（材料加工工程专业论文）基于dsp的脉冲mig焊数字控制系统的研究.pdf

天津大学硕士学位论文 中文摘要 脉冲熔化极氩弧焊与直流熔化极氩弧焊相比，具有电流调节范围广、热输 入量可控性好以及有利于实现全位置焊接等一系列优点，因此被广泛应用。而 熔滴过渡的动态控制一直是这种焊接方法的研究前沿。数字化控制因具有更好 的稳定性和更高的控制精度以及控制灵活、易于实现柔性化控制等优点，近年 来得到了学术界的高度关注。为此，本文以数字信号处理器( d s p ) 为控制核心r 在理论分析的基础上进行了脉冲m i g 焊的数字控制系统的研究。 本文首先分析了脉冲m i g 焊的熔滴过渡行为，提出了相应的控制方案，为 一脉一滴控制提出了用电参数进行控制的方法及步骤，即给定电流参数，然后 根据一定的控制规则确定脉冲峰值时间和送丝速度，再实时调节脉冲基值时间； 以d s p 为核心，构建了脉冲m 1 g 焊数字控制系统的模型，并进行了数字化逆变 焊接电源的控制系统设计和送丝系统设计；建立了弧焊电源及其控制系统的数 学模型以及仿真模型，借助m a t l a b 对控制系统进行仿真研究，得到了数字控 制器的最佳参数范围；采用汇编语言和m a t l a b 结合的方法编写了实现控制方 案的系统软件。 仿真实验表明，本文设计的数字控制系统具有很好的实用性，能够实现脉 冲m i g 焊双阶梯形外特性和熔滴过渡的控制。 关键词：脉冲：d s p ；m i g ；控制 天津大学硕士学位论文 a b s t r a c t p u l s e dm i gw e l d i n gi sw i d e l yu s e di nt h ei n d u s t r y c o m p a r e d 、折t 1 1d i r e c t c u r r e n tm i gw e l d i n g ，p u l s e dm 1 gw e l d i n gh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sw i d e r a n g eo fc u r r e n t ，c o n t r o l l a b l eh e a ti n p u ta n df u l lp o s i t i o na v a i l a b i l i t y t h er e s e a r c h f o c u si st h ed y n a m i cd r o p l e tt r a n s f e r d i g i t a lc o n t r o li sf l e x i b l ea n dh a sb e t t e rs t a b i l i t y a n dh i g h e rp r e c i s i o n ，a sb e c o m e st h ef o c u so fa c a d e m i a ，t h e r e f o r e ，t h i sp a p e ri s a i m i n ga tt h ed s p b a s e dd i g i t a lc o n t r o ls y s t e mr e s e a r c h o nt h eb a s i so fd r o p l e tt r a n s f e ra n a l y s i si np u l s e dm i gw e l d i n g ，t h e e l e c t r i c a l p a r a m e t e r - c o n t r o l m e t h o di s b r o u g h t f o r w a r dt om e e tt h eg o a lo f o n e p u l s e a n d o n e d r o p l e tt r a n s f e rm o d e p u l s ep e a kt i m ea n dw i r e f e e ds p e e da r e o b t a i n e dw h e nc u r r e n tp a r a n l e t e r sa l eg i v e n p u l s eb a s et i m ei sa d j u s t e do n l i n et o e n s u l et h ed r o p l e tt r a n s f e rm o d e d s p - b a s e dd i g i t a lc o n t r o ls y s t e mm o d e lo fp u l s e d m i gw e l d i n gi ss e tu pa n dt h eh a r d w a r eo f i n v e r t e rp o w e rs o a r c ec o n t r o ls y s t e ma n d w i r ef e e ds y s t e ma r es u c c e s s f u l l yd e s i g n e d b e s i d e s t h en u m e r i c a ls y s t e mm o d e la n d t h em o d e lf o rs i m u l a t i o na r e b u i l t o p t i m a lp a r a m e t e r sr a n g e i so b t a i n e db y s i m u l a t i o nw i t hm a t l a b s o f t w a r ed e s i g ni sf u l f i l l e dw i t ha s s e m b l e ra n d m a t i ，a b s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tt h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e md e s i g n e dh a sf i n e p r a c t i c a b i l i t y t h ew h o l es y s t e mi s a b l et oa c h i e v et h ed o u b l e - lp o w e rs o i l l - c e c h a r a c t e r i s t i cc u l w ea n dt h ep a r t i c u l a rd r o p l e tt r a n s f e rm o d e k e yw o r d s ：p t d s e ，d s p , m i g ；c o n t r o l 独创性声明 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫盗盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：j 7 多蚕驽 签字日期：m 年；月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨洼盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权垂壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位敝作者签名：声膨辑 签字日期：y 町年；月1 日 导师签名 饧氛 签字日期：夕例吁年弓月2 - 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 熔化极脉冲氩弧焊概述 熔化极脉冲氩弧焊和熔化极直流氩弧焊的主要区别在于，焊接过程采用脉 动直流取代连续导电的恒定直流。在脉冲氩弧焊时，脉冲电流的导通及熔滴过 渡是间歇进行，而且是可控的。当脉冲电流导通时，其峰值电流应大于产生喷 射过渡的临界电流值。此时电弧形态相似于熔滴喷射过渡的电弧形态，对焊丝 和焊件进行强烈的加热，促使熔滴过渡与熔池形成。在脉冲电流间歇期问，电 弧电流是基值电流，其主要作用是维持电弧稳定燃烧，并对焊丝进行预热。 1 1 1 熔化极脉冲氩弧焊的工艺特点 脉冲熔化极氩弧焊与直流熔化极氩弧焊相比，在工艺上具有以下特点： 1 具有较宽的电流调节范围 采用脉冲电流后，可在平均电流小于临界电流值的条件下获得喷射过渡， 因而脉冲喷射过渡氩弧焊的工作电流范围包括了从短路过渡到射流过渡所有的 电流区域，可用于短路过渡和射流过渡所能焊接的一切场合，既能焊接厚板， 又能焊接薄板，特别是可采用较粗焊丝来焊接薄板，不但送丝稳定，而且降低 了焊丝成本。 2 有利于实现全位置焊接 采用了脉冲电流，就可用较小的平均电流进行焊接，因而母材热输入量低， 熔池体积小，而且由于熔滴过渡和熔池金属的加热是间歇的，所以熔池金属不 易流淌。此外，因为熔滴的过渡力与电流的平方成正比，在脉冲电流作用下， 熔滴的过渡力强，轴向性比较好，不论是仰焊或立焊都能迫使金属熔滴沿电弧 轴线向熔池过渡，焊缝成形好，飞溅损失小。因此，进行全位置焊接时，在控 制焊缝成形方面脉冲氩弧焊比普通氩弧焊有利。 3 + 可有效的控制热输入量，改善接头性能 在焊接高强钢及某些铝合金时，由于这些材料热敏感性较大，因而对母材 输入的热量有一定的限制。采用脉冲电流，既可使母材得到较大的熔深，又可 把总的平均电流控制在较低的水平。焊缝金属及热影响区过热都比较小，使焊 第一章绪论 第一章绪论 1 1 熔化极脉冲氩弧焊概述 熔化极脉冲氲弧焊和熔化极直流氩弧焊的主要区别在于，焊接过程采用脉 动直流取代连续导电的恒定盲流。在脉冲氩弧焊时，脉冲电流的导通及熔滴过 渡是间歇进行，而且是可控的。当脉冲电流导通时，其峰值电流应大于产生喷 射过渡的临界电流值。此时电弧形态相似于熔滴喷射过渡的电弧彤态，刘焊丝 和焊件进行强烈的加热，促使熔滴过渡与熔池形成。在脉冲电流问歇期间，电 弧电流是基值电流，其辛要作用是维持电弧稳定燃烧，并对焊丝进行预热。 1 11 熔化极脉冲氢弧焊的工艺特点 脉冲熔化极氩弧焊与直流熔化极氩弧焊相比，在工艺上具有以下特点： 1 具有较宽的电流调节范围 采用脉冲电流后，可在平均电流小于临界电流值的条件下获得喷射过渡， 因而脉冲喷射过渡氩弧焊的工作电流范围包括了从短路过渡到射流过渡所有的 电流区域，一j 用于短路过渡和射流过渡所能焊接的一切场台，既能焊接厚板， 义能焊接薄板，特别是可采用较粗焊丝来焊接薄板，不但送丝稳定，而且降低 了焊丝成奉。 2 有利于实现全位置焊接 采用了脉冲电流，就可用较小的平均电流进行焊接，幽而母村热输入量低， 熔池体积小，而且由于熔滴过渡和熔池金属的加热是间歇的，所以熔池金属不 易流淌。此外，因为熔滴的过渡力与电流的平方成正比，在脉冲电流作用下， 熔滴的过渡力强，轴向性比较好，不论是仰焊或立焊都能迫使金属熔滴沿电弧 轴线向熔池过渡，焊缝成形好，飞溅损失小。因此，进行全位置焊接时，在控 制焊缝成形方面脉冲氩弧焊比普通氩弧焊有利。 3 可有效的控制热输入量，改善接头性能 在焊接高强钢及某些铝合金时，由于这监捌料热敏感性较大，因而对母材 输入的热量有一定的限制。采用脉冲电流，既可使母材得到较大的熔深，又可 把总的平均电流控制在较低的水平。焊缝金属及热影响区过热豁比较小，使焊 把总的平均电流控制在较低的水平。焊缝金属及热影响区过热豁比较小，使焊 第一章绪论 接接头具有良好的韧性，减小了产生裂纹的倾向。此外，脉冲电流还具有加强 熔池搅拌的作用，可以改善熔池冶金性能以及有助于消除气孔等缺陷。 1 1 2 熔化极脉冲氩弧焊的脉冲参数 脉冲熔化极氩弧焊的工艺参数除了电弧“静态”参数，如平均电流、平均 电压、焊接速度等之外，还包括一些脉冲参数，主要有：基值电流、脉冲电流、 脉冲频率及脉宽比等。 1 基值电流 基值电流的作用主要是在脉冲电流间歇期间来维持焊丝与熔池之间的导电 状态，保持电弧稳定燃烧；同时有预热母材和焊丝的作用，使焊丝端部有一定 的熔化量，为脉冲电弧期间熔滴过渡做准备。基值电流也是调节平均焊接电流 和调节工件焊接线能量的重要工艺参数。基值电流不宜取得过大，否则脉冲特 点就不明显，甚至在脉冲间歇期间亦有熔滴过渡，使熔滴过渡失去可控性。基 值电流过小，则电弧不稳定。 2 脉冲电流 脉冲电流是决定脉冲能量的重要工艺参数。为了获得脉冲喷射过渡，其值 应大于产生喷射过渡的临界电流值。但该临界电流值不是固定的，它随着脉冲 持续时间及基值电流的增加而减小。脉冲电流过大，会使焊接过程不稳定，并 使焊缝表面成形变差。总之，在平均电流确定之后，应选择合适的脉冲电流与 基值电流组合，保证实现稳定且可控的熔滴过渡。 3 。脉冲频率及脉宽比 脉冲频率的大小主要根据焊接电流来确定。较大的焊接电流( 或送丝速度) 应选择较高的脉冲频率；反之，则应选低一些，但脉冲频率不可选得太高或太 低。脉宽比是指脉冲电流持续时间与基值电流持续时间之比，它反映了脉冲焊 接特点的强弱。脉宽比过大，脉冲焊接特点不显著；脉宽比太小，则无法实现 稳定的喷射过渡。 1 2 熔化极脉冲氩弧焊控制的研究现状及存在问题 1 2 1 熔化极脉冲氩弧焊的控制方法 2 第一章绪论 国内外大批学者都曾对脉冲熔化极氩弧焊( 脉冲m i g 焊) 进行过大量的研 究，提出了许多行之有效的控制方法。近年来发展的脉冲m i g 焊控制方法可分 为对熔滴过渡的检测控制方法和对电参数的控制方法。 1 ，2 1 1 对熔滴过渡的检测控制方法 熔滴过渡对焊接质量有很大的影响，直接决定着焊道表面波纹均匀性、焊 接熔深以及焊缝的几何形状。脉冲m i g 焊熔滴过渡有多脉l 滴、l 脉1 滴和1 脉多滴3 种形式，其中1 脉1 滴是所有过渡形式中最理想的一种1 2 】。对熔滴过渡 过程进行控制，以获得l 脉l 滴的最佳效果具有极其重要的意义。目前，脉i 中 m i g 焊熔滴过渡检测控制方法归纳起来主要有以下几种。 1 高速摄影法 直接观察熔滴过渡的图像是最直观也是最精确的检测熔滴过渡的途径。对 于处于动态过程中的m i g 焊，以高速摄影记录熔滴过渡影像成为最早采用的手 段。目前，高速摄影法仍是重要的熔滴过渡研究方法之一【3 _ 6 l ，其中文献【7 中提 出的以激光为背景光的高速摄影法得到了广泛的应用。 采用文献【7 提出的高速摄影法可以清晰地获得熔滴和电弧的形态及影像。 最小可分辨0 1 m m 的焊接飞溅，具有直观、形象、清晰的优点，应用于熔滴过 渡规律探索，取得了不少成果。但此方法存在着装置相对复杂、光路调整要求 较高的缺点，而且需要对高速摄影胶片进行冲洗，获得结果需要的时间长、成 功率也较低，无法用于实时控制。 2 高速摄像法 随着科技的不断进步，高速摄像技术现已进入实用阶段，以高速摄像机代 替前述的高速摄影机，便产生了用于熔滴过渡过程研究的高速摄像法。 高速摄像法同样可以直观地获得熔滴过渡过程的影像，与高速摄影法相比， 其工作原理和记录手段都有了长足的进步。该技术以基于面阵c c d 器件上的电 扫描技术取代了高速摄影机的机械高速送片机构，以芯片、磁带及磁盘代替胶 片作为记录媒体，记录结果可以直观地在监视器上显示，亦可用计算机进行处 理，省去了胶片的冲洗、扩印等后续处理过程。记录载体可多次重复使用，降 低了实验成本 3 - 6 1 。 由于熔滴过渡过程具有时间动态特征，因此对高速摄像装置的带宽及图像 处理设备的处理速度提出了较高的要求，依目前的技术发展水平，其处理能力 第一章绪论 距实时高速处理的要求尚有一定的差距且系统的价格不菲，这有悖于低成本的 原则。 3 弧光检测控制法 文献 8 】通过弧光来检测熔滴过渡。在熔滴的电弧根部形成能够发射弧光的 金属蒸汽源，当颈缩破裂之后，覆盖整个熔滴根部的弧光立即熄灭，跳到焊丝 的新顶端，这大大减少了电弧弧光通量。熔滴过渡之后，弧光通量增加。因此 可以利用弧光通量的改变这一现象作为熔滴过渡检测的信号。 基于脉冲熔化极气体保护焊时，熔滴过渡过程中伴随的电弧光的闪烁现象， 文献 9 】提出了一种新的用于测控熔滴过渡过程的电弧光强传感控制法。图1 - 1 为其所测的光强信号波形图。由图l l f a ) 可见，在钢的脉冲m a g 焊的熔滴过渡 期间，电弧光强信号波形上有个由于 熔滴过渡导致的“下塌”。利用这种“下 塌”，文献 9 】实现了脉冲m a g 焊l 脉1 滴的光强控制。然而在喷射过渡脉冲 m i g 焊钢时，这种“下塌”特征几乎不 出现( 图1 - l ( b ) ) 。即使出现“下塌”的 脉冲m a g 焊钢时，其最大一f 塌”量 相对于总体信号幅度也仅为1 4 7 ，信 号的品质因数不高，所以这种弧光传感 控制法的检测效果并不理想，其应用范 围也有一定的限制。 4 电弧声音检测控制法 a 襄 累 麓 鬟 时闯i 4 珥 b 图1 1电弧光强信号波形 ( a ) 钢的脉冲m a g 焊 ( b ) 钢的脉冲m i g 焊 通过熔滴在过渡期间伴有特定的电弧声与过渡过程的内在联系来检测控 制。在焊接过程中，电弧不断变化导致电弧声音发生变化。研究表明，虽然这 种变化对于短路过渡电弧状态比较容易识别，但对于无缩颈爆断过程的射滴过 渡，其对应关系并不明显【2 i ，同时，实际工作环境中难以避免的各种声响都会成 为这种传感方式的强烈干扰源。故此种控制方法很不理想。 5 激励熔滴振荡过渡熔滴控制法 文献 1 0 】提出当电流从峰值向基值过渡时，激励熔滴振荡来促进熔滴过渡。 该方法利用熔滴振荡时的向下动量作用于过渡熔滴。因此所需要的峰值电流低 第一章绪论 于i 临界电流，保证了熔滴在自然情况下不发生过渡，振荡作用是由高帧率图像 系统在线控制的。 6 电流电压波形分析控制法 由于焊接过程的复杂性，电弧电压和电流信号等参数的分布是随机的，为 了对其进行控制，就必须通过统计分析找出焊接过程中的控制参数。文献【1 1 】提 出用统计分析、傅立叶变换、幅值频率分布图等方法分析电弧电压和电流波形 图，判断熔滴的过渡过程。 1 9 9 1 年美国i d a h o 国家工程实验室j o h n s o n 等根据他们对熔滴过渡电信号的 传感研究结果，提出了利用电信号进行1 脉1 滴控制的设想t g 。文献【1 2 】作者认 为电压尖峰信号是熔滴过渡信号，这种方法目前仅作为工艺参数调节时熔滴过 渡情况的一种检测，由于信噪比太低，机器难以识别，难以用于熔滴过渡实时 控制。同时，这种传感方式大多要求焊接电源输出极其乎稳，否则，电源噪声 将淹没熔滴过渡信号。 7 电弧光谱信号控制法 焊接电弧包含着丰富的信息，但由于焊接电弧温度高、振动大以及不均匀 性，采用一般测试方法难以全面反映其中的各个变化过程，利用电弧光谱信息 进行测控能达到一般测控方法无法达到的测控效果，有着很大的优越性。与现 在的其他方法相比，光谱法的优点体现为：信息丰富，灵敏度高，选择性好， 响应速度快，无介入性，抗干扰能力强，时空分辨率高等。 利用熔滴过渡与电弧光谱特征谱线的关系，通过采集焊接电弧特征谱线的 光谱强度来检测熔滴过渡的信息，然后进行反馈，控制脉冲电流的切换时刻， 从而控制熔滴过渡。图1 2 为焊接电弧光谱测控装置 1 4 , 1 5 1 的原理图。利用图中光 学成像系统3 取样焊接电弧 2 ，使电弧成像在光谱仪4 入 口狭缝处，通过光谱仪入口狭 缝截取电弧某一横截面上弧 光的信息，经光谱仪分光，在 光谱仪出口相应位置处接受 某特征谱线的光强信息，并经 光电倍增管5 转化成电信号， 再经接口送计算机6 分析处 图1 。2 焊接电弧光谱测控袈置原理图 1 逆变弧焊电源2 焊接电弧3 成像透镜4 光谱仪 5 光电倍增管6 接口与计算机7 反馈控制环节 第一章绪论 理，实现熔滴过渡的光谱信息检测，然后通过反馈控制环节控制焊接电源1 的 输出，实现熔滴过渡的光谱控制。 1 2 1 2 对电参数的检测控制方法 1 s y n e r g i c 控制( 协同控制法) s y n e r g i e 控制法1 1 6 1 是英国焊接研究所发明，是目前已发展的脉冲m i g 焊控 制系统中应用最为广泛的一种方法。其原理如下：焊接电源的外特性采用恒流 特性，通过两条恒流外特性的切换实现脉冲焊接，脉冲参数的控制是利用送丝 速度作为信号，按照一定的数学模型来控制脉冲参数，使电弧在任何送丝速度 下均可获得最佳的弧长和最佳的熔滴过渡方式，实现了脉冲m i g 焊的单旋钮控 制f l - 1 鄹。但是由于这种控制方法实质上属于开环控制方式，所以该系统的抗弧长 干扰能力差。当遇到除送丝速度以外的干扰时，弧长将改变，熔滴的喷射过渡 将会受到破坏。 2 弧长反馈闭环控制法 国内外做了大量的研究工作，其基本原理是利用弧长信号闭环反馈控制脉 冲参数，如日本三菱电气公司采用了开环控制和闭环控制并用的方法来控制脉 冲m i g 电弧【1 9 】。该方法的原理如下：首先根据送丝速度按照一定的数学模型来 控制脉冲频率，使焊丝熔化速度与送丝速度基本相等，然后再引入电弧平均电 压的负反馈来调整脉冲参数以适应条件的变化和随机干扰。该系统的缺点是， 闭环反馈信号取自电弧平均电压，动态品质差；再者，当遇到干扰如磁偏吹时， 平均弧压信号并不能反映弧长的变化。文献 2 0 1 提出了另外一种电弧电压( o k 特 定点一般选择在脉冲开始1 m s 左右后的某段时间，因此时的弧压信号与弧长有 较好的对应关系) 作为弧长信号闭环反馈，调整脉冲参数( 一般是调整基值时 间t 6 ) ，实现对脉冲m i g 焊的控制。 采用电弧电压闭环负反馈来控制m i g 焊弧长的方法，由于电流的变化和焊 接过程中各种随机干扰的影响，要在焊接过程中准确而迅速的获得瞬时弧长信 号是十分困难的；另一方面，从熔化极气体保护焊的特点来看，由于熔滴过渡 时弧长是变化的，所以任何企图控制瞬时弧长不变的做法都是与其特点相违背 的，其结果必然引起系统的弧长振荡。所以，现有的m 1 g 焊闭环弧长连续系统 只能对电弧的平均弧长进行控制。由于脉冲m i g 焊的脉冲频率变化范围很广， 为了保证在最低频率下系统不发生振荡，必须对电弧电压信号加入较大时间常 数的滤波或积分环节，这就是这种闭环弧长连续控制系统动态品质较差的根本 第一章绪论 原n t 2 “。 为了改善电弧闭环控制系统的动态性能，日本京都大学等单位1 9 8 2 年研制 出一种离散闭环控制系统【2 l 】。它以每周期的对应点的弧长来代表该周期的弧长， 通过计算机闭环控制使该点的弧长不变。但是由于它是通过调节维弧电流来控 制弧长，维弧电流过小会引起断弧现象；维弧电流过大又会引起大滴过渡。所 以这种控制方法的弧长控制性能和抗干扰能力是有限的，而且这种方法的弧长 采样周期是固定不变的，当焊接规范改变时，不仅需要重新调整焊接电源的脉 冲参数，而且还要调整相应的采样周期。 3 自适应闭环控制法 送丝速度和脉冲频率按一定的函数关系由单旋钮给定，且脉冲频率还受控 于电弧电压( 弧长) 达到弧长控制的目的 2 2 1 。为确保一个脉冲过渡一个熔滴，采 用预置单元能量( 峰值电流和峰值时间) 和设定基值电流不变。其优点是抗弧长 干扰能力强，而送丝速度的扰动会引起焊接过程不稳定，需加强送丝机的力矩 补偿能力，使送丝速度稳定。 4 综合控制法 该方法综合了s y n e r g i c 控制法和自适应闭环控制法的优点。电弧电压和送 丝速度的反馈信号均用于控制脉冲频率，而峰值电流和峰值时间的单元能量恒 定，以期得到1 脉1 滴的熔滴过渡。该方法弧长控制性好，焊接质量高，只要 保证峰值电流i 。和峰值时间t p 满足一定的匹配关系，就能实现l 脉l 滴。 文献 2 3 中提取送丝速度信号和脉冲峰值电压，研制了自适应s y n e r g i c 控制 系统，该控制系统不但保持s y n e r g i c 控制系统的优点，而且对由非送丝速度引 起的弧长干扰有较强的自适应能力。 5 门限控制法 脉冲m i g 焊门限控制法【2 4 1 是通过设立电弧电压的门限值来实现其控制。原 理如下：当焊丝的熔化或焊丝的送进使电弧工作点移动时，电弧电压也随之变 化，当电弧电压达到设置的上、下门限值时，控制系统迫使电流发生突变，使 电弧电压不超过设置的上、下门限值，在门限值内则按闭环控制处理，从而使 弧长得到控制。其电源外特性为“口”字形，在脉冲与维弧期间均工作在恒流 状态，而脉冲频率由弧长的给定电压和实际反馈电压的偏差来决定。该方法是 以调节脉冲频率而克服弧长的扰动来调节焊丝的熔化速度，在脉冲峰值阶段可 第一章绪论 能未停留足够时间，所以熔滴过渡不能确保1 脉1 滴的情况。 1 2 2 熔化极脉冲氮弧焊控制方法的实现方式 1 模拟控制系统 模拟控制是目前弧焊电源控制电路中应用最为普通的控制方式。在模拟控 制方式中焊接电流、焊接电压等参数的采样、比较、p i 运算以及p w m 信号生 成一般由模拟电路完成。模拟控制系统最大的缺点是进行复杂处理的能力有限， 元器件数量多，并且控制系统的参数由电阻、电容等分立元件的参数决定，控 制系统的调试复杂、灵活性差，而且如温度漂移等影响元件参数的因素都会直 接影响控制系统的稳定性和准确性。模拟控制弧焊逆变电源的控制系统框图如 图l 一3 所示。 蔷呕翮1 王卜懂轩寸驱卜计砰 r i 广寸i i r j 1 坐 - 二一 r w m 卜 q 卜每一给定| 图1 3 模拟控制弧焊逆变电源的控制系统框图 2 单片机控制系统 单片机控制系统中单片机主要完成控制信号的给定功能以及逆变电源的程 序控制。控制系统虽然在信号的给定部分实现了数字化，但是受到单片机自身 处理能力的限制，弧焊逆变电源的反馈信号处理和p w m 仍然采用了模拟电路， 往往不能胜任实时性强、数据处理量大的系统。单片机控制弧焊逆变电源控制 系统框图如图1 - 4 所示。 3 基于d s p 的数字化控制系统 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 的出现，给焊机数字化带来了广阔的发展空 闻。它将焊机控制所需要的全部功能部件如a d 、p w m 等集成在一块芯片内， 采用了多组总线技术实现了并行运行机制，极大的提高了运算速度，使得控制 第一章绪论 广7 f - _ 一 叫( i ) 3 8 0 vj 、上| 功率 图l 一4 单片机控制弧焊逆变电源控制系统框图 系统的数字化成为可能。资源的增强使得过去由单片机无法实现的功能和性能 变得很容易且控制电路进一步简化。图1 5 是d s p 控制弧焊逆变电源控制系统 框图。有了控制系统的数字化，才有了全数字逆变电源的出现。奥地利的f r o n i u s 公司于1 9 9 8 年提出数字化焊机的概念，并推出了t p s 系列数字化焊机 2 习；日本 的松下公司于2 0 0 0 年推出了t i gs t a r - - 3 0 0 数字化直流t i g 焊机( 理念机) 2 6 1 。 显然数字化逆变焊接电源将成为2 1 世纪弧焊电源的发展主流。它与模拟控制的 焊接电源相比有如下无可比拟的优越性 2 7 - 3 1 】： 1 ) 更大的灵活性，易于实现柔性化控制； 2 ) 更好的稳定性； 3 ) 更高的控制精度； 4 ) 良好的接口兼容性； 5 ) 为焊接电源的智能控制提供了可行性。 功率 图1 5d s p 控制弧焊逆变电源控制系统框图 9 第一章绪论 1 3 本文的研究目的及主要内容 目前脉冲熔化极氩弧焊焊接过程中电弧的稳定性和焊接质量的稳定性是国 内外关心的热点，而对熔滴过渡的动态控制是其研究前沿。尽管国内外的专家 学者在脉冲m i g 焊控制方面取得了一些进展，但都有一定的局限性，如设备复 杂、昂贵，抗干扰能力差、可靠性低等。因此，在脉冲m i g 焊熔滴过渡的检测 与控制方面开发简单、实用、可靠而且成本低的检测装置和控制技术，是脉冲 熔化极氨弧焊控制中亟待解决的问题，也是本文的研究目的。 为了实现研究目标，拟将d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 应用到脉冲m i g 焊控制中，以解决熔滴过渡控制的速度瓶颈问题。为此，本文将主要进行以下 方面的研究工作： 1 ) 分析脉冲m 1 g 焊的熔滴过渡行为，提出实现一脉一滴的控制策略； 2 ) 以d s p 作为控制系统的核心，构建脉冲m i g 焊数字化控制系统的模型， 进行数字化逆变焊接电源的控制系统设计和送丝系统设计； 3 ) 建立脉冲m i g 焊控制系统的数学模型，借助m a t l a b 对控制系统进行 仿真研究，获得数字控制器的最佳参数范围； 4 ) 进行d s p 控制系统软件设计，并结合数字控制器仿真实验验证控制策 略的可行性及数字控制系统的实用性。 第二章脉冲m i g 焊的熔滴过渡行为及其控制方案的提出 第二章脉冲m i g 焊的熔滴过渡行为及其控制方案的提出 脉冲m i g 焊控制的关键是动态过程的控制，只有弄清其熔滴过渡的机理和 过程，才能提出有效的控制策略。 2 1 脉冲m i g 焊的熔滴过渡行为 2 1 1 熔滴过渡的机理 在m i g 焊中，焊丝在电弧热和千伸长度电阻热的共同作用下发生熔化并形 成熔滴，在一定条件下熔滴将从焊丝端部脱落而过渡到熔池。对于熔滴过渡的 机理，主要有熔滴运动的动平衡理论和微挠动“失稳”理论。 1 熔滴运动的动平衡理论 在熔化极气体保护焊中，作用在熔滴上的力主要有电磁力( 巴) ，等离子流 力( 乃) ，重力( e ) ，表面张力( e ) ，熔滴表面金属蒸发的反作用力( e ) ， 和爆炸力 f + 】5 v t ， 磊u 妊1 b 磊4i 一 5 耆u i 淼c 孑6 ：= c l 越28 d r i v e m d 2 ali 嘎i u f 9 r 7 二口j n 苟淼9 u 阳q 1 毒u i 赢e 面1 0 - i 磊u i 荒f 忑) 2i 3 图3 1 3p w m 信号输出电路 3 4 2 。6 键盘接口电路和显示电路 键盘采用4 x 4 标准键盘，采用矩阵式接口形式，按键识别采用扫描法。占 用d s p 的i o p f o i o p f 2 和i o p c 2 i o p c 6 共8 个i o 口。显示电路采用液晶显 示，硬件电路连接较简单，显示内容8 x 4 行，点大小0 5 o 5 m m 2 ，点间距o 0 5 m m 。 液晶显示如图3 一1 4 所示。 图3 1 4 液晶显示 第三章d s p 控制系统的硬件设计 3 5 送丝系统的设计 送丝系统是自动焊接系统的重要组成部分，送丝速度的可控性直接影响脉 冲m i g 焊焊接过程的稳定性，进而影响焊接质量。将d s p 应用于送丝电机的控 制，可以实现送丝速度的实时准确快速调节。 3 5 1 送丝机调速原理 为保证送丝稳定，通常从送丝电机、送丝机构及调速电路几个方面加以考 虑。由于本研究中送丝电机、送丝机构均已确定，因此设计调速电路成为主要 任务。 送丝电机般采用惯性小且机械特性硬的电机。本研究中使用的是印刷电 机。印刷电机的定子由永久磁铁和磁轭组成；转子为覆有印刷绕组的圆盘。它 是一种低惯性量的电机，其动态响应速度快，控制性能好。 直流电动机的基本调速方法有三种：( 】) 改变电枢回路总电阻如：( 2 ) 改变 电枢供电电压；( 3 ) 改变励磁磁通西。对于印刷电机而言，改变励磁磁通吼 是不可能的，改变电枢回路总电阻如也不现实，因此改变电枢电压调速是直流 电机调速系统中应用最广的一种调速方法。由于电动机的电枢电压般以额定 电压为上限，因此在改变电枢电压时，通常只能在低于额定电压的范围内调节 电枢电压，但这已经能够满足送丝机的要求了。 改变电枢供电电压的方法目前应用较多的是采用晶闭管整流器供电的调速 系统和功率开关器件控制的脉宽调速系统。传统的送丝电机调速控制电路大多 采用晶闸管整流电源给电机供电。改变晶闸管的导通角就可以改变整流电源的 输出电压，从而改变电机电枢电压达到调节电机转速的目的。众所周知，晶闸 管整流电机调速系统在低电压即电机低速时，电压纹波较大，电机转速不稳定， 因此送丝不稳定，影响焊接质量。随着电子技术的发展，p w m 调速系统的应用 越来越广泛。本研究中采用p w m 调速。 3 5 2 送丝机控制电路整体框图 送丝机控制电路原理框图如图3 1 5 所示，2 2 0 v 交流电经过变压器变压，输 出两路电源，其中一路整流滤波后经过稳压模块输出直流1 5 v ，用作控制电路其 它芯片的供电电源；另路经过整流滤波和m o s f e t 开关管斩波后送给送丝机。 第三章d s p 控制系统的硬件设计 d s p 是送丝调速系统控制的核心。首先通过人机对话界面设定送丝速度给 定值，而送丝速度的反馈信号( 这里是送丝电机的电枢电压经分压滤波后的信 号) 经a d 转换送入d s p ，然后d s p 根据一定的控制算法对给定值和转换结果 进行计算，输出p w m 信号，该信号再经过隔离放大，驱动m o s f e t ，从而控 制送丝电机。 3 5 3 变压器的设计 图3 1 5 送丝机控制电路原理框图 如前所述，变压器要提供两路电源，为避免信号相互干扰，将变压器的次 级设计为两个线圈，副边i 和与副边1 i 。副边i 整流稳压后输出1 5 v 作为控制 电路供电电源，而】5 v 稳压模块要求的输入电压最佳值为2 3 v ，所以将变压器 的输出设定为1 8 v ，计算得到功率为1 8 w ，变比1 2 2 2 。副边i i 要为送丝机供电， 本文所采用的印刷电机额定电压为2 4 v ，额定电流为5 5 a ，调速范围 2 1 9 5 m m i n 。计算可得副边1 i 输出功率为1 5 0 w ，输出电压为2 5 v ，变比为8 8 。 因此，变压器总功率( 原边功率) 为1 6 8 w 。 3 5 4 送丝机主电路的设计 3 2 第三章d s p 控制系统的硬件设计 送丝机主电路的原理图如图3 1 6 所示，该电路的输入端是变压器的副边i i ， 2 5 v 的交流电经过d 5 d 8 四个整流二极管桥式整流，再经c 3 ( 1 0 0 0 u f ) 进行滤波， 输出直流，端口o u t 为输出到电机电枢的电压，经分压后( 端口f e e d b a c k ) 作 为送丝速度的采样信号送入a d 转换芯片u l o 的7 脚v a l ，转换结果从1 5 脚 d o u t a 输出，送到d s p 的i o p f 6 脚。q i 为大功率开关器件，触发脉冲由端口 p w m 提供，该端口的信号是将d s p 的p w m 3 引脚输出的信号经过隔离放大后 得到的。系统的负载为电动机电枢，可以认为它是一个电阻电感负载，二极 管d 1 0 为续流二极管。 图3 一1 6 送丝机主电路原理图 q 1 选用了型号为i r f 5 4 0 的m o s f e t ，其栅极可由脉冲电压驱动。图3 - 1 7 给出了稳态时的电机电枢电压，电枢平均电压和电枢电流f 的波形。在，1 d o ! ! i l 一刍- ：垒- i 图3 - 1 7 稳态时电机电枢电压与电流波形图 第三章d s p 控制系统的硬件设计 时间内，栅极电压u g e 为正，m o s 管导通，直流电源加到电动机电枢两端i 在 t 2 时间内，栅极电压u c e 为零，m o s 管截止，电枢两端电压为零，但由于电枢 的电感和d 1 0 的续流作用，电枢电流仍然存在。可见，电机稳态电流是脉动的。 当频率较高时，电流脉动的幅值不会很大，因此对电机转速波动影响很小，一 般可以认为转速为恒值。 由图3 1 7 可得到电动机电枢的平均电压为： 玩2 击2 争= c t u 一 上式中t 3 t , 为占空比，t l 为脉冲时间，t 2 为脉冲休止时间。改变a 的值，就改变了电 机电枢的平均电压，从而改变电机的转速，达到调速的目的。改变的值可以采 用以下方法： 1 ) 定宽调频法；7 i 保持一定，使t 2 在0 - - o o 范围内变化； 2 ) 调宽调频法：t z 保持一定，使t l 在o o d 范围内变化； 3 ) 定频调宽法：t l + 屯= t ，t 保持一定，使t i 在o t 范围内变化。 目前在直流电机调速系统中应用较多的是定频调宽法。本研究中，亦采用 定频调宽法，控制算法由d s p 实现。 至此，完成了d s p 控制系统的硬件设计。d s p 是数字信号处理器，本研究 采用片外a d ，这样，进入到d s p 芯片的是数字信号，经过d s p 处理后输出的 信号也是数字信号，因此将d s p 应用于焊接系统必须有一系列接口电路。焊接 中要检测焊接电压、焊接电流和送丝速度，这些参数检测电路的输出信号是模 拟量，因此需要a d 转换芯片将这些模拟量转换为数字量，才能送入d s p 进行 处理。对于d s p 的输出信号p w m ，它是数字信号，故需要将它隔离放大后作为 逆变器的触发信号，这就需要设计隔离电路和放大电路。考虑到d s p 的软件设 计，需要进行存储器扩展、仿真接口设计和键盘显示电路设计。 3 6 本章小结 本章根据前一章节制定的控制方案构建了脉冲m i g 焊的控制系统整体结 构，并设计了以d s p 为控制核心的系统硬件电路，包括d s p 最小系统的设计及 其外围电路( 焊接电压采样电路、焊接电流采样电路、保护电路、光电隔离电 第三章d s p 控制系统的硬件设计 路、p w m 输出电路、键盘接口电路和显示电路) 的设计。另外，设计了送丝机 主电路和控制电路，为d s p 实现送丝电机的控制提供了硬件平台。整套系统能 够实现既定的功能，即焊接电压、焊接电流和送丝速度信号的检测，输出驱动 信号控制逆变器和送丝机主电路中的开关管以及人机对话功能。 第四章脉冲m i g 焊数字控制系统建模与仿真 第四章脉冲m lg 焊数字控制系统建模与仿真 数字控制系统建模与仿真的目的是，在已经确定的反馈控制系统结构情况 下，按照控制任务要求的控制性能指标及被控对象特性和数学模型，设计出使控 制算法达到预先要求性能指标的数字控制器。 4 1 控制系统设计方法选择 d s p 具有很强的数字计算以及逻辑判断功能，它可以实现模拟控制器难以实 现的多种复杂的先进反馈控制策略，并且该控制系统的设计方法也是多种多样 的。按照各种设计方法所采用的理论和系统模型的形式，可以大致分为：连续化 设计法、离散化设计法( 或z 域设计法) 和状态空间设计法。前两种设计方法 都是以系统输入输出模型为基础，设计理论属于经典控制理论范畴，而状态空间 设计法是以系统状态空间模型为基础，设计理论属于现代控制理论范畴。 d s p 控制系统，就其中的信号类型而言，它是一种混合系统，在系统中既有 离教信号也有连续信号。典型d s p 控制系统的结构及其组成环节如图4 1 所示， 组成系统的各个环节可以分为三个部分： 1 ) 离散部分：由a d 转换器，d s p 和d a 转换器组成，其输入信号是系 统偏差的采样信号e ，输出为离散的控制信号”+ o ) 。其输入和输出均为离散 信号，显然这部分是一离散子系统。 2 ) 连续部分：由被控对象( 包括测量和执行装置) 组成，是一连续子系统。 其输入和输出均为连续信号，输入是保持器输出的连续控制信号“) ，输出为被 控量y ( f ) 或偏差信号p ( f ) 。 3 1 连续或离散信号转换部分：由采样器和保持器组成，采样器将连续的偏 差信号9 0 ) 转换为偏差采样信号s + ( f ) ，保持器将离散的控制信号“( f ) 转换为连 续的控制信号u q ) 。 这种混合系统既可以作为全离散系统处理，也可以作为全连续系统处理。如 果把系统中串接的保持器、被控对象和采样器三个环节合并，就是一个等效的离 散子系统，其输入为离散的控制信号“+ ( f ) ，输出为离散的偏差信号e ( r ) ，输入 和输出均为离散信号。于是，整个控制系统就可以视为全离散系统，因而可以在 z 域进行离散化分析和设计。如果把串接的采样器、a d 、d s p 、d a 和保持器 第四章脉冲m 1 g 焊数字控制系统建模与仿真 图4 1 典型d s p 控制系统结构及其组成环节 五个环节合并，便是一个等效的连续子系统。其输入为连续的偏差信号e ( f ) ，输 出为连续的控制信号“( f ) ，输入和输出均为连续信号，这样，整个系统也可以视 为一个全连续系统，此时可以按照连续控制系统的理论和方法进行连续化设计。 本文将整个系统视为一个全连续系统进行处理。 4 2 数字控制器设计 p i d 控制是指一类由反馈系统偏差的比例( p ) 、积分( i ) 和微分( d ) 的线性组 合构成的反馈控制律。它具有原理简单，直观易懂，易于工程实现，鲁棒性强， 适用面广等一系列优点，多年以来它一直是工业过程控制中应用最广泛的一类基 本控制律。在计算机应用于工业过程控制以前，工业过程控制采用的是由气动或 液动、电动硬件仪表实现的模拟p 1 d 控制器。自7 0 年代以来，随着计算机技术 的飞速发展和应用普及，由计算机实现的数字p i d 控制正逐渐取代模拟p i d 控 制器。它不仅可以将p i d 控制规律数字化，而且可以进一步利用计算机的逻辑 判断功能，实现多种不同形式的p i d 控制算法，使得p i d 控制的功能和适用性 更强，从而更好的满足工业过程提出的各种各样的控制要求。基于以上原因，本 数字控制器采用数字p i d 控制算法。 典型单回路p l d 控制系统如图4 2 所示。理想模拟p i d 控制器输出方程式为： ”。) = 群f e 。) + 1 ，。f e ( r ) d r + t ad 讲e ( t ) ( 4 。1 ) 式中，k p 为比例系数；霉为积分时间；乃为微分时间；：r p ) 为p i d 控制器的输 出控制量；e ( t ) 为p i d 控制器输入的系统偏差量。 对式( 4 - 1 ) 作拉式变换，可得理想模拟p i d 控制器的传递函数： 第四章脉冲m i g 焊数字控制系统建模与