（材料加工工程专业论文）智能型晶体管式弧焊电源.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 由于弧焊电源是一种特殊电源，其性能直接影响电弧的稳定性及其焊接工艺 性能。因此为了不断提高各种弧焊方法的技术水平和工艺水平，国内外均努力研 究新的焊接方法以及努力提高现有焊接方法的控制水平和技术水平。但在上述研 发过程中，为了验证所提出的新型外特性曲线以及新型控制方法，花费了大量的 人力物力。另外定型产品由于其外特性曲线及其控制性能已经确定，往往难以适 应新型焊接材料和新型焊接工艺对弧焊电源的新要求。 论文介绍的智能型晶体管式弧焊电源，是以工业控制计算机作为控制核心， 控制工作在放大状态下的大功率晶体管组，通过反馈控制来实现所预制的外特性 输出。该弧焊电源属于一种多功能弧焊电源，能够任意设置外特性曲线形状及参 数并且能够任意设置其响应速度，具有一定的自适应控制功能，它可以为弧焊电 源的研发以及为新型焊接材料和新型焊接工艺的研发提供一种试验手段。 本文采用模拟式晶体管弧焊电源主回路结构，即大功率晶体管组工作在放大 状态，实现对输出电流的精密调节与快速控制。该大功率晶体管组与控制系统构 成“智能型晶体管式弧焊电源 ，不仅能够满足不同材料不同焊接工艺对弧焊电源 功能与特性的不同要求，并且由此还可以构建成能够满足不同实验要求的多功能 实验平台。本文采用硬件电路通过电流负反馈和电压负反馈控制来实现预置的恒 流、恒压外特性区段的输出，并且以自行研制的由大功率晶体管组构成的“压控 电阻”作为调整单元，输出一定斜率的下降外特性区段，工控机则对上述硬件系 统的三种工作模式进行测控。为了实现系统的压控电阻作为调节器的相应功能， 以及实现恒流及恒压控制，本文拟采用脉宽调制型控制器t l 4 9 4 作为硬件系统的 控制核心。 在基于c 语言的l a b w i n d o w s c v i 开发平台上开发成功了本系统的测控软件。 通过检测和判断所预制的电流电压的门限值，对所输出的外特性曲线进行实时控 制，并实现预制的恒流外特性区段、恒压外特性区段和具有一定斜率的外特性区 段之间的动态切换，不仅能够实现所预制的外特性曲线输出，还具有一定的“自 适应控制 功能。为了模拟和调节整机的响应速度( 即动特性) ，本文还设置了时 间延迟功能，即当满足条件后，系统延迟一定时间才输出下一区段的外特性曲线， 为摸索不同焊接工艺对焊机动特性及焊接工艺性能的不同要求提供一种实验手 段。 关键词：晶体管式弧焊电源，计算机控制，压控电阻，外特性曲线 重庆人学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t a sas p e c i a lk i n do fw e l d i n gs o u r c e ，t h ec a p a c i t i e so fa r cw e l d i n gs o u r c ec a n d i r e c t l ya f f e c tt h es t a b i l i t yo fw e l d i n ga r ca n dt h ec a p a c i t yo fw e l d i n gc r a f l w o r k i n o r d e rt oi m p r o v et h et e c h n i c a la n dc r a f t w o r kl e v e lo fa r cw e l d i n gm e t h o d s ，m a n y c o m p a n i e sa n di n s t i t u t e ss p e n dm u c hm a n p o w e ra n dm a t e r i a lr e s o u r c ei nw o r k i n g o v e r n e wk i n d so fw e l d i n gm e t h o d sa n di m p r o v i n gt h ec o n t r o la n dt e c h n o l o g yl e v e li n e x i s t e n c e b u tt h a ti sc o s t l y , f o rm a n yr e p e a t e dw o r kn o to n l ys l o w ss t u d yr a p i d i t yb u t a l s ow a s t e sal o to fr e s o u r c e w h e no u t e rs p e c i a l t yc u r v ea n dc o n t r o lc a p a b i l i t yo ft h e f i n a l i z i n gt h ed e s i g np r o d u c th a v eb e e ne n s u r e d ，w h i c hm a k e si td i f f i c u l tt oa d j u s tt o n e wk i n do fw e l d i n gm a t e r i a la n dt e c h n i c s ，t h ed e v e l o p m e n to fn e wk i n do fw e l d i n g m a t e r i a la n dt e c h n i c si sr e s t r i c t e dt oad e g r e e t h ei n t e l l i g e n tt r a n s i s t o rw e l d i n gs o u l c ew i t hs e l f - a d j u s t i n gi si n t r o d u c e di nt h e p a p e r , i ti s ak i n do fm u l t i f u n c t i o ns o u r c et h a tc a ns e tt h es h a p e sa n dp a r a m e t e r so f o u t e rs p e c i a l t yc u r v ea n dr e s p o n s es p e e da tw i l l ，t h es o u r c ec a np r o v i d eap o w e r f u l e x p e r i m e n tm e t h o df o r t h ed e v e l o p m e n to fn e w k i n do fw e l d i n gm a t e r i a la n dt e c h n i c s t h et e s t b e du s e st h ei n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e ra si t sc o n t r o lc o r et oc o n t r o l h i g h - p o w e rt r a n s i s t o rg r o u pa n dc o n t r o lt h eo u t p u to f a r cw e l d i n gw i t hc l o s e df e e d b a c k s oi tm a k e ss e n s ei nt h e o r ya n di np r a c t i c a l i t y i nt h eh a r d w a r ed e s i g n ，t h et e x ta d o p t sm a i nc i r c u i ts t r u c t u r eo fs i m u l a t i v e t h a t i st os a y , h i g h p o w e rt r a n s i s t o rg r o u pi na m p l i f i c a t i o ni sa b l et oa d j u s ta n dc o n t r o l c u r r e n t s ot h ei n t e l l i g e n tt r a n s i s t o rw e l d i n gs o u r c ei sm a d eo fh i g h - p o w e rt r a n s i s t o r g r o u pa n dc o n t r o ls y s t e m i no r d e rt oa d v a n c et h er e s p o n s es p e e do ft h ei n d u s t r i a l c o n t r o lc o m p u t e r ，w eu s e sh a r d w a r ec i r c u i tt oo u t p u tt h ep r e f a bo u t e rc h a r a c t e r i s t i c s e c t so fc o n s t a n tc u r r e n ta n dv o l t a g eb yc u r r e n tf e e d b a c ka n dv o l t a g ef e e d b a c k t h e r e s i s t a n c ec o n t r o l l e db yv o l t a g ei sm a d eo fh i g h - p o w e rt r a n s i s t o rg r o u p ，a n di t i s l o o k e da saa d j u s t i n gc e l lt oo u t p u ts o m ed e s c e n d i n gs l o p eo u t e rc h a r a c t e r i s t i cs e c t ， a n dt l 4 9 4b e c o m e sc o n t r o lc e n t e r d e t e c t i n ga n dc o n t r o l l i n gs o f t w a r ei se x p l o i t e do n b a s i so fc b yl a b w i n d o w s c v i t e s t b e d t h ew a v ef o r mc o n t r o l st h eo u t e rc h a r a c t e r i s t i cw i t hr e a lt i m eb yd e t e c t i n g a n dj u d g i n gt h ei n i t i a l i z a t i o no ft h ec u r r e n ta n dv o l t a g e ，t h e no u t p u t st h ep r e f a bo u t e r c h a r a c t e r i s t i cs e c to fc o n s t a n tc u r r e n t 、v o l t a g ea n ds o m es l o p e i no r d e rt os i m u l a t ea n d a d j u s tr e s p o n s es p e e d ，w h i c hi sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ，t h ef u n c t i o no f t i m ed e l a yi s i i 重庆人学硕士学位论文 英文摘要 s e t t i n g w h e ns y s t e mw o u l do u t p u tt h en e x to u t e rc h a r a c t e r i s t i cc u r v es e c t , i ti sa b l et o d e l a ys t a t e dt i m e k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n tt r a n s i s t o rw e l d i n gs o u r c e ，c o m p u t e rc o n t r o l ， v o l t a g ec o n t r o lr e s i s t a n c e ，o u t e r c h a r a c t e r i s t i cw a v e i i i 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及取 得的研究成果。据我所知，除了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，也不包含为获得重废盔堂 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谢意。 学位论文作者签名： 慕为兹 签字日期： 杪乒年月 e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重迭盔堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重迭太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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密( ) ，在生年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ) 学位论文作者签名： 镰磊砍 签字日期：伽铲年箩月；l e t 导师签名：钔l 呐与 签字日期：如- 0 9 - 年r 月，f 日 重庆大学硕士学位论文 l绪论 1绪论 1 1 问题的提出 弧焊电源是一种特殊电源，它与普通电源的根本不同之处就在于它是为焊接 电弧这种特殊负载供电的i l 】。众所周知，焊接电弧虽然属于一种电阻性负载，但是 在实际焊接过程中，由于伴随着熔滴过渡、频繁的起弧熄弧以及由于焊工为了确 保焊接质量而不断变化操作手法等复杂情况，因此电弧负载不断经历着由空载到 短路、短路到负载、负载到短路、短路到空载等频繁的变化，因此导致了电弧这 种特殊负载无论是电弧形态、电弧的导电率以及电弧的伏安特性曲线均不是一个 常量，并表现为： 焊接电弧是一种具有热惯性的非线性的负载元件。 电弧电流往往存在着大范围的变化，电弧电压呈现出多值性的特点，或者 电弧电压存在着大范围的变化时，电弧电流也同样呈现出多值性的特点。 由于电弧处在动态过程中，电弧的瞬态电阻也在不断的改变【2 】。 为了保证焊接过程的顺利进行，以及保证具有优良的焊接工艺性能和保证获 得优良的焊接质量，对弧焊电源这种特殊电源在电源的静特性、调节特性以及动 特性等方面都提出了越来越高的要求，特别是随着新型焊接材料不断涌现，以及 为了提高焊接工艺水平、焊接质量、焊接效率和为了适应新型焊接材料的有效焊 接所发展出来的各种不同新型焊接方法，弧焊电源这种特殊电源不断发展了与其 特性相适应的各种控制方法，即波形控制法1 3 巧j 。 1 8 8 5 年俄国人别那尔道斯发明碳极电弧，使电弧作为一种高效热源进行工业 应用提供了一种全新的手段。1 8 9 2 年出现了金属极电弧，特别是1 9 3 0 年前后出现 的薄皮和厚皮焊条，尽管该类焊条属于酸性焊条，并且无论从焊接工艺性能还是 从焊接质量上来讲均未达到稳定和成熟的程度，但它仍然使得电弧焊作为一种实 用的焊接方法得以在工业上应用。随着钢铁工业的发展不断出现了低合金高强钢 以及高合金钢，为了解决这一类钢结构的焊接接头的低温冷却问题，又发展出了 系列低氢焊条，即碱性焊条。为了提高钢结构的焊接效率，特别是长直焊缝的焊 接效率，1 9 3 5 年苏联人发明了埋弧焊【6 】。为了进一步提高钢结构的焊接质量，以 及为了解决铝合金的可焊性问题，二战前后又出现了一种全新的焊接方法t i g 焊。1 9 5 3 年出现的c 0 2 掣7 l ，对于降低低碳钢及低合金钢的焊接成本提高焊接效 率，特别是解决薄板焊接问题起到了重要作用，并且得到了迅猛发展。 而电弧焊设备根据较为准确的资讯认为主要是以美国米勒公司研发的直流弧 焊发电机为开端，该类型的焊机在当时属于一种高新技术，主要是美国米勒公司 重庆大学硕士学位论文 l绪论 等具有实力的公司才能生产，并且价格昂贵。美国米勒公司的一个技师提出研发 结构简单价格便宜的弧焊变压器来实现手工电弧焊，但这一建议并未被采纳，因 此该技师成立了自己的公司，即美国林肯公司。该公司自行研发和生产系列弧焊 变压器，以满足象农场主这一类小客户对于农机等设备维修的需要。由于早期的 电焊条主要是酸性焊条，因此上述两家公司生产的焊机均具有良好的焊接工艺性 能。但是碱性焊条问世以后，由于弧焊变压器难以满足碱性焊条对弧焊电源焊接 工艺性能的要求，因此碱性焊条主要采用弧焊发电机这类直流焊机来进行焊接。 随着半导体技术的迅猛发展，特别是大容量整流二极管的出现，焊接界研发 出来了一系列硅弧焊整流器，其重要目的之一就是试图取代价格昂贵、体积大、 重量重、效率低的弧焊发电机。但由于该类直流焊机焊接工艺性能远低于弧焊发 电机，因此主要用作氩弧焊和等离子焊等非熔化极气体保护焊电源。 大容量可控硅这种半控型电子器件在电子器件的发展史中，具有里程碑的意 义，它的研发和生产为电力工业带来了革命性的进步。由于可控硅具有相当高的 响应速度及较好的可控性，因此该类器件一经推出就迅速在弧焊电源中得到了应 用，并研发出了系列可控硅弧焊整流器，目前典型的两类产品是日本的o t c 系列 和国产的z x 5 系列【8 】。由于可控硅弧焊整流器具有较好的动特性和焊接工艺性能， 并且体积、重量和造价大大降低，效率大为提高，因此在一定程度、一定范围和 一定领域内部分取代了弧焊发电机，根本打破了碱性焊条焊接时主要采用直流弧 焊发电机作为焊接电源的局面，是焊接设备发展史中的一个重要里程碑。但由于 可控硅弧焊整流器在小电流段动特性较弧焊发电机差，因此弧焊发电机在一个相 当长的时间内仍占有主导地位。直至2 0 世纪8 0 年代末，我国相应的主管部门才 下发文件，并明令禁止生产电动机驱动的弧焊发电机，并努力推广使用高效节能 的可控硅弧焊电源。 随着半导体工业的发展特别是大功率晶体三极管的发明和制造工艺水平的提 高，功率型晶体三极管迅速应用于焊接领域，并研制成功了模拟式和开关式晶体 管弧焊电源。特别是模拟式晶体管弧焊电源，由于在本质上是一个带反馈的大功 率的放大器，具有良好的响应速度( 响应速度可达微秒) 和动态指标，可以在很 宽的频带( o - - 3 0 k h z ) 内高精度地输出任意波形的电流，因此该类电源属于一种 控制精度高、响应速度快、控制性能最优的弧焊电源i l 】，为探索新的焊接工艺及焊 接方法，特别是能够实现多种焊接电流波形的控制，因此一经推出就首先用作一 种研究平台和研究手段，用以提高焊接工艺、焊接方法及焊接设备的研发水平。 但由于该类电源造价昂贵，并且模拟式晶体管弧焊电源的晶体管组是工作在放大 状态，效率很低，因此该类电源主要是应用于航空航天等领域的重要构件的焊接。 8 0 年代初期出现的逆变式弧焊电源则是一种技术含量极高可控性较好的一种 2 重庆大学硕士学位论文l绪论 新型弧焊电源，其工艺性能较可控硅式弧焊电源大为提高，是一种极具潜力和代 表弧焊电源技术发展方向的弧焊电源。 8 0 年代中后期，我国的石油管道建设行业得到了迅猛的发展，这是与我国的 能源战略相适应的。由于管道焊接属于野外及无电源地区的焊接作业，工人劳动 强度极高。为了提高管道焊接生产率，降低工人劳动强度，节约工期的需要，我 国引入了纤维素焊条立向下焊打底这种新工艺，取代低氢焊条上行焊的传统工艺， 使我国的石油管道焊接水平上了一个新台阶。 由于纤维素焊条是一种工艺性能较差的焊条，并且其熔滴过渡形式较为复杂， 因此在该工艺使用的初期，仅有美国林肯公司生产的柴油机驱动的弧焊发电机才 能胜任，而我国任何生产厂家所生产的焊机包括逆变焊机均无法满足纤维素焊条 立向下焊工艺对焊接设备工艺性能的要求。由于美国林肯公司生产的柴油机驱动 的弧焊发电机体积大、重量重、价格昂贵，因此我国的焊机生产厂家均投入了大 量的人力物力来提高焊机的焊接工艺性能，以适应纤维素焊条立向下焊工艺对焊 接设备工艺性能的要求。其中北京时代、成都雄谷、成都皮克、成都马瑞等公司 生产的逆变焊机能够满足基本要求，而其它数百家逆变焊机生产厂家由于无法深 入理解纤维素焊条立向下焊工艺对焊接设备工艺性能的要求，难以搞清楚焊工所 谈到的推力小、容易粘条、容易断弧、飞溅过大、电弧不柔和、电弧的操作性太 差等诸多工艺上的要求与焊机改进工作相关的技术问题，因此所生产的逆变焊机 主要用于普通焊条的焊接，这也是弧焊电源的研发与普通电源研发的一个重要差 别，决定了新型弧焊电源的研发具有投入大、见效慢、工艺性能不容易满足实际 要求的一个重要特征t 9 d 1 1 。 美国林肯公司于8 0 年代中后期推出的自保护药芯焊丝半自动焊，属于一种高 效高质量的石油管道填充和盖面焊的一种新型焊接工艺【l2 1 。由于自保护药芯焊丝 半自动焊对焊接设备的工艺性能的要求更高，目前国内仅成都雄谷、成都马瑞、 重庆运达等少数几个公司能够生产，其中成都雄谷、成都马瑞等厂家采用的是逆 变电源技术。 西气东输这类国家级的重点工程，其主管线的焊接施工作业为了确保工期和 焊接质量，采用全球招标的方式采购设备。由于我国自行生产的焊接设备无论是 从工艺水平、工艺性能还是从焊接自动化程度上看均不能满足其要求，因此西气 东输主管线的焊接施工则主要采用了美国林肯公司近年来推出的s t t 法自动焊设 备进行焊接【1 3 , 1 4 j 。 s t t 法是一种典型的波形控制电弧焊方法，由于对电弧焊过程实行了自适应 控制，获得了比普通c 0 2 焊焊接质量高得多的焊接质量和以普通手弧焊高得多的 焊接生产率【1 5 , 1 6 j 。 重庆人学硕士学位论文 1绪论 上述实践表明，新型有效的弧焊电源的研发以及新功能的拓展均是采用了高 级焊工与强有力的研发队伍相结合的策略，并且研发队伍与高级焊工能够有效沟 通。为了提高整个行业的技术水平和研发水平，很多高校及其科研院所均提出了 有价值有创意的技术方案，并且给出了实际的试验结果。但由于电弧过程的复杂 性，往往很多辛辛苦苦研发出来的试验装置由于存在着种种问题而无法满足实际 焊接施工的需求，特别是难以满足焊工对焊接设备工艺性能的要求，因此造成了 不小的人力物力及其时间的浪费。特别是难以全面及快速地摸清楚新型焊接工艺 对焊接设备工艺性能的要求及量化指标。因此研发一种能够任意设置外特性曲线 形状、任意设置响应速度并且具有波形控制预制功能的试验平台，具有理论意义 和实用价值。 1 2 国内外现状综述 综上所述可以看出，目前国内外对于弧焊设备研发的一个主流趋势是以控制 性能较为优良的逆变电源作为焊接电源，根据实际或研究的结果对其进行外特性 曲线的控制和适当的波形控制，以获得或提高某些方面的性能指标，或者获得一 种更为新型有效的控制方式【l7 1 8 j 。 文献f 1 9 】介绍了一种逆变弧焊机电弧推力自适应控制系统，其目的是为了解决 焊机所输出的“恒流+ 9 1 - 拖”外特性曲线的外拖拐点电压为定值时所存在的问题，即 解决当焊接电缆过长时，由于电缆压降过大导致对应电弧电压的实际拐点过低所 出现的推力减弱现象，而当焊接电缆过短时，由于电缆压降降低导致对应电弧电 压的实际拐点过高所出现的推力过大的问题，从而提高了焊机对焊接电缆长度的 自适应能力。 文献 2 0 】介绍了一种c 0 2 焊机智能型波形控制器的研究，其控制方法是：通过 与焊接电弧并联的可控分流电路对c 0 2 焊接短路过渡过程电流进行局部削波，来 抑制熔滴过渡时某瞬间的短路电流值，以降低焊接飞溅率。此削波作用相当于在 短路电流波形上迭加一电流负脉冲。通过微机系统实时控制电流负脉冲的发生时 间t o 与宽度缸，可将脉宽和幅值均可调的电流负脉冲施加在c 0 2 焊短路电流波形 的任意处，以便得到最佳的波控效果。其原理图见图1 1 。 其工作方式是：电路的i g b t 元件通常处于关断状态，只有在需要产生负电流 脉冲时，才由微机控制此元件瞬间导通，对短路电流进行削波。由于波形控制器 的i g b t 元件大部分时间处于关断状态，功耗较小，有利于保护i g b t 。 文献 2 1 1 介绍了一种波形控制c 0 2 弧焊逆变电源的研究，并实现了s t t 波形 控制法( 表面张力过渡法) 【2 2 ，2 3 1 。s t t 波形控制法的电流电压波形图如图1 2 所示。 s t t 将熔滴过渡分为7 个阶段，如图1 2 所示，对每个阶段实施相应的控制： 4 重庆人学硕士学位论文 l绪论 u f 、? 图1 1 智能波形控制器的原理框图 f i g 1 1p r i n c i p l es t r u c t u r eo fi n t e l l e c t u a l i z e dw a v ec o n t r o l l 。 r f ，a l 1 31 5 i i 弋 i 五 1 2 图1 2 表面张力过渡( s t t ) 波控法电流电压波形图 f i g 1 2c u r r e n ta n dv o l t a g ew a v ef o r mo fs u r f a c et e n s i o n t r a n s f e r ( s t t ) w a v ef o r mc o n t r o lm e a s u r e 5 重庆大学硕士学位论文1 绪论 维弧阶段( t o - h ) ：焊机在熔滴发生短路前输出较低的电流，以避免熔滴过分 长大而脱落，造成大滴状过渡。 短路初期( f 广t 2 ) ：熔滴与工件发生短路，此时应立刻减小电流，以避免熔滴在 表面张力和电磁收缩力的作用下飞出熔池形成飞溅。并且要在该电流下保持一定 时间，以保证熔滴和熔池充分接触。 缩颈段( ，2 匀) ：小桥形成后，电流以双曲线状迅速上升，使小桥产生缩颈力， 同时应计算小桥电阻( u i ) 的变化，以此来监督缩颈程度。 能量减少段( t 3 “) ：小桥电阻增大到一定值时，应立即减小电流。因为减d , n 一定程度后，即使没有电磁收缩力表面张力也会促进小桥进一步颈缩。此时减小 电流有利于减小小桥爆断时的能量。 小桥爆断( 妒如) ：小桥爆断后，电弧又重新燃起，此时应维持一段时间较小的 电流，以避免燃弧时对熔池的冲击。 燃弧阶段( 如曲：过渡完成后，电流达到设定电流，一方面对电弧加热，另一 方面使焊丝形成新的熔滴。 回复阶段( t 7 ) ：电流逐渐衰减到维弧电流，准备下一次过渡【2 4 1 。采用逆变式 弧焊整流器作为焊接电源，采用8 0 3l 单片机作为控制核心。由单片机实时采集焊 接电流以及电弧电压的相关数组，通过所设计的软件对上述数据进行处理之后来 控制弧焊逆变器的输出，从而实现s t t 法，其系统的原理框图如图1 3 所示。 文献 2 5 】介绍的c 0 2 短路过渡过程控制策略及实施方案探讨( 二) 介绍了一种 焊丝干伸长前馈过渡周期负反馈恒频短路过渡控制系统，其原理框图如图1 4 所示。 图1 3 单片机控制系统原理框图 f i g 1 3p r i n c i p l es t r u c t u r eo fs c m c o n t r o ls y s t e m 6 重庆大学硕士学位论文 l绪论 八、厂、小 n n ，。一。黛j l i , d i 1 千 士 驱动 保护 隔离隔离 一l i 山、 l r 隔离i p v d tli 电弧状il 干伸长 i l 检测ll 态判断 睑测l l 丁、r。”、 、 ，讥+ l 隔离i 单片微机送幺幺速 p w m 1 1rv 度给定 调制 、t ， 叫 沁陌离i 吆 图1 4 焊丝干伸长前馈一过渡周期负反馈恒频短路过渡控制系统 f i g 1 4w e l d i n gr o de l o n g a t ef o r e g o i n gf e e d b a c k c o n s t a n tf r e q u e n c ys h o r tc i r c u i t t r a n s i t i o nc o n t r o ls y s t e mo ft r a n s i t i o np e r i o dd e g e n e r a t i v ef e e d b a c k 该方案通过对短路过渡周期的电源输出阻抗实时检测焊丝干伸长，并采用前 馈控制来补偿干伸长电阻热对过渡频率的影响。短路过渡焊接时，焊丝干伸长的 电阻热对焊丝熔化及熔滴形成的影响明显。在检测出焊丝干伸长长度的基础上， 适当调整燃弧大电流时间，可以在熔滴与熔池短路前控制熔滴尺寸大小，从而达 到恒定短路过渡频率的目的。 文献 1 】介绍的是一种由清华大学研发的新型电弧控制法，即q h a r c 法，其 原理框图如图1 5 所示。其目的是为了实现脉冲m i g 焊的弧长自适应控制，所输 出的外特性曲线形状如图1 6 所示。 采用阶梯形外特性的l 形部分作为维弧之用，而将另一条阶梯形外特性的倒l 形部分用作脉冲。这两条外特性按给定的维弧时间及脉冲时间自动进行切换，从 而实现对脉冲焊接电弧的控制设电弧长度为，d ，维弧期间电弧工作于a 点，而 脉冲期间电弧工作于b 点当出现偶然干扰，使弧长变短为，时，则电弧工作点 分别移至a l 及b l 点在正常范围内，脉冲期间电弧工作点处于恒流段，因而熔滴 过渡均匀，维弧期间电弧工作点处于恒压段，从而改善了系统的弧长调节作用此 外，维弧恒流部分可以保证小电流时不致断弧，而脉冲恒压部分又可以限制最大 弧长，避免出现极端情况时烧坏焊炬导电嘴 7 重庆大学硕士学位论文 l绪论 图1 5q h - a r c 法控制的晶体管式脉冲弧焊电源基本原理图 f i g 1 5e l e m e n t a r yp r i n c i p l eo ft r a n s i s t o ri m p u l s ew e l d i n gs o u r c eb yq h - a r cc o n t r o l u 图1 6 阶梯形外特性的焊接电源控制脉冲电弧的方法 f i g 1 6m e a s u r eo fw e l d i n gs o u r c ec o n t r o lp u l s e da r co fs t e p - l i k eo u t e rc h a r a c t e r i s t i c 上述这些弧焊控制法及其装置虽然能进行某种外特性的控制，但也只能实现 特定的焊接过程的自适应控制，均不具备任意设置外特性输出的功能。因此，迫 切需要一种能满足多种弧焊方法，性能优良的能够输出任意设置多外特性的新型 弧焊电源。 8 重庆人学硕士学位论文 1绪论 1 3 本课题的研究内容和目的 本课题目的是研发一种多功能焊机试验平台，能够任意设置外特性曲线输出， 并能够设置外特性曲线拐点的参数，即以所设置的外特性曲线拐点的参数作为检 测点实现检测点两侧外特性曲线的自动切换，从而能够实现任意形状普通外特性 输出，以及在一定范围内实现具有波形控制功能的自适应控制的外特性曲线输出。 本课题的主要研究内容可以分为两个方面，即硬件和软件系统。为了实现上 述功能本课题拟定以工控机为控制核心，控制工作在放大状态下的大功率晶体管 组，构成上述多功能焊机试验平台。通过检测和判断所设置的电流、电压的门限 值，执行和输出预置的恒流、恒压和下降等外特性区段，从而实现上述功能。以 此作为研究手段，希望在进一步提高和完善脉冲m i g 焊、c 0 2 焊等焊接方法方面 出现一个突破，并为研究新型弧焊方法提供一个有利的研究手段。 1 3 1 主电源 为了提高整个系统对焊接电流的控制精度及响应速度，题目拟采用模拟式晶 体管弧焊电源主回路结构，即大功率晶体管组工作在放大状态，实现对输出电流 的调节与控制，该大功率晶体管组与控制系统构成“智能型晶体管弧焊电源”，以实 现上述多功能焊机实验平台。由于m o s 管比晶体三极管具有更强的抗二次击穿能 力，并且属于压控型晶体管，其驱动电路结构简单，而价格却远低于i g b t 管，并 且单管损坏所带来的经济损失远比使用模块低，故本文选用m o s 单管来构成晶体 管电源的功率晶体管组。 1 - 3 2 控制系统 该控制系统硬件部分主要包括有：工控机、具有数字i o 和模拟i o 功能的 数据采集板卡、霍尔电流电压传感器以及相应的接口电路。 该控制系统软件部分主要包括有：测控软件和拟合数据软件。其中测控软件 主要完成预制外特性各阶段参数、对焊接信号进行实时测控、将数据存入数据库； 拟合数据软件主要完成打开已存数据、对数据进行拟合、显示拟合结果。 9 重庆大学硕士学位论文2 多功能弧焊电源实验台的整体构思 2多功能弧焊电源实验台的整体构思 2 1 系统的硬件系统 为了能够输出任意预制的外特性曲线形状，提高整机的响应速度，整机必须 能够输出预置的恒流、恒压和下降等外特性区段，恒流和恒压外特性区段的获得 必须采用电流负反馈和电压负反馈控制，所涉及的负反馈方法可以采用计算机实 现，即采用数字的p i d 控制法，也可以直接采用硬件电路实现上述负反馈控制， 即采用模拟的p i d 控制法。上述两种p i d 控制法在实际工程中均有广泛的应用， 并且从技术层面上看，均是成熟的技术。为了提高整机的响应速度，本文采用硬 件电路实现上述负反馈控制，并且以自行研制的由大功率晶体管组构成的“压控电 阻”作为调整单元，实现对输出电流的调节与控制及相应外特性曲线区段的输出。 压控电阻原理图如图2 1 所示。 l 卜 i u g n 图2 1 压控电阻原理图 f i g 2 1p r i n c i p l es t r u c t u r eo fv o l t a g ec o n t r o lr e s i s t a n c e 图中t l 为功率m o s 管，电阻r 为电流采样电阻，r x 为小功率压控电阻，u g 为r x 的压控端，m 和n 点为压控电阻的电接点，即r m n 为所要获得的压控电阻的 阻值，u 则为压控电阻的端电压，i 则为压控电阻的电流，i 为小功率压控电阻l 奴 的工作电流，其工作原理如下： 由于i n 很小，远远小于i ，因此如果m o s 管的电流i d 可以认为就是i ，即i i d ， 运放在上述负反馈条件下，其同相输入端和反相输入端的电位理论上讲是相等的， 即有u 产u 成立，由于反相输入端接于采样电阻r 上，故反相输入端的电位为i d * r ， 而同相输入端接于由电阻r 和小功率压控电阻r x 的分压点上，因此其电位为 r x * u ( r + r x ) ，因此存在r x * u ( r + r x ) = i d 木r i 母r ，因此有： l o 重庆大学硕士学位论文 2 多功能弧焊电源实验台的整体构思 该电路的电阻r m 。= u i = r ( 1 hg x ) r x = r h( 2 1 ) 其中：”为分压比，并且0 h o o ，r m n r ： 当i & 一0 ，r 砌一蛾 由于该压控电阻是一种宽范围可调的电阻性调节器，将其串连于焊接主回路 中就可以直接获得下降斜率可调的外特性区段输出。为了能够获得恒压或恒流外 特性区段输出，本文仍以该压控电阻作为调节器，但是必须配以相应的电压或电 流负反馈控制。即当需要输出下降段外特性区段时，工控机只需输出与下降斜率 相对应的给定电压信号u g 于小功率压控电阻r x 即可，即整个系统为开环控制方 式。当需要输出恒压或恒流外特性区段时，工控机则需要将该压控电阻调节器与 相应的电压负反馈环节或电流负反馈环节相连接即可，即此时主回路工作在负反 馈状态下，工控机仅对其提供相应的给定信号控制，以调节所输出的电压值和电 流值，系统框图如图2 2 所示。 图2 2 硬件控制系统框图 f i g 2 2h a r d w a r ee o n t r o ! s y s t e m 重庆大学硕士学位论文2 多功能弧焊电源实验台的整体构思 图中2 、3 、5 、6 为电子继电器开关，当其控制端为高电位时，触点闭合，否 则当其控制端为低电位时，触点断开。d o o 、d o l 为计算机输出的数字i o 信号， 用以控制电子继电器开关的接通与断开，u g l 和u 2 2 为计算机输出的模拟控制信号， 分别用于调节所输出的恒流恒压值或外特性曲线的下降斜率。当d o o 、d o l 均为 低电平时，电子继电器开关2 和3 断开，电压反馈信号u 及电流反馈信号u n 被 阻断，同时电子继电器开关5 断开，阻断u k 信号，电子继电器开关6 闭合，u 璺2 信号接于压控电阻r x 的给定信号控制端u 2 端，此时压控电阻调节器工作在压控 电阻状态下，系统输出下降的外特性曲线。当d o o 、d o l 有一端为高电平时，电 子继电器开关6 断开，电子继电器开关5 闭合，系统进入负反馈控制状态。如d o l 端为高电平，则电子继电器开关2 闭合，电流负反馈信号u n 接通，并与给定信号 u 卫l 通过比较环节l 比较后产生的误差信号经过p i d 调节与控制环节8 处理后获得 控制信号u k ，该控制信号与压控电阻r x 的给定信号控制端u g 端相连接，从而构 成电流负反馈控制系统，输出恒流外特性区段。同样当d o o 端为高电平时，则构 成电压负反馈控制系统，输出恒压外特性区段。其控制模式如表2 1 所示。 表2 1 工控机控制状态 t a b l e 2 1c o n t r o ls t a t eo fi n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e r 状态 d o od 0 1d d a l 恒压l 0 u 9 1 0 恒流ol u 9 1 0 电阻 o05 v u 9 2 小功率压控电阻r x 的实现方式目前尚无查阅到相关的文献资料，要实现压控 电阻作为调节器的相应功能，设计出小功率压控电阻r x 的技术结构则是本文面临 的一个重要的技术难关。但是由于实现压控电阻作为调节器相应功能的电路结构 决定了是通过调节与控制电阻r 和r x 的分压比来实现的( 见图2 1 ) ，即通过调节 压控电阻i 敬的给定信号控制端u g 的大小来调节其分压电压的值来实现。因此本 文拟采用通过恒频压控脉宽调制器驱动的小功率晶体三极管来取代小功率压控电 阻r x 的位置，即当占空比改变时电阻r 和r x 的分压电压值会随之作相应的变化， 从而有效的实现了小功率压控电阻r x 的功能。 为了实现系统的压控电阻作为调节器的相应功能，以及实现恒流及恒压控制， 本文拟采用脉宽调制型控制器t l 4 9 4 作为控制核心，结构原理图如闺2 3 所示。 图中t 4 管工作在脉宽调制的开关状态，因此其集电极电位的平均值即为r 1 2 和r x 的分压电压值。为了获得较为平直的分压电压波形，由电阻r 1 3 和电容c 2 构成滤 1 2 重庆大学硕士学位论文 2 多功能弧焊电源实验台的整体构思 波电路对其进行滤波，所输出的电位即为r 1 2 和r x 的分压点a 点电位，为了实现 控制回路与主回路的电隔离，t l 4 9 4 所输出的脉宽调制波形由光耦u 进行隔离， 即实现数字隔离，晶体管t 5 和t 6 组成光耦输出极的信号放大和整形电路。t l 4 9 4 输出的脉宽宽度由其内的误差放大器输出的电位或死区控制端的电位进行调节后 控制，当其死区控制端电位为零电位时，所输出的占空比可以由其误差放大器从 零调节至9 6 ，因此本文将此误差放大器设计为恒流或恒压模式下的误差比较放 大及其p i d 调节环节，根据负反馈的原则以及t l 4 9 4 的结构，本文将误差放大器 的反相输入端接于给定信号u 咖其同相输入端接于电流或电压的反馈信号，从而 实现恒流电流或恒压电压的调节，电阻r 2 5 和电容c 4 则构成相应的p i d 调节环节。 当需要构成压控电阻调节器时，只要给定电压u l 设置为高电位，则由误差放大器 构成的脉宽调制功能将被关闭，此时t i a 9 4 所输出的占空比仅由t l 4 9 4 的死区控 制端的电位进行调节，因此本文将此控制端接于给定信号u 9 2 ，从而实现开环状态 下的电阻调节，即系统输出下降斜率可调的下降外特性曲线。 图2 3t i a 9 4 控制结构原理图 f i g 2 3p r i n c i p l es t r u c t u r eo ft l 4 9 4 2 2 外特性曲线预制及实时控制原理 为了实现预制及输出多种外特性曲线的功能，除了硬件系统能够有效地输出 所预制的恒流、恒压及下降的外特性区段外，还必须实时检测及采集整机所输出 的电流、电压的瞬时值，并与所设定的拐点参数进行实时比较。当满足上行条件 1 3 重庆大学硕士学位论文 2 多功能弧焊电源实验台的整体构思 时，计算机通过控制d o o 、d o ! 、u g l 、u 9 2 的值来使系统输出上行外特性区段，反 之当满足下行条件时，计算机同样通过控制d o o 、d o l 、u g 卜u 9 2 的值来使系统输 出下行外特性区段。以此类推，就可以获得所预制的外特性曲线输出。为了模拟 和调节整机的响应速度( 即动特性) ，本文还设置了时间延迟功能，即当满足条件 后，系统并非马上输出下一区段的外特性曲线，而是有一个延迟时间，该时间也 作为一个预制参数，为摸索某焊接工艺对焊接设备动特性指标的最低要求获得 一个较为准确的定量描述。该时间的最小值可以设置为零。 因此计算机的外特性曲线预制功能是通过输入三变量的数组( i i 、u i 、t i ) 和 所要预制的外特性区段的相应状态字( d o o 、d 0 1 ) 来实现的，数组( i i 、u i 、t i ) 对应于每个所设置的转折点。u g l 、u 虹与l i 、u i 之间有一定的函数关系，可通过拟 合得出具体的函数关系式，加入测控程序中，则只要输入i i 、u i 的值就可