MIG系列焊机分析资料0908.docx

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MIG系列焊机分析资料0908

一、MIG-200/250简介

1概述

MIG-200/250为逆变式熔化极气体保护焊机，保护气体为CO2、Ar或混合气体。

相对于其它弧焊机，MIG系列焊机添加了送丝结构及相应的送丝控制电路，在焊接过程中实现了半自动化，不但提高了效率，也减少了损耗。

送丝速度、焊接电压、输出电抗器可进行无级调节，使焊接电压/电流达到良好匹配，提高了焊接质量。

2MIG-200/250的特点

1、采用控制芯片为UC3844的单端反激开关电源，省去了控制变压器，减轻了整机重量。

2、送丝电路的PWM控制芯片采用了TL494，采用电流/电压双反馈，送丝稳定，电路简单可靠。

3、主电路的PWM控制芯片为UC3846，采用峰值电流模式控制，逐个检测脉冲电流，动态响应速度快，同时避免了误动作。

电流/电压双环控制，保证了焊接电压稳定和电源的动态性。

4、采用焊接电源与送丝机一体化结构，整机体积小，重量轻，方便操作，易于移动。

5、焊接过程中，短路过渡非常明显，短路频率较高，声音清脆，焊丝熔化稳定，飞溅小，基本没有大颗粒过渡或焊丝爆断现象，非常适合薄板焊接及全位置焊。

6、由于具有反烧功能，故焊接结束时熔球较小，焊丝的干伸长10mm左右，能确保再次引弧成功率。

7、引弧慢送丝控制，电子电抗器调节，焊接过程稳定，焊缝成型好。

3参数及应用范围

参数

机型

额定输入电压

额定输

入电流

额定输

入功率

输出电流范围

空载电压

输出电压范围

适用焊丝直径

额定负载持续率

MIG-200

单相

220V

±10％

29A

6.4KVA

50－200A

50V

15－24V

￠0.6

￠0.8

￠1.0

60％

MIG-250

三相

380V

±10％

14.3A

9.4KVA

50－250A

50V

15－26.5V

￠0.6

￠0.8

￠1.0

60％

MIG-200/250气体保护焊机广泛用于机车车辆、汽车、摩托车、船舶、煤矿机械及锅炉制造行业，主要用于焊接低碳钢及低合金钢。

此外还用于耐磨零件的堆焊、铸钢件的补焊以及电铆焊等方面。

二、主电路

三、控制电路

1、该焊机的核心控制部分主要是以下三个PWM控制芯片：

即辅助电源控制芯片UC3844；送丝机控制芯片TL494（即调电流大小）；主电路控制芯片UC3846。

2、UC3844控制的单端反激式辅助电源工作原理

2.1、UC3844简介：

通常采用脉宽调制器调节脉宽，以达到调节输出电压的目的；反之，通过反馈的方式，可以把对输出电压的采样信号反馈到脉宽，调制器中，利用脉宽调制器的特性控制开关电源的开关，从而稳定输出的脉宽。

3844集成脉宽调制器是一种单端输出电路控制型电路，其内部结构框图如图3.1所示：

图3.1-UC3844内部结构框图

2.2、UC3844内部电路

UC3844的各引脚功能简介：

①脚COMP是内部误差放大器的输出端。

②脚Vfb是反馈电压输入端，与内部误差放大器同相输入端的+2.5V基准电压进行比较，产生误差电压，控制脉冲的宽度。

③脚Isense是电流传感端。

在应用电路中，在开关管IGBT的E极串接一个小阻值的取样电阻，将脉冲变压器的电流转换成电压并送入③脚，控制脉冲的宽度。

④脚Rt/Ct是定时端。

锯齿波振荡器的振荡频率f=1.8/（Rt·Ct），电流模式工作频率可达500kHz。

⑤脚GND是接地。

⑥脚OUTPUT是输出端，此端口为图腾柱式输出，驱动电流的峰值高达l.0A。

⑦脚Vcc是电源。

当供电电压低于16V时，UC3844不工作，此时耗电在1mA以下。

芯片工作后，输入电压可在10～34V之间波动，工作电流约为15mA。

⑧脚Vref是基准电压输出，可输出精确的+5V基准电压，电流可达50mA。

工作原理：

1、供电：

电源由⑦脚输入，在施密特触发器的控制下，电源电压大于16V时，芯片工作，低于10V时关闭。

6V的启动、关闭的差值电压可有效防止电路在阀值电压附近工作时振荡。

输入端设置了一个34V的齐纳稳压管，保证其内部电路绝对在34V以下工作，防止高压损坏。

通常从高压输入端用电阻分压后供给⑦脚。

2、振荡信号的产生：

其振荡器的工作频率由④脚外接的电阻、电容值决定，由⑧脚供给振荡的电源。

通常，在④脚与地间接电容，④脚与⑧脚间接电阻，其振荡频率=1/T=1.8/（Rt·Ct）。

3、输出控制：

输出信号的控制由误差放大器、电流比较器、锁存器完成。

分述如下：

误差放大器：

其同相输入端接内部+2.5V基准电压，反相输入端外接控制信号。

输出端通常接补偿R、C回路，R、C回路接到反相输入端，以控制广大器闭环增益，并起到稳定的作用。

电流比较器：

用于电流感应和限制，防止过大电流损坏外部电路，通常，在③脚处接一采样信号（可通过电阻接地把外部电路电流转为电压信号），其与误差放大器的输出电压经两个二极管降压后所得的电压进行比较。

锁存器：

加入锁存器可以保证输出端在每一振荡周期内仅出现一个单控制脉冲，防止了噪声干扰和开关管的超功耗。

由图可知，当电流比较器输出高电平时，锁存器复位，关闭输出（与非门输出低电平、三极管截止），至下一个时钟脉冲中又将锁存器位置，输出开启（高电平）。

4、脉宽调制：

3844脉宽调制器的⑥脚外接功率开关管IGBT，当开关器件流过的电流改变（因负载变化）时，③脚所采样到的电压信号也随之改变，通过电流比较器，就能改变输出脉冲宽度，从而调节开关管导通时间（即占空比）。

2.3、单端反激式开关电源工作原理：

工作原理：

（1）充能：

主电源开关闭合后，+540V电源（AC380V整流后电压）经变压器T的初级线圈N3-4供电给功率开关管VT3的漏极。

同时，+540V电源电压经R45、R44、R43分压分压后给C32充电，UC3844的⑦脚电压大于16V时，芯片工作，⑥脚输出幅值为12V、频率为18KHz的脉冲，驱动开关管VT3导通。

此时，电源给N3-4充电，电能转化为磁能储存于变压器中。

（2）开关管断开：

3844的⑥脚输出脉冲的频率由内部电路的振荡频率（由C21和R42决定），经一定时间，第一个高电平结束，转为输出低电平，使开关管VT3截止。

（3）放能：

开关管VT3截止，由于电感（线圈N3-4）的续流作用（电感上的电流不能突变），N3-4继续给电容C23和VT3的漏电容Cds充电。

此时，在N3-4上的电压方向为上负下正，而N9-11上的感应电动势方向为上正下负，二极管D17导通，给负载供电并向C27充电。

由于稳压管Z2、Z3的稳压钳住作用，使得N9-11上的电压不会太高；而原边设置了RCD吸收电路（C23、R47、D15），N3-4上的电压也不会因电感特性而产生尖锋，损坏电路。

图3.2为单端反激式开关电源原理图：

图3.2－单端反激式开关电源原理图

（4）振荡：

变压器初级线圈在向负截供电的同时也给电容C23、Cds充电。

当电容两端的电压大于N3-4上的电压时，电容反向向电感供电，能量由电容向电感和电源转移，等到两者的端电压的大小再发生变化时，电感向电容充能，如此反复，形成正弦振荡（阻尼振荡）。

而且，每当电容向电感充电时，N3-4线圈都通过N9-11向负载供电并向电容C27充电。

（5）稳压输出：

在N3-4向N9-11供能时，负载从变压器中得到能量，当N9-11上的感应电动势反向（上负下正）时，电容C27向负载供电，从而在负载上得到稳定的电压供给。

（6）开关管导通，再次充能：

在3844的输出脉冲控制下，开关管VT3再次导通，回复到初始状态。

如此周而复始，负载得到持续稳定的能量供给。

（7）稳压：

当负载变化时，反激式开关电源的输出电压、电流都将发生变化。

此时，3844芯片②脚采样到的电压信号以及③脚的电平值（输出电流反映到N3-4上的电流在R51//R52而形成的压降）也随之改变，从而，3844内部的电流比较器输出值也发生改变，由此而改变了⑥脚的输出脉宽。

例如：

当负载变大时，电流变小，使得3844内部的电流比较器输出低电平，使锁存器锁存，降低占空比，关断时间长，负载获得的能量变大，保证了负载的需求。

（8）过压、过流保护：

如果输入电压过高，在开关导通时，在N9-11上感应到的感应电动势过高，使得Z3（30V）稳压管被击穿，光耦U5动作，触发可控硅Q7，可控硅导通，拉低3844的⑦脚电位，芯片停止工作。

如果因漏感作用干扰或不正常输入使得开关管漏源电流过大，此时，在R51//R52上形成的压降也变大，3844内部的电流比较器的同相输入端（③脚）电位变高，当大于1V时，电流比较器输出翻转，变为高电平，使得锁存器锁住，芯片输出低电平，关闭开关管，从而保护功率开关管。

（9）辅助电路：

线圈N3-4及D15、C23、R47组成一个滤波电路，吸收因电感作用而产生的电流尖锋（当N3-4电流方向改变时，由于电感续流和漏感的作用，会产生尖锋）避免开关管造成误动作或损坏。

在N9-11输出端接有LM7812集成稳压器件，可以得到直流稳压电源，以满足不同负载的需求。

（10）特征波形：

当负载变化时，3844的输出脉冲的脉宽、电流比较器的同相输入信号、开关管漏极波形都随着改变，反应了电路对输出变化的应变能力和调整能力。

单端反激电源示意图及波形

3、TL494控制的送丝机电路工作原理

3.1、TL494脉宽调制器（PWM）工作原理

与其它控制电路相似，为了满足良好焊接对送丝的要求，送丝机构控制电路也采用了调节脉宽输出（送丝速度）并输出反馈而稳定输出的方式。

MIG焊机的送丝控制电路采用TL494作为控制器件，其内部结构框图如图3.3所示。

TL494引脚图

图3.3-TL494引脚图

TL494特点：

①振荡信号产生：

TL494中有一振荡器，其振荡频率由外接的电容的充放电决定，f=1/（tc+td）（tc、td分别为电容充放电时间）。

②脉宽控制：

与SG3525类似，通过改变基准电压的方式改变运放输出脉宽。

即把振荡信号（锯齿波）由反相输入端送入PWM比较器（运放），可调（控制）的基准电压由PWM比较器的同相输入端输入。

只需改变外电路的给定值，即可调节基准电压，从而调节脉宽。

③死区时间控制：

TL494可以控制两路输出脉冲之间的死区时间，以满足不同开关的需求。

它与PWM比较器的输出（都为脉冲信号）作为数字与门的两个输入信号，只要有一比较器输出低电平，即中锁住锁存器输出，而死区时间比较器与PWM比较器的输出状态都受到振荡信号和基准电压的控制，这样，改变死区比较器某一输入端的值，即可改变其与另一输入端的输入值之间的关系（大于、等于或小于），从而改变死区时间比较器的输出状态。

通常，在死区时间比较器的同相输入端（TL494的4脚）外接电阻，以外电路电流在该电阻上形成的压降作为比较器的同相输入，即以之控制死区时间，这样，改变外接电阻的值即可改变死区时间。

④输出稳定控制：

调节输出脉宽可通过改变PWM比较器的同相输入端（3脚）的值来实现，但由于电网波动，负载变化等因素，会导致输出电压、电流变化。

于是为稳定输出，TL494通过运放对输出回路进行采样，采样的值与设定的稳定的一个基准电压比较，比较后的值叠加在给定值上，从而控制输出脉宽，由于这样的采样控制是一个负反馈过程，能适当改变脉宽，使得输出稳定。

另外，双运放比较输出形成还能完成过电流保护等功能。

⑤输出方式控制：

输出方式由13脚的电平值决定。

当该端为高电平时，两路输出分别由触发器的Q和G端控制，形成双端输出方式，当13脚为低电平时，触发器失去作用，两路输出同时同PWM比较器后的或门输出控制，同步地工作，两路并联输出。

两路并联输出时，输出驱动电流较大。

TL494工作原理简述：

TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，振荡频率：

输出脉冲的宽度是通过电容CT上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。

功率输出管Q1和Q2受控于或非门。

当双稳触发器的时钟信号为低电平时才会被选通，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。

当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。

控制信号由集成电路外部输入，一路送至死区时间比较器，一路送往误差放大器的输入端。

死区时间比较器具有120mV的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波周期的4%，当输出端接地，最大输出占空比为96%，而输出端接参考电平时，占空比为48%。

当把死区时间控制输入端接上固定的电压（范围在0-3.3V之间）即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。

图3.4-TL494脉冲控制波形图

脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段：

当反馈电压从0.5V变化到3.5时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间中下降到零。

两个误差放大器具有从-0.3V到（Vcc-2.0）的共模输入范围，这可能从电源的输出电压和电流察觉得到。

误差放大器的输出端常处于高电平，它与脉冲宽度调制器的反相输入端进行“或”运算，正是这种电路结构，放大器只需最小的输出即可支配控制回路。

当比较器CT放电，一个正脉冲出现在死区比较器的输出端，受脉冲约束的双稳触发器进行计时，同时停止输出管Q1和Q2的工作。

若输出控制端连接到参考电压源，那么调制脉冲交替输出至两个输出晶体管，输出频率等于脉冲振荡器的一半。

如果工作于单端状态，且最大占空比小于50%时，输出驱动信号分别从晶体管Q1或Q2取得。

输出变压器一个反馈绕组及二极管提供反馈电压。

在单端工作模式下，当需要更高的驱动电流输出，亦可将Q1和Q2并联使用，这时，需将输出模式控制脚接地以关闭双稳触发器。

这种状态下，输出的脉冲频率将等于振荡器的频率。

本焊机中即为该种用法。

3.2送丝机控制原理

焊枪TS闭合后，Q2导通，U1-7为“1”，Q3导通，Q4、VT1截止；同时，D7的阴极悬空（引弧成功后），“电流调节”的给定信号经过R14、R15、R22后到TL494的2脚，8脚输出幅值为12V、频率为20KHz的脉冲，当稳压管Z1的阴极为15V时，VT2（P沟道MOS管）导通后，+24V电源经VT的D、S极给送丝机供电。

焊枪TS松开后，D7的阴极接地，“电流调节”给定信号关断，TL494-8脚输出信号关断；同时，Q2截止，U1-7为“0”，Q3截止，Q4导通、+12V电源经过Q4的D-S、R33后驱动MOS管VT1，VT1导通后，送丝机电压经刹车电阻R36后接“地”，送丝电机刹车。

U2的两个运放独立使用，用于反馈电压和过流保护，U2-3脚接RC网络，使整个电路的稳定性得到提高。

U2-3脚用于补偿校正，为PWM比较器输入，接入电阻及电容可以抑制振荡，U2-4脚为死区控制端，输入电压为0-4V，控制U2-1的输出脉冲占空比为0.45-0，其电压越高，死区宽度越大，当接5V电压时，死区最大，无脉冲输出。

U2-1为送丝机的电压反馈（输出电压在R23、R24上的分压值），U2-2为给定值，U2-16为送丝机电流反馈（电机电压在R32上的压降值）。

通过电压/电流双反馈，可以达到输出电压稳定、输出过流保护的功能。

4、电磁阀的开关控制

电磁阀的开关控制电路由Q2、R8、C3、U1-A、Q6等组成，当焊枪开关TS闭合时，Q2导通，给电容C3充电，U1-A的1脚输出高电平，开关管Q6的栅极电位升高而导通，24V直流电压使得电磁阀动作气体通过。

当焊枪开关TS松开后，Q2截止，由于电容C3上储有电能，Q6仍然导通；电容C3通过R8缓慢放电，当电容C3的端电压降到一定程度时，U1-A的1脚输出低电平，开关管Q6截止，电磁阀停止动作，实现气体的延时，保证焊接质量。

5、主电路PWM控制

通常，主电路PWM控制都是采用电压模式控制（如SG3525），即根据反馈电压来调节输出脉宽，而电流模式PWM控制器（如UC3846）则是根据反馈电流来调节输出脉宽。

电流型PWM控制器在输入端直接用输出电感上的电流信号与误差放大器输出信号相比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压的变化而变化。

由于存在电压环和电流环双环系统，因此变换器的线电压调整、负载调整率以及瞬态响应特性都有所提高。