（材料加工工程专业论文）逆变波控co2焊控制系统研制.pdf

硕士论文逆变波控c 0 2 焊控制系统研制 聚2 5 8 羽 摘要 本文介绍了逆变波形控制c 0 2 焊机控制系统的研制，详细阐述了总体方案的制 定、硬件研制及软件的编写与调试，采用变结构、离散型p i d + b a n g b a n g 复合控制 算法、实时调节输出p w m 信号的脉冲宽度，驱动控制用于逆变的大功率开关管 i g b t 的开通与关断时间，获得逆变焊机平外特性。采用“双脉冲”设计思想实现 焊接电流的波形控制。 通过软、硬件的模拟与仿真调试，证明控制思想合理且总体方案有效可行。 关键词：逆妄7c o ：连 波形藤。双脉冲b a n g 甚，孤g + p i d 第l 页 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，r e s e a r c h i n ga n dp r o d u c i n go nc u r r e n tw a v e f o r mc o n t r o ls y s t e mo f i n v e r t e rc a r b o nd i o x i d ew e l d i n gm a c h i n ei sg i v e n t h eo v e r a l lp l a n ，t h ed e s i g no f h a r d w a r es t r u c t u r e ，t h ep r o g r a m m i n ga n dd e b u g g i n go fs o f t w a r ei sd e s c r i b e di nd e t a i l t h eb a n g - b a n ga n da l t e r a b l es t r u c t u r ed i s c r e t ep i ds y n t h e t i cc o n t r o la l g o r i t h ma r eu s e d t om o d u l a t et h ew i d t ho f p w m s i g n a li nr e a lt i m e ，t oa c q u i r e t h ef i a tc h a r a c t e rb yd r i v i n g a n dc o n t r o l l i n gt h eo p e n i n ga n ds h u t t i n gt i m eo fi g b t , t h et e c h n o l o g yo f d o u b l e i m p u l s e ”i sa d o p t e d t or e a l i z ee l e c l r i ec u r r a n tw a v e f 0 1 t nc o n t r 0 1 t h eh a r d w a r ea n ds o t i w a r eh a v eb e e nt e s t e di ns i m u l a t e dc o n d i t i o n s ，i ti sp r o v e dt h a t t h eo v e r a l lp l a na n dc o n t r o li d e ai so r i g i n a la n da v a i l a b l e k e y w o r d s ： i n v e r t i n g c a r b o nd i o x i d ew e l d i n gw a v e f o r mc o n t r o ld o u b l ei m p u l s e b a n g b a n g + p i d 第2 页 硕士论文 逆变波控c o ：焊控制系统研制 1绪论 1 1逆变波形控制c o ，焊机简介h 逆变式c 0 2 焊机是8 0 年代发展起来的一种新型焊机，由于它采用了高频逆变 技术，具有传统电弧焊机无法比拟的优点，逆变电源不仅体积小、重量轻、效率高， 而且其动态响应速度的提高，使得它对焊接电弧动态过程的细微控制从不可能发展 到可能。然而c 0 2 焊接过程的一些固有特征决定了对其控制的复杂性。随着计算 机技术的迅速发展，微机在焊接中得到了越来越广泛的应用。微机控制逆变c o ， 焊机正是在这种情况下得到了广泛的重视。国内外不少学者、专家在c 0 2 焊接过 程机理、控制方法、控制系统等方面进行了卓有成效的研究工作。其中采用相应的 波形控制技术可以显著地减少c o ：焊接过程的飞溅，改善焊缝成形，提高焊接工 艺性能。 1 2 逆变焊机的发展 1 2 1 逆变焊机的发展概；e r , 2 1 唧 逆变焊机的发展主要受电力电子器件发展的推动，自从快速晶闸管、晶体管 ( g t r ) 、门极可关断晶闸管( o t o ) 、m o s 场效应管、绝缘栅极晶体管( i g b t ) 和栅极 控制晶闸管( i v i c t ) 等相继问世以后，世界各国的电焊机公司利用逆变原理将这些电 力电子器件应用于焊接设备，相继开发出晶体管逆变焊机、晶闸管逆变焊机、场效 应管逆变焊机和i g b t 逆变焊机。 从7 0 年代起，逆变焊机就受到国内外焊接界的普遍重视，发展速度很快，9 0 年代，在工业发达国家，逆变技术已经广泛地应用于手工电弧焊、t i g 焊、m i g 焊、m a g 焊等弧焊电源中，在电阻焊机中也开始应用。 1 9 7 2 年美国海运科研开发部门研制出一台3 0 0 a 晶闸管逆变弧焊电源。1 9 7 5 年p o w c o n 公司又推出一台多用途晶闸管逆变弧焊电源样机。但当时由于逆变器 的功率电子开关器件的性能和可靠性尚不成熟，且其价格较高，无法使其商品化。 直到8 0 年代初，由于电力电子技术的发展，功率电子开关器件的容量，性能大大 提高，而且品种增多，功率电子开关器件不仅有晶闸管半控器件，而且电力晶体管， 大功率场效应晶体管( 简称场效应管) 等全控器件相继问世。同时，这些器件的价 格也不高。这就给发展逆变焊接电源创造了条件。1 9 8 1 年晶体管逆变弧焊电源出 现了。1 9 8 2 年瑞典e s a b 公司推出l h h - 2 5 0 、l h h - 4 0 0 晶闸管逆变弧焊电源出现 了了。1 9 8 4 年又推出了c a d d g 1 3 0 场效应管逆变弧焊电源，1 9 8 6 年日本大阪变压 第l 页 壁笙查堂变速撞曼q z 坚堡型墨绫亟型 一一 器公司推出3 5 0 a 场效应管逆变c o ：弧焊电源，其逆交频率达到5 0 k h z 。总之，逆 变焊接电源在8 0 年代商品化以来，得到迅速发展，几乎所有国际上焊接设备的制 造商都大力开发和生产逆变焊接电源。目前，逆变焊接电源已经成为国际上焊接设 备的主流产品。 1 9 9 2 1 9 9 5 年，欧洲、美国、日本的主要电焊机公司逆变焊机的生产情况：日 本日立公司的i g b t 逆变焊机已经占m i g m a g 焊机总数的7 0 ，占t i g 焊机总 数的9 0 占切割机总数的1 0 0 ；日本松下公司、大阪变压器公司的气保护焊机中， 逆变焊机超过了5 0 ；美国的主要焊机生产厂逆变焊机占3 0 以上，其他工业发 达国家发展速度也是很快的。目前世界上的焊机制造厂商都基本完成了全系列逆变 焊机的商品化，并使之成为先进与高技术的标志之一。 8 0 年代末，我国政府行业管理部门、行业技术归口研究所就提出：“逆变焊机 是我国电焊机的发展方向之一”，并由原机械工业部将逆变焊机列为推广产品。 1 2 2 逆变焊机的发展方向洳q 】嘲 逆变式焊机愈来愈广泛应用于各种弧焊方法、电阻焊、切割等等工艺中。高效 和高功率密度( 小型化) 是国际上弧焊逆变器追求的主要目标之一。高频化和降低 主要器件的功耗是实现这一目标的主要技术途径。当前，在日本、美国、欧洲等国 和地区，2 0 k h z 左右的弧焊逆变技术已经成熟，产品的质量较高且产品已系列化。 逆变式焊机总的发展趋向是向着大容量、轻量化、高效率、模块化、智能化发展并 以提高可靠性、性能及拓宽用途为核心。逆变焊机的发展可以归纳为以下几个方向： ( 1 ) 沿2 0 k h z 的技术路线开发研制5 0 k h z ，i o o k h z 级的弧焊逆变器。 ( 2 ) 探讨旨在降低电力电子开关功耗，提高开关频率的零电压，零电流开关( 软 开关) 技术，其中包括电路拓扑结构和工程实现。 ( 3 ) 研制和生产大容量的逆变式焊机。为适应市场的需求，厚大工件焊接需要 1 0 0 0 - - - 2 0 0 0 a 的逆变式埋弧焊机( 单、双丝，带状电极等) 、大功率等离子喷涂逆变 器和电阻焊机等等。 ( 4 ) 研制和生产智能化控制的逆变式焊机。为适应高质量高性能和焊接工作的 市场需求，愈来愈多地研究开发和生产智能控制的逆变式焊机，其中包括为了大幅 度减少c o ：焊飞溅的波形控制和模糊控制技术，专家系统，人工神经网络技术， 自动跟踪技术等等。 ( 5 ) 研究功率因数矫正和减少电网谐振干扰。 第2 页 塑主垒查 鲎变鎏蕉曼垒坚堕壹4 ：至簦塑型 1 3逆变波形控制c 0 2 焊机的研究现状以及发展趋势啪【j 、1 【1 8 】暖】 从分析c o ，焊熔滴短路过渡和飞溅的产生机理知道，缩颈的顺利进行需要较 大的短路电流，而液桥爆断时对飞溅的抑制又需要短路电流小。传统上采用的主回 路串联电抗器限制d i d t 及i m 的方式难以兼顾短路过程这两个阶段对电流大小的需 求，因此只能一定程度上减小飞溅但不能实现少飞溅甚至无飞溅焊接。随着逆变技 术和对飞溅机理认识的不断深入，具有分时控制特点的波形控制法便应运而生了。 人们已经认识到必须在熔滴过渡的不同时刻迅速进行相应的控制，满足过渡熔滴的 受力和受热的不同要求，这样才能既保证稳定的熔滴过渡过程又可以最大程度地减 小飞溅。即在缩颈形成过程，提高电流上升速度，促进缩颈形成；而在短路过渡后 期，降低电流，使液桥爆破在低的爆炸能量下完成，获得无飞溅的短路过渡过程。 电压电流波形控制法便可以达到这一控制要求。尤其是弧焊逆变器的应用为波形控 制法又增添了新的活力，使波控法的实现更加容易。目前波控法的发展有以下三个 趋势： ( 1 ) 控制的精细化 随着对短路过渡过程研究的深入，人们对熔滴短路过渡控制的能力已经愈来愈 强了。波控法经历了由粗糙控制到精细控制的过程，而控制效果随之增强，焊接工 艺性能得到了改善。( 见表1 3 ) 。这方面有代表性的是美国林肯公司的表面张力过 渡电源( 即s t t 电源) 。此电源将短路过渡过程细分为：液桥形成段、缩颈段、液 桥爆断段、重燃弧段、稳定燃烧段、燃弧后期段等六个阶段加以控制，由图1 3 1 所示。由此得出少飞溅甚至无飞溅，烟尘少的焊接，焊缝成形美观。 嚣 笥 封 婷 辛 曼 懵 礁 型丛世 b 脚坠7 n d ) 圈1 ，1s t t 电娘整辛噜电疯电压波彤示意西 第3 页 表1 3 各种波控法及其特点 液挢形缩颈液桥暴稳定燃燃弧后期 电源类焊接工艺 控制方式及特点重燃弧段 成段段断段烧段段 型性能 飞溅得到 可控硅 动特性( 回路串联电感)了一定控 或晶体 粗糙控 制 管式弧 制动特性( 回路电流负恒压段但飞溅仍 焊电源 流串联电感)脉冲然很大 波飞溅量极 形 离少( 几乎 稳定 控细t熔球电磁子无飞溅) 断开分等离弧焊逆 制控 t形成收缩 体基值电流段焊缝成形 离段子体变器 制电段段扩美观，熔 段 源展滴尺寸均 段匀 小 飞溅率小 于3 ， 然短路电流段 电 燃弧大电流段但不适合 阶流 形 切空间位置 梯段 控 换焊接 制 晶体管 法 条低电短路飞溅量 低电压模拟式 ( 能 外压侧特性燃弧段短路特性段小，焊缝 侧段弧焊电 量 特段段成形可控 控 特 源 制 性 性 切 法1 换弧 控 迫 短路短路前燃弧飞溅率小 切 条燃弧前 制前期中期期中期燃弧后期小电弧焊逆 于3 。 换 外期大电 小电大电大恒压流段变器焊缝成形 特流段 流段流段电段得到改善 性 流 段 第4 页 硕士论文逆变波控c o ，焊控制系统研制 ( 2 ) 控制的微机化c o 【2 1 l 捌 焊接过程本身是一个非常复杂的物理和化学过程，影响焊接质量的因素很多。 而且精细的波形控制方法在大大提高了对熔滴过渡的控制能力的同时，也带来了可 控参数的增多。如日本日立公司的电流波形控制电源，可控参数多达1 4 个，若全 部用硬件来完成，则控制电路会很复杂。这不但影响了系统的可靠性，而且使参数 的调整和控制极不灵活。为此有更多的学者开始了弧焊电源的电流波形微机控制的 研究。国内这方面研究较早的是蒋立培教授等人采用c m c 8 0 机对常规c 0 2 焊电 流波形的局部削波控制。如图1 3 2 和图1 3 3 分别是微机控制波形的电路原理图之 一和波形控制示意图。它实现了飞溅率大幅度的降低，证明了微机控制电流波形的 发展潜力。图1 3 4 和图1 3 5 分别是利用微机的记忆与管理功能进行的复杂电流、 电压波形控制的系统框图和波形控制示意图。木材上的飞溅率由原来的2 0 5 9 r a i n 厂一 12 广l 彦 1_ j 厂l 廿 乙 ii 圈】，2 微机毡翻注庸电路原理职 1 - - 常规乎特性电躁2 一负电斑肚冲茇生电路 3 _ 锰机控制电辟 、囊 ； 、一 ，一 6 i 一 _ 一 i 、 一 巨j ， 缮培电袁谖，蕈拄钿于卷西 降到o 0 4 9 m i n ( j 差丝速度为7 s i n m n ) ，焊缝成形好。可见微机的快速性、灵活性 可最大限度地满足精细波形控制方法的需要。另一方面，微机的加入必将促进波控 法的更进一步发展。 、嘞1 、k q ulil uu 刍熬j 投内。 田3 t 机蠹_ 簟庸量虬杜田 m 1 ，电建电压谈彤撞劓乖茹圈 第5 页 塑主垒墨鲎变速笙曼q z 竖蕉型墨笙堡型 一 ( 3 ) 控制的智能化鲫 焊接系统具有非线性、时变特性，难以建立熔滴过渡的精确数学模型。用传统 的控制方法难以实现最佳控制。智能控制系统可以凭借专家经验对参数进行合理选 一 1 r：i 一一l 时i 圈】，6 i 电盘诫詹控制乖耄鲴 择，对系统进行最佳控制。焊接过程 控制系统的智能化是焊接自动化的主 要标志。 日本是最早将此技术实用化、商 品化的国家之一。如图1 3 6 是其进 行智能控制的一个实例。图中有7 个 可控参数，其中4 个是通过智能控制 来实现参数的预置和控制的。这些参 数是经过大量的工艺实验，得到了飞 溅与这些参数之间的关系曲线后，优化出来的结果。将这些参数存储在c p u 内， 焊接过程中由智能化的c p u 根据实验得到的最佳值确定动态控制过程。 由以上可见，为解决熔滴短路过渡的飞溅与焊缝成形问题而发展起来的波控 法，愈来愈显示出其灵活性和方便性。波控法的优越性将随着更高逆变频率的弧焊 电源的出现得到更大程度的体现。 1 4 本论文的来源 1 4 1 课题来源 本课题是基于国内外微机控制逆变c o ：焊机的发展状况，为适应国内焊接 生产的发展要求，也是为了适应逆变c o ：焊焊接过程研究的要求，由南京一德公司 和南京理工大学焊接实验室合作开发的一个项目。焊机的主电路部分由一德公司负 责设计制作，控制部分由南京理工大学设计制作。 1 4 2 控制电路技术要求 ( 1 ) 使焊机顺利实现逆变且具有软开关功能。其中焊机主电路逆变主功率器件为 i g b t ，逆变频率为2 0 k h z 。焊机额定电流4 0 0 a ，最大占空比0 4 ，空载电压6 7 v ， 负载持续率6 0 ，工作电压1 5 - 2 4 v 。 ( 2 ) 能方便地进行焊接参数的设定，并能够对有关参数进行实时显示。 ( 3 ) 能够对异常现象进行处理，具有保护功能。 ( 4 ) 采用光藕进行模拟与数字信号的隔离。系统稳定可靠，抗干扰性能强。 第6 页 塑熊墨堂变鲨蕉璺q z 竖篓型墨堕塑型 1 4 3 本课题的主要任务 ( 1 ) 掌握主电路所具有的全桥逆变、软开关原理和特点，明确其对控制系统的要求。 ( 2 ) 调研与方案论证。通过查阅有关文献，提出控制思想方案，并论证其可行性。 ( 3 ) 设计和制作整套控制系统硬件电路。包括输入输出通道接口电路、单片机最小系 统电路、驱动系统电路等硬件部分。并完成各功能硬件电路的原理调试。 ( 4 ) 设计完整的软件系统并进行原理调试。 第7 页 硕士论文逆变波控c o ：焊控制系统研制 2 焊机总体设计方案 2 1 焊机总体设想 由前面所述可知，近年来国内外微机控制逆变c 0 2 焊机得到了较快的发展a 一些生产厂家已经有了自己的产品，同时也已经采用了比较先进的控制方法。但是 他们在降低飞溅率、开关管功率损耗等方面还显得不尽如人意。鉴于此，我们所要 研制的就是一台具有软开关功能的波形控制逆变c o ：焊机。 在整个设计中焊机的主电路采用南京一德公司负责研制的具有软开关功能、全 桥逆变电源作为该焊机的主电路，其中用于逆变的开关管采用大功率的i g b t 管，实 现软开关功能是为了减少逆变时开关管开通与关断的功率损耗，采用波形控制是为实 现焊接过程的平稳、优化和低飞溅率其余部分自行设计制作。 2 2 焊机主电路设计【髑毋 逆变焊接电源是从电网吸取电能后，先经过整流滤波( a c d c ) ，再经过逆变 器将直流变成中频交流( d c a c ) ，然后经变压器降压隔离，再经整流滤波输出 ( a c d c ) 。具体结构框图见图2 2 1 所示。 船母雩聃 1 漉器广1 础广 刚 | 一 整霰砖波 l 圈2 2 】 世麦】i 罕接电艨结构框图 2 2 1软开关型p w m 逆变主电路结构3 】鹏】r f 6 】 从上图可以看出，焊机主电路包括输入整流滤波、逆变、电压转换隔离以及输出 整流滤波几部分。其核心就是逆变焊接电源电路中的标志逆变器。因此，本焊机 主电路的设计采用具有软开关功能的p w m 控制全桥弧焊逆变器。电路结构如图2 2 2 所示。 第8 页 硕士论文逆变波控c 0 2 焊控制系统研制 该全桥逆变主电路把p 3 , 加v i 控制优点和软开关逆变器优点结合起来，在大范围内 实现了p w i v l 控制，而在开关瞬间实现功率器件零电压开通。v t ，、v t 3 是超前桥臂， v t ：、v t 是滞后桥臂，每只开关管导通1 8 0 。，v t 、v t 3 导通时刻不变，控制v t 2 、v l 的导通时刻，使得v t ，与2 导通时刻相差0 0 1 8 0 0 ，当v t l 与v t 2 移相角为o o 时， 输出最大。而当v t 。与v t 2 移相角为1 8 0 。时，逆变器无输出。v t 3 与v l 相似。从而 为实现焊接参数的无级调节和外特性曲线的形成提供了条件。 + ： f 殛影l fq 曩，二j 涵jj ! 。 雾5 9 辨 _ 。鼍 圈 瞧归 霪奄 醚 i i 。+ j 。刚 黪：i黪溺 塾戮。薯 黪7 ，? 。謦。 。l 。：。 i 糍i ”重；j。j 黼 铡雾 蠹毫蛹熙 7 一ll 。_ 警i 雾蠹 ! 粼固 镰= 。i 譬鹾：，j 烈霉陵i f ，# 以。= 一工o ，重 i 譬爱? 譬i 鼍黧零一? 琴一i 其超前管实现零电压工作原理如下：假定负载是电感性负载，根据控制策略，v t l 先导通，v t 经过一定移相角后导通，电流方向通过电源经a 、b 流向负电源，电源 向负载输出功率。v t l 关断后，如果忽略吸收电路的作用，电流由v t 。切换到v d ， ( 实际上是并联在v d ，、两端的电容先放电，使得其两端电压为零后，换流到v d ，) ， v t ，管可在零电压下开通( v d ，开通后，v t ，两端电压近似为零) ，电流处于环流阶段， 开始时方向是a b v t ：v d r 嵋a 。此时的环流与常规的相移电路不同，由于有了 隔直电容。其环流过程是一个l c 的振荡过程，流过v t 2 的电流很快过零并且反向， 反向电流由b a v l v d 2 b ，滞后管v l 可实现零电流关断。而在常规相移p w m 电路中，滞后管在环流过程中电流保持一定的值。关断时，电流转移到另外一个滞后 管的反向二极管，以实现滞后管的零电压开通。 2 2 2 主电路特点及对控制和驱动电路的要求( 2 】口田 ( 1 ) 功率器件承受开关应力与开关损耗很小由前面分析可知，在零电压零电流全 第9 页 硕士论文逆变波控c o ：焊控制系统研制 桥p w m 逆变主电路中，超前管是零电压开通，其关断是依靠并联的电容实行近似零 电压关断，只存在较少的关断损耗；滞后管是零电流开通与关断，而且电流与电压没 有重叠，所以不存在开关损耗，只有通态损耗。 ( 2 ) 全桥弧焊逆变器如果功率开关器件的开关特性和饱和压降不对称，高频变压器 磁心容易产生单向偏磁，形成直流磁通而最终会导致功率器件热击穿损坏a 为此，可 采用三种办法解决。在高频变压器的磁路加足够尺寸的气隙，以防止磁心饱和。 采用补偿电路，以一路的工作磁通为给定值，通过调节另一路的磁通实时跟踪给定量 从而保证两路工作磁通在允许的偏差值内。增加隔直电容，利用电容的隔直性，断 绝变压器中的直流分量。 本焊机设采用第三种方法。所用隔直电容为耐高压的c b b 电容。采用多电容串 联和并联的办法提高电容的耐压能力和减少其本身的等效电阻。 ( 3 ) 对全桥式逆变电路，同一侧面的上下桥臂的开关管在开关周期的某一时刻会出 现同时导通的现象。即上下桥臂把输入电源短路，如果输入电源是恒压电源，会导致 开关管毁坏，逆变失败。造成这种现象的原因有：驱动脉冲宽度过大、功率器件的 存储时间过长。感性负载和较高的电源压以及过快的开关管关断速度而引起大的 d u d t 和两路驱动脉冲相互干扰而导致。解决办法有：对第一种情况采用负偏压关断管 子或采用t p l 2 5 0 系列外加适当电路，提高系列负偏压来减少其存储时间。另外在不 至于影响功率输出的前提下，保持足够的死区时间来防止直通：对第二种情况选择适 当的驱动电阻，既保持足够的驱动功率，又使得驱动电路本身具有一定的阻尼。另外 采用零电压开通的软开关电路和适当的负偏压电路，也可以防止直通现象的发生。 本次设计在选择合适的i g b t 管的前提下，驱动脉冲宽度保证足够的死区时间， 而且主电路具有软开关性能。所以可以避免直通现象的发生。 2 3 焊机控制系统总体设计方案 2 3 1 总体控制思想 作为焊机的控制系统，其作用就是通过采用一定的控制手段对某一些相关参数 或影响因素加以调整，使焊机能够按照预期的方式顺利工作，并能够满足设计和工 艺方面的技术要求。 本焊机控制系统的控制思想是： 经过实时采集电弧电压并反馈，得到恒压外特性电源。满足电弧的调节特性。 采用变结构、离散p i d 控制算法，实时调节p w m 信号的宽度，以调节电源 第1 0 页 硕士论文逆变波控c o ：焊控制系统研制 输出。另外为提高系统的响应速度，在短路和燃弧开始瞬间采用b a n g - b a n g 控制。 保证输出的p w m 信号满足一定的相位要求，实现主电路逆变的正常进行。 利用微机控制的快速、准确性，适时调整驱动信号的宽度，调节电源的输出， 实现“双脉冲”波形的电流。 2 3 2“双脉冲电流波形控制法【刁宝2 】 在正常的c o ，焊短路过渡过程中，电流 波形和熔滴过渡形态示于图2 3 2 1 中。从图 中可以看到，在电弧引燃后，首先将熔池压 低出现凹坑，焊丝由电弧加热开始化，在 焊丝端头铁液积聚成熔滴。随后熔池表面回 升，如、。燃弧后，焊接电流开始下降， 而焊丝继续送进，使得弧长变短，同时伴随 着熔滴的浮动，而随即发生短路。短路后， 焊丝端头的熔滴与熔池接触，电弧电压突然 暇i3 2 1 辩 黪糍i 赣避毽曲堍壤辩潞 降到零，而短路电流上升。由于焊接回路电感的抑制作用，使得电流缓慢上升。同 时在焊丝与熔池间的熔滴金属在电磁力和表面张力作用下，向熔池容润湿和转移 ，随后形成缩颈。当短路电流上升到定值时，该缩颈因为通过强大的电流， 在电阻热的作用下汽化而暴断，并立即在焊丝与熔池间激发新的电弧、。如此 循环往复。 2 3 2 1“双脉冲”电流波形简介 通过对细丝c o 焊电弧物理的深入研究表明，短路过渡飞溅主要发生在瞬时 短路时和正常短路的后期液桥爆破时。为此，在短路的初期和后期降低电流，就可 以达到降低飞溅率，优化焊接 过程的目的。在燃弧阶段，可 以通过施加电流脉冲的方法。 使焊丝熔化速度加快，熔滴过 渡频率提高，焊接过程稳定。 即在短路和燃弧阶段分别适时 施加电流脉冲形成输出电流的 “双脉冲”波形。如图2 3 2 2 所示。 _ - 催 捌 暮 掣 田2 32 2 取辟冲电流谈雕乖怠圈 村阀t 第l l 页 硕士论文 逆变波控c 0 2 焊控制系统研制 2 3 2 2“双脉冲”电流波形机理叫l 惜j 细丝c o ，焊在熔滴与熔池接触短路初期，使电流为一个较低的值，并保持一 段时间，使熔滴金属向熔池汇合，并发生稳定的短路过程。随后施加一梯形电流脉 冲，以便产生径向的电磁压缩力，加速熔滴向熔池的过渡。在液相桥破断过程中， 检测电压的变化值d dd ，。当该值达到某一特定值时，表明破断将要发生，这时立 即将电流降低到较低的值，使液体金属在表面张力作用下柔顺地过渡到熔池中 去。液相桥破断以后，电弧重新引燃，同时，电源向电弧输出较大的电流脉冲， 用以熔化焊丝和母材，并形成一定尺寸的熔滴。随后减小电流到正常燃弧状态。 当熔滴长到足够大。并且将要与熔池接触时令焊接电流突然下降到较低的数值。 因此熔滴所受的排斥力也突然降低，使熔滴在惯性作用下与熔池接触和短路。这样 就能防止发生瞬时短路过程。如此反复进行输出电流波形控制，可以使飞溅率大大 降低，甚至基本上消除飞溅。 2 3 2 3 “双脉冲”电流波形的实现 在c o ，焊接过程中，要获得如图2 3 2 2 所示的理想的输出电流波形，必须使得 焊机具有较高的动态响应速度，而本焊机正是依赖于逆变焊机的特点来实现高动态 响应速度的。另外，从以上分析可见，在不同的焊接阶段，要求输出的电流不同， 如此细微的控制过程，也正是充分利用微机计算速度快的优势实时调整输出参数 的。在短路初期，启动电流反馈，实现恒流控制，让电源输出一段时间的小电流( 一 般为5 0 a 左右) ，并保持大约l m s 左右的时间，其持续时间可以通过设置软件定时 器来实现。随后，短路电流不断上升，到达适当的峰值电流后，开始判断电压变化 u t 的值，当该值达到一定值，立刻再次启动窄脉冲，降低电流并保持，直到 短路阶段结束，这段时间也非常小，期望控制在1 5 0 ps 范围内。这样，在整个短 路阶段，便实现了开始和结束的较小电流输出。可避免瞬时短路和后期的大电流爆 断。随后，焊接进入燃弧阶段，先施加一较高电流脉冲，持续2 m s 左右后，恢复 恒压控制，电流逐渐减小，直到下次短路开始。具体实现见后续章节。 2 3 3 控制策略( 乃】 2 8 由于本系统以单片机为核心，因而可以充分发挥单片机所具有的各种运算和逻 辑判断的功能，力求准确地实现系统的控制功能。 控制算法的确定： 采用分区段b a n a n g 控制和变结构、离散型p i d 控制策略。 。 第1 2 页 硕士论文 逆变波控c o ：焊控制系统研制 首先判断焊接所处阶段。对于直径为1 肛1 6 m m 的焊丝进行c o ：焊时，焊接电 压通常在2 0 v 左右。而短路时，理论上电压应当为0 v ，但是由于回路电感、液态 小桥等因素的影响，实际短路电压大致在7 v 左右。焊接前，先输入焊接电压、电 流，( 例如取u = 2 0 v 、i = 1 1 0 a ) 。在焊接过程中，实时采集电弧电压，判断焊接所 处状态，由于本焊机设计空载电压6 7 v ，工作电压1 5 v - 3 8 v ，因此一般认为电压 大于4 0 v 为空载状态，所以，取空载判断门槛电压u 。的值为4 0 v ，通过计算偏差 e l = u 。一u f ，若e 1 0 哺需要继续判断。由于电弧电压由阴极区压降、阳极区压降以及弧柱区三部 组成。而熔化极气体保护焊阴、阳极压降之和为1 0 v 左右，燃弧时电弧电压大于 阴、阳极压降之和，所以，可以取短路判断门槛值为1 0 v 。再次判断e 2 - u 广1 0 v ， 若e 2 0 ，则焊接必然仍处于短路阶段，执行短路处理程序。同理可以判断出燃弧 阶段。执行燃弧处理程序。采用p i d 控制算，可以实时调节输出p w m 脉冲信号 的宽度。保证电源外特性要求。同时，在确定焊接所处阶段后，采用线性 b a n g - - b a n g 控制策略，以提高系统的响应速度。这种种区段控制策略见框图2 3 3 所示。恒流控制与此类似。 作为划各焊接阶段的给定电压门槛值是控制成败的关键，然而，这一数据在 编程时是依据经验数据确定的。在实际焊接过程中，可能由于各种原因，其值有可 能在一定围内变化。因此在软件设计中，先赋一个经验值，待整机完成后，再通 圈2 3 3 分区巨控翻策略框田 第1 3 页 硕士论文逆变波控c o ：焊控制系统研制 过多次实际焊接进行调整。使这一参数达到最优。 实现上述的“双脉冲”焊接电流波形控制，脉冲出现的时间和持续时间是控制 的难点，焊接状态的判断是保证控制策略的关键，焊接时电流、电压干扰信号的去 除也是正确进行控制所必须解决的难题。因此在设计中，硬件方面采用数据采集实 时性很强的接口电路及模数隔离电路；软件上采用了数字滤波、定时控制及p i d 算法加以解决。 2 4 控制系统硬件总体设计e 】4 伽1 伽 微机电流波形控制逆变c o 焊机从硬件电路上可以分为主电路、控制系统电 路和送丝、送气系统电路。本焊机控制系统电路包括：键盘及显示电路、采样隔离 放大电路、模数转换电路、单片机最小系统电路、输出信号隔离放大电路、驱动电 路及时序控制电路。图2 4 1 为焊机控制系统原理框图。从图中可以看到，微计算 机是控制的核心。考虑到价格及实际应用，本文选用的是m c s 5 1 系列单片机，并 选用不带r o m 的8 0 c 3 1 b h 。考虑到焊机较高的逆变频率( 2 0 k ) 和波形控制的实 时性，模数转换芯片选用a d 5 7 4 a ( 转换时间为2 2u 。左右) 。另外选用可编程键 盘显示接口器件i n t e r l 8 2 7 9 作为键盘输入和显示控制的核心芯片。具体的工作 原理如下：焊接过程中，通过霍尔电流、电压传感器及采样电阻即时采集焊接回路 中的电流和电弧电压信号。首先被隔离、放大再经a d 5 7 4 转换后送到8 0 3 l 。给定 电压由键盘输入及显示电路预置并显示，在8 2 7 9 与8 0 3 1 之间进行数据的交换及管 理。c p u 通过计算、判断、发出相应的控制信号经隔离、放大，再经驱动电路驱 动i g b t 管，控制其导通或关断时间，从而控制电源输出，以获得要求的焊接电源 外特性及理想的焊接电流波形。对采样后经过处理的电参数即时显示，便于操作者 观察。另外采用热继电器可以进行开关管的过热保护，通过采样反馈信号可以进行 开关管的过压、过流保护。 2 5 控制系统软件总体设计咖q 】 结合控制系统硬件设计，根据整个焊机系统的技术要求和软开关p w m 逆变c o ： 焊微机波形控制焊接过程的自身特点，进行单片机控制系统软件的功能设计如下： ( 1 ) 主程序设计。系统上电后初始化。协调各功能程序的顺利运行。 ( 2 ) 外部中断服务。 焊接过程的程序控制。 焊接系统出现异常情况处理。 第1 4 页 、 硕士论文逆变波控c o ：焊控制系统研制 定时采样子程序。 键盘中断服务子程序。 ( 3 ) 各个功能子程序设计。进行短路、燃弧分区段控制，完成信号处理所必须的 各种算法和数制间转换运算。 具体的控制系统软件总体架构见图2 5 所示。 第1 5 页 硕士论文逆变波控c o ：焊控制系统研制 圈2 4 控捌系统硬件蜃理框田 第1 6 页 硕士论文逆变波控c 0 2 焊控制系统研制 田2 5 控制系统软件总体设计方案 第1 7 页 硕士论文 逆变波控c 0 2 焊控制系统研制 3 控制系统硬件设计与调试 3 1 输入输出通道接口设计 输入输出通道是连接控制系统和被控制对象的桥梁，其性能好坏直接影响整个 系统的成败。因此要求输入、输出通道必须具有可最大限度消除干扰、保证较高的 信号传输线性度和信号转换的快速性。 3 1 1 模拟量输入通道 根据设计要求，对焊接电流i f及电弧电脑进行检测的输入通道包括：信号 的提取、前级放大、光耦线性隔离、后级放大、采样保持及d 转换几个部分。 3 1 1 1 信号的提取【刁 ( 1 ) 传感器的选择 电弧电压u ，及焊接电流i f 信号的提取采用霍尔电流、电压传感器模块。霍尔 电流、电压传感器模块具有精度高、线性好、频带宽、响应快、过载能力强和不损 失测量电路能量等优点。是当今电子测量领域中应用最多的传感器件之一，可广泛 用于电力、电子、交流变频调速、逆变装置、电子测量和开关电源等诸多领域，并 可完全替代传统的互感器和分流器。由于焊机的额定电为4 0 0 a ，测量电压范围在 0 8 0 v 内，所以，选择c h b 5 0 0 s5 0 0 a 作为电流传感器、c h v 一1 0 0 p 为电压传 感器模块。 ( 2 ) 霍尔传感器的连接方式 电流、电压传感器只需外接正 负直流电源，被测电流母线一般从 传感器中穿过或接于原边端子，然 后在副边端再作一些简单的连接即 可完成主电路与控制电路的连接。 磁平衡( 补偿) 式电流、电压传感器其 输出信号均为电流。若需要电压输 出方式，可在m 端与电源地之间据 所需电压大小外接取样电阻，其典 型接线方法如图3 1 1 1 所示。传感 器的3 个接线端子分别为：正电源输入接“+ ”端，负电源输入接“一”端，“m ”端为 信号输出端。电压传感器( 如c h v 2 5 p 、c h v - - 1 0 0 等) 一般有5 个接线端子，其 第1 8 页 硕士论文 逆变波控c o ：焊控制系统研制 中“+ h r 、“一h r 为原边端子，分别接被测电压输入端的正极和负极。另外3 个 端子为负边端子，“+ ”端接+ 1 5 v 电源，“一”端接一1 5 v 电源，m ”端为信号输出 端。电流传感器的接线方法如上图所示。 根据所测电压大小的不同，可根据需要在被测电压一端串接一个电阻r 后再 接到传感器的原边，串接电阻r 的大小由下式3 1 1 1 确定： r = 咋o r w( 3 1 1 i ) 式中r 为串联电阻，v p 为被测电压，h 为额定输入电流，r 。为传感器的原边内阻。 串接电阻功率大小由式( 3 1 1 2 ) 确定： w = 咋( 3 1 1 2 ) 为便于后续电路对所采集的信号进行处理，由于从传感器输出的最大电流约 1 0 0 m a ，故采样电阻选择1 5 0 0 ，这样，输出的电压范围在1 5 v 之间。 3 1 1 2 采样信号的隔离与放大电路叼 信号采集电路和单片机数据处理电路分属于模拟电路系统和数字电路系统。为 使模拟信号不失真的传送给单片机，因此信号必须经过电气隔离，以利于整个系统 酗h j 舶_ 一鼻自薰繁毫一 的抗干扰性能。因此，经过采样电阻引入实时采集的模拟信号经由l m 3 2 4 组成的 第1 9 页 硕士论文逆变波控c o ：焊控制系统研制 跟随器和放大器进行缓冲、线性放大并加以整形处理，然后被双光耦t i p 5 2 1 2 线 性隔离，再经稳压、线性放大后，使其值处于0 - 1 0 v 之间输出。便于a d 转换。 其原理电路见圈3 1 1 2 所示。 采样输入的模拟电压信号，经电压跟随器进行缓冲等操作后，进入下一个运放 的同相输入端，因此其电压值v + = v i n ，由运放的基本性质得到式3 1 1 3 和式 3 1 1 4 。 圪= = ( 3 1 1 3 ) k = 1 r i ，= 鸱焉5 ( 3 1 1 4 ) 设计采用双光耦t l p 5 2 1 2 芯片，其内部集成了两个光耦，电气性能相似，光 电流传输比基本相同，即b 值相等。因此，只要将w 5 调试至r w = r 1 5 ，则有式3 1 1 5 。 v o = p _ l d r = 厚k 且1 5 = e = i ( 3 1 1 5 ) 只要匹配合适的电阻值，即可方便地实现光耦对模拟信号的线性隔离。 由于电压和电流信号都需要采样，隔离与放大电路完全相同，只是两者传感器 输出电流有差别而已，可以通过连接不同的采样电阻加以调整，使得采样输出电压 在0 , - - , 1 5 v 之间。 另外，输入通道还包括采样信号保持及a d 转换电路。在由模拟信号转换为 能被单片微机识别和处理的数字信号( 即a d 转换) 电路中，由于所需要处理的 模拟信号是多路信号，微机不可能同时对所有信号进行处理，所以，模拟输入通道 需连接到模拟开关，微机通过软件控制轮流切换，分时使用一片1 2 位的模，数转换 芯片a d 5 7 4 a 。其接口电路在单片机扩展电路中详细介绍。 3 1 2 输出通道接口设计 输出通道包括： ( 1 ) 单片机输出信号的处理电路。 ( 2 ) i g b t 管的驱动电路。 3 1 2 1p w m 信号的隔离与放大6 】 单片机8 0 3 1 的p 1 口输出的p w l v i 信号，是幅值为5 v ，频率为2 0 k 的脉冲 信号，为了能有足够的驱动功率，同时避免强弱电信号的干扰，需要经隔离、放大 电路才能进入驱动电路。具体的电路结构如图3 1 2 1 所示。 单片机输出并合成的p w m 脉冲信号，经由缓冲驱动芯片7 4 h c 0 7 接入光耦器 第2 0 页 硕士论文 逆变波控c o s 焊控制系统研制 件t i l l17 进行隔离。从光耦输出的信号再经过低通滤波和偏置电路后，得到所需 的p w m 脉冲信号幅值。因为后续e x b 8 4 1 的导通需要不小于1 0 m a 的电流和不小 于1 5 v 的电压。所以，此p w m 信号还必须经过电流放大电路。从而保证输出信号 具有足够大驱动能量输出。经过一驱动芯片7 4 h c 0 7 ，接入光藕t i l l l 7 隔离，输 出信号再经过缓冲、低通滤波、偏置、电流放大电路，直至最后输出。 单片机输出的p w m 信号是不大于5 v 的脉冲信号，其驱动功率有限，不能直 接用来作为驱动脉冲，必须经过功率放大。另外，从单片机输出的脉冲信号必须与 后续电路进行隔离才不至于使微机部分受到影响。所以它必须经过上述电路才能为 目a i 2 i 溺鼎渊翱谶孽随簟 主电路中大功率开关管i g b t 的驱动模块e x b 8 4 1 的导通提供所需的驱动信号。由 于是四个i g b t 大功率开关管，因此需要四个上述电路才可以保证各开关管的顺利 驱动和主电路逆变的正常进行。 3 1 2 2 i g b t 管驱动电路伽c 曰 ( i ) i g b t 管的基本原理及其驱动电路特点 i g b t 是绝缘栅双极晶体管的代号，简称绝缘门栅极晶体管。它是将场效应管 m o s f e t 和电力晶体管鲫t 集成在一个芯片上的复合器件。m o s f e t 是单极型电 压驱动器件，工作速度快，输入阻抗高，热稳定性好，驱动电路简单，但导通电阻 较大，电流容量也较低；g n t 是双极型电流驱动器件，其阻断电压高，载流能力 第2 l 页 硕士论文 逆变波控c 0 2 焊控制系统研制 强，但工作速度较慢，驱动电流较大，控制电路较复杂。i g b t 综合了m o s f e t 和g t r 两者的优点，很适合作焊接电源的逆变器开关用。i g b t 的简化等效电路 如图3 1 2 2 示。 从i g b t 的简化等效电 路图中可以看出，i g b t 是 以g t r 为主导元件， m 0 8 f e t 为驱动元件的达 林顿电路结构器件。当 m o s f e t 的门源之间加上 驱动电压时，m o s f e t 导 通，g n t 的基极有电流通 过，g t r 导通，这时，整 个i g b t 导通。 o 嘲3 i 2 2 c i t 诘i e i 履肄最电略 i g b t 为电压驱动型器件。i g b t 导通时象一个二极管，工作电流密度很高： 同时，其电流可通过栅极电压来控制，这个特性不仅能通过栅极关断i g b t ，而且 还用来限制集电极电流。可见，i g b t 和m o s f e t 一样，具有极高的输入电阻；同 时和双极晶体管一样，在很大的输出电流时，具有较小的饱和压降。i g b t 的导通 压降，随温度增加而增加，这就可以在器件并联时，得到很好的电流均流。一般地， 第二代i g b t 的t o n = o 3 0 8us ，t o f f - - - - - 0 6 1 5us ，第三代i g b t 的1 o n 和1 o f f 要小一些。 i g b t 作为焊接电源有以下优点：电压驱动，驱动功率小，输入阻抗高。只 有当门极偏压超过一定值时才出现沟道。一般门限电压u ( t h ) 为2 5 5 v 。一 般门驱动电压1 2 1 5 v 。i g b t 是电压驱动容性输入阻抗器件，输入电容比m o s f e t 小，降低了对门极驱动电路的要求。 高的开关速度，一般开关时间是同规格g t r 的1 1 0 ，一般g t r 工作频率在 5 k h z 以下，m o s f e t 为3 0 k h z 以下，i g b t 在1 0 3 0 k - i z 。 电路密度高，载流容量大。电流密度为同规格的双极晶体管的1 5 倍，载流 容量为m o s f e t 的5 1 0 倍，这就为制造大容量焊接电源创造了条件。 开通损耗小，饱和压降低，开关损耗约为双极晶体管的1 3 左右，i g b t 的 饱和