（材料加工工程专业论文）基于单片机控制的mag焊逆变电源的研究.pdf

摘要 摘要 m a g 焊可用于焊接碳钢、不锈钢、高合金钢等几乎所有金属。熔滴过渡均匀 稳定，焊缝成形美观，焊接过程飞溅少，焊接过程中金属的烧损较小，成本低， 焊接生产效率高，是很有发展前景的高效化焊接方法。 目前焊接技术在高效化、数字化、智能化方面的发展越来越受到焊接生产企 业的重视，逆变焊接电源已成为电焊机生产厂家的主导发展产品。适应焊接技术 的发展需求，研究新型的m a g 焊逆变电源，并为焊接技术的进一步研究提供理 论与实验成果，具有重要的现实意义。本研究课题是在广东省自然科学基金( 项 目编号：0 4 0 2 0 1 0 0 ) 的支持下，研究设计出一台基于单片机控制的m a g 焊逆变 电源，并对焊接电源进行电路调试和工艺试验。 本研究中采用自行研制的焊接电弧动态小波分析仪系统，对不同i g b t 逆变 式焊接电源的焊接过程进行分析，总结出m a g 焊逆变电源的控制思路。在此基 础上，采用i g b t 全桥主电路拓扑结构， p i c l 6 f 8 7 7 单片机为控制核心，设计了 设计了m a g 焊逆变电源的主电路。选用 m a g 焊逆变电源的控制电路，包括逆变 电源系统的反馈电压、电流的采集，控制量的输出以及数字量的输入、输出。 采用p i d 控制算法设计了控制m a g 焊工艺过程的闭环控制系统。为了适应高效 化焊接对送丝系统的要求，设计了数字化p w m 送丝系统，该系统送丝过程稳 定、效率高、结构简单、有较快的响应速度，速度可调范围宽，可以满足高效 化焊接的要求。此外，m a g 焊逆变电源的电磁兼容问题也是电源设计的一个重要 方面，在本文中对电磁干扰的来源进行了分析，提出了有效地解决电磁兼容问 题的措施。 对研制m a g 焊逆变电源进行了电路试验和工艺试验，试验结果表明：研制 的m a g 焊逆变电源主电路设计合理，工作可靠；控制电路能够有效地对主电路 进行控制，依靠软件的灵活编程，能够实现设计的控制思想；焊接电源系统工 作可靠，较好地解决了电磁兼容的问题。研制逆变电源具有平特性的外特性， 符合电源设计要求。在m a g 焊工艺试验中，能够迅速燃弧，起弧过程顺畅，焊 接过程稳定、飞溅较小，焊机具有较好的动态性能，能够满足m a g 焊的焊接工 艺要求。 关键词：m a g 焊；单片机；逆变电源：电磁兼容 a b s t r a c t m a gw e l d i n gi sav e r yi m p o r t a n tw e l d i n gm e t h o d ，w h i c hh a sm o r ee x t e n s i v e a p p l i c a t i o na n dh i g h e rq u a l i t y i tc a nw e l d i n gn e a r l ya l lt h em e t a l ss u c ha sc a r b o n s t e e l ，s t a i n l e s ss t e e l ，h i g ha l l o ys t e e l ，e t c ；i t sw e l d i n gp r o c e s sh a sl e s s e rs p l a s h ， m o r es t a b l ed r o pt r a n s i t i o n ，b e t t e rw e l d i n gs h a p e ，s m a l l e rm e t a lb u r n i n g ，l e s s e r c o s t ，h i g h e re f f i c i e n c ya n di sa p tt oa c h i e v et h ea u t o m a t i cc o n t r 0 1 s o ，m a g w e l d i n gi st h ev e r yp r o m i s i n ge f f e c t i v ew e l d i n gm e t h o d n o w ，i nt h er e s p e c to fg e t t i n gh i g h e f f i c i e n c y ，d i g i t i z a t i o n ，i n t e l l i g e n c e ，t h e d e v e l o p m e n to ft h ew e l d i n gt e c h n o l o g yi sp a i da t t e n t i o nb yt h em a n u f a c t u r i n g e n t e r p r i s e s ，a n dt h ei n v e r t e rw e l d i n gp o w e ri sb e c o m i n gt h el e a d i n gd e v e l o p i n g p r o d u c t i th a si m p o r t a n tr e a l i s t i cm e a n i n g st or e s e a r c ha n dd e v e l o pan e w t y p e m a gw e l d i n gi n v e r t e rp o w e rf o rt h e d e v e l o p i n gd e m a n d o ft h e w e l d i n g t e c h n o l o g ya n do f f e r i n gt h et h e o r ya n de x p e r i m e n ta c h i e v e m e n tf o rt h ef u r t h e r s t u d y s u p p o r t e db yt h eg u a n g d o n gp r o v i n c en a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ( n o ：0 4 0 2 0 1 0 0 ) ，am a gi n v e r t e rp o w e rb a s e do nm c uc o n t r o li sr e s e a r c h e da n d d e v e l o p e d ，a n dt h ec i r c u i td e b u g g i n ga n dw e l d i n gp r o c e s s i n ge x p e r i m e n ti s c a r r i e do u tu s i n gt h ew e l d i n gm a c h i n e i nt h ec o u r s eo ft h i s r e s e a r c h ，u s i n gt h ew e l d i n ga r cd y n a m i cw a v e l e t a n a l y s i si n s t r u m e n ts y s t e m ，w h i c hw a sd e v e l o p e db yu s ，t h ec o n t r o li d e ai s s u m m a r i z e dt h r o u g ht h ew e l d i n gp r o c e s sa n a l y z i n go fd i f f e r e n ti g b ti n v e r t e r p o w e r b a s e do nt h i s ，t h em a i nc i r c u i to ft h em a gw e l d i n gi n v e r t e rp o w e ri s d e s i g n e db yt h ef u l lb r i d g et o p o l o g i c a ls t r u c t u r e t h ec o n t r o lc i r c u i ts y s t e mo ft h e m a gw e l d i n gi n v e r t e rp o w e ri s d e s i g n e du s i n gp i c l 6 f 8 7 7m c ut oc o n t r o lt h e s a m p l i n g o ft h ef e e d b a c kc u r r e n ta n dv o l t a g e ，t h e i n p u ta n do u t p u td i g i t a l q u a n t i t y i na l l r o u n d w a y i ti s as t e a d y c l o s e l o o pc o n t r o ls y s t e m i n t h i s r e s e a r c h ，t h ed i g i t i z e dp w mw i r ef e e ds y s t e mi sd e s i g n e d ，a n dt h es y s t e mh a s s t e a d yp r o c e s s ，h i g he f f i c i e n c y ，w i d e rw i r es p e e dr a n g e ，s i m p l es t r u c t u r ea n d q u i c kr e s p o n s es oa st om e e tt h eh i g h e f f i c i e n tw e l d i n gd e v e l o p m e n t i na d d i t i o n ， t h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b l e ( e m c ) p r o b l e mi s a ni m p o r t a n tr e s p e c ti nt h e w e l d i n g i n v e r t e r p o w e rd e s i g n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h e e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c es o u r c ei s a n a l y z e da n dt h ee f f e c t i v ee m cm e a s u r ei sp r o p o s e d f u r t h e r 摘要 t h ec i r c u i td e b u g g i n ga n dw e l d i n gp r o c e s s i n ge x p e r i m e n th a sc a r r i e do u tf o r t h em a gw e l d i n gi n v e r t e rp o w e r t h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h e m a i nc i r c u i to ft h ed e s i g n e dm a gw e l d i n gi n v e r t e rp o w e ri sr e a s o n a b l ei nd e s i g n ， a n dt h ec o n t r o lc i r c u i ti se f f e c t i v et oc o n t r o lt h em a i nc i r c u i tt or e a l i z et h ec o n t r o l i d e a ，a tt h es a m et i m et h ee m cp r o b l e mi sb e t t e rs o l v e d t h em a gw e l d i n g i n v e r t e rp o w e rh a st h es t a t i cc h a r a c t e r i s t i cw i t ht h ee q u a lv o l t a g ea c c o r d i n gw i t h t h ed e s i g n t h ew e l d i n gp r o c e s s i n gi ss t a b l e ，a n di th a st h eb e s tw e l d i n ga r c s t a r t i n g ，l e s ss p l a s h ，b e t t e rd y n a m i cp e r f o r m a n c e ，h i g h e re f f i c i e n c y i tc a nm e e t t h er e q u e s to ft h em a gw e l d i n gp r o c e s s i n g ， k e y w o r d s ：m a gw e l d i n g ；m c u ；i n v e r t e rp o w e r ；e m c i i i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：嘻内乜 日期：如寸拜月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密刚 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：礁；与之 聊虢藏鹕 7 日期：沙岁年f 月占日 日期：沙咿夕年占月m 第一章绪论 1 1概述 第一章绪论 机械制造工业是国民经济的基础，焊接技术是机械制造工业中的关键技术之 一。比如对于压力容器、核反应堆、宇航运载工具等，离开了焊接技术就无法制 造，因此，没有现代焊接技术的发展，就不会有现代工业和科学技术的今天。焊 接是将两种相同或不同的材质，通过加热或加压或二者并用，来达到原子之间结 合而形成永久性连接的工艺过程。焊接是一种精密、可靠、性价比好、技术含 量很高的材料连接方法。 弧焊技术是现代焊接技术的重要组成部分，其应用范围几乎涵盖了所有的焊 接生产领域。1 8 8 5 年，俄国人别那尔道斯发明了碳极电弧；1 8 9 2 年，发现金属 极电弧，电弧焊接开始应用于工业”1 。用实心焊丝的富氩饱合气体保护电弧焊称 为m a g 焊( m e t a la c t i v eg a sa r cw e l d i n g ) ，是一种重要的电弧焊接方法。 m a g 焊是一种重要的焊接方法，与其他焊接方法相比，其应用广泛，焊接质 量好。可以焊接碳钢、不锈钢、高合金钢等几乎所有金属；焊接过程飞溅较小， 焊滴过渡均匀稳定，焊缝成形美观，焊接过程中对金属的烧损较小并且焊接效率 较高，易于实现焊接的自动化控制，是很有前景的高效化焊接方法”1 。 焊接电源是实现高质量焊接的重要保证。目前，逆变焊接电源以其体积小、 重量轻、高效节能、动态响应快等优点逐渐已成为焊接电源的主导发展产品。近 年来随着市场竞争的日趋激烈，提高焊接生产的生产率、保证产品质量、实现焊 接生产的自动化、智能化越来越得到焊接生产企业的重视。焊接逆变电源正在向 数字化、智能化、高效率、轻污染的方向发展。为适应焊接逆变电源的新发展， 本课题研究设计了基于单片机控制的m a g 焊逆变电源，并对研制电源进行了电 路试验和工艺试验。 1 2 逆变焊接电源的应用与发展 电力电子技术是应用于电力领域的电子技术，具体来说，就是应用电力电子 器件对电能进行变换和控制的技术。逆变焊接电源作为电力电子技术在焊接领域 中应用的产品，其发展也和电力电子技术一样，随着电力电子器件的发展而发 展。自从晶闸管、晶体管( g t r ) 、功率场效应管( m o s f e t ) 、绝缘栅双极性晶 华南理工大学硕士学位论文 体管( i g b t ) 等”3 相继问世以后，世界各国研究者利用逆变原理将这些电力电子 器件用于研制逆焊接电源，分别推出了晶闸管式、晶体管式、场效应管式和 i g b t 式逆变焊机。 2 0 世纪7 0 年代初，美国海运科研部门开发研制出第一台3 0 0 a 晶闸管逆变 弧焊电源，焊接逆变电源从此开始出现。到2 0 世纪8 0 年代，瑞典的e s a b 公 司，美国的l if i c o n 、m i l l e r 、p o w c o l 3 公司，芬兰的k e m p p i ，日本的大半变压 器公司等国际著名的焊接设备公司相继推出了自己的逆变焊接电源产品”1 。 我国从2 0 世纪8 0 年代开始研制逆变电源，1 9 8 2 年华南理工大学研制出一 台z x 7 2 5 0 型逆变场效应管焊接电源。9 0 年代初，我国掀起了一股“逆变 热”，由于对逆变电源的复杂性认识不足，许多厂家蒙受了巨大的损失之后纷纷 倒闭。9 0 年代后期，一些富有远见的企业再一次推出了逆变焊接电源，由于电 力电子技术以及控制技术的进步，逆变焊机的可靠性得到了保证，国内已出现像 时代焊机等一些著名的逆变电源生产j 家，形成了自己的品牌“1 。进入2 1 世 纪，逆变焊接电源的发展趋势为数字化、高效化、智能化、专机化，并将有力推 动了弧焊工艺的发展。 1 3 弧焊工艺的发展趋势及存在问题 随着电力电子技术的不断发展以及日益增长的工业需求，弧焊技术向着弧焊 生产的高效化，弧焊电源的数字化、弧焊过程的智能化以及机器人化方向发展。 焊接电源技术正在与电子技术、计算机技术、信息技术紧密结合，综合利用数字 化和智能化控制技术，使焊接设备从简单的机电设备变成一种高技术含量的产 品，以适应焊接过程的多样性和复杂性。 1 3 1弧焊生产的高效化 工业生产的大量需求，越来越要求焊接生产的高效化。焊接高效化受到重 视，高速焊和和高熔敷率焊得到了快速发展，焊接机械化和自动化程度得到进一 步的提高。 以实现高速度、熔敷率、高质量的焊接工艺为目标，国内外在多丝多弧焊接 工艺、多元气体保护焊接工艺、活性化焊接新工艺等方面开展了广泛而深入的研 究。 传统的弧焊工艺一般采用单电源供电或单焊丝的方式，近年来日本、瑞士、 德国等公司在多根焊丝配以单个或多个电源方面进行焊接开展了大量的研究工 作，在提高焊接生产速度和金属熔敷率方面取得了一些实用化的成果。日本的藤 2 第一章绪论 村告史开发的多丝焊接系统采用电流相位控制的脉冲焊接焊丝，电弧在三条焊丝 上轮流燃烧，可用于角焊缝的高速焊接，焊速可以达到1 8 m m i n 。日本i h h 发 明了双弧焊法，可以进行窄间隙焊接。日本在5 4 届1 1 w 年会上发表的双丝m a g 焊工艺，其原理是用熔池过热多余的热量来熔化填充焊丝，增加熔敷率，同时用 大电流提高焊接速度。在焊接电流大，焊接速度快的施焊条件下，由于填充丝吸 收了热量，母材热影响区热输入大为减少，减少了性能恶化和变形，也改善了焊 缝成形。德国c l o o s 公司开发的适用于中厚板焊接的t a n d e m 高速双丝焊丝设 备，将两根焊丝按一定的角度放在一个焊枪里，两根焊丝分别由各自的电源供 电，可以提高熔敷速度，提高焊接效率，降低了气孔敏感性，改善了焊缝质量。 t a n d e m 双丝焊工艺的焊接速度可达2 6m m i n ，熔敷率约2 0k g h 。1 9 9 8 年，美国k e n t u c k y 大学发明了一种能显著增加熔深的而且成本低廉的双面双弧 焊接工艺( d s a w ) 。d s a w 焊接方法有效地提高了电弧穿透力，增加了熔深。奥 地利f r o n i u s 公司开发的高速g m a 焊接系统，采用两套电源两套送丝系统，送 丝速度、焊接电流、焊接电压及两条焊丝燃弧与短路的相对时序关系均可以分别 控制。采用该系统，用1 2 m m 焊丝焊接2 3 m m 厚铝板时的焊接速度可以达到 2 m m i n 。 国外一些机构在研究高效焊接工艺中逐步提出了活性化焊接技术。近来国内 有关单位在此领域也开展了一些研究工作。把某种物质成分的活性剂涂敷在被焊 件母材焊接区，正常规范下焊接熔深大幅度提高。活性化焊接技术在提高焊接生 产效率方面有显著的效果，活性化焊接技术具有良好的发展前景。 改变保护气体成分可实现高效化焊接。瑞典的a g a 公司通过改变保护气体 成分来提高焊接速度，采用高速送丝、大干伸长和低氧化性气体，焊速可达1 2 m m i n 。奥地利的f r o n i u s 公司代理的专利技术t i m e 焊接工艺，采用大干 伸长来增加熔化焊丝的电阻热，采用0 。、c o 。、h e 、a r 四元保护气体，在连续大 电流区间获得了稳定的旋转射流过渡形式，使焊丝熔敷率较传统的m a g 焊工艺 提高了2 3 倍。 传统的单丝电弧焊很难通过加大电流的方式来提高焊速，要实现稳定的高质 量的高速高效化焊接，必须在增加对母材和焊丝的总能量输入的同时，合理配置 用于形成熔池和熔化焊丝的瞬时功率，即应该在保持足够的对熔池的瞬时输入功 率的前提下，尽可能多地增加用于熔化焊丝的瞬时功率，以提高熔敷效率。多丝 多弧焊接工艺，实质是改变了焊接过程中的瞬时功率分配。多元气体提高焊接速 度的工艺，也是在保证良好的焊缝保护的前提下，增加焊丝熔焊率来实现的。活 性化焊接技术是通过改变表面张力分布来影响熔池金属的流动方式、改变电弧气 氛来影响电弧形态，从而以增加焊缝熔深、改善焊缝成形的途径来提高焊接效率 l t 1 1 3 华南理工大学硕士学位论文 1 3 2 弧焊电源的数字化 随着电子技术和信息技术的进步，弧焊电源向着数字化方向发展。弧焊电源 的数字化包括两方面的内容。一是主电路的数字化，另一个是控制电路的数字 化。电力电子技术的发展为焊接装备的数字化提供了条件。大功率电力电子器件 的出现，使焊机由模拟状态变为工作在开关状态，完成了主电路从模拟到数字化 的跨越。焊接电源的节能效果大大提高，功率损耗大为减少，使得焊接电源的效 率达到9 0 以上。随着工作频率的提高，回路输出电流的纹波更小，响应速度 更快，因而焊机可以获得更好的动态响应特性。同时，因为频率的提高，焊接电 源的体积和重量进一步减小。 控制电路的数字化表现在使用了单片机或者d s p 作为电路的控制核心，使 焊接电源的控制性能进一步改善。 当全部采用硬件电路实现电源控制时，控制电路不仅复杂，而且稳定性、灵 活性都差。当采用单片机或者d s p 作为电路的控制核心时，可在同样的硬件支 持下，利用软件编程，实现不同的控制条件使焊接脉冲参数随着不同的焊接条件 而变化，增加了系统的柔性和适应性，便于操作和精确控制。焊接电源的数字化 是焊接电源今后发展的一个方向。 与传统工频整流电源相比，数字化焊接电源具有十分明显的优点“： 1 高效节能。 2 重量轻、体积小。 3 动态性能好，有利于改善焊机的工艺适应性，有利于实现焊接过程自动 化和智能化控制。 2 0 世纪9 0 年代末奥地利f r o n i u s 数字化焊机进入中国市场，数字化焊机的 发展引起了广泛的关注。数字化弧焊电源具有新的发展方向值得关注： 1 功能方面的拓宽。电源外特性由软件编程灵活控制，容易实现一机多 用，对于自动焊机，可以增加焊接参数预置、记忆与再现等功能。利用精确的数 字控制，采用电子电抗器和波形控制等技术能实现高效气体保护焊，包括高速焊 接和高熔敷率焊接。 2 新的数字化电源适应性强。利用计算机的存储功能和高速、高精度数字 信号处理技术，可以使焊机向多功能化和智能化发展，便于在焊机中引入自适应 控制、模糊控制、神经网络控制等现代控制方法，进行焊接参数的优化、焊接质 量的控制等。 4 第章绪论 3 操作性好。利用单片机或者d s p 的高速计算能力和丰富的外部接口与通 讯能力，在引入模糊控制等智能控制技术的基础上可以实现简单的焊接参数一元 化调整。 4 柔性化开发功能。任务的改变可以通过硬件，也能通过改变软件完成， 因此，可以用一台电源为基础，利用积木方式构成不同类型的焊机。焊接电源的 开发周期短、成本也低。 5 便于升级。同一类型的焊机，功能的改进可以只通过软件设计来实现， 对现今技术更新特别快的时代，可以大大提高焊机的使用寿命和使用范围。“”“1 由于采用了数字化控制技术，焊接电源己不再是单纯的焊接能量提供源，还 应具有数字操作系统平台、多特性适应调整、送丝驱动外设及接口、焊接参数动 态自适应调整、过程稳定质量评定、保护及自诊断提示以及远程网络监控、生产 质量管理等功能，焊接电源的概念实际上已拓宽为焊接电源系统。数字化焊机在 国内的研究仅处于实验室阶段，数字化焊机凭借无与伦比的强大优势，必将成为 焊接设备的主流。 1 3 3 弧焊过程控制的智能化 焊接技术是基于多学科交叉融合的产物，随着现代科学技术的不断进步，必 将推动焊接技术更新发展。新的计算机技术、控制理论、人工智能等信息科学领 域的新进展将使焊接工艺推进到自动化、机器人化和智能化的新阶段，将对焊接 工艺产生革命性的变革。 智能控制的特点是不依赖于或不完全依赖于被控制对象的数学模型，而是主 要利用人的操作经验、知识和推理技术以控制系统的某些信息和性能得出相应的 控制动作“。焊接控制过程的智能化主要表现在模糊控制、神经网络、专家系 统在焊接中的应用。就实现技术而言，焊接智能化技术包括采用智能化途径进行 焊接工艺知识、焊接设备、传感与检测、信息处理、过程建模、过程控制器、机 器人机构、复杂系统集成设计的实施，可见焊接智能化技术是综合的系统集成技 术。 要实现弧焊过程的智能化，传感技术是关键环节之一。视觉传感在焊接中的 应用包括离线确定被焊工件的位置：焊接过程控制中的焊接接头和熔池几何形状 的实时传感；熔滴过渡形式的监测等。由于焊接过程中是一个飞溅、烟尘、强弧 光的环境，视觉传感很难反映焊接过程中的有效信息，利用小波分析技术提取熔 池边缘和焊缝的有效信息，为焊接的自动控制以及智能化提供了有力的基础。文 献1 7 1 9 利用小波分析的焊接图像处理算法，研究了熔池边缘和焊缝位置的小 波检测方法及算法实现，对边缘检测结果进行了分析。8 0 年代中期，国外开始 5 一 华南理工大学硕士学位论文 研究模糊往制在焊接中的应用，取得了较好的成果。d i m i t e r 采用模糊控制描述 弧焊机器人工作状况。m u r a k a m i 研制了基于模糊控制的焊缝跟踪控制系统，该 系统可以根揭焊枪的位置同焊丝与工件距离间的关系判别焊点的水平和垂直位 移，并确定调整量和控制量。国内从2 0 世纪9 0 年代初开展了这方面的研究工 作，1 9 9 2 年，哈尔滨工业大学工滨利用模糊控制进行了弧悍机器人的参数规划 工作；华南理工大学对机器人波控c o 。高速焊模糊控制进行了研究”o3 ；此外，西 北工业大学、清华大学等高校的一些学者的对模糊控制在焊接中的应用进行了研 究，并取得了一些重要成果。 进入2 0 世纪9 0 年代以来，国内焊接界人工智能的研究也逐步兴起，华南 理工大学李迪等人对基于a n n 技术的焊接质量控制进行了研究，针对g t a w 工艺 建立的焊接过程的静态模型和动态模型，实现了对g t a w 焊接过程散热条仲急剧 变化情况下对f 面熔宽的智能控制。“。焊接领域专家系统的开发研究始于8 0 年 代中期，美、英、日等国都开展了这方面的研究工作。国外开发的焊接专家系统 主要涉及工艺设计或工艺选择，焊接缺陷或设备故障诊断，焊接成本估算，实时 监控，焊接c a d 等，几乎包括了焊接生产的所有主要阶段及主要方面。英、美 已有很多商品化的焊接专家系统。目前就总体水平来看，世界各国焊接领域中， 专家系统的应用已开始从研究阶段和试用阶段向商品化阶段迈进。”2 2 4 1 国内焊 接专家系统研究始于1 9 8 8 年，南昌航空工业学院的焊接方法选择焊接专家系 统。哈尔滨工业大学、清华大学、天津大学、甘肃工业大学、天津焊接研究所等 单位都先后进行了焊接专家系统的开发。在焊接专家系统方面研究已逐步走向成 熟，部分系统已经商品化。 1 4 本研究课题的背景及意义 随着国际制造领域竞争的加剧，实现弧焊生产的高效化、弧焊电源的数字化 以及弧焊过程的智能化是焊接技术的发展趋势。双丝或多丝高速焊新工艺及其电 源设备已成为国外的研究热点，最近也引起国内一些研究机构的关注。 m a g 焊采用富氩活性混合气体( a r + c o 。+ o 。a r + c o 。a r + o 。) 作为保护 气，使用m a g 焊工艺与c o 。焊相比金属烧损少、飞溅小、焊缝表面质量好、焊缝 综合机械性能好、成形好、综合成本低；与m i g 焊( m e t a li n s e r tg a sa r c w e l d i n g ) 相比，气体成分中加入活性成分有利于稳定阳极斑点、提高热输入、 改善焊缝成形和熔滴过渡、有利于焊接过程稳定，m a g 焊是一种高效的气体保护 弧焊工艺，兼有c 0 。焊热效率高、电弧挺度好和熔深大的优点，同时又具有m i g 焊毪溅少、焊接过程较稳定的综合优势。同时，可以通过改变保护气体的配比来 6 一 第一章绪论 形成不同的焊接工艺，广泛应用于薄板焊接、全位置焊、碳钢、合金钢以及有色 金属的焊接等。 m a g 焊是一种适应高效化焊接的弧焊工艺。通过采用多丝焊、优化焊丝保 护气组合、提高电弧功率、增加干伸长等方法可提高m a g 焊的效率。由于高速 焊研究历史较短以及研究手段的限制，人们对双丝m a g 焊机理、过程控制规律 的认识不深，最近国际市场上出现的某些双丝m a g 焊设备还存在焊接过程不稳 定、规范参数难以匹配等问题。 m a g 焊逆变电源适应了弧焊电源数字化的发展要求。高效化的m a g 焊需要高 效率的电源设备，随着大功率电力电子器件的推出，逆变电源本身实现了功率电 路的数字化，以提高效率和动态响应性能；同时，对控制电路的数字化也提出了 要求，数字化的电路实现了快的响应能力以及抗干扰性能，同时，利用m c u 以 及d s p 对m a g 焊电源进行控制，依靠软件编程，可以实现所需的弧焊电源特性 曲线以及电源的柔性化。文献2 5 2 8 从m a g 焊模型的建立到设计表明数字化逆 变电源技术已经得到了焊接领域的重视。 在弧焊过程的智能化方面，在m a g 焊的视觉跟踪和熔透控制中，c c d 所捕获 的熔池图象必然会有飞溅颗粒形成的点噪声和线状噪声，烟尘和弧光则使图象边 界变得模糊不清，它为后续图象处理带来了很大困难”1 。作者所在课题组应用 小波分析对图像进行处理，取得了一系列成果。本课题组在研究弧焊质量的跟踪 和熔透控制迫切需要配有通讯接口的数字化电源，因此，开发数字化的m a g 焊 逆变电源，并与图像处理技术相结合，是实现焊接质量智能控制的有效途径。 基于上述原因，开发基于单片机的m a g 焊逆变电源，既可满足课题组进一 步研究工作的需要，也顺应了弧焊生产的高效化、弧焊电源的数字化、弧焊过程 的智能化的发展趋势，具有重要的研究和应用价值。本研究作为广东省自然科学 基金项目( 项目编号：0 4 0 2 0 1 0 0 ) 的子课题，通过对p i c 单片机控制的m a g 焊 逆变电源的研究和开发，取得阶段性成果，并为后续焊接质量智能控制提供软硬 件基础。 1 5 本研究课题的主要内容 本课题的主要内容是在研制焊接小波分析系统的基础上，开发出一台基于单 片机控制的m a g 焊逆变电源，并对研制焊接电源进行电路调试和工艺试验。 1 设计m a g 焊逆变电源的主电路。优化主电路参数选取，改进电路结构， 使主电路合理，应用可靠。 2 设计m a g 焊逆变电源的控制电路。咀p i c l 6 f 8 7 7 单片机为控制核心，集 中对电源系统进行控制。 华南理i ：大学硕士学位论文 3 利用本人所研制的焊接小波动态分析仪系统，对焊接电源进行试验分 析，在此试验的基础上，提出m a g 焊逆变电源的控制思想，设计焊接电源的软 件系统。 4 设计数字化送丝系统，使送丝过程稳定、效率高、响应速度快，送丝速 度范围宽、适应高效化焊接的需要。 5 对系统的电磁兼容性进行设计，分析m a g 焊逆变电源中电磁干扰的产生 的来源，并在此基础上，提出解决的措施。 8 第二章m a g 焊逆变电源系统设计 2 1 概述 第二章m a g 焊逆变电源系统设计 m a g 焊电源是m a g 焊焊接系统装备的核心部分，随着现代电力电子器件，微 电子技术以及控制技术的发展，逆变焊接电源以其性能优越、高效率、节能、体 积重量小、成为新一代焊机的发展主流。本研究设计了基于单片机控制的m a g 焊逆变电源，图21 是设计m a g 焊电源系统组成图。 图2 1m a g 焊电源系统组成图 f i g 2 - 1t h es k e t c ho ft h em a gw e l d i n gi n v e r tp o w e rs y s t e m m a g 焊逆变电源系统由逆变主回路、p w m 控制驱动电路、p i c 单片机控制系 统、送丝送气系统等组成。逆变主回路为焊接电弧负载提供能量，电弧负载是一 个时变的非线性负载，因而需要由控制电路对主电路进行控制，为焊接电弧提供 时变非线性的能量。本研究中整个m a g 焊逆变电源系统由p i c 单片机集中控 制，单片机通过采样给定信号以及反馈的电弧负载的电流、电压信号，进行算术 9 一 华南理1 大学硕士学位论文 及逻辑运算、输出控制量，控制逆变主回路中电力电子器件，构成闭环控制系 统；同时，p i c 单片机系统还对送丝、送气等系统进行控制。 本课题设计了以单片机为控制核心的m a g 焊逆变电源焊接系统，开关频率 为2 0 2 5 k h z ，输出空载电压6 5 v 左右，最大输出电流3 0 0 a 。在殴计过程中对 如下几点进行了考虑： 1 主回路设计高效、安全、可靠。重点考虑了功率开关管的选取，逆变主 回路的拓扑结构，逆变频率的确定，功率变压器以及次级整流电路的设计。 2 在控制电路设计中，考虑单片机能有效地控制电源系统，反馈电路可准 确地提取电弧电压信号，d a 、a d 转换以及信号传递过程中的调理等。保证控 制的实时性以及快速的动态响应。选择单片机要从其数据的处理速度、控制性 能、性价比等方面综合考虑。 3 借助焊接电弧动态小波分析仪系统对焊机性能进行分析，总结出焊接过 程的特性，优化焊接过程控制方法。尽量使焊接过程起弧顺利、过程稳定以及合 理的收弧过程。 4 对送丝系统，除保证其快速的动态响应性能以及送丝平稳等要求外，还 要使其速度可调范围宽、结构简单可靠以及有高的效率。 2 2 逆变主电路及驱动电路设计 2 2 1逆变主电路的设计 逆变焊接电源的常用拓扑结构有单端、半桥、全桥等”。单端电路只需一 个功率开关器件，控制简便，可靠性容易得到保证，磁芯利用率低，不宜实现大 功率输出。半桥电路有很强的抗不平衡能力，适合中等功率逆变焊机。全桥电路 使用较多的开关管，所需要的控制电路也比较复杂，但是这种拓扑电路能获得较 大的容量。因此，本课题选用了全桥逆变拓扑结构。选用绝缘栅双极性晶体管 ( i g b t ) 作为功率开关器件。i g b t 综合了m o s f e t ( 功率场效应管) 和g t r ( 功 率晶体管) 的优点，具有开关速度快、导通压降低、输入阻抗高、容量大、耐压 性好、安全工作区宽、控制灵活等优点。设计过程中选用i g b t 开关管型号为 b s m 7 5 g b l 2 0 d n 2 ，额定电流7 5 a 、耐压1 2 0 0 v 。图2 2 为逆变主电路原理图。 1 0 第二章h f a g 焊逆变电源系统设计 鬻_ i 上o , 1 上科o o l - - 5 # = 图2 2逆变主电路原理图 f i g 2 2t h es c h e m a t i c so ft h ei n v e r t e rm a i n c i r c u i t 逆变主电路工作过程为：三相工频3 8 0 v 交流电经全桥整流、滤波后成平滑 直流电，送到i g b t 全桥逆变器进行d c a c 变换，经过功率变压器进行降压、隔 离，然后由变压器次级整流、滤波输出，为焊接电弧负载提供所需能量。 2 2 1 1 逆变频率的选择 逆变频率的选择与逆变电源的体积大小、动态性能有很大关系，是设计焊接逆 变电源关键参数之一。主电路控制采用脉宽调制( p w m ) 控制方式，其脉冲电压的频 率不变，这样可以依照频率进行功率变压器和滤波电路的设计，通过改变逆变器开 关脉冲的脉宽来调节工艺参数，脉宽越大，则工作电压也越大。理论上讲，逆变频 率越高焊接逆变电源的体积和重量就越小，同时可以提高电源的动态响应速度；但 是，逆变频率的提高会增加功率电子器件的开关损耗，以及影响系统的电磁兼容性 能，因此逆变频率的选取需综合考虑。 1 逆变频率对功率变压器和输出电感的影响 对于功率变压器，设计公式见( 2 1 ) 。“： u = 4 归n s ，1 0 ( 2 1 ) 式( 2 - - 1 ) 中：u 为输入电压，单位为v ；f 为逆变频率，单位为h z ：b 为 磁感应强度，单位为g s ；n 为变压器的绕组匝数；只为有效截面乘积，单位为 c m 2 。 而功率变压器的重量、体积又决定于绕组匝数和铁心s ，的乘积n s 。 n x s 。2 渤x 1 0 8 ( 2 1 ) 。4 ，丑 。 华南理工大学硕士学位论文 当其他条件不变时，频率提高可以大幅度减小n s ，的值，即可以大大减小变 压器的体积，减少焊接电源的重量。这是焊接逆变电源体积小、重蹙轻的原因， 如果进一步提高逆变频率，焊接逆变电源的体积和重量就会进一步减小。 逆变电源的输出电感也与逆变频率直接相关， a i l = 鲁( 1 _ 。皿= 等卜姐等( 2 - - 3 ， 结合电流连续临界条件4 = 刀，可得： l 蛆：旦三( 2 4 ) o 8 f 。8 f 。t 式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 中厶为输出电感，以为逆变器中次级等效输入直流电 压：厶，。为最小连续电流的平均值；为次级开关频率。 在次级等效输入直流电压和最小连续电流的平均值一定的前提下，逆变器中 输出电感的最小值与次级开关频率成反比。因此，逆变器的输出电感也因频率的 提高而大为减小，从而可以减小焊接电源的体积和重量，电源的动特性也得到了 提高，但是，提高逆变频率会增加输出电抗的高频损耗。 2 功率开关管的损耗 对于逆变焊接电源来说，i g b t 工作在开关状态，其功率损耗可以表示为： p = 只+ p o 。+ p ，+ e o g ( 2 5 ) 式( 2 5 ) 中p 为一个周期内i g b t 的总的功率损耗，p 。为开通损耗，只。为导通 损耗，只为关断损耗，为截止损耗。在频率较低的状态下，功率损耗主要以 导通损耗和截止损耗；随着逆变频率的提高，开通损耗和关断损耗将不断增加， 在高频状况下的功率损耗以开通和关断损耗为主。因此，随着逆变频率的提高， 开关管i g b t 的损耗也将增大。 此外，逆变电源频率的提高可以改善焊接电源的动态性能，但是不利于系统 的可靠性及电磁兼容环境。综合以上因素，本研究设计逆变为2 0 2 5 k h z 。 2 2 1 2 功率变压器的设计 磁芯材料选择对功率变压器设计十分重要，在提高频率的情况下，对功率变 压器磁芯材料的主要要求是饱和磁感应强度高、电阻率较大、居里点高、温度系 数小、能量传递效率高。功率变压器工作在超音频状态，涡流损耗和磁滞损耗都 比较大。常用磁芯材料有铁氧体、非晶态合金等。铁氧体是铁和其他金属元素的 复合氧化物，价格相对较低，制造工艺成熟，电阻率极高，具有非常小的高频损 1 2 第二章m a g 焊逆变电源系统设计 耗，可用于2 0 1 0 0 k h z 的逆变频率，但其力学性能较差，容易脆断，给产品设 计带来一定的困难。非晶态合金在微观结构上具有“短程有序，长程无序”的结 构，具有磁通密度高，温度系数好，矫顽力小的优点，但是其价格高，高频下的 结构模型、设计工艺、发热损耗等方面的问题还需要进一步的探索，被认为是未 来变压器磁芯的理想材料”。因此本研究选用u 9 6 铁氧体磁芯。 功率变压器设计时，应首先考虑变压器变比。不考虑变压器的漏磁以及变压 器损耗，变压器变比确定如式( 2 6 ) 所示。 n p ：u i n ( m i n ) ( 2 6 ) n u 。 式( 2 6 ) 中n ，、n ，表示初级、次级匝数；u 叭。m 表示电网电压波动时允许的 初级最小电压；u 表示功率变压器次级电压。 功率变压器变比确定后，可以先计算变压器初级匝数，然后根据变比和初级 匝数确定次级匝数。根据变压器公式，初级绕组可以由下面公式( 2 7 ) 确 定。 驴筹 沪， 式( 2 7 ) 中n ，表示功率变压器初级匝数；u 咖。) 表示电网电压波动所允许的 初级最大电压；，表示逆变频率；b 。表示磁芯工作磁通密度；s ，表示有效的磁 芯截面积。 2 2 2 p w m 控制及驱动电路设计 p w m 控制电路的作用是向驱动电路提供两路脉宽可调的占空比相等、相位相 筹1 8 0 。的p w m 控制信号。除了相位外，这两路脉冲信号其他参数完全相同，并且 脉宽可以调节控制。驱动电路是将p w m 控制信号进行隔离、传递、变换成功率 电子器件i g b t 的驱动信号，控制i g b t 的开灭工作状态，从而对主电路逆变器 进行控制。p w m 控制电路设计还应该考虑功率器件的保护、软启动、死区时间设 定等功能。奉研究中选用s g 3 5