（材料加工工程专业论文）埋弧焊送丝电机h桥控制系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 埋弧焊工艺自上个世纪三、四十年代发展至今，工艺已经比较成熟，由 于埋弧自动焊工艺具有较高的生产率、优良的焊接质量、灵活的调节特性以 及较好的劳动条件等诸多优点，已在船舶、能源、机械等工业部门得到广泛 的应用。埋弧自动焊接过程中，送丝系统的性能对焊接质量有着直接的影响， 目前普通晶闸管整流送丝系统主要存在以下一些不足之处： 1 晶闸管属于半控型器件，存在单向导电性、需要强迫换流关断，功 率系数较低； 2 器件开关周期比较长，系统动态性能较差； 3 系统机电惯性比较大，较难实现送丝电机的快速调节。 针对上述不足研制的埋弧焊送丝电机h 桥控制系统，使用m o s f e t 与l 2 9 2 集成电路组成双极式可逆h 桥p w m 直流电机控制系统。m o s f e t 为全控型器件， 具有开关频率高、集成度高和动态响应快等优点。由m o s f e t 组成送丝电路可 以提高系统的效率，抑制谐波和机械噪声。双极式h 桥可逆p w , t 控制机制可 使送丝电机在四个象限运行；低速稳定性好；电机停转时有微振电流，能消 除静死区；调速范围大。系统采用电弧电压负反馈闭环控制，结合电流环反 馈电路，在一定程度上消除送丝系统机电惯性与速度变化滞后现象，提高埋 弧焊送丝系统反应速度以及稳定性，进而提高电弧燃烧稳定性与焊接质量。 总之，本文提出的埋弧焊送丝电机h 桥控制系统思路新颖；所研制的控 制系统操作简便，运行可靠、性能较高、满足工作要求，具有一定的理论意 义及工程实际应用价值。 关键词：埋弧焊；脉宽控制；送丝系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t s u b m e r g ea r cw e l d i n g ( s a w ) w a si n v e n t e d i n1 9 3 0 s ，n o wt h ew e l d i n g p r o c e s si sw i d e l yu s e di nm a n yi n d u s t r yf i e l d ss u c h 鹊s h i p b u i l d i n g e n e r g y s o u r c ea n dm e c h a n i s mb e c a u s eo fi t sh i g hp r o d u c t i v i t y , e x c e l l e n tw e l d i n gq u a l i t y , f l e x i b l er e g u l a t i n gp r o p e r l ya n dc o m f o r tw o r k i n gc o n d i t i o n t h ew i r ef e e d i n g s y s t e m ( w f s ) p l a y sa ni m p o r tr o l ei ns a ww e l d i n gp r o c e s sa n ds o m es h o r t a g e s h a v eb e e nf o u n di np r e s e n ts i l i c o n c o n t r o l l e dr e c t i f i e r ( s c r ) w f s t h e s e s h o r t a g e sa r em e n t i o n e db e l o w ： 1 p o o r - e f f i c i e n c y ； 2 b a dd y n a m i cp e r f o r m a n c e ； ? 3 l o we l e c t r o m e c h a n i c a l l yr e a c t i o ns p e e da n ds l o wa d j u s t m e n to f m o t o r i no r d e rt os o l u t et h ed i s a d v a n t a g e sd i s c u s s e da b o v e ，an e ws a ww i r ef e e d i n g s y s t e mn a m e dl o c k e da n t i - p h a s ec o n t r o lhb r i d g ep w m d cm o t o rs e r v o s y s t e m i se x c o g i t a t e d t h en e ws y s t e mi sm a i n l ym a d eu po fm o s f e ta n dl 2 9 2i ct h a t u s e df o rt h ec o r eo ft h ec o n t r o ls y s t e m b e c a u s em c i s f e tc o m p o n e n ti s f u l l c o n t r o l l e d ，c o m p o s i t i v ea n dh a sh i g hs w i t c hf r e q u e n c ya n dd y n 锄i cs p e e d ， t h ew i r ef e e d i n gc i r c u i ti sm o r ee f f i c i e n t ，l e s sh a r m o n i cw a v ea n dl o w e re n g i n e n o i s e t h e nt h em o t o rt h a tw o r k su n d e rt h eb i p o l a rr e v e r s i b l ehb r i d g ep w m m e c h a n i s mc a nr u ni nf o u r q u a d r a n tw i t h o u ts t a t i cd e a d - z o n ea n dh a sg o o d s t a b i l i t y , g r e a tt i m i n gr a n g e t h en e ws a ww i r ef e e d i n gs y s t e mt h a tt h i sp a p e re x p a t i a t e si si n n o v a t i v e ， r e l i a b l ea n dc o n t e n tf o rt h ew o r kr e q u e s t t h es t u d yp r o v i d e st h et h e o r e t i c a l g o v e r n i n gf o ri n c r e a s i n gt h ep e r f o r m a n c eo fs a w a n dd i r e c t sw e l d i n ge n g i n e e r k e yw o r d s ：s a i l ；p w ；w i r ef e e d i n gs y s t e m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 埋弧焊综述 1 。1 。1 埋弧焊的焊接过程与特点 埋弧焊是通过保持在光焊丝和工件之间的电弧将金属加热，形成金属的 连接【l 】，电弧由一层覆盖在焊接区上的颗粒状可熔材料层保护。焊接金属由 焊丝、有时由补加焊丝或其它的金属添料获得。埋弧焊的焊接过程如图卜1 所示。焊接时电源的两极分别接在导电嘴和工件上，焊丝通过导电嘴与工件 接触，在焊丝周围堆上焊剂，然后接通电源，则电流经过导电嘴、焊丝与工 件构成焊接回路。焊接时，焊机的起动、引弧、送丝、机头( 或焊件) 移动 等过程全由焊机进行机械化控制，焊工只需按动相应的按钮即可完成工作。 图i - 1 埋弧焊焊接装置示意图 埋弧焊的基本特点是： 1 电弧在气泡( 熔化焊剂形成) 中燃烧：隔绝熔池与空气、防止弧光； 2 焊接过程自动进行：焊丝送进、电孤引燃、小车行走。 与其他焊接方法相比，埋弧焊具有如下优点： 1 焊接电流大，生产效率高。在焊接时，焊丝从导电嘴伸出长度小， 可以大大提高焊接电流，如表卜i 所示。因此熔透能力和焊丝熔敷率得到很 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 大提高；另外由于焊剂和熔渣的隔热作用，电弧散热少、飞溅小，热效率高， 可以提高焊接速度。 表卜1 焊条电弧焊与埋弧焊的电流、电流密度比较f 2 】 2 焊缝质量高。埋弧焊时，焊剂和熔渣能有效地保护熔池，隔绝空气， 从而可以提高焊缝的力学性能。 3 节省焊接材料和能源。厚度在2 0 r m 以下的焊件不开坡口也能焊透， 省去开坡口和填充坡口所需的能源和时间。 4 劳动条件好。焊接过程的机械化和自动化使得焊工的劳动强度大大 降低，有害气体少而且没有弧光的有害作用，改善焊工的劳动条件。 5 焊接范围广。可焊接碳素钢、低合金钢、不锈钢、耐热钢及复合钢 材等，也可用于镍基合金、铜合金焊接及耐磨耐蚀合金堆焊。而且埋弧焊的 自动化程度高，尤其适用子焊接中厚板结构的长焊缝。因此埋弧焊在造船、 锅炉、化工容器、钢构建筑、桥梁、起重机械及冶金机械制造业中应用非常 广泛。 1 1 2 埋弧焊的冶金特点 埋弧焊的焊丝是在预先堆敷的颗粒状焊剂层下燃烧电弧。在电弧区由金 属及焊剂的蒸气形成一个空腔，电弧就在该空腔内稳定燃烧。空腔的底部是 焊丝与母材金属熔化形成的液体熔池。空腔的顶部为熔融态焊剂形成的熔渣。 熔池中进行着激烈而复杂的焊接冶金反应，形成的气泡快速逸出熔池表面。 同时敷盖在高温液体金属上面的熔渣，也不断冷却，凝固，最终覆盖在焊缝 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 金属上而形成渣壳。所以埋弧焊的冶金过程是包括液态金属、液态熔渣与各 种气相之间的相互作用，包括液态熔渣与已经凝固金属之间的作用。埋弧焊 与手工电弧焊的冶金过程基本类似，但又有自己的特点【3 l ： 1 空气不容易侵入焊接区。埋弧焊不是靠造气剩，丽是靠电弧热作用 下形成的一个熔融状薄膜保护电弧及焊接区，防止空气的侵入，因此保护效 果极好，焊缝中含氮量极低。因此，埋弧焊焊缝金属虽然有明显铸造组织， 但通常仍具有较高的韧性。 2 冶金反应充分。焊接电流和熔池尺寸较大，熔池金属处于液态的时 间比手弧焊高几倍，液态金属与熔渣之间相互作用即冶金反应充分，气孔、 夹渣容易析出。 3 焊缝金属化学成分稳定。焊接参数比手弧焊稳定，单位时，黼所熔 化金属与焊剂之比也较为稳定，因而焊缝金属的化学成分相对比较稳定。 1 1 3 埋弧焊的研究动态 自从上个世纪三、四十年代埋弧焊工艺出现以来，至今该项工艺己经比 较成熟( 4 】，但仍有很大改进的空间。目前工业发展的趋势是提高焊接机械化、 自动化水平，发展绿色、环保、高效、节能的制造业，这为传统的埋弧焊接 技术指明了发展方向。 埋弧焊工艺的研究动态可以从以下几个方面说明： 1 单面焊双面成形 单面焊双面成形自动埋弧焊工艺是采用较大的焊接电流，将焊件一次熔 透。该工艺条件下的熔池宽度、深度大，熔敷速度比较高，因此，必须采用 相应的强制成形技术措施，使熔池在衬垫上冷却凝固，这样才能达到一次成 形。单面焊双面成形埋弧焊工艺有许多优点，如可以大大提高生产效率、减 轻劳动强度、改善劳动条件，具有较高的经济效益及社会效益等。但也有其 不足之处。当焊件的厚度增大时，所采用的焊接热输入量也需相应的增加， 难以保证工件的熔透及背面成形的质量优良：明显地导致热影响区的晶粒长 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 大，从而焊接接头的力学性能，特别是低温韧性指标难以达到要求。因此， 对于焊接接头韧性指标要求比较高的厚板结构，更多采用能细化晶粒的焊接 方法。 2 多丝埋弧焊工艺 多丝埋弧焊是同时使用2 根或2 根以上的焊丝完成一条焊缝的埋弧焊焊 接方法。这是一种既保证合理的焊缝成形和优良的焊接质量，又可提高焊接 速度的高效埋弧焊工艺方法。该工艺既可以使用细丝也可以使用粗丝。它既 可以焊接3 栅壁厚的薄壁液化石油气贮罐，也可以焊接厚板结构，而且可以 采用单面焊双面成形工艺【5 1 。多丝埋弧焊工艺的焊丝排列以及与电源的连接 方式如图卜2 所示【6 j 。 目前，国外在一些厚板结构的焊接生产中，己经应用了具有3 二岛突送鹫 电机，可以同时进行3 l o 根焊丝的多弧埋弧焊。 厦薹冒匿 h lt 吣 缸l ( a ) 纵列式( b ) 横列双丝串联式( c ) 横列双丝并联式 图1 - 2 双丝埋弧焊示意图 3 窄间隙埋弧焊工艺 其特点是坡口的截面积小，甚至不用开坡1 3 也能进行焊接。因此，焊接 需要的热量就少，受到的热影响也小，焊接变形以及材料性能的变化都比一 般的埋弧焊要小。厚板结构窄间隙埋弧焊的优点是高焊接生产率，低成本， 节约能源及材料。但是实际应用上也有较大的困难【7 1 ，一是在平行坡1 3 内， 可能产生侧壁熔合不充分现象；二是要求使用的焊剂能顺利的从窄间隙中排 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 除熔渣。因此，能否在生产中使用该工艺，关键就在于如何消除侧壁熔合不 充分现象和研究改进焊剂，使形成的熔渣容易脱落并排除。目前国外上述两 个技术难点均已解决。 4 添加合金粉末的埋弧焊工艺 添加合金粉末的埋弧焊( s u b m e r g e da r cw e l d i n gw i t ha l l o y e dm e t a l p o w d e r s s a w - - a m p ) 是一种能够提高熔敷速率，又不使焊接接头性能变差的 高效焊接技术8 1 。该工艺的主要工艺特点是在坡口中预先铺放一层金属粉末 ( 或金属细粒、切断的短焊丝等) ，然后进行埋弧焊。研究表明，在埋弧焊焊 缝中添加适当成分的合金粉末，改善了焊缝的微观组织。添加合金粉末后， 尽管焊接中采用了大的热输入量，焊缝中先共析铁素体的平均尺寸却减小了， 而且添加合金粉末后针状铁素体含量明显增加，柱状晶的方向性减小，因此 有利于改善焊缝组织。添加合金粉末并采用大的焊接热输入量，尽管整个热 影响区及其粗晶区的宽度有所增加，但是对于接头性能有重要影响的热影响 区粗晶区原始奥氏体的晶粒平均尺寸却基本保持不变。近几年瑞典的 h o g a n a s 公司在添加金属粉末工艺领域获得极大成功，出现了具有众多优点 的添加金属粉末的双丝埋弧焊工艺【9 】。 图卜3 给出了最简单的添加金属粉末的双丝埋弧焊工艺【1 0 】：先把金属粉 末注到待焊区，然后再盖上焊剂，其优点是设计简单，缺点是送入焊接区的 金属粉末量不精确，熔敷率低，这种方法仅用于表面和宽坡口焊接。 _ o _ 图1 3 前方送粉的双丝埋弧焊原理图 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 5 热丝填充埋弧焊工艺 热丝填充埋弧焊工艺是在传统埋弧焊基础上，附加一套送丝机构，将另 外一根焊丝由预热电源加热至接近熔化状态后均匀送入埋弧自动焊所形成的 熔池内 1 1 1 ，其工作原理见图1 - 4 。这种处于较高温度的焊丝，在进入焊接区 时，其熔化速度、熔化量均有显著的提高因此，提高了埋弧焊的熔敷率及 生产率，特别适宜于焊接厚度在2 0 n u n 以上开坡口的工件，是一种简单、方便 且可行的高效弧焊工艺。 竺叁垄壁- 图1 - 4 热丝填充埋弧焊接工艺 6 焊缝金属的外加磁场处理 近年来，采用外加磁场对埋弧焊的焊缝熔池进行处理的方法，已经引起 人们的重视。采用的外加磁场是以定频率间歇交变的纵向磁场【”l 。该磁场由 安装在直流自动埋弧焊机导电嘴上的激磁线圈产生，其磁力线方向基本上与 电弧轴线平行，因此也称为轴向磁场。施加轴向磁场后。熔池液态金属作复 杂的循环运动，使焊接熔池中的温度变得相对均衡。因而提高了结晶前沿的 温度梯度。同时，随着熔池金属搅拌速度的增加，扩散过程加快，使界面溶 质原子层的厚度减小。因此，平面状结晶前沿的稳定性提高，降低了熔池金 属结晶前沿的浓度起伏，因而降低了焊缝金属的化学不均匀。此外，通过电 磁搅拌，改变了焊缝中非金属夹杂物的大小和尺寸分布，促进了奥氏体晶内 针状铁素体的生成和细化，从而提高了熔敷金属的韧性。电磁搅拌使熔池液 态金属运动速度增大，使结晶前沿的稳定性提高，降低了结晶前沿浓度起伏， 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 减小了熔敷金属的成分偏析。这些对于提高焊接接头的力学性能都是有利的。 1 2 本论文研究的背景和意义 实现焊接过程的自动化是我国焊接行业的战略目标。目前我国以焊接技 术为主导技术的大中型企业的自动化程度已达到4 5 左右【”l ，而埋弧焊在工 业自动生产中应用广泛，它具有生产效率高、焊缝质量高、劳动条件相对较 好等优点。埋弧自动焊根据送丝方式不同，可分为下述两种：1 ，等速送丝控 制系统的熔化极弧焊：这种系统电源为平外特性，通过电流反馈自身调节；2 、 变速送丝控制系统的熔化极弧焊：采用下降外特性电源，利用电弧电压作为 反馈量来调节送丝速度。采用变速送丝控制系统的埋弧焊( 焊丝直径大于 3 r n ) ，送丝系统的优劣直接影响焊接质量。传统的晶闸管整流送丝电路通过 改变晶闸管的导通角来改变整流电源输出的电压，从而改变电机电枢电压达 到调节电机转速的目的。在这种模式下，电机电枢电压方向始终不变，交换 的只是电压大小，电机存在较大的惯性，难以实现快速调节。本课题采用s g s 公司的l 2 9 2 直流电动机专用四象限h 桥p w m 控制集成电路，对送丝电机的转 速以及转向进行控制，在一定程度上消除送丝电机机电惯性与速度变化滞后 现象，提高埋弧焊送丝电机反应速率以及稳定性，进而提高电弧电压稳定性， 以获得高质量的埋弧焊缝。 1 3 本论文主要完成的工作 通过对国内外焊接过程控制以及埋弧焊自动调节系统研究现状的分析， 针对埋弧焊晶闸管整流送丝系统存在的问题，本文做了如下的工作： 1 设计送丝电机h 桥控制系统。该系统以先进的大规模集成电路为核 心，采用高性能电力电子器件组成四象限h 桥扩流电路，对电弧电压负反馈 自动调节埋弧焊送丝电机进行速度和运行方向准确、快速控制。 2 对设计完成的送丝电机h 桥控制系统进行焊接试验，采集焊接过程 参数，检测该系统实际焊接效果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章埋弧焊控制系统分析 电弧焊的焊接过程一般包括引燃电弧、焊接和收尾三个阶段，如果借助 于机械和电气的方法使上述三个阶段实现自动化，这种焊接就称为自动焊， 埋弧自动焊就是自动焊的一种。埋弧自动焊能自动实现规定的焊接工艺程序。 另外，焊接时为了保证获得优良的焊缝成形质量，很重要的一点是应根据焊 件的技术要求，合理地选择焊接规范参数，并在焊接过程中力求所选定的焊 接规范参数值保持稳定，电弧稳定燃烧。电弧之所以能够稳定燃烧，主要原 因是在焊丝熔化过程中存在自动调节过程，弧长的自动调节方式分为等速送 丝调节系统的自身调节和变速送丝系统的电弧电压负反馈调节1 1 ”。 2 1 埋弧焊自动调节概念 2 1 1 埋弧焊自动调节的必要性 为获得优质的焊缝，首先必须依据焊件实际情况( 材质、板厚、接头形 式及焊接位置等) 正确地选择焊接工艺参数，特别是决定焊缝输入能量的三 个主要参数，即焊接电流厶电弧电压扶焊接速度，并使它们之间有最 合适的配合。另外还必须使选定的主要焊接工艺参数在整个焊接过程中保持 稳定，不致于影响焊缝的化学成分和几何尺寸，使焊缝在整个长度上不产生 缺陷，从而获得良好的力学性能。生产实践证明，埋弧焊要求焊接电流和电 弧电压的波动分别不超过_ _ _ 2 5 5 0 a 和2 v ，否则就会影响焊缝成形和内部 质量，甚至会使焊接过程无法进行【”】。埋弧自动焊采用自动调节系统保持电 弧过程的稳定性。 2 1 2 影响焊接电流和电弧电压稳定性的因素 在焊接过程中，焊接电流和电弧电压的稳定值是由电源外特性和电弧静 特性曲线的交点所确定的，见图2 - 1 中的0 点。焊接过程中，电源的外特性 和电弧的静特性曲线经常会受到外界的扰动而发生变化，导致焊接电流和电 弧电压偏离预定值，因此，埋弧自动焊时，采用自动调节方法来克服对焊接 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 电流和电弧电压的稳定值产生影响的外界干扰是十分必要的。 图2 - 1电弧静态工作点的波动 1 使电弧静特性曲线发生变化的因素 电弧静特性曲线的变化弧长由l l 。则使电弧稳定工作点沿电源外特性 曲线发生波动，如图2 - 1 中工作点由稳定点0 移到0 。点，电弧静特性由弧长、 弧柱气体成分等决定的，因此其影响因素： ( 1 )电弧长度 在焊接过程中。由于焊件表面不平、坡口不规则、装配质量不好、有定 位焊点以及送丝速度不均匀等原因，都会使电弧长度经常发生变化，导致电 弧静特性曲线上下移动，使焊接电流和电弧电压发生变化。 ( 2 )弧柱气体成分 弧柱气体成分不同，使弧柱电场强度不同，导致电弧静特性曲线发生变 化。 2 使电源外特性曲线发生变化的因素 电源外特性曲线发生变化，由曲线1 一曲线2 时，将使电弧稳定工作点 沿电弧静特性曲线发生变化，如图2 1 中工作点由0 点移到o z 点。电源外特 性曲线发生变化主要是供电网络中负载突变所致。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 在上述的影响因素中，电弧长度发生变化最频繁，因此弧长变化对焊接 电流和电弧电压稳定性的影响最为严重。故埋弧焊焊接过程的自动调节是以 消除电弧长度变化的干扰作为主要目的。 2 2 等速送丝自动调节系统 选定一个焊丝的送丝速度，并且在焊接过程中保持这个速度不变。当电 弧长度发生变化时，依靠电弧自身调节作用来相应地改变焊丝的熔化速度。 在电弧拉长时，焊丝的熔化速度就会减慢；反之，电弧缩短时，焊丝的熔化 速度就会加快，其结果是保持电弧长度不变，是焊接电流和电弧电压保持稳 定。等速送丝埋弧焊自动调节系统就是根据电弧自身调节原理设计的。 2 2 1 等速送丝调节系统的静特性 等速送丝式自动焊机的焊接电流和电弧电压自动调节，关键在于焊丝的 熔化速度。在焊接过程中焊丝受到电弧和电阻共同加热熔化，其中电弧的热 量是主要的。焊丝的熔化速度与焊接电流和电弧电压有直接关系，其中焊接 电流的影响更大些。当焊接电流增大时，焊丝的熔化速度增加较大：当电弧 电压升高时，焊丝的熔化速度却略有下降。数字方程表示为： 嵋= k d 一觑u ( 2 一1 ) 式中，“一一焊丝的熔化速度( c m s ) ； 缸一一熔化速度随焊接电流变化的系数，其值取决于焊丝的电阻率、 直径、伸出长度及电流大小 c m ( s 水a ) ； 屯一一熔化速度随电弧电压而变化的系统，其值取决于弧柱的电位梯 度及弧长大小 c m ( s 掌v ) ； 若焊丝以恒定速度吩送进，则弧长稳定时必有： 卧；断= 觑，一k u ( 2 2 ) 卢丝+ 丝u( 2 3 ) 如新 式( 2 3 ) 表示在给定送丝速度叶条件下，弧长稳定时和电弧电压之间的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 关系。由式( 2 3 ) 作出的曲线称为等熔化曲线或电弧自身调节静特性曲线。当 电弧在该曲线上任一点燃烧时，即= ；而当电弧不在这一点燃烧时，啊6v o ， 焊接过程不稳定。由试验方法测得电弧自身调节系统静特性曲线可以得知， 在长弧条件下，丸数值很小，电弧长度对熔化速度影响可以略去不计，因此 系统静特性可以写成： 卢兰(2-4) 如 2 2 2 等速送丝调节系统电弧自身调节作用 电弧是由焊接电源供电的，焊接电流和应同时满足电源外特性曲线 给定的条件。因此等速送丝埋弧焊弧长恒定时的稳定工作点，应是电源外特 性曲线、等熔化曲线和电弧静特性的三线相交点。如图2 2 所示。 假定电弧在0 ，点所对应的焊接电流五和电弧电压所下稳定燃烧，如图 2 - 3 。当弧长突然缩短，电弧的工作点由0 ，点移到0 ：点，造成暂态电流增大， 图2 - 2 等速送丝埋弧焊电弧稳定燃烧点 电压减小。如图2 3 所示。 由于l 以，且 v 1 - = 材l 一氪u i 2k d 2 一k u 2 所以 v t = v r( 2 5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 图2 3 弧长变化时电弧自身调节过程 于是弧长将因熔化速度增加而得到恢复。如果弧长缩短是在焊炬与工 件表面距离不变的条件下发生的，则电弧的稳定工作点最后将回到0 点，调 节过程完成后系统将不带任何静态误差。这种由焊丝熔化速度随弧长变化而 引起消除弧长波动的自动调节作用是一切熔化极等速送丝自动焊机所固有的 内部反馈作用。 2 3 电弧电压负反馈自动调节系统 埋弧自动焊如果使用租焊丝，电弧自身调节作用不能保证足够的焊接过 程稳定性，因此发展了带有电弧电压负反馈调节器的变速送丝埋弧焊。 2 3 1 电弧电压负反馈自动调节弧长的基本原理 用电弧电压来控制送丝速度。当电弧拉长时，电弧电压升高，通过电弧 电压负反馈调节器使送丝速度加快：反之，电弧缩短，电弧电压降低，电弧 电压负反馈调节器使送丝速度减慢。总之，以电弧电压为反馈信号，来调节 送丝速度，以维持孤长不变。电弧电压负反馈自动调节系统方框图如图2 - 4 所示。其中以为给定电压，配为电弧电压，1 为输出给定电压元件，2 为比 较环节，3 为送丝机构，4 为电弧，5 为电弧电压负反馈装置。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 图2 - 4电弧电压负反馈自动调节系统方框图 ( a ) 耐 。 o ? 田 图2 - 5 发电机一电动机变速送丝系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 目前国内生产中常见的电弧电压负反馈调节器主要有两种： 1 发电机一电动机电弧电压负反馈调节器。如图2 5 所示。供给送丝电 动机m 转子电压的发电机g 有两个他励激磁线圈l 1 和l 2 。l l 由电位器r p 供给一个给定控制电压以，产生磁通l ；l 2 由反馈的电弧电压产生磁通 4 , 2 ，毋1 与毋2 方向相反。当毋1 单独作用时，发电机g 输出的电压使电动 机m 向退丝方向转动；当面2 单独作用时，发电机g 使电动机m 向送丝方向 转动。正常焊接时，妒2 西1 ，电动机m 将有一个稳定的送丝速度n 。根据 电工原理，送丝速度n 与电弧反馈电压以和给定电压之间的关系可用下式 表示： 吩= k ( u - 蚴 ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 为发电机一电动机电弧电压调节器的静特性曲线方程，其中k 为 电弧电压自动调节系统的放大系数 c m ( s 幸v ) ，表示当电弧电压变化l v 时 竹的变化量。用坐标曲线表示如图2 - 5 ( b ) 所示。 这种控制系统的最大优点是可以利用同一电路实现电动机m 的无触点正 反转控制，因此可实现理想的反抽引弧控制。 图2 - 6 晶闸管变速送丝系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 2 晶闸管电弧电压负反馈调节器。如图2 - 6 所示。采用晶闸管整流电 源v c i 向电动机m t 供电，只要在晶闸管触发电路中加入电弧电压负反馈讯息 就可实现电弧电压负反馈自动调节。电弧电压负反馈控制讯号配从电位器 r p 3 中取出，这个反馈控制讯号与从电位器r p i 中取出的给定控制讯号以反 极性串联后加在由v l 、v 2 、v 3 等组成的晶闸管触发电路上，送丝电动机的转 子电压和转速与( 弘彩成正比，即： 悖= 七( u - 助 ( 2 6 ) 这种系统的缺点是电动机m 的正反转需要通过另外的继电器触点转换， 因而回抽引弧的可靠性及使用寿命受到一定影响。 2 3 2 电弧电压负反馈自动调节系统的静态特性 在稳定的工作状态下，电弧电压负反馈自动调节系统应满足n ；又 ：v 产k q f u j v o - - - = k t i fk 山l 联立后可推导出： uo=志阢+忐五(2-7)k k + 缸+ 岛 图2 7 电弧电压调节系统静特性 式( 2 - 7 ) 是电弧电压负反馈自动调节系统的静态数学表达式，表示变速送 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 丝自动电弧焊焊接过程中稳定电弧电压与焊接电流和给定控制量之间的关 系。曲线的形状如图2 - 7 所示。 可见电弧电压调节系统静特性为一在电压坐标轴上有一截距的直线， 其斜率t g # 和截距的大小取决于k 、岛、和以的数值。 1 当k 足够大时，增夕趋向于0 ，可见电弧电压负反馈自动调节系统 静特性曲线近似平行于横坐标轴。 2 给定电压以增加( 减小) ，曲线平行上( 下) 移。 3 焊丝直径减小或焊丝伸出长度增加时，岛增加，留鼻增大，曲线斜 率增大。 4 焊丝材料或保护条件不同时，静特性曲线斜率也不同。 2 3 3 电弧电压负反馈自动调节过程 当电弧长度发生变化时，电弧电压负反馈自动调节过程如图2 8 所示。 图2 - 8 弧长波动时电弧电压负反馈自动调节过程 曲线l 。为稳定燃烧时的电弧静特性曲线；曲线1 为焊接电源外特性曲线； a 为电弧电压负反馈自动调节系统的静特性曲线；o o 为以上三条曲线的交点。 电弧在o o 点燃烧时，焊丝的熔化速度等于送丝速度焊接过程稳定。若 弧长突然缩短，电弧静特性曲线由l 。变到l l ，此时电弧电压由“降到“，电 弧的燃烧点由o o 变到0 。由于电弧电压的突然下降，使得( 一珊值减小，根 据式( 2 - 6 ) ，送丝速度吩也急剧减小；同时，由于焊接电流增大，使得焊丝 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 熔化速度y o g i 快。在上述两种调节的作用下，电弧长度便逐渐拉长，直至恢 复到原来长度。在恢复过程中。随着电弧电压的升高，焊丝送进速度也开始 回升，直到电弧长度回到l o ，电弧又重新在稳定点吼燃烧。 在整个调节过程中，既存在电弧电压负反馈调节，还存在电弧自身调节 作用。由于式( 2 6 ) 中的放大系数k 足够大，所以电弧电压负反馈自动调节作 用比电弧自身调节作用大得多。 2 3 4电弧电压负反馈自动调节的灵敏度 变速送丝埋弧自动焊主要用于0 ，3 m m 以上粗焊丝、低电流密度焊接。故 调节灵敏度主要取决于调节系统放大系数k 值大小和弧长波动时电弧电压变 化量c ，即： an ；k a 位一8 ) ；。蕾 调节系统放大系数k 值越大，调节作用就越灵敏。此外，弧柱电场强度 越高，波长引起的a 配越大，调节灵敏度也就越高。 2 3 5 电弧电压负反馈自动调节的精度 电弧电压负反馈自动调节系统也会产生静态误差。静态误差的产生与引 起弧长波动的因数有关。如果弧长波动而焊丝的伸出长度不变，经过调节作 用弧长会恢复到原始长度，不存在静态误差：如果焊丝的伸出长度发生变化， 自动调节过程中将会产生静态误差。 电网电压波动也会产生静态误差。误差大小取决于网压波动大小、系统 静特性和电源外特性曲线斜率大小。 2 - 3 6 变速送丝埋弧焊焊接电流和弧压调节方法 变速送丝埋弧焊通常采用陡降外特性电源，而电弧电压负反馈调节系统 静特性曲线为接近水平的直线。因此，焊接电流的调节是靠调节焊接电压外 特性来实现；而电弧电压的调节是靠调节给定电压以。 等速送丝电弧自身调节作用和变速送丝电弧电压负反馈自动调节作用的 特点及二者的比较见表2 - 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 表2 - 1 两种调节方法比较【1 6 1 比较内容 调节方法 2 4 埋弧焊直流送丝电机控制系统 直流电机调速控制电路通常有两种：晶闸管整流式；其他功率管如i g b t 、 m o s e f t 的p v m 斩波方式。分别介绍： 2 4 。1晶阐管整流式直流调速系统 晶闸管是具有四层p n p n 结构、三段引出线( 阳极a 、阴极k 和门极g ) 的半导体器件。欲使晶闸管导通需要具备两个条件【1 7 1 ：一是在晶闸管的阳极 和阴极之间加上正向电压；二是在门极与阴极之阃加上正向电压和电流。晶 闸管属于半控制器件，一旦导通，门极即失去控制作用。为使晶闸管关断， 必须使其阳极电流减小到小于维持电流以下。 由晶阐管变流装置直接给宣流电动机供电的调速系统，称为晶阕管一电 动机调速系统( 简称v - m 系统，又称为静止的w o r d - l e o n a r d 系统) 1 5 1 。晶 闸管直流调速系统示意图如图2 - 9 所示。 晶闸管直流调速系统的有如下特点【1 9 】： 1 晶闸管的单向导电性 由于晶闸管的单向可控导电性，造成系统可逆运行的不便。v m 系统运 行象限范围如图2 一l o 所示。 ( 1 )半控整流电路及有续流管的整流电路，只允许系统单象限运行。如 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 图2 - l o a ) 所示。 ( 2 )全控整流电路可以实现有源逆变，获得二象限运行，如图2 - 1 0 b ) 所示。 ( 3 )两组全控整流电路结合可以实现四象限运行，如图2 - 1 0 c ) 所示。 图2 - 9 晶闸管直流调速系统 o舻 i o_ 一 幽 a b a ) 一象限运行b ) 二象限运行c ) 四象限运行 图2 - 1 0v c m 系统运行象限范围 2 触发脉冲相位控制 这是晶闸管整流器最常用的方式。改变品闸管控制电压，使触发脉冲移 相，改变导通角大小，调节整流器输出电压的大小。 3 平波电抗器l 整流输出电压是脉动的，当平波电抗l 较小，且系统负载较小时，电流 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 可能出现断流，系统为非线性，运行中会出现问题，应采用足够大电抗值加 以避免。 晶闸管整流调速系统通过改变晶闸管的导通角来改变整流电源输出的电 压，从而改变电机电枢电压达到调节电机转速的目的。以纯电阻性负载为例， 单相可控的整流电路以及波形如图2 一1 1 所示。 劬 价 曲 详弋尹 二| 蛔： 蟮兮 b 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 垮令 c ) 图2 - 1 l 单相可控整流电路及波形 其中，图2 - 1 1 a ) 为单相半波可控整流电路b ) 为单相桥式半控整流电路； c ) 为单相桥式全控整流电路。图中。为控制角；口为导通角，口+ 口= 万。通 过改变导通角口的大小，控制输出电压蛳的高低。当负载为直流电机时，由 于直流电机的电枢属于反电势负载【2 0 1 ，本身具有一定的直流反电势反当整 流电路向它供电时，只有整流输出电压如大于反电势f 时，才有电流输出。 其它时间负载电流为零。 晶闸管整流电路负载电机可逆运行的实现方法通常有两种： 1 改变电枢电压极性。采用接触器切换加在电机电压极性或采用两组 晶闸管装置反并联的可逆系统。 2 改交励磁磁通方向。采用反接励磁线路。 2 4 。2 直流p w m 斩波调速系统 p w m 是脉冲宽度调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 的简称。p w m 变换器的作 用是用脉宽调制的方法，把恒定的直流电压调制成脉宽可调、频率一定的脉 冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，调节电机转速。由p w m 变 换器向电机供电的调速系统分为可逆和不可逆两种。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 2 4 2 1 直流斩波器的基本结构 直流斩波器一电机系统原理图和电压波形图如图2 一1 2 所示。 原理翻 图2 1 2 直流斩波器电机系统 在图2 - 1 2 原理图a ) 中，s 表示电力电子开关器，v d 表示续流二极管。 当s 导通时，直流电源电压以加到电机上；当s 关断时，直流电压与电机脱 开，电机电枢电流经v d 续流，两端电压接近于零。如此反复，电枢端电压波 形如图2 - 1 2 b ) ，电源电压玛在时间内导通，在( 产) 时间内被斩断，故 称“斩波”。在t 。时间内，电机得到的平均电压为： ， u , t = 等u l = p u i 式中，乙一一电力电子开个器件的开关周期： r 一一电力电子器件的开通时间； p 一一占空比，p = t o o t = t o ，其中，为器件开关频率。 2 4 2 2 不可逆p 硼变换器 不可逆p w m 交换器分为无制动作用和有制动作用两种。无制动作用的不 可逆p w m 变换器主电路原理图及电压电流波形如图2 1 3 所示。 功率晶体管v 由脉冲电压以驱动。在一个开关周期内，当o 时， 玩为正，v 饱和导通，直流电源配通过v 加到电枢绕组两端。当，对， 为负，v 截止关断，电枢绕组失去电源，电枢反电动势f 经续流二极管v d 续流。电机电枢平均端电压以为； f u a = 普u ，= p 以 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 p ( o p 1 ) 为p w m 占空比，改变p 即可改变，从而实现调速。 函q 4 少。 址 女 静压等麓 图2 - 1 3 无制动作用的不可逆p w m 变换器 有制动作用的不可逆p w m 变换器是在无制动变换器主电路中增设一个功 率晶体管，为反电势f 产生的反电流提供通道，形成两个晶体管交替开关电 路，构成了具有制动作用的p w m 变换器。这种系统可以在一二象限中运行， 在减速和停车时具有较好的动态性能。 2 4 2 。3 可逆p w m 变换器 h 型p w m 变换器是可逆直流p w m 变换器主电路的主要结构形式。h 型p w m 变换器电路是由四个功率晶体管和四个续流二极管组成的桥式电路，如图 2 - 1 4 2 1 l 所示。 i 主嘲蓐耳聋篱 图2 - 1 4h 型可逆p w m 变换器 髅 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 h 型电路在控制方式上分为双极式、单极式、受限单极式几种工作方式， 重点介绍双极式h 型电路。 双极式h 型电路工作特点是四个功率管的控制极电压分为两组。如图 2 - 1 4 a ) 所示，功率管v l 和v 4 为一组，同时导通和关断，其控制极电压玩，= 玩“ v 2 和v 3 为一组，同时导通和关断，其控制极电压铲。在一个开关周期 内，当0 4 r 时，玩产如为正，功率管v l 和v 4 饱和导通；u u = 如为负， v 2 和v 3 截止。这时直流电源+ 施加到电机电枢a b 两端，= 以，电枢电流 j 。沿回路i 流通。 当r t 时，两组控制电压反相，玩= 变为负，v 1 和v 4 截止；蝣 变正，由于在电机电枢电感释放储能的作用下，j 一沿回路2 经二极管v d 2 、 v d 3 续流，在v d 2 和v d 3 的压降使功率管v 2 和v 3 的c - e 极之蔺承受反压， v 2 和v 3 并不能导通，使得地。= - u s 。如在一个周期内正负相问是双极式工作 方式的特征。电机的可逆运行由正、负脉冲驱动电压宽度决定。 由于的正负变化，使电流波形存在两种情况，如图2 - 1 4 b ) 所示：当 如为负载较重的情况，这时平均负载电流大，在续流阶段电流仍维持正方向， 电机始终在第一象限工作；如为轻载情况，平均负载电流小，在续流阶段电 流很快衰减到零，于是v 2 、v 3 的c - e 端失去反压，在配和电枢反电动势的 合成作用下导通，电枢电流反向，沿回路3 流通，电动机处于制动状态。 定义p = 叫为p w m 电压的占空比。 调速时，p 的变化范围为一l p i 。规定蛳大于零时电机转向为正， 则当p 时，控制电压以，、以。的正脉冲宽度大于、的负脉冲宽度，电 机正转；p 为负值时，控制电压、以，的负脉冲宽度大于、既一的正脉冲 宽度，电机反转；当p = o 时，电机停转，但是电枢两端的瞬时电压和瞬时 电流都不是零，而是交交的，其平均值为零，不产生平均转矩，使电机带有 高频微振，起到“动力润滑”作用。 单极性h 桥p w m 变换器主电路与图2 - 1 4 a ) 一致，用于对静、动态性能要 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 求较低的系统。单极性工作方式中，在一组处于工作状态功率管二者之中总 有一个常通，一个常闭，它的输出电压波形和占空比公式与不可逆电路一样。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 第3 章送丝电机h 桥控制系统设计 本文设计的送丝电机h 桥控制系统以高性能大规模集成电路为核心，结 合四象限h 桥扩流电路，对电弧电压负反馈自动调节埋弧焊送丝电机进行速 度和运行方向控制。系统采用电弧电压负反馈闭环控制，配合比例积分算法 调节；同时通过检测电机电枢电流，利用电流环进行闭环控制。同一块控制 电路板上集成了焊接小车行走速度控制电路。控制系统原理框图如图3 - 1 所 示。并且对系统电路在焊接过程中可能出现的过热、过压等意外情况设计预 防措施，确保焊接过程的顺利进行。 图3 - 1 控制系统原理框图 3 1 控制系统综述 本埋弧焊控制系统由送丝电机控制电路和小车行走控制电路部分组成。 送丝控制系统以集成电路为核心，结合集成芯片外围电路、逻辑控制电路、h 桥扩流电路等主要部分组成，负责送丝电机的转速、转向控制。小车行走控 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 制电路负责焊接速度和焊接方向控制。逻辑控制电路设有焊接“开始”、“停 止”控制功能，并设置有“自动送丝”和“手动送丝”转换键。系统可以对 焊接电压、焊接电流、焊接速度进行预先设置。设计有闭环反馈电路，对焊 接过程进行检测并保持稳定。 本文重点阐述送丝控制系统。 控制系统工作原理如下： 1 送丝控制系统 系统采用电弧电压负反馈闭环控制。在焊接过程开始前，根据焊接工艺 要求和经验，对焊接电压进行预先设置。焊接过程中，通过提取焊接电弧电 压，经过p i 比例积分环节，生成电压变化量，与设定焊接电压进行比较后送 入集成电路控制端。该控制电压信号与集成电路内部三角波信号、基准电蓬 信号进行比较，产生一定占空比的p 删信号，经过h 桥扩流电路放大后，控 制送丝电机的转速和转向。l 2 9 2 集成芯片内部设有电流反馈环节，保证焊接 过程稳定。焊接开始前，手动送丝模式可以独立调节送丝速度和方向，为焊 接引弧做好准备。焊接开始后，送丝模式转换为自动送丝，在该模式下送丝 速度与转速由预先设置电压值与电弧电压反馈值控制。 送丝电路原理框图见图3 2 。 图3 - 2 送丝电路原理框图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 2 焊接小车行走控制系统 在成功引弧前，焊接小车处于停止状态；当引弧成功开始焊接时，系统 检测