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研究生:許政道
研究生(外文):Cheng-Tao Hsu
論文名稱:數位化氬焊機電源供應器之研製
論文名稱(外文):Design and Implementation of digitization Arc Welding Machine Power Supply
指導教授:徐瑞隆徐瑞隆引用關係
指導教授(外文):Juei-Lung Shyu
學位類別:碩士
校院名稱:高苑科技大學
系所名稱:電機工程研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:84
中文關鍵詞:氬焊機半橋式轉換器脈波寬度調變
外文關鍵詞:Arc welding machinesPWMhalf-bridge
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本文設計氬焊機電源供應器,以數位化脈波寬度調變(Pulse Width Modulation, PWM)的方式來控制半橋式DC-DC轉換器之切換與實作設計。本系統採用IGBT作為半橋式拓墣結構,AC-DC-AC-DC的轉換形式。輸入單相交流220V,經由橋式整流、電容濾波後變成平滑的直流電,經由功率開關切換轉換成高頻方波的交流電,再經由變壓器降壓後,最後由橋式整流與電抗濾波實現輸出功率轉換供給電弧。以脈波寬度調變(PWM)的控制方式,調節脈波的責任週期來控制焊接時輸出穩定電流。在控制方面使用Microchip公司的DSP-30F4011數位訊號處理器為核心,與其他數位邏輯電路配合,產生切換頻率18kHz的PWM訊號並且控制其電流量。本文將以實作及Is-Spice模擬以驗證轉換器電路工作之正確性。
The TIG (Tungsten Inert Gas Arc Welding, TIG) welding converter power based on the control circuit system DSP-30F4011 is developed. The software, hardware and the control principles of the system are also introduced in this paper. In the research, the main circuit of the TIG welding converter power is designed by adopting the half-bridge topological structure. The control circuit system of TIG welding converter power is designed by adopting DSP-30F4011 to control the current and voltage, as well as the input and output digital signal. Moreover, the theoretical analysis is verified by the experiments and the Is-Spice simulations.
中文摘要 I
英文摘要 II
誌謝 III
目錄 IV
圖目錄 VI
表目錄 IX
參數符號表 X

第一章 緒論
1.1 研究背景 1
1.1.1 氬焊設備的發展歷史 2
1.2 研究動機與目的 6
1.3 內容簡介 7

第二章 氬焊機之轉換器系統架構與分析
2.1 氬焊機系統架構介紹 8
2.1.1氣體鎢極電弧焊設備 10
2.2 半橋式轉換器工作原理 13
2.3 半橋式轉換器連續導通之分析 14

第三章 功率開關驅動器與電流迴授電路設計
3.1 功率開關選擇 21
3.1.1 提升控制訊號的電壓 21
3.1.2 提高功率開關驅動電流 22
3.1.3 隔離控制電路與驅動電路 24
3.2 緩衝電路設計 29
3.3 控制模式 35
3.3.1 電流迴授電路 35

第四章 軟體設計與焊接電流模式選擇與設定
4.1 軟體設計流程 37
4.2 PWM切換訊號控制 38
4.3 反饋電流控制 41
4.4 焊接電流模式的選擇與設定 43

第五章 系統模擬與實作驗證
5.1 系統模擬結果 52
5.2 系統實作結果 59

第六章 結論與未來展望
6.1 結論 66
6.2 未來展望 66

參考文獻 67

圖目錄

圖2-1 氬焊設備示意圖 9
圖2-2 氬焊機系統架構流程圖 9
圖2-3 鎢極惰性氣體保護焊示意圖 11
圖2-4 半橋式轉換器電路圖 13
圖2-5 半橋式轉換器時序圖 15
圖2-6 在t0~t1時之等效電路圖 16
圖2-7 在t1~t2時之等效電路圖 17
圖2-8 在t2~t3時之等效電路圖 18
圖2-9 在t3~t4時之等效電路圖 18
圖3-1 IGBT功率開關之特性曲線圖 22
圖3-2 含寄生元件的開關電路圖 23
圖3-3 Push-pull放大電流電路圖 23
圖3-4 光耦合器內部架構圖 26
圖3-5 IGBT驅動電路圖 27
圖3-6 電感負載之轉換器模型圖 29
圖3-7 IGBT切換時之電壓與電流波形圖 30
圖3-8 IGBT瞬間功率波形圖 30
圖3-9 典型緩衝電路圖 31
圖3-10 電容大小與開關截止波形圖 32
圖3-11 電流迴授電圖 36
圖4-1 軟體設計流程圖 37
圖4-2 中央對齊PWM輸出訊號 38
圖4-3 PWM訊號位移流程方塊圖 39
圖4-4 PWM訊號位移波形圖 40
圖4-5 PWM的責任週期流程圖 40
圖4-6 當If>IR時示意圖 42
圖4-7 當If<IR時示意圖 42
圖4-8 閉迴路反饋系統方塊流程圖 43
圖4-9 直流脈衝氬焊機電流波形圖 44
圖4-10 直流脈衝氬焊機電流波形控制方塊流程圖 44
圖4-11 無脈衝具有緩升、降電流波形圖 45
圖4-12 無脈衝具有緩升、降電流波形控制方塊流程圖 45
圖4-13 焊接電流操作控制方塊流程圖 47
圖4-14 過電流保護裝置電路圖 49
圖4-15 散熱器典型數據圖 50
圖5-1 開迴路半橋式轉換器模擬圖 52
圖5-2 功率開關Q1、Q2波形圖 53
圖5-3 Vce1、Vce2波形圖 53
圖5-4 變壓器一、二次測輸出電壓波形圖 54
圖5-5 輸出電感電壓電流波形圖 54
圖5-6 輸出負載電壓電流波形圖 55
圖5-7 責任週期輸出電壓與電流圖 56
圖5-8 輸入電壓20V,改變負載時輸出電壓電流圖 57
圖5-9 輸入電壓30V,改變負載時輸出電壓電流圖 57
圖5-10 輸入電壓40V,改變負載時輸出電壓電流圖 58
圖5-11 輸入電壓220V,改變負載時輸出電壓電流圖 59
圖5-12 功率開關處發訊號 59
圖5-13 Vce1與Vce2輸出電壓波形圖 60
圖5-14 變壓器一、二次測電壓波形圖 61
圖5-15 輸出的電壓Vout與輸出的電流Iout 61
圖5-16 Vin=20V時,不同任週期之輸出電壓電流 63
圖5-17 Vin=30V時,不同任週期之輸出電壓電流 63
圖5-18 Vin=40V時,不同任週期之輸出電壓電流 63
圖5-19 Vin=60V時,不同任週期之輸出電壓電流 64
圖5-20 Vin=90V時,不同責任週期之輸出電壓電流 64
圖5-21 氬焊機實際介面 64
圖5-22 氬焊機制控制核心 65
圖5-23 氬焊機制控訊號 65
圖5-24 氬焊機之轉換器 65
表目錄

表1-1焊接與切割製程發展 2
表1-2國內氬焊設備發展歷史 4
表1-3全球電弧類焊切設備技術的發展 5
表3-1光耦合與變壓器之比較 25
表4-1 焊接操作開關 46
表4-2 冷卻散熱法之特性 51
表5-1 責任週期輸出電壓與電流值 55
表5-2 輸入電壓20V,Duty=0.25 56
表5-3 輸入電壓30V,Duty=0.25 57
表5-4 輸入電壓40V,Duty=0.25 58
表5-5 輸入電壓220V,Duty=0.25 58
表5-6 各種不同輸入電壓之生輸出電壓電流 62
參考文獻

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