0 引言
脈沖MIG(Metal InertGas)是一種熔化極惰性氣體保護焊。數(shù)字脈沖MIG焊機具有諸多優(yōu)點，在制造工業(yè)中占有重要地位。研制弧焊逆變電源具有重要意義。
弧焊逆變電源自上世紀80年代問世以來，經(jīng)過不斷的發(fā)展完善，已成為焊接電源的主流產(chǎn)品?；『改孀冸娫吹哪孀冾l率一般在20～100kHz，由于目前的逆變電源多采用模擬電路控制，限制了逆變電源性能的提高。焊機的數(shù)字化是當今焊接裝備發(fā)展的潮流，它使得數(shù)字控制應用于弧焊逆變電源成為可能。在國內(nèi)，數(shù)字化焊機的研究尚處于起步階段，較之世界先進水平仍有很大的差距。這使我們研究弧焊逆變電源有了很大的必要。
1 電源主電路設計
1.1 系統(tǒng)概述
脈沖MIG焊是一種焊接電流周期性變化的熔化極惰性氣體保護焊，它對焊接設備要求較高。主電路的開關(guān)頻率要高，響應速度要快，動態(tài)響應性能要好，輸出電流波紋要小，要能適應多種焊接材料、多種焊絲直徑在不同條件下的焊接需求。如圖1所示，脈沖MIG焊機主要由6個部分組成。
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1.1.1 主回路
主回路是系統(tǒng)的功率變換電路，其功能是將電網(wǎng)上的380V的三相交流電整流并進行中頻橋式逆變，經(jīng)再次整流后輸出，輸出電流可達450～500A。
1.1.2 驅(qū)動電路
驅(qū)動電路具有保護功能，防止出現(xiàn)過流、過熱等情況。驅(qū)動逆變回路中的絕緣柵型大功率晶體管(IGBT)對觸發(fā)脈沖要求嚴格，其開關(guān)損耗也與觸發(fā)脈沖的斜率、幅度等密切相關(guān)。
1.1.3 主控板電路
主控板電路是焊機控制的核心部分。在控制上使用了變參數(shù)電流閉環(huán)PI控制和電壓閉環(huán)PI控制。系統(tǒng)通過D/A變換送到驅(qū)動板的模擬輸入口，經(jīng)驅(qū)動IGBT輸出?？刂频姆答伭渴亲罱K輸出的電壓和電流的采樣值。
1.1.4 送絲機電路
送絲機通過調(diào)節(jié)送絲電機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)焊機焊接的勻速或變速送絲。送絲機電路通過控制電磁閥實現(xiàn)保護氣體的通斷。
1.1.5 焊機面板
焊機面板是焊機和用戶交互的接口。用戶可以通過面板來觀察和設置焊機的工作模式、焊機的狀態(tài)、焊絲和保護氣體的類型等。
1.1.6 遙控盒
當用戶離焊機較遠時，可以通過遙控盒來代替控制面板的功能以實現(xiàn)遠程控制。
1.2 主電路設計
系統(tǒng)的主電路的結(jié)構(gòu)如圖2所示，工作在軟開關(guān)方式，采用了改進的移項諧振電路。
逆變部分N1、N3為超前橋臂，N2、N4為滯后橋臂。C1、C3為超前臂的并聯(lián)電容，C2、C4為滯后臂的并聯(lián)電容，且C1=C3>>C2=C4。L2為飽和電感，Cs為環(huán)流抑制串聯(lián)電容。T1為主變壓器。“+”、“-”為焊槍輸出。S1為空氣開關(guān)，電網(wǎng)電壓經(jīng)整流和Cp、L1穩(wěn)壓后為逆變提供直流輸入。
2 電源控制系統(tǒng)設計
2.1 脈沖MIG弧焊電源控制系統(tǒng)總體方案
脈沖MIG弧焊控制系統(tǒng)的總體設計是系統(tǒng)設計的關(guān)鍵，它涉及到自動控制、計算機及焊接等領(lǐng)域。
該電源控制系統(tǒng)的總體方案如圖3所示。脈沖MIG弧焊電源控制系統(tǒng)共有三個部分：電流波形控制系統(tǒng)、弧長控制系統(tǒng)、專家系統(tǒng)。其中電流波形控制系統(tǒng)、弧長控制系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，且弧長控制系統(tǒng)的輸出為電流波形控制系統(tǒng)的輸入，故整個系統(tǒng)為雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，電流波形控制為內(nèi)環(huán)，弧長控制為外環(huán)。專家系統(tǒng)為整個雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)部分。
2.2 控制系統(tǒng)各部分方案設計
2.2.1 電流波形控制系統(tǒng)
為了實現(xiàn)對電流波形控制的精確性，本系統(tǒng)應當采用PID控制。由于理想微分控制對于強擾動反應較快，而電弧的熱慣性使得系統(tǒng)不能及時地響應微分控制。此外理想微分控制會使偏差信號e(t)中的噪聲干擾放大，產(chǎn)生較大的噪聲輸出，影響系統(tǒng)性能。故本系統(tǒng)采用了變參數(shù)的PI控制器。對于脈沖MIG焊而言，一脈一滴的過渡形式是所有過渡形式中焊接質(zhì)量中最好的，此時熔滴的大小與焊絲直徑相當，因此熔滴過渡較好的控制思想是控制波形的形狀，保證熔滴的大小一致。波形控制決定著單個熔滴的行為特性。在熔滴過渡的一個周期里，熔滴的過渡中可以分為6個階段，在這幾個階段中，分別采用不同的比例系數(shù)和積分時間，從而獲得較好的系統(tǒng)動態(tài)響應速度和基值電流時間的穩(wěn)態(tài)精度。電流波形控制系統(tǒng)的框圖如圖4所示。
2.2.2 弧長控制系統(tǒng)
焊接電弧弧長的穩(wěn)定性主要取決于兩個方面：一是電弧的自身調(diào)節(jié)作用；二是焊接參數(shù)及所選擇的工藝方法。傳統(tǒng)電弧控制方法由于其弧壓控制器的參數(shù)選擇要考慮兼顧整個送絲速度范圍，因此只能保證在某一區(qū)間弧長控制效果最佳。另外希望弧長調(diào)節(jié)過程能快速、穩(wěn)定地進行。考慮到傳統(tǒng)PID控制的不足，且目前模糊控制已經(jīng)較為成熟，故本系統(tǒng)采用模糊控制器來進行弧壓反饋部分的設計。
首先將每個脈沖以峰值為起點，以100μs為采樣周期進行采樣并計算平均電壓，并將得到的平均電壓與給定電壓值比較，從而得到電壓偏差與電壓偏差的變化率，然后根據(jù)焊工經(jīng)驗，設計模糊控制器，輸入量為電壓偏差和電壓偏差的變化率，經(jīng)過模糊推理和解模糊得到下一個脈沖的基值時間，將計算得到的基值時間送到電流波形控制部分以修改電流控制波形，從而調(diào)整熔化速度，使得脈沖的平均電壓與給定電壓相等。按此思想設計的弧長控制系統(tǒng)的框圖如圖5所示。
2.2.3 專家控制系統(tǒng)
專家系統(tǒng)是一種模擬人類專家解決特定領(lǐng)域問題的計算機程序系統(tǒng)。焊接專家系統(tǒng)內(nèi)部含有大量的焊接領(lǐng)域的專家水平的知識與經(jīng)驗，能按照焊接專家的知識解決焊接領(lǐng)域參數(shù)調(diào)整與配合問題。焊接專家系統(tǒng)屬于分析型專家系統(tǒng)，解決的是分類問題。通常對分類問題所進行的操作是解釋操作。解釋操作主要是識別操作。焊接專家系統(tǒng)中要識別出工況，根據(jù)輸入從專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中獲得相應的解，這個解可能不唯一，也可能是錯誤的，經(jīng)過推理機對解進行篩選，得到最優(yōu)的解。以下是具體的工作過程：
首先在焊機顯示面板上，由焊工選擇焊接條件，包括焊接材料、母材類型、母材牌號、母材厚度、焊絲直徑、保護氣體、送絲速度等。同時采取適當?shù)拇胧┦沟孟嗷ブg有關(guān)聯(lián)的條件不出現(xiàn)矛盾，并對輸入的條件進行合法性檢查。然后根據(jù)所選的焊接條件由專家系統(tǒng)經(jīng)過推理確定電流控制波形的參數(shù)。最后確定電弧控制部分的給定電壓。同時為了實現(xiàn)保存焊接規(guī)范，設計了知識獲取機。
專家系統(tǒng)框圖如圖6所示。
3 系統(tǒng)軟件設計
脈沖MIG逆變焊機是一個復雜的多處理器系統(tǒng)。其軟件設計包括主控板上MC56F8523DSC的程序設計、主控板MC9S12DP256單片機的焊接專家系統(tǒng)程序設計、送絲機上MC9S08GT60單片機的軟件設計、面板以及遙控盒上AT89C51單片機的軟件設計。
每個子系統(tǒng)的軟件都實現(xiàn)焊機的部分功能，各個子系統(tǒng)之間通過RS-485總線進行通訊，由MC9S12DP256進行調(diào)度。主控板上的DSC主要完成焊接過程的控制，包括電流閉環(huán)盒電壓閉環(huán)的控制。該系統(tǒng)軟件采用模塊化設計，使得程序結(jié)構(gòu)清晰，便于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)擴展。
本文給出焊接控制程序設計。該部分程序為系統(tǒng)的主要部分，直接控制焊機的動作。程序流程圖如圖7所示。
4 結(jié)語
本文較系統(tǒng)地介紹了基于DSC+MCU的MIG弧焊電源控制系統(tǒng)的設計，并提出了模糊控制在DSC上的實現(xiàn)。實踐證明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，有很好的性能指標，完成了設計系統(tǒng)的要求。