录

摘 要 I

第一章 绪论 1

1.1研究目的及意义 1

1.1.1研究的背景 1

1.1.2研究目的及意义 1

1.2 TIG焊国内外研究现状 2

1.2.1 TIG焊国内研究现状 2

1.2.2 TIG焊国外研究现状 3

1.3斩波电路国内外研究现状 5

1.4本文研究内容 8

第二章 斩波控制电路总体设计 9

2.1斩波控制电源系统结构设计 9

2.2斩波控制电源系统电路设计 10

2.3斩波控制电路重要器件 11

2.4本章小结 13

第三章 斩波控制电路硬件设计 15

3.1 变压器设计 15

3.2 整流电路设计 16

3.3 斩波电路设计 17

3.4 电流闭环反馈电路设计 19

3.5 滤波电路设计 21

3.6本章小结 21

第四章 斩波控制电路设计 23

4.1 斩波电路中PWM控制器设计 23

4.2 ARM控制电路设计 26

4.3 ARM控制软件设计 30

4.4本章小结 35

第五章 斩波控制电路电源系统的调试和实验 36

5.1 PWM脉冲输出实验 36

5.2 斩波电路实验 41

5.3 斩波电源外特性实验 46

5.4本章小结 48

第六章 经济分析 50

6.1 制造经济性 50

6.2 焊接电源系统对焊接工艺的影响 51

结论 52

参考文献 53

致谢 56

第一章 绪论

1.1研究目的及意义

1.1.1研究的背景

焊接技术是现代制造业中最常用的材料成形和加工技术，是现代最基础的制造业生产方式，一个国家的工业水平由焊接技术的高低直接体现的。焊接技术可以使各种材料实现永久性的连接，进而达到所要求的特定功能。随着焊接技术在提升国民经济方面的贡献越来越大，一个国家工业的先进程度也由焊接技术决定。据统计，世界上焊接加工制造的钢产量已达到了40%，国内外的大多数企业都有焊接加工技术及车间，焊接加工技术显然已经成为了机械制造领域中重要的加工工艺技术^[1]。

弧焊电源经历了由模拟焊接弧焊发展到大功率开关管的焊接电源、由普通整流焊接电源发展到现代逆变焊接电源的历史过程。综合目前弧焊电源的研究现状，现代市场经济竞争的发展趋势已经变为实现焊接技术的数字化和智能化。弧焊电源的发展经历了模拟式到开关式，体积逐渐缩小，重量得到了减轻，效率也进一步提高了，因此现代工业和通信技术等重要领域都广泛的应用到此技术 ^[2]。

1.1.2研究目的及意义

弧焊电源作为焊接设备核心组成部分，其性能直接影响焊接质量，研究性能优越的弧焊电源可以从根本上保障焊接质量。对于钨极惰性气体保护焊（TIG）电源而言，稳定的电流、快速的脉冲响应速度是保障良好焊接质量的前提，改善电流稳定性则依赖于实现电流输出的斩波电路^[3]。

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