（控制理论与控制工程专业论文）多功能数字电焊机控制系统的研究与开发.pdf

硕士学位论文 中文摘要 摘要 针对目前国产电焊机控制电路复杂、可靠性和灵活性有待改善和 功能不全等问题，本文提出了一种新的可以满足直流m i g m a g 焊、 脉冲m i g m a g 焊、直流t i g 焊和脉冲1 1 g 焊、m m a 手焊等几乎涵 盖焊接全部功能的数字电焊机控制系统。 论文首先介绍了所开发的多功能数字逆变焊机控制系统的硬件结 构，并详细讨论了主单元电源控制电路、t i g 控制电路和m i g 控制 电路的设计要点和参数选择。然后简要的分析了m i g 控制单元和主 控制单元的软件的功能和设计方法，举例说明部分子程序的优化设计 思想和模块化设计，并列出了相应主程序和中断服务程序的流程图。 针对常用的s c r - - m 送丝系统存在调节范围窄、线性度差、响应速 度慢等缺点，本文提出了基于模糊p i d 控制的送丝机p w m 双闭环调 速系统，并对送丝机进行了数学建模和仿真。另外，利用软硬件相结 合的方式有效的抑制了各种形式的电磁干扰。 计算机仿真和现场试验分析表明：整个数字电焊机控制系统设计 合理、功能齐全，焊接成形美观、性能优良、效率高，能够很好的满 足多功能和焊接工艺的要求。 关键字多功能，数字电焊机，送丝机，模糊p i d 亟学位论文 英文摘要 a sm a n yc h i n e s ee l e c t r i cw e l d i n gm a c h i n e sh a v et h ed i s a d v a n t a g e s o fc o m p l e xc o n t r o lc i r c u i t s ，d e f e c t i v er e l i a b i l i t ya n df l e x i b i l i t ya n d i n s u f f i e i e n tf u n c t i o n , ak i n do fn e wm u l t i f u n c t i o n a ld i g i t a li n v e r s i o n e l e c t r i cw e l d i n gm a c h i n ew h i c hc a np e r f o r mc o m l n o nm m aw e l d i n g , d i r e c tc u r r e n to ri m p u l s ec 0 2 m i g m a gw e l d i n g ，d i r e c tc u r r e n to r i m p u l s et i gw e l d i n gi sp r o p o s e d t h eh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n so f t h em u l t i f u n c t i o n a ld i g i t a li n v e r s i o n w e l d i n gm a c h i n ea r ef i r s t l yi n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h ed e s i g ne s s e n t i a l s a n dt h ep a r a m e t e rc h o i c e so fp o w e rc o n t r o lc e l lc i r c u i t s ，t h et i ge o n l a v l c e l lc i r c u i t sa n dt h em i gc o n t r o lc e l lc i r c u i t sa l ea l s od i s c u s s e d t h e nt h e f u n c t i o no fs o f h v a r ea n dt h em e a l k go f gc o n t r o lc e l ld e s i g na n dm a i n c o n t r o lc e l ld e s i g na r eb r i e f l ya n a l y z e d t h ec o r r e s p o n d i n gf l o wc h a r t so f m a i np r o g r a m sa n di n t e r r u p ts e r v i n gp r o g r a m sa r ea l s ob es h o w e d i n o r d e rt oo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e so f n a r r o wa d j u s t m e n tt a l l g ea n db a d l i n e a r i t ya n dc o m p a r a t i v es l o wr e s p o l x , a k i n do f w i r e f e e d e rp w m t w o c l o s e l o o ps p e e da d j u s t m e n ts y s t e mw h i c hb a s e do nf u z z yp i di s p r o p o s e d 1 1 1 em a t h e m a t i cm o d e la n dt h es i m u l a t i o n o fw i r e - f e e d m a c h i n ea r ea l s op e r f o r m e dt os h o wi t sg o o dc o n t r o lr e s u l t s a l ls o r t so f d i s t u r b a n c e sa l e e f f e c t i v e l y e l i m i n a t e dt h r o u g ht h em e a l l qo ft h e c o m b i n a t i o no f h a r d w a r ea n ds o f t w a r em e a s u r e s c o m p u t e rs i m u l a t i o n sa n df i e l de x p e r i m e n t sh a v es h o w e dt h a tt h e w h o l e w e l d i n g m a c h i n ec o n t r o l s y s t e m i sw e l l d e s i g n e d a n d m u l t i f u n c t i o n a l i th a sg o o dp e r f o r m a n c ea n dh i g he f f i c i e n c yi nw e l d i n g p r o c e s s ，t h u s t h em u l t i f u n e t i o na n dt h e r e q u i r e m e n t s o f w e l d i n g t e c h n i q u e sc a nb ew e l ls a t i s f i e d k e yw o r d s ： m u l t i f u n e t i o n , d i g i t a le l e c t r i cw e l d i n gm a c h i n e ， w j r e - f e e d e r ，f u z z yp i d n 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：囱塞墨主日期：塑五年垂月堕日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 警 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 焊机素有工业缝纫机之称，在工业发达国家每年生产的焊接结构约占其钢产 量的5 0 以上，我国约占3 0 ，而且“以焊代铆”、。以焊代锻”、“以焊代铸”的 焊接领域不断拓宽，焊机的技术进步有着举足轻重的作用o q 翻翻。 电力电子技术的高速发展，促进了器件、电路及其控制技术向着集成化、高 频化、全控化、电路弱电化，控制技术数字化的方向发展1 4 】电力电子技术的发 展也促进了逆变技术的发展。在焊接电源方面，由于逆变技术的应用，使电焊机 具有节能、轻巧、性能更优、控制更灵活的特点采用逆变技术的装置称为逆变 器，而用于电焊弧的逆变器则称为弧焊逆变器弧焊逆变器的基本原理可描述为： 三相5 0 h z 的交流网络电压先经输入整流器和滤波器，经过大功率开关电子元件 的交替开关作用，变成几百赫兹到几千赫兹的高频电压，经高频变压器降至适合 焊接的电压，再用输出整流器整流并经电抗滤波，则可将中频交流变成直流输出 在弧焊逆变器中可采用如下两种模式：“a c d c a c ”或“a c - - d c - - a c d c ”根 据不同的弧焊工艺要求，通过电子控制电路和电弧电压、电流反馈，就可以获得 不同的输出特性【5 】。逆变电源运用先进的功率电子器件和高频逆变技术，比传统 的工频整流电源材料减少8 0 n 9 0 0 * ，节能2 0 3 0 ，动态反应速度提高2 3 个数量级【6 】 另外，利用微机对制造焊接和切割电源的设计与控制也成为发展的必然趋 势，特别是在先进的逆变式焊接电源与切割电源上，以微机控制为核心已经形成 焊接与切割电源的发展主流1 7 1 微机控制的焊接电源有很多优点，一般的逆变弧 焊电源的控制电路都是以集成电路为主的模拟控制技术，存在硬件电路复杂，安 装维修困难，功能开发受到限制等问题，而采用微机控制的逆变弧焊电源则可以 消除传统电子线路的不足，硬件电路设计简单，软件设计灵活，随着单片机及其 相关技术的发展，在单片机上实现在线编程与升级已经成为可能，这样就可以很 方便的对原有程序加以修改和更新，以适应不同焊接工艺的要求，增加了焊接的 柔性与适应性 随着技术进步，新型材料不断涌现，并在焊接结构中大量采用，这对焊机 和焊接工艺提出了更高要求，光靠性能优良的直流手工电弧焊难以解决问题，需 要手工电弧焊、氩弧焊、脉冲氩弧焊、熔化极气体保护焊、脉冲熔化极气体保护 焊等多种焊接方式的结合，对焊机提出了多功能要求 硕士学位论文第一章绪论 1 2 国外电焊机的发展现状 国外的逆变式焊机发展很快，主要表现在焊机电源类型的更新换代， 焊接工艺参数的微机实时控制和引弧方法的不断改进和完善嘲工业发 达国家的逆变式焊机多采用2 0 k h z 以上的i g b t 脉宽调制逆变电源，其 控制速度比普通电源提高了1 3 0 倍以上，其引弧性能、电弧稳定性、电 流波形控制性能大大提高，焊接电流比较稳定，且脉动系数小，并可在 很宽的电流范围内无级调节 9 1 同时，通过软件灵活改变电源外特性，拓宽 焊接功能，实现一机多用p 0 1 此外，先进的工频高压脉冲引弧和提升接触引弧 己取代高频辐射严重的高频高压引弧n 国外多功能数字电焊机的研究和开发也有了近2 0 年的历史，1 9 9 2 年芬兰 k e m p p i 公司推出的m a s t e r t i g 系列逆变式多功能焊机，它可以实现姗a t i g 和 脉冲t i g 焊，具有标准脉冲功能，可调的前气和后气时间，电流下降斜坡控制， 带有高压脉冲接触引弧方式和2 4 节拍操作，焊接参数和焊接过程由微处理器 控制。随后瑞典e s a b 公司1 9 9 5 年推出了a r i s t o t i g 系列逆交式多功能焊机，具 有手工焊、氩弧焊和脉冲氩弧焊功能，提供八种焊接参数的调节，可选择高频或 提升引弧，2 4 节拍操作并且可储存4 组焊接参数a r i s t o t i g 系列采用微处理 器控制，控制面板采用触摸式按钮，带有电流、电压的数字显示，是一款数字化 程度很高的多功能焊机美国m i l l e r 公司1 9 9 6 年推出的x m t 3 0 4c c c v 系列电 焊机，第一次采用了组合式设计，其焊接电源是x 婀3 0 4c c c v ，附件单元包括 0 p t i m a 3 0 4 ，i n t e l l i t i g4 等，当x w r 3 0 4c c c v 电源与o p t i 姒3 0 4 组合时，可 实现g i g 和脉冲m i g 焊0 p t i m a 3 0 4 采用微处理器控制，当采用脉冲g i g 焊接方 式时，可提供焊接参数的手工或一元化调节与i n t e l l i t i g4 组合，可实现手 工电弧焊、氩弧焊和脉冲氩弧焊，提供高频引弧，气体时间，脉冲周期和占空比， 电流衰减斜率等参数的调节，并带有电流和电压的数字显示芬兰k e m p p i 公司 1 9 9 7 年推出p r o 系列，可以说是组合式全功能焊机比较典型的代表，该系列以 k e m p p ip r o 电源为核心，另外设计有p r o m i g 单元和p r o t i g 单元。并且为每一 个单元提供了多款控制面板，用户可根据要求进行搭配p r o 系列通过单元的组 合以及控制面板的搭配，可以实现手工焊，m i g 傩g 焊，脉冲m i g i a g 焊，t i g 焊，脉冲t i g 焊p r o 系列采用1 6 位单片机控制，智能化程度较高，可以实现 参数的数字输入，实现一元化的m i g 焊控制，可储存多达l o 套的焊接参数，并 且具有自学习功能，除了p r o 电源，p r o m i g 和p r o t i g 单元模块外，p r o 系列还 带有包括送丝机，水冷却箱在内的丰富附件，构成了一个功能强大的焊接系统m 近几年来，国外电焊机的发展正朝着智能化的方向发展，焊接工艺参数的 微机实时智能控制是国外逆变焊机发展的主要标志，它可引入自适应控制、模糊 2 硕士学位论文第一章绪论 控制，专家控制和神经网络控制等现代控制方法，实现焊接参数的优化控制“” 1 3 国内电焊机的发展现状 我国焊机多数仍是晶闸管整流电源，响应速度慢，控制性能差，难以解决 c 0 2 气保焊熔滴短路过渡中普遍存在的飞溅大、焊缝成型不好和一次引弧成功率 低等问题致使优质、高效、低成本的c 0 2 气保焊不能快速大量的推广使用， 目前仅占焊接总量的2 0 左右，与国外发达国家高达8 0 的比例有很大差距【1 3 l ， 在逆变式多功能焊机方面，虽然有了一定发展，但多数是将对逆变器外特性要求 相似的几种焊接功能组合在一起，通过面板上焊接功能选择开关的切换，在一台 整机上实现多种焊接功能，如m m a 焊、t i g 焊和脉冲t i g 焊“习而且控制电路多 采用模拟电子电路，控制元件多，电路复杂，安装维修困难，控制灵活性差，功 能开发收到限制，难以适应复杂焊接工艺的控制要求n ” 近几年来国内出现了不少基于单片微机控制的数字电焊机的研制报告，一些 高校和研究所对单片机控制的多功能数字电焊机开展了广泛的研究和开发，但大 多数功能不全，而且没有很好的解决c 0 2 焊时普遍存在的飞溅大，成形不好的问 趔嘲渊“”在引弧方式上大多采用接触提升引弧和高频引弧，而高频引弧对单片 机系统的干扰问题尚未解决，只留在实验室研究阶段或者待进一步的试验检验 t 1 6 国内熔化极气体保护焊送丝一般采用s c r m 系统，由于s c r 的控制周期长， 造成系统的响应速度慢，当电网电压在较大范围内波动时，补偿能力较差，从而 影响送丝的稳定性，造成焊接规范波动，从而影响焊接质量。另外，这种送丝系 统难以兼顾粗丝和细丝，限制了电流的调节范围，相应的也就使得焊机的适应性 受到限制“”嗍，最近几年随着微电子技术的发展，部分电焊机的送丝采用了p 喇 一m 调速系统，利用单片机产生的p 嘲来驱动送丝机，通过调节p w m 的占空比来 调节送丝速度，使送丝的平稳性得到进一步提高，但送丝机的闭环控制回路仍然 通过模拟电路来实现，控制精度和快速性有待进一步改进“帕乜” 在产品构成上，一般通用型焊机供过于求，而高可靠性，多功能的自动、半 自动焊机和专用成套焊机市场需求增长快，大部分仍需要进口。据不完全统计， 2 0 0 0 - - 2 0 0 2 年我国进口焊接设备总额分别达2 3 6 亿美元、3 1 8 亿美元和4 8 3 亿美元，分别增长了3 4 7 和5 1 8 嘲因此开发出高可靠性、数字化、多用 途的多功能数字化逆变电焊机成为必要 3 硕士学位论文 第一章绪论 1 4 课题的研究内容及意义 1 4 1 研究内容 在国家科委专项基金的资助下，我们瞄准焊接的这一发展趋势，通过与矿山 研究院的横向合作，利用较为成熟的逆变技术和微机技术，并引入智能控制技术， 研制开发多功能数字逆变电焊机焊机。目前，多功能焊机主要有两种形式，一种 是将对逆变电源外特性要求相似的几种焊接方式组合在一起，通过控制面板上的 焊接方式选择开关进行切换，在一台整机中实现多种焊接功能。第二种是采用积 木式的组合方式，以一台逆变焊接电源为核心，将不同的焊接功能做成不同的控 制单元，通过控制单元与焊接电源的组合，实现多种焊接功能我们为了节约资 源，充分利用这两种方式的优点，通过开关切换和组合方式设计出了多功能数字 电焊机该焊机是融单片机数字控制技术、人工智能、i g b t 脉宽调制逆变技术、 电磁兼容性技术和机电一体化于一体的全功能焊机，它由8 0 c 1 9 6 k c 单片机控制 的i g b t 逆变式焊接电源与t i g 结合单元和8 0 c 1 9 6 k c 单片机控制的m 【g 控制 单元积木式组成。 其研究内容如下： 研究多功能i g b t 逆变焊接电源及其数字控制系统，通过软件生成多种复 合外特性，以满足各种焊接功能要求 研究机电一体化的m i g 焊数字控制系统 基于模糊p i d 的智能送丝控制系统。 研究n e 佣g 硼型氩弧焊装置及其数字控制系统 研究焊接电源主机与送丝机和t i g 焊装置的分机之间的通信系统。 试制n e o - 4 0 0 型数字控制全功能逆变焊机，并完成工业试验。 1 4 2 研究意义 逆变式气体保护焊机的市场目前基本被进口和合资企业生产的焊机所占领 数字控制的逆变式全功能焊机的研制就可以打破这一垄断，替代进口，满足国内 的短缺，并为民族焊机工业的发展做出贡献，焊机具有功能全、性能优异、适应 性强、操作性好和便于技术升级等优点，为各种焊接工艺和每位焊工提供了一种 最有效的焊接设备，只要通过主机和各功能单元的快速组合就可以使每种焊接工 艺获得最佳的焊接效果。因此，它可广泛地应用于机械、电力、石油、化工、冶 金、有色，汽车造船、航空、建筑、轻工、食品等各工业部门，市场容量很大 该项目涉及单片机数字控制技术、人工智能、i g b t 脉宽调制的逆变技术、 硕士学位论文第一章绪论 电磁兼容性技术和机电一体化，技术内容比较复杂，技术含量高，只要结合我们 现有成果，经过软件移植和可行性处理，再加上软件加密，由此研制出来的产品 难以仿制和识别，在一定时间内技术上有独占性本项目研制成功后，即可形成 大批量生产，这将对本地区的经济发展产生积极的推动作用同时，也将促进我 国焊机的技术进步，增强我国加入w t o 后与国外焊机厂商的竞争力，确保民族 焊机工业的地位。特别是气体保护焊机的更新换代，这将推动我国气体保护焊机 占有量的迅速增加，引发焊接行业的又一次技术革命，带动整个机械制造业的发 展 1 5 论文结构 本文分六章，各章的内容结构如下： 第一章介绍了本课题的研究背景和国内外电焊机的发展现状，结合当前国内 电焊机存在的问题，阐明了研究多功能数字电焊机控制系统的研究内容和研究意 义。最后概括了论文结构，对全文起到提纲挈领的作用。 第二章主要分析了所开发的多功能数字电焊机的电气硬件系统，包括主单元 全桥逆变式i g b t 焊机电源主电路，主单元控制电路和m i g 单元控制电路的设计 和相应功能的实现，并讨论了焊机在硬件设计中所采取的抗干扰措施 第三章针对目前国内送丝系统仍采用电压负反馈的单闭环系统而存在送丝 精度不高，动特性差的缺点，设计并分析了一种基于模糊p i d 控制的双闭环p 蹦 送丝机调速系统，建立了送丝机的数学模型，对电流内环和电压外环进行了分析， 并进行了仿真和试验分析 第四章主要分析了数字电焊机主控制单元和m i g 控制单元的软件功能，及其 程序实现，给出了相应功能模块的程序流程图。并在软件方面对系统进行了抗干 扰设计和优化 ， 第五章给出了本项目研究开发的成果及其性能指标，并现场调试和分析了多 功能数字电焊机控制系统工作的可行性，给出了相应测试数据和焊缝成型图。 第六章简述了论文主要研究和开发的内容，并对全文进行了总结 硕士学位论文第二章多功能数字电焊机电气控制系统硬件 第二章多功能数字电焊机电气控制系统硬件 2 1 总体结构 多功能数字逆变电焊机采用组合式进行设计，总体设计框图如图2 - - 1 所示， 整个硬件系统由8 0 c 1 9 6 k c 单片机控制的主单元和8 0 c 1 9 6 k c 单片机控制的m i g 单元组成。其中主单元主要包括主电源控制系统和t i g 控制系统，m i g 单元主要 包括送丝系统、m i g 控制系统和保护气供气系统其工作电压通过主单元电源系 统提供，两个单元的参数匹配和协调工作通过通信电缆的数据交换来完成。 图2 一l 多功能数字电焊机总体设计分体式框图 2 ，2 主单元硬件系统 主单元硬件系统框图如图2 - - 2 所示系统以8 0 c 1 9 6 k c 单片机 为核心，它由电源主电路和控制电路两部分组成 2 2 1 焊接电源主电路 焊接电源主电路是焊机中非常关键的部分，设计的好坏直接影响到电焊机控 制系统工组的稳定性和各种输出特性的实现。主电路包括输入整流器、滤波器、 i g b t 逆变器、中频变压器、输出整流器和滤波器。三相3 8 0 v ( 或者单相2 2 0 v ) 交流电源经过输入整流器和电容滤波器后变成5 4 0 v 左右的( 或者2 2 0 v ) 直流， 然后经i g b t 组成的半桥逆变器变成2 0 k h z 的脉冲占空比可调的中频交流电压 由于中频交流电压的幅值比较高，因此必须采用中频降压变压器把它降到焊接 6 硕士学位论文第二章多功能数字电焊机电气控制系统硬件 图2 2 主单元硬件电路框图 所要求的焊接电压该电压再经输出整流器和滤波电抗器滤波后变成直流电压 单片机通过i 0 接口电路检测到当前的焊接电流和焊接电压，经过p i 调节来控 制i g b t 逆变器的输出脉冲宽度，构成闭环控制，使焊接电流或焊接电压可调， 实现电源的恒流、恒压和脉冲输出特性 1 ) 功率开关器件 弧焊逆变器是逆变式多功能焊机的核心根据逆变器所采用的功率开关器 件不同可分为：晶闸管逆交器，场效应管逆变器、大功率晶体管逆变器和绝缘门 极双极晶体管( i g b t ) 逆变器等如表2 - - 1 所示在逆变焊接电源中，对功率 半导体器件有如下基本要求： a ) 耐电压值高； b ) 开关速度低： c ) 动态特性d i d t 及d r d r 耐量要高； d ) 酎冲击电流大，可靠工作范围大； e ) 热稳定性好 基于以上的考虑，应该优先选用全控器件，g t r 开关速度较低，对d i d t 有 7 硕士学位论文 第二章多功能数字电焊机电气控制系统硬件 影响，而且是电流驱动方式，驱动功率较大，还存在二次击穿问题；功率m o s f l 盯 有较好的高速控制性能，然而容量小，难以实现大电流，主要应用于小型和轻型 表2 一i 大功率半导体开关器件性能比较嘲 器件名称 g t p , g t oi g b t v 璐f o ss i ts i t h 控制方式电流电流电压 电压电压电压 常态阻断阻断阻断阻断导通关断导通关断 反向电压5 0 v5 0 0 2 0 0 - 5 0 _ 5 0 1 5 0 0 v5 0 0 4 5 0 0 v 阻断能力 6 5 0 0 v2 5 0 0 y1 0 0 0 v 正向电压 1 0 0 5 0 0一2 0 0 _ 5 0 一 5 0 一1 5 0 0 v5 0 0 4 5 0 0 v 阻断能力 1 4 0 0 v 9 0 0 0 v2 5 0 0 v1 0 0 0 v 正向电流4 0 03 5 0 04 0 0 _ 1 0 0 2 0 02 2 0 0 范围( a ) ， 1 0 0 01 2 0 0 导通电流 3 04 06 063 0 1 0 0 5 0 0 密度 ( a ，2 浪涌电流3 倍额定1 0 倍顿5 倍额定5 倍额定 5 倍额定值l o 倍顿定位 耐量值定值0 1 值 最大开关5 01 05 02 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0l o o 速度( k h z ) 门板驱动高 中等很砥低低中等 功耗 d u d t 中等低高 高高高 d i d t 中等 低 高高南高 最高工作 1 5 01 2 5 2 0 02 0 02 0 02 0 0 结汪 抗辐射能差很差 中等中等 好好 力 使用堆易较难 赡 中等 很容易客易容易 程度 设备中；i g b t 是m o s f e t 与双极晶体管的复合器件，它兼有m o s f e t 易驱动 和功率晶体管电压，电流容量大的优点，其频率特性介予m o s f e t 与功率晶体 管之间，可正常工作于几十千赫兹频率范围内，在较高频率的大中功率应用中占 据了主导地位洲并且i g b t 电压驱动、开通和关断容易，开关速度快，单个器 件的载流容量大，电流密度高，开关和通态时功耗小，饱和压降低，安全工作区 宽，无二次击穿现象嘲嘶1 ，另外，输入阻抗高，驱动电路功率小且简单，是目前 较为理想的功率开关器件，所以功率开关器件选用i g b t 。 2 ) 逆变器主电路方案 弧焊逆变器电路结构有推挽、全桥、半桥、单端和双端等几种形式如表2 ， - - 2 所示 毫 硕士学位论文第二章多功能数字电焊机电气控制系统硬件 表2 2 逆变电路的比较嘲 参数 电路 推挽式套桥式半桥式单囊武 功率开关管集射板闯花稳态为2 e ，霸穗态为b - 二稳态为b ，二极 截至期二极 加电压 感引起的尖锋枉量藉住管箝 往管箝住 k ， 2 ek s e v 。一ev 。一= e 相同功率时集电极电流 i c i c2 1 c2 i c 功率开关管教量 2 422 输出滤交电客数量 1l2l 宣获得的输出客量大大 中等 中小 由表可知，推挽式电路中由于漏感引起的电压尖锋v 。是其他方式的两倍 以上，给电路设计带来困难，并对开关管的耐压提出了更高的要求，而半桥式电 路路结构的开关管的受压比推挽式的低，与全桥式的相比，开关管的数量少，电 路简单，成本低，抗不平衡能力强，工作可靠另外，驱动电路也比较简单，变 压器利用率好经综合比较选用串联半桥式逆变电路 3 ) 弧焊工艺参数 弧焊工艺参数最主要的是焊接电流和焊接电压，它们通过弧焊逆变器的外特 性进行调节。适合手工电弧焊、直流t i g 焊的是垂降特性，而适合直流m l g 焊、 c 0 2 焊的外特性是平特性而脉冲1 r i g 焊和m i g 焊的的外特性是脉冲输出特性 调节弧焊逆变器外特性的方法有三种： 定频率调脉宽( p w m ) ，逆变器的工作频率不变，通过改变逆变器输出脉 冲的宽度来调节焊接电流，脉冲宽度越大，焊接电流越大； 定脉宽调频率( p 蹦) ，逆变器的输出脉冲宽度不变，通过改变逆变器的 工作频率来调节焊接电流，频率越高，焊接电流越大； 混合调节，调频率和调脉宽相结合 定脉宽调频率方法适用于逆变器工作频率不高的场合，多数用于晶闸管逆变 弧焊机。而定频率调脉宽方法适合于工作频率较高的场合，我们设计的i g b t 逆 变式多功能焊机工作频率高达2 0 k h z ，因此采用定频率调脉宽( p 删) 的方法 4 ) 输入整流器 输入整流器用来将电网5 0 1 i z 的交流电整流成直流电。对于单相2 2 0 v 和三 相3 8 0 v 交流电，分别采用单相桥式和三相桥式整流模块对于器件的电压等限， 考虑瞬时过电压的冲击，国内电网最大的波动范围为2 0 和逆变弧焊电源本身 不是一个纯阻性负载因素。器件的电压安全系数一般为2 5 3 倍嗍因此对 9 硕士学位论文 第二章多功能数字电焊机电气控制系统硬件 于三相3 8 0 v 交流输入电压，三相整流桥式模块的电压等级为1 2 0 0 v ，对于单相 2 2 0 v 交流输入电压，单相整流桥式模块的电压等级为8 0 0 v ，器件的平均输出电 流，一般要有1 5 2 倍的安全系数，除此以外，还要考虑接通电源时滤波电容器 充电的冲击电流，即1 2t 是否合适 5 ) 输入滤波器 输入滤波器用来将整流后的脉动直流进行平滑滤波，对于半桥式逆变电路， 采用l c 滤波器，其中l 是不易饱和的铁芯电抗器，兼作滤波电容充电电流的限 流电感。电容器的选择主要考虑焊机供电电源的类别：对于单相2 2 0 v 交流电供 电的焊机，由于单相整流后的脉动纹波系数比较大，需要滤波电容的容量比较大， 因此滤波电容选用2 2 0 0 i l ，的电解电容器。此外，在选择电解电容时，首先要 考虑足够耐压，其工作电压至少4 0 0 v d c ；其次要有足够的许用脉动系数，该系 数与工作温度和工作频率有关；第三要有承受瞬时冲击电流的能力；第四，电容 器损耗正切角要小，漏电流要小对于三相3 8 0 v 交流供电焊机，由于全波整流 后的脉动纹波系数较小，所以，滤波电容器电容量的选择主要考虑消除主路可能 出现的自激振荡伽，为此选用2 只3 0 l l1 4 5 0 v c 聚丙烯电容器并联，因聚丙烯 电容器具有频率特性好，等效串联电阻低，损耗小，允许电流大和体积小等优点 6 ) 中频变压器 中频变压器工作在2 0 k h z 或更高的频率，传递的是矩形交替脉冲波，其主 要作用是电压变换( 降压) 、功率传递和实现输入、输出之间的隔离由于它与 较为脆弱的器件一功率开关管直接相连，且施加较高的输入电压，因此它的性能 好坏就不只是涉及变压器本身的效率，发热，而且将决定整个电源的技术性能， 甚至会导致功率开关管的损坏因此在磁芯材料，尺寸。绕组匝数，集肤效应等 方面要自习考虑。 磁芯材料 由于中频变压器的工作频率高达2 0 k h z ，它要求磁性材料高频损耗小此外， 还要求饱和磁通密度高，随工作温度升高，饱和磁密度的降低尽量小在逆变焊 接电源中，目前使用的磁芯材料主要有薄硅钢片、铁氧体和非晶态合金三种在 这三种材料中，铁氧体具有良好的频率特性，特别是它的电阻率非常大，一般为 1 0 2 1 0 9 q c m ，因此具有非常小的高频铁损。与非晶态合金相比，其价格便宜 为此铁芯材料选用铁氧体r 。 磁芯尺寸 硕士学位论文第二章多功能数字电焊机电气控制系统硬件 要使磁芯不饱和，且在允许的铁耗条件下工作，磁芯的体积必须能够储最大 s 彳；芸笋告( 2 2 向占。醒 7 能量，因此，磁芯的大小主要与传输功率有关。 磁芯的大小由下式决定： 公式( 2 一1 ) 中各个参数的含义如下： s 磁芯的截面积( 哪2 ) ；a - - 磁芯的窗口面积( m 一) ： ，工作频率( i z ) ；8 绕组的电流密度； 占。最大磁感应强度( ? ) ，通常取磁饱和密度b s 的6 0 ； x 。窗口绕组的填充系数； b 变压器的视在功率( v a ) 磁芯的结构选择u 型磁芯，因为u 型磁芯窗口面积大，便于原副侧绕组的布 置，而且原副侧绕组之间耦合好，散热条件也优于e 型磁芯，但线圈绕制稍困难 些。根据上式算得的s 彳值，选择合适的u 型系列铁氧体磁芯 变压器原副侧绕组匝数的计算 作用在中频变压器上的是逆变器输出的2 0 k h z 交流方波，因此，适用于正 弦波的常用变压器计算方法不适用于此种情况根据电磁感应定律，可得出变压 器原侧绕组匝数n 。的计算公式： = l 1 0 ( 2 2 ) 4 占。鲈 式中巧输入电压，对于半桥式逆变电路，巧= 1 2 ( c 为三相整流滤 波后电压，c s 0 0 v ) ； ，逆交器的工作频率( - z ) ； 口。最大磁感应强度( t ) ，通常取磁饱和密度b s 的6 0 ； s 一磁芯的截面积( 硎2 ) 变压器副侧绕组匝数2 由下式计算： n 2 = l 争 (2-3) 式中匕一焊机在额定电流下的最大输出电压。 集肤效应的考虑 集肤效应是指导线中通过交变电流时，导致导线的有效截面积减少、实际电 阻增加的这一现象交变频率越高，这种效应就越明显常用穿透深度a 来表征 集肤效应的作用程度，它表示交变电流沿导线表面开始能达到的径向深度a 随 硕士学位论文第二章多功能数字电焊机电气控制系统硬件 电流的交变频率j r ，导线的导磁率以及导电率，的不同而异，有下述关系： 其中：口r = 2 矿显然由于集肤效应的存在，变压器一二次绕组线径应该小于 两倍穿透深度，当导线要求的截面大于由穿透深度决定的最大有效直径时。采用 = 压 q 叫 小直径的多股导线并绕。 7 ) 输出整流器 输出整流器用来将中频变压器输出的2 0 k i i z 方波电压整流成脉动直流电压， 整流电路一般采用中心抽头全波整流方式由于整流电压频率比较高，所以整流 二极管选用大功率超快恢复二极管，其反向恢复时间为纳秒级 8 ) 输出滤波器 输出滤波器用来对整、流后的脉动直流电流进行滤波，以保证最小焊接电流 连续，满足直流弧焊工艺要求，输出滤波器一般选用滤波电抗器，设计时要注意 铁芯是单向磁化的，磁通变化量b 较小，为了保证有足够的电感值，铁心的截 面积和几何尺寸要留有余地另外，滤波电抗器要流过很大的焊接电流，因此要 留有足够的风道，保证充分散热。 2 2 2 主单元控制电路 控制电路用来控制弧焊逆变器的工作，使焊机输出外特性满足焊接要它主 要包括焊接电流和电压检测、驱动电路、与m i g 控制装置的通信、引弧控制、焊 接参数预置和显示等部分组成。下面给出了相应电路的设计和实现 1 ) 焊接电压和焊接电流的检测 焊接电压采用c h v - - 2 5 p 型霍尔电压传感器检测，其最大量程为5 0 0 v ，输出 电流为2 5 m a ，线形度为0 2 ，采用士1 5 v 供电；电流采用c h b - - 5 0 0 s 型霍尔传感 器检测，其额定电流为5 0 0 a ，输出电流1 0 0 m a ，响应时间小于l 伊，也采用1 5 v 供电霍尔电压传感器输出的微小电流信号经过i 厂v 转换成所需电压信号后直接 送入单片机a c h 2 进行a d 转换，霍尔电流传感器输出的微小电流信号也经过i 1 ， 转换成所需电压信号，然后经过运算放大器放大缓冲后送入8 0 c 1 9 6 k c a c h l 进行 a d 转换 以上采集与调理电路中在模拟输入端加上r c 阻容电路，可以起到低通滤波 的作用，减轻噪音的影响。由于反馈采样反馈电路是单片机控制系统的前向通道， 也是干扰可能的输入通道，必须采取有效的干扰措施，除了采取r c 阻容电路降 低噪声影响外，还采用屏蔽线传输采样信号，在p c b 布局上把模拟地和数字地分 开等措施 硕士学位论文 第二章多功能数字电焊机电气控制系统硬件 2 ) 驱动电路 驱动电路的作用是将控制电路的p 嘲脉冲放大到足以驱动开关功率管，同 时，实现电位隔离由于驱动电路的性能直接影响i g b t 的开关特性。所以在驱 动电路的设计中，采用前后沿很陡的p 州沟道场效应管推挽驱动电路，保证i g b t 快速开通和关断，减少开关损耗，使i g b t 工作在安全区内另外，优化匹配i g b t 门极驱动电阻，既加快开关速度，减少开关损耗，又把d v d t 限制在允许的范围 之内。 3 ) 保护电路 要保证电焊机焊机安全可靠地运行，完备的保护电路是必不可少的。为此 设计了欠压保护电路、过热保护电路和过流保护电路欠电压保护电路主要用来 防止焊机在欠电压状态下工作，电路一旦检测到电压小于3 6 0 v ( 三相) 或者2 0 0 v ( 单相) ，就利用程序指令控制p 嘲来关断i g b t 逆变器，焊机停止工作过热检 测传感器用来检测焊机因过载运行而发生过热。一旦焊机温度超过预定的限制 值，过载高呼动作，自动截止焊接电流或者焊接电压的输出，从而避免焊机因长 期过载而损坏一旦焊机在冷却风扇冷却下温度降到允许值。则过载保护电路释 放，焊机自动恢复正常工作状态。短路检测电路用来检测逆变器的内部短路故障， 一旦逆变器发生内部短路故障，短路检测电路就指令短路保护电路在几个微秒内 关断逆变器工作，以防i g b t 元件烧坏短路保护的截止功能不能自动恢复，知 道内部短路故障排除后重新接通焊接电源时才能恢复 4 ) 参数预制与显示 主单元需要给定的参数较多，包括基值电流、峰值电流、脉冲频率、脉冲占 空比、前气调节、后气调节、焊接电流等。显示包括焊接电流和焊接电压的数码 图2 3 主单元操作面板实物图 管显示和电源、过载、t i g 三个指示灯其操作面板如图2 - 3 所示，通常情况下， 焊机的给定是通过电位器标定的方法实现人机对话，这种方法比较麻烦，而且存 硕士学位论文第= 章多功能数字电焊机电气控制系统硬件 在较大的误差对此，在程序设计时进行了改进，现在程序存储器中存储一套常 规规范的参数，要调整部分或者全都参数时，只在常规参数的基础上增减，通过 数码管实现人机对话，将给定指直接显示出来，这样既省去了标定的麻烦，又提 高了给定值的精度 2 3 _ i g 单元硬件系统 逆变式多功能焊机m i g 单元硬件系统原理框图如图2 - 4 所示，它以8 0 c 1 9 6 k c 单片机为控制核心，包括主要输入信号采集与处理，送丝速度、焊接电流和焊接 电压的显示，电焊机送丝系统，供气系统。与主单元的通信接口电路等几部分组 成。 图2 4 数字电焊机g i r l 单元硬件设计框图 2 3 1 输入信号的采集与处理 m i g 控制单元的输入信号主要分为两大类，模拟调节量信号和模拟开关量 信号，模拟调节量信号用p o 3 通过7 4 h c 4 0 5 1 模拟开关进行检测，包括送丝速 度的给定，弧电压给定、动特性调节、电缆长度补偿等模拟开关量检测的电路 如图2 - - 5 所示单片机的p 1 6 和p 1 7 口分别控制分别控制7 4 h c l 6 6 芯片的串 并输入输出控制信号s 几和时钟脉冲信号i n h ，单片机p 2 4 端口通过两个移位 寄存器7 4 h c l 6 6 移位得至n 的开关量数据，这些开关量包括：控制方式( 近控遥 控或焊枪控制) 选择、焊接材料( f e l s s ) 选择、焊接直径 ( 0 8 m m 1 o 皿1 2 咖) 选择、焊接模式( p u l s e m i g l 叫i g ) 选择、焊接方法( 谰峨2 节拍4 节拍) 选择等 1 4 硕士学位论文第二章多功能数字电焊机电气控制系统硬件 图2 5 焊接参数开关量检测电路、 这些开关量随着脉冲信号被一位位的存储在字寄存器中，单片机通过判断信号不 同位电平的高低状态就可以获得当前焊接参数的调节状态。 送丝机的速度是通过高速输入口h s i 0 来检测的，铡速原理图如图2 - - 6 培i o c 弧一t i 地 p r e t i 地 方波 f 。 图2 6 利用h i s t i m e 记录方波时间 图2 7 测速原理国 所示，接至h i s 0 端的是一个频率与送丝机速度成正比的方波，再根据l i s i j i 脏 寄存器记录的每次正跳变的时间算出方波的周期时间，计时如图2 7 所示，再 根据周期计算出送丝机的送丝速度。 2 3 2 送丝机驱动电路 本文设计的m o s f e t 型高频开关送丝系统，开关频率为i i o k z ，由8 0 c 1 9 6 k c 单片机p 2 5 p w m 输出口直接驱动，送丝机采用双闭环控制，电流内环采用p i 控 制，转速外环采用数字智能控制，不仅提高了送丝平稳度、还大大提高了控制精 度和灵活性( 将在第四章详细描述) 。其原理图如图2 - - 8 所示，其中送丝机选取 的d z s 7 0 = i a 型送丝机，工作电压为2 4 v ，功率为8 3 w ，送丝速度为3 - - 2 5 m m i n 电枢电压信号、电枢电流信号送入c p u 的a d 转换口i d ) 0 和a d i ，转速给 定信号由c p u 从面板上的调节电位器经a d 3 读取。电枢电压反馈信号，与转速 给定电压信号相比较，通过模糊p i d 算法，实现电压的闭环调节控制量从p 2 5 口输出，为脉宽调制信号，经u l 反相后由c l 滤波，经过r 4 和r 5 分压后作为 硕士学位论文 第二章多功能数字电焊机电气控制系统硬件 图2 8 送丝驱动电路 q 5 基极的驱动，当p 1 1 为低电平时，q 5 在基极的驱动下导通，电压通过q l 和 q 2 加到送丝机上，q 5 导通的时间由p 2 5 的脉冲占空比决定。q 3 和q 4 为制动 场效应管，当要求送丝机停止时，如果只是简单的切断电枢电压，仅依靠摩擦阻 力使电机停转，这种制动方式制动时间较长，使得焊接停止后焊丝仍会继续送出 很长一段故采用能耗制动，当焊接停止时，关断电枢电源，同时p 1 1 电平拉 高r ，q 3