（材料加工工程专业论文）软开关点焊逆变电源智能控制系统研究.pdf

摘要 摘要 逆变式点焊电源是电阻焊领域研究的主要方向之一。软开关技术可以减小开 关损耗、电磁干扰以及对电路寄生参数的敏感性，并从根本上改善了电源的输出 特性、稳定性及可靠性，提高了电源的效率。d s p ( 数字信号处理器) 的高速发 展为智能控制算法在点焊控制中的应用提供了一个良好的研究平台，以其为主控 单元构建的控制技术证在逐步取代单片机控制技术。本文基于d s p 开展了软开 关点焊逆变电源智能控制系统的研究工作。 论文通过对软开关逆交点焊电源主电路拓扑结构和工作原理的分析，对全桥 式移相d c d c 零电压软开关逆变点焊电源恒流输出的驱动脉冲时序要求和实现 方法做了详尽的论述。 采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad e i n o 板为全桥移相零电压点焊逆变电路提供p w m 驱动脉冲，并建立了输出电流变化值与移楣角之间的计算公式，利用软件编程对 p w m 驱动脉冲的输出频率、移相角和死区时间进行灵活的设定和修改。 分析并推导了逆变点焊过程控制模型，构建了逆变点焊模糊神经网络恒流控 制系统结构。根掘该模型采用先正弦后恒定输入的方法对模糊神经网络( 孙i n ) 进行分段离线学习，从而提高网络的泛化能力和自适应能力。针对实际控制中模 糊神经网络计算量大，实时性差的缺点，对常规的b p 算法做了一些优化处理。 并且提出了在线控制时，利用训练后的网络仅做丁f 向模糊计算，输出逆变桥开关 管占空比改变量的方法保证逆变器恒流输出的智能控制方法，从而有效地提高了 网络控制的实时性。 利用m a r l a b 语言编程完成了系统智能控制算法的仿真试验。仿真结果表 明，离线分段训练后的f n n 在线控制时，仅做正向模糊计算就可以完成逆变点焊 电源恒流控制输出的要求；当加入瞬时干扰时，系统大约经过4 个逆变周期达到 稳定值。此外，动量因子的引入不但减小了b p 算法学习过程的振荡趋势，加快 了收敛速度，而且较好地解决了b p 网络容易陷入局部极小点的缺陷。模糊规则 阈值的引入，大约减小了2 2 的网络训练时间。 关键词：点焊：逆变电源；软开关；d s p ：模糊神经网络 a b s t m c t a b s t r a c t s p o t - w e l d i n gi n v e n c rp o w e ri so n e0 ft h em o s ti m p o r t a i l td e v e l o p i n gt i n d si n t l l ef i e l do fr e s i s t a n c ew e l d i n g a n dt 1 1 es o n s w i t c h i n gh a st h ca d v a n t a g e so ft h el o w s 、) l ，i t c h i n gl o s s ，l i t t i ee l e c ”o m a g n e t i ci m e r f c r e n c ea n ds m a l ls e n s i t i v i t yt ot 1 1 ep a r a s i t i c p a f a i n e 把r so ft h ec i r c u i t ，a i l di tc a na c h i e v eh i 曲r e l i a b i l i t ys l a b i l i l ya 1 1 de 位c i e n c yo f m es p o t w e l d i n gp o w 乩w i mm eh i g l ls p e e dd e v e l o p m e n to ft h ed s p ( d i g i t a ls i 鲫a l p r o c e s s i n g ) ，ag o o dr e s e a r c h i n gp l a t f o 肌w a sb u i l tt ou s ei n t e l l i g e n tc o m r o la l g o r i t t l r i l i n s p o t w e l d i n gc o n t r o 】，a n dc h i pm i c f o c o m p u t e rc o n t r o lt e c h n i q u ew a sb e i n g r e p l a c e dg e n e r a l l yb yt h o s ew h o s em a i nc o n t r o lu n i t sw e r ed s p s ot h ei n t e l l i g e n t c o n 加ls y s t e mo f t h es o rs 、v i t c h i n gs p o t - w e l d i n gi n v e n c rp o w e rw h i c hb a s e do nd s p w a sr e s e a r c h e di nt h ep a p e r t h et o p 0 1 0 9 i c a ls t m c t u r ea 1 1 d o p e r a t i n gp r h l c i p l eo ft h em a i nc i r c u i to ft h c s 0 r s w i t c h i n gs p o t w e l d i n gi n v e n e rp o w e r 、v e r cs t l l d i e di nt h ep a p e r ，a n dt h et i m e s e q u e n c ea n dg e 粥r a t e dm e t h o do fd r i v ep u l s ew h i c h 矗t t e d 如1 1 b d d g ep h a s e i s h i 矗e d d c d cz e r o v o l t a g e s o m s 硫c h i n gs p o t w e l d i n g i n v e r t e rp o w e rc o n s t a r l t - c u r r e n t o u t p u tw e r ed i s c u s s e di nd e t a i l ，t o o i nt h i sp a p e lm et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad e m om o d u l ew 懿u s e dt og e n e r a t ep w m 嘶v ep u l s ef o rf i l l l - b r i d g ez e r o - v o l t a g es p o t 、v e l d i n gi n v e n e rc i r c u i t ，a n dt h ef o 咖u l a t oc a l c u l a t em eo u u tc u r r e n t sv a l u ec h a n g i n gw i t ht h ep h a s e s h i f t i n ga 1 1 9 l ew 雒 b u mt h ef 沁q u e n c y ，p h a s e - s h i 厅i n ga n 翻ea n dd e i a yt i n l eo ff h ep w m p u l s ec o u i db e s e ta n dr e v i s e dc o f e n i e m l yb yap r o g r 锄 a c o n t r o i l i n gm o d e lo fi n v e n e rs p o t w e l d i n gp r o c e s sa n daf h z z yn e u r a ln e 似o r k c o n 丘g u r a t i o na b o u ti n v e n e rs p o t w e i d i n gc o n s t a j l tc u n e n tc o n t r o lw e r eb u i l ti n t h i s p a p e r n e 缸习n e u 同n e 咖r kw a s 仃a i n e db yo 昏l i n em e t h o dt 0e i l l l a l l c et h e g e n e r a l i z a t i o na n ds e l f - a d a p t i o na b i l i t yw i t ht h ew a y t h a ls i n u s o i d a lt r a c ei n p mf i r s t l y ， a n dm e nc o n s t a i l ti n p u t c o n s i d e r e dt h ed i s a d v a n t a g e so ff 屺z yn e u r a ln e t w o r ks u c h i l 曲北t 业人学t 学硕十号f 节论文 a so v e n n u c hc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y ，t i m e c o n s u m i n gr e a lt i m e ，t h er o u t i n eb p a r i t h m e t i cw a so p t i m i z e d m e a n w h i l e ，i no r d e rt oi m p r o v ee f f i c i e n t l yr e a lt i m eo f n e t w o r kc o n t r o l ，aw a yt h a tj u s td o e ss o m ep o s i t i v e g o i n gc a l c u l a t i o n st oi n p u t m o d m c a t i o n so ft h ed u t yc y c l ew a su t i l i z e dt oa c h j e v ec o n s t a n tc u r r e mo u t p u to ft h e i n v e r t e r w h e nt h i st r a i n e dn e t w o r kw a su s e di no n h n ec o n t r 0 1 i nt h ee n d ，t h ee m u l a t o re x p e r i m e n t a t i o no ft h ei n t e l l i g e n tc o n t m la l g o r i t h mo f m ew h o l es y s t e m 啪sf i n i s h e dw i mm a t l a b t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et l l a t f n nt r a i n e db yo f f ：l i n ep i e c e w i s ec o u l da c h i e v ec o n s t a n tc u r r e n to u t p u to ft h e i n v e r t e rb yd o i n gs o m ep o s i t i v e g o i n gc a l c u l a t i o n s ；w n e nt l l et r a n s i e n ti n t e r r u p tw 嬲 i m r o d u c e d ，i ts p e n ta b o m4i n v e r t e rp e r i o d i ct i m e si nr e c o v e r i n gs t a b l ep o s i t i o n t h e r e f o r e ，m o m e m mf a c t o r sn o to n l yd e c r e 鹊et h eo s c i l l a t i n g 仃e n da n da c c e l e r a t e t h er a t eo fc o n v e 玛e n c ed u r i n gm eb pa r i t h m e t i cl e a n l i n g ，b u ta l s op r e f e r a b l ys o l v e t h ed i s a d 啪t a g em a tb pn e 押r k 话e a s i l yp l u n g e di n t ol o c a lm i n i m 啪t h et f a i n i n g t i m eo fn e t w o r kw a sr e d u c e d2 2 b yi n c r e a s i n gm r e s h o l dq u a m i t yt of u z z yc o n t r 0 1 n l l e 隗 k e yw o r d s ：s p o t w e l d i n g ；i n v e r t e rp o w e r ；s o n s w i t c h i n g ：d s p ；如z z yn e u r a ln e t w o r k l l i 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文t ：作 的知识产权单位属于西北b 止人学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印什和电子版。本人允许沦文被奇阅平i i 借阅。学校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。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北l 业 大学。 保密论文待解密后适州本声明。 学位论文作者签 指导教师签名：聋圣里生驺l 二叼7 年p 月f 日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风年优良的科学道德，本人郑重声明：所 交的学位论文，是本 人在导师的指导f 进行研究一1 作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰弓过的研究成 果，不包含本人或其他已申请学位或其他j _ i 途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体均己在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文竹：者签名：二曼量塑 潲7 年皇hf 日 论文的创新与贡献 论文的创新与贡献 l 。建立了点焊逆变电源模糊神经网络恒流控制系统，设计了系统的模糊神经网 络模型。 2 推导并建立了d s p 各控制寄存器的十进制赋值和输出p w m 参数关系的计算 公式。利用c 语言和汇编语言混合编程，为全桥式点焊逆变电源实现零电压 软开关运行模式提供了所需要的频率、死区时问和脉冲移相角的p w m 驱动脉 冲。 3 通过引入动量因子和阂值的方法对模糊神经网络进行算法改进和控制规则优 化，提高模糊神经网络控制的实时性。仿真结果表明，动量因子的引入不仅加 快了孙的收敛速度，而且较好地避免了网络收敛振荡和易陷入局部极小点 的缺陷。闽值的引入佼网络训练时间大约减少了2 2 。 l v 第1 章绪论 1 1 研究背景和意义 第l 章绪论 电阻点焊是一种重要的焊接方法，因其具有能量集中、变形小、生产效率 高等一系列优点，故在航空、航天、汽车、电子等工业领域得到越来越广泛的应 用。由于电阻点焊要求低电压、大电流及短时间，这对焊接电源提出了较高的要 求。电阻点焊电源就发展历程来分，大致经历了工频交流、三相低频、次级整流、 电容储能及逆变电源等几个发展过程。相对于传统的点焊电源而言，点焊逆变电 源具有焊接变压器轻小、动态响应快、控制精度高、焊接电流脉动小以及高的热 效率和功率因数等一系列优点，是各项技术指标最优秀的点焊电源之一“。目| j 国内在焊接逆变电源的研究上基本都是围绕逆变器的安全运行问题展丌的，除严 格对控制器件筛选的程序外，软开关脉冲调制变换技术是研究的个热点。该技 术是在功率开关器件换流期间应用谐振原理实现功率器件的零电压或零电流开 关，其余时间采用p w m 调制方式，从而降低功率器件在开关过程中的电流和电 压冲击，提高了逆变器的效率和可靠性“。 电阻点焊过程和熔焊过程样是一个高度非线性、多变量耦合且伴随大量随 机不确定因素的过程，而且点焊过程还存在着许多自身的特点，例如点焊形核处 于封闭状态，无法观察，特征信号提取比较困难；形核过程的时间极短，焊接质 量的监测和控制难度较大等等。基于经典控制理论的电阻点焊控制方法，一般均 是在一定的假设条件下建立数学控制模型，而实际点焊过程的复杂性使这些模型 与实际对象相差较大，所以控制难以达到满意的效果。人工智能技术对此有许多 切实有效的解决方法，如神经网络的自学习功能，它能学习新的联想、新的模式 和新的功能上的依存关系，把经验流数掘采样并编制成新的信息，再将采样流压 缩或量化成个小的统计样本或原型的表示集等等”。 因此，开展新的智能型点焊逆变电源及其控制系统研究，具有十分重要的理 论意义和工程应用价值。 两北t 业大学t 学硕十学付论文 1 2 点焊逆变电源的研究现状 目前，国外逆变电阻焊接的研究比较成熟，商品化过程发展较快嘲。自2 0 世纪8 0 年代中期逆变点焊机问世以来，r 本、美国等发达国家先后推出了逆变 式电阻焊机产品，用于汽车、家电、电子行业。其中以点焊机器人为主的汽车生 产线的建立，标志着国外逆变式焊机已经进入规模化应用阶段。近几十年来，以 i g b t 和电力m 0 s f e t 为代表的全控型器件的发展，给逆变技术及其应用带束了 革命性的变化。在国外，逆变式电阻焊机的研究虽然晚于逆变弧焊，但其发展迅 速。同、美等国均已形成自己的系列产品，特别是开本最为突出。自1 9 8 4 年由 日本东亚精机( t o a s e i k i ) 研究的第一台逆变式点焊机以来，迄今为止，其数 量已与次级整流相当。宫地( m i y a c h i ) i p 型、i s 型两大系列，特别是i s 型 控制技术显示出更高水平，i s 。4 7 1 c 型设定焊接电流值范围4 0 0 0 8 0 0 0 0 a 1 。 木村( k i m u b a ) 生产了较大容量的与t d i 1 2 0 0 t 型控制器配套的逆变式悬挂 点焊钳。这些产品的逆变频率大多在6 0 0 1 2 0 0 h z 之间，功率器件以g t r 和i g b t 为主。控制器为微机控制，具有焊点质量监控、故障自诊断功能和可存储1 5 套 以上的不同焊接规范”1 。另外，美国p r os p o ti n t e m a t i o n a l i n c 公司生产的p r 2 0 0 0 和1 4 型逆变电阻焊机已广泛的用于b m w ，n i s s a n ，1 d y o t a 等汽车公司7 1 ， 澳大利亚a m a d ao c e a n i ap t yl t d 公司生产的i d4 0s t 型逆变电阻焊机采用软件 进行编程，并可记录1 6 种焊接程序，进而对焊接周波数、焊接时间、焊接电流 进行调节n 1 。美国w t c 焊接技术公司生产的m e d w e l d 4 0 0 0 s 型逆变点焊控制器 可设定3 1 套焊接程序，具有电网电压自动补偿，恒电流触发模式以及连网等功 能。可设定预热电流、焊接电流和焊后热处理电流，并可设置额定电网电压以达 到最佳电网电压补偿效果“1 等。 国内方面，逆变焊接技术起步比国外晚，采用微机控制的逆变焊接技术在熔 焊领域已经比较成熟，但在电阻焊领域仍进展缓慢。目前，国内市场上也有一些 逆变产品问世，如镇江清华焊接设备有限公司生产的t q 1 0 系列逆变电阻焊机 均采用恒电流控制，预存控制规范最多的达1 6 种，输出电流3 0 0 0 2 0 0 0 0 a 逆 变频率l 4 k h z “0 1 。广州易飞科技有限公司生产的d b z 系列逆变交流点焊机逆 2 第1 苹绪论 变频率l 4 k h z ，电流输出5 0 0 a 1 0 k a ，采用微机控制，具备优良的人机交换 界面，预存2 0 组焊接规范可方便调节“”。广州韦伯特电子科技有限公司也有高 频电阻点焊机面市，其产品焊接压力精密可调，既降低了焊接飞溅，又保证了焊 点压力的一致，且不受焊头驱动方式的影响“”。 国产逆变式点焊机，通常采用保持功率开关管的丌关频率固定，而靠改变功 率丌关管接通时间长短( 即脉冲宽度) 的方法，来调节焊机输入的能量。在这种 情况下，由于功率开关管按照外加控制脉冲的宽度来实现通断，而控制脉冲的发 出又与功率开关管上流过的电流和两端所加的电压无关，此类功率丌关管被称为 “硬开关”。采用硬开关控制的逆变电路，当工作频率较高时，由于在功率开关管 上同时存在电流与电压的交叠，因而产生了很高的刀：关损耗和电流、电压应力。 有关资料表明，其功率丌关管的开关损耗占总损耗的6 0 一7 0 ，甚至更大。同时， 电路的寄生电感和功率器件的寄生电容在高频工作时将会产生严重的电压尖峰 【2 1 3 ， o 鉴于硬丌关逆变电源存在的问题，自2 0 世纪8 0 年代以后，人们丌始了软开 关逆变电源的研制工作。所谓软开关，是指用控制方法使功率开关管在其两端电 压为零时或使流过功率开关管的电流为零时开通或关断，软开关的开通、关断损 耗理想值为零“、“。软开关逆变电源的分析和试验表明：软开关逆变电源导通和 开关损耗最小，能实现零开关特性而不增大开关的电流和电压应力，适用于较高 电压和大功率变换器”。目前可见报道的有：江苏科技大学于明，方臣富等人 研制了以单片机a t 8 9 c 5 1 为控制核心的f b z v z c s 精密逆变电阻焊机“”，吉 林大学宣兆志，白志范等人对点焊逆变电源采用辅助网络的移相z v sp w m d c d c 全桥变换器二次侧占空比丢失问题做了深入的研究”。西北工业大学也 有关于z v s 软开关点焊逆变电源的报道”“”1 。 1 3d s p 技术及其应用 1 3 1d s p 技术 d s p ( d i g i 协ls i g n a lp r o c e s s o r s ) 芯片，也称数字信号处理器，是一种具有特 殊结构的微处理器。d s p 芯片的内部采用程序和数掘分开的哈佛结构，具有专门 3 两北r 业大学l 。学硕十学付论文 的硬件乘法器。广泛采用流水线操作，提供特殊的d s p 指令，可以用来快速地 实现各种数字信号处理算法。d s p 除了具备普通微处理器所强调的高速运算和控 制功能外，针对实时数字处理，在处理器结构、指令系统、指令流程上都已经有 了很大改进，是一种性能比较完善的微处理器。其主要应用不仅是实时快速的实 现各种数字信号处理算法，并且拓宽到了系统控制领域。 d s p 芯片的结构包括以下几个部分： ( 1 ) 哈佛结构。哈佛结构的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空 间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编 址，独立访问。与两个存储器柏对应的是系统中设霄了程序总线和数据总线，从 而使数据的吞吐率提高了很多倍。由于程序和数据存储在两个分丌的空间中，因 此取指和执行能完全重叠。 ( 2 ) 流水线操作。流水线与哈佛结构相关。d s p 芯片广泛采用流水线，以 减少指令执行的时问，从而增强了处理器的处理能力。处理器可以并行处理2 4 条指令，每条指令处于流水线的不同阶段。 ( 3 ) 专用的硬件乘法器。乘法速度越快，d s p 的性能越高。由于具有专门 的应用乘法器，乘法可以在一个指令周期内完成。 ( 4 ) 特殊的d s p 指令。快速的指令周期、哈佛结构、流水线操作、专用的 硬件乘法器、特殊的d s p 指令，再加上集成电路的优化设计可以使d s p 芯片的 指令周期在5 0 n s 以下，现在高档的d s p 指令周期可以达到5 n s 。 d s p 的发展速度十分迅速。1 9 7 8 年a m i 公司生产的s 2 8 1 l 和1 9 7 9 年美国 i n t e l 公司生产的商用可编程器件2 9 2 0 是晟早期的d s p 处理器。1 9 8 2 德州仪器 ( t i ) 公司年推出通用可编程d s p 芯片，自此丌始，d s p 技术决定数字技术未 来的突破性应用。最初的d s p 只是一种专门为实时处理大量数据而设计的微处 理器，但是目前它已经在多种不同的领域取得了许多新的进展。 目前，广泛应用于电机控制领域的d s p 是t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列的 d s p 。这一系列d s p 是专门为了满足控制应用而设计的，通过把一个高性能的 d s p 内核和微处理器的片内外设集成为一个芯片，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列的d s p 成为传统的微控制单元( m c u ) 和昂贵的多片设计的一种廉价替代产品。4 0 百 4 第1 章绪论 万条指令s ( 4 0 m i p s ) 的处理速度，使t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列的d s p 可以提供远 远超过传统1 6 位微控制器和微处理器的性能”。 1 3 2d s p 的应用现状 d s p 是一种特别适合于数字信号运算的微处理器，其主要应用特点是实时 快速的实现各种数字信号处理算法。与传统的微处理器相比，它能提供更好的控 制精度和效率。目前t 1 公司生产的d s p 芯片已占全球5 0 的市场份额，该公司 主推的三大d s p 平台之一的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列主要应用于控制优化，电机控制， 家用电器以及变频电源控制等。该系列的代表型号t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 采用1 6 位 定点运算，最高工作频率4 0 m i p s ，有较多的i 0 口，便于人为的进行输入输出 控制，因而被广泛的应用在电源控制领域“。 目前，d s p 在焊接领域已经有了一定的成功运用，北京工业大学陈树君等人 采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s p 实现了弧焊逆变电源功率因数校正和后级逆变桥路控制 策略，使输入电流的总谐波畸变率能控制在l o 之内，功率因数接近于l “”。兰 州理工大学李鹤歧等人设计实现了d s p 控制的数字化逆变弧焊电源，并完成了对 焊接电路中参数的实时显示“”。此外，上海交通大学也有将t m s 3 2 0 c 2 4 0 数据憝 理器( d s p ) 应用于逆变c 0 2 焊接电源系统，采样双闭环并联技术控制逆变焊机的 报道m 。河海大学匡方明、张根元等人采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 为控制核心设 计了弧焊逆变电源主电路和软件实现程序“。华南理工大学研制的基于d s p 的电 阻点焊智能控制系统，根据电阻点焊质量智能控制的要求，研制了以1 m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 型号d s p 为核心的智能控制系统，但是其焊接电源采用传统电源，目前仍停 留在样机试制阶段踊。 1 4 智麓控制技术及其在焊接中的应用 1 4 1 模糊控制技术 模糊控制是智能控制的较早形式，它吸取了人的思维具有模糊性的特点， 使用模糊数学中的隶属函数、模糊关系、模糊推理和决策等工具得出控制动作。 根据控制规则、误差及误差变化率的模糊子集生成控制决策表，通过对控制决策 5 两北t 业人学f 学硕十学付论文 表的直接查询，可得到每一时刻应施于系统的控制动作。 但是在基本模糊控制系统中，控制决策表及规则是根据经验预先总结出来 的，在控制过程中没有对规则的修改功能，不具有学习能力，因而往往对较复杂 的不确定系统控制精度较低，对系统控制的离精度要求难以满足。 8 0 年代中期，国外就已经开始了模糊控制在焊接中应用的研究并取得了良 好的效果。k i m 等人应用自组织模糊控制的方法进行了m i g 焊焊缝跟踪的研究 “”。y a m a t l e 等人利用视觉传感器传感熔池信息，采用f u z z y 控制方法控制脉冲 m i g 焊的熔宽，对f u z z y 控制器进行扰动实验的结果表明，采用该方法后焊接 效架较好汹1 。 国内于9 0 年代初期，也歼展了这方面的研究工作。江苏科技大学樊海霞等人 以埋弧焊控制系统为研究对象，研究了焊接小车双闭环模糊调速系统，讨论了焊 接小车速度的双闭环模糊控制算法“”。华南理工大学针对高速焊的工艺与成型 特点，在焊缝跟踪系统中应用参数可调模糊控制器和p i d 控制器，并对这2 种控制 器与算法进行了试验研究与对比分析”0 1 。此外，天津大学也开展了对模糊控制 逆变弧焊电源的研究，研制出一台模糊控制逆变弧焊电源样机并对其外特性进行 了测试“”。华南理工大学吴祥淼等人以8 0 9 8 单片机为核心设计了点焊逆变电源 恒流控制系统。用较小容量的l e m 传感器从逆变变压器次级采样焊接电流。利用 m a t l a b 的f u z z y 工具箱设计了恒流模糊控制器“”。 1 4 2 神经网络控制技术 神经网络控制是研究和利用人脑的某些结构和机理以及人的知识和经验对 系统进行控制。它是神经网络作为人工智能的一种途径在控制领域的渗透。采用 神经网络，控制可看成是模式识别问题，智能控制器应能够实时识别及分离出变 化的模式，并且能从经验中“学习”到模式的变化，甚至在数据不完备的情况下仍 能做到这些。随着模式识别的自组织能力、映射以及决策能力的r 益增强，神经 网络用于智能控制设计和实施表现出巨大的潜在优势。但是一般说来神经网络不 适于表达基于规则的知识，因此对神经网络进行训练时，由于不能很好的利用已 有的经验知识，常常只能将初始权值取为零或随机数，从而增加了网络的训练时 间或者陷入非要求的局部极值。 6 第1 章绪论 美国的j j o n e s 将b p 神经网络用于g t a m ( 气体保护钨极电弧焊) 和 g m a w ( 气体保护金属电弧焊) 焊接过程的建模，输出量为焊缝特性。g e c o o k 等人将b p 神经网络用于变极性等离子弧焊的过程建模“”。德国的b r o w l j d 和 j o b l i n g c p 等人将焊接电流有效值、每半个周波的动态电阻值、电极直径及焊接 能量作为b p 网络的输入参数对点焊焊点直径进行估测，根据焊点直径所处区域 来确定焊接电流的增加步长，同时完成对焊点质量的估测和对焊接电流增加步长 的优化设定b 5 ”。 南昌航空工业学院方平等人采用人工神经网络技术推导了交流电阻点焊电 流有效值的实时计算方程，建立了不同功率因数角的电流有效值系数k 的神经网 路计算模型，研究出了神经网络技术实时计算点焊电流有效值的方法 ”。罗松 辉，张晨曙等人建立了焊接电流和焊接时间对焊接接头强度的a n n 预测模型， 通过对镀锌钢板点焊工艺试验训练样本的采集，利用建立的a n n 模型对焊接接 头强度进行预测鼬1 。此外，兰州理工大学也有将人工神经网络对电阻点焊质量 在线评判和焊接动态参数监测系统的报道“”。 1 4 3 模糊神经网络控制技术 神经网络和模糊控制系统均属于无模型的估计器和非线性动力学系统，它们 是处理不稳定性、非线性和其他不确定问题的有力工具”。但是由于模糊控制 规则数量的确定和控制规则的提取相对困难，加之受模糊论域划分的限制，使常 规模糊控制的精度和适应能力仍受较大限制。神经网络具备自学习自组织能力， 而且容错性、泛化能力强，可以逼进任何非线性函数。但是其权值修改计算量大， 网络控制实时性差，这也在一定程度上制约了神经网络的应用。模糊神经网络由 于吸收了模糊逻辑和神经网络的优点，部分避免了两者的缺点，已成为当今智能 控制的研究热点之一“”。 日本的s e r i z a w a ，h 和m u r a k a w a 。h 等人。将模糊神经网络应用于点焊 过程电极温度的监测，实现点焊的质量控制“。韩国的s r l c e 和y j c h o o 依 靠从电极提取分离参数，使用一种模糊神经网络算法对焊接的合格率进行了在线 质量监测“1 。 华南理工大学黄石生等人研制了一种基于d s p 的电阻点焊检测与智能控制 两北1 。业大学1 学硕十学付论文 系统，对基于d s p 的模糊神经网络控制在电阻点焊中的应用做了探索性研究“。 南昌大学肖敏和张华等人将模糊神经网路控制应用到p i d 控制中，实现了焊缝跟 踪系统输入p i d 参数动态可调，仿真结果表明在相同p i d 控制算法条件下，模 糊神经网络p i d 起到较好的控制效果“”。西北工业大学张勇等人探索性地研究 了点焊逆变电源恒流自适应控制的模糊神经网络模型，使用分段学习的方法对网 路进行离线训练，仿真结果也表明该模型具有良好地控制效果“”。 1 5 主要研究内容 本课题采用数字信号处理芯片( d s p ) 作为控制核心，对点焊逆变电源进行软 开关智能控制系统的研究。具体内容包括： ( 1 ) 以d s p 为控制核心，设计点焊逆变电源控制系统的硬件和软件，使其 成为一个集控制参数检测和人机交互功能为一体的研究平台。 ( 2 ) 通过对t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片产生p w m 输出脉冲原理的分析，研究 并实现了d s p 产生移相p w m 方波的控制方法。 3 ) 根掘控制对象构建逆变点焊模糊神经网络恒流控制系统结构，研究以 点焊逆变电源焊接电流参数为控制对象的模糊神经网络闭环恒流控制策略。 ( 4 ) 利用m a t l a b 语言编程完成对整个控制系统的仿真试验。结合仿真结 果对模糊神经网络训练算法进行改进并对控制系统进行优化，从而提高模糊神经 网络控制的实时性。 8 第2 章软开关点焊逆变电源控制原理 第2 章软开关点焊逆变电源控制原理 逆变电源开关管在逆变器运行过程中处于高速的开关状态，由于开关管的 寄生电容、电路中的寄生电感和变压器漏感的影响，在丌关切换瞬间回路会出现 严重的电压尖峰和电流尖峰，引起电磁干扰问题，从而降低逆变电源的安全裕量。 针对上述问题，软开关控制技术应运而生。软开关技术就是通过在主电路中增加 储能元件电感l 、电容c 或者辅助谐振网络产生谐振，使功率器件上的电压或电 流迅速降为零，从而降低开关损耗、开关应力和电磁干扰问题“”。本章通过对 软开关点焊逆变电源主电路拓扑结构和工作原理的分析，对全桥式移相d c ，d c 零电压软丌关点焊逆变电源恒流输出的驱动脉冲时序要求和实现方法做了详尽， 的论述。 2 1 软开关点焊逆变电源的拓扑结构 全桥移相d c d c 零电压软丌关点焊逆变电源主电路拓扑结构如图2 l 所示。 其中开关管q 1 、q 3 组成对超f i f 桥臂( 固定臂) ，q 2 、q 4 组成一对滞后楹臂 ( 移相臂) ，d 1 d 4 分别是与q l q 4 并联的二极管，c 1 c 4 分别是q 1 q 4 的寄生电容或外接电容，l x 是谐振电感。零电压软开关点焊逆变电源的实现方 法就是利用电路中的参数，如变压器漏感、谐振电感、外接电容和寄生电容等储 能元器件产生谐振，使电路中开关管在丌通或关断瞬间两端的电压近似为零“”。 图2 1 全桥移相d c d c 软开关点焊逆变电源土电路 9 两北i + 业人学1 - 宁硕十学付论文 软开关工作模式实现的关键是侵电路中的谐振频率和电源的工作频率达到 很好的匹配，使开关管触发脉冲到来时通过谐振已经使导通管结电容完全放电。 点焊逆变电源的谐振频率由开关管的结电容、变压器漏感、变压器二次侧输出滤 波电感等诸多因素决定。在目前使用的绝大多数逆变式电阻焊机的逆变电路中， 通常采用保持功率丌关管的开关频率固定，而靠改变功率开关管接通时间长短 ( 即脉冲宽度) 的方法，来调节焊机的输出能量，这种控制方法被称为脉宽调制 ( p w m ) 控制技术。 p w m 移相控制技术是将p w m 控制技术和谐振变换技术的优点结合在一 起，将器件的换流过程和控制过程区别处理。逆变器仅在功率器件的换流期问应 用谐振原理，实现功率器件的零电压开关，其余时间采用恒频脉冲调制方式获得 电源的输出特性”。 在p w m 移相控制软开关逆变电路中，各开关管所承受的栅射极触发电压 v g s 与其导通时流过电流的时间并不一致。逆变器的输出能量取决于全桥式逆变 器主电路对角线上的一组刀= 关管承受的v o s 同为高电平的时间，以及开关管向零 电压过渡的转换时间，通过改变移相臂上两只刀：关管施加的v g s 时瓣( 移相角) 就可以调节逆变器输出能量的大小“。图2 2 给出了移相控制软丌关丌关管驱动 波形图。图中纵坐标v 表示驱动脉冲电压幅值，横坐标t 表示时间。t l 和t 2 分别 为防止同侧桥臂直通而设置的死区时间，q 为移相角。 v q ； q sq 1 一一4 一一、一0 一一一一， 一q 4 il q 2l 一_ 一里一l 一 由一j - j 上托一 图2 2 移相控制软开关开关管驱动波形图 从图中可以看出，超前桥臂的关断( 丌通) 与滞后桥臂的关断( 丌通) 不是 1 0 第2 章软开芙，占焊逆变电源控制原理 同时，而是有一定时问的移相角。在这个移相角前期的一段时问内电路产生谐振， 使电路中将要开通的或关断的开关管两端电压降为零，为电路实现零电压软开关 工作模式创造条件。此外，在这段移相角时间内，由于逆变桥只是一个开关管导 通，点焊逆变电源不输出电流，因此移相角的改变也是改变逆变器输出的一个方 法。 2 。2 软开关点焊逆变电源的工作原理 ( 1 ) 超前桥臂的软开关 图2 - 3 ( a ) 为q 1 和q 4 均导通时，逆变电路的电流流向图。当v 。= v 。时， ( v 。输入直流电压) ，原边电流流过q 1 和q 4 ，副边电流流向如图中箭头所示。 图2 3 ( b ) 为超前桥臂软关断电流流向图。关断q 1 时，电源电压通过c l 和变 压器原边绕组及q 4 向c l 充电，同时电容c 3 亦通过变压器原边绕组及q 4 放电。 由于c 1 上的充电电压不能发生突变，从而使q l 可保证零电压关断。 ( a )( b ) 图2 3 超前桥臂的软笑断方式 ( a ) q 1 和q _ 4 均导通时逆变电路的电流流向幽 ( b ) 超前桥臂的软芙断电流流向图 由于变压器漏感k 和滤波电感l f 的作用，因此可以认为原边电流参近似不 变，类似一个恒流源。这样c l 电压线性增加，同时c 3 电压线性减少。当c 3 的 电压下降到零，q 3 的反并联二极管d 3 自然导通，此时开通q 3 ，q 3 就是近似 的零电压开通。同样，当q 3 关断时，其工作状态分析与q 1 完全类似。 1 1 阳北t 业人学1 。学硕十学仃论文 ( 2 ) 滞后桥臂的软开关 在图2 - 4 中，q 3 和q 4 导通( 实质上是d 3 和q 4 导通) ，此时，v 。= o ，电 路处于续流状态。如果续流状态处于恒流模式，原边电流如流过d 3 和q 4 ，当 q 4 关断时，原边电流从q 4 中转移到c 2 和c 4 支路中，给c 4 充电，同时给c 2 放电，如图2 - 5 所示，由于有c 2 和c 4 ，q 4 是零电压关断。当c 2 的电压下降到 零，q 2 的反并联二极管d 2 自然导通，此时歼通q 2 ，q 2 就是零电压丌通。这 时v 。= ( - ) v n o 同样，如果在续流状态是原边电流流过d 1 和q 2 ，此时当q 2 关断对，其工作状态分析与q 4 关完全类似“”。 圈2 4 续流状态屯流流向图 豳2 5 滞后桥臂的软天断电流流向图 2 3 软开关点焊逆变电源恒流控制原理 点焊过程形核时间短，具有高度非线性，时变性，并且伴有网压波动、电极 压力波动等随机干扰。为了消除以上因素的影响，保证焊接接头具有较好的焊接 质量，需要对熔核形核过程的有关电参数进行精确的自动控制。目前，软丌关点 焊逆变电源电参数控制方法主要有电压监测和电流监测两种。电极问电压能反映 出点焊过程中会属固一液态转变的过程，能反映出电源电压波动及焊接次级回路 阻抗变化和装配间隙不合适等引起的焊点质量的变化，因此是比较理想的能量控 制参数。但是精密测量电极间电压有一定的困难，因焊接电流通过时产生的强磁 场，使感应电动势附在电极电压上，影响了真实电压的测量。此外，采集电压的 位置选择也是一个重要的因素，往往受到生产条件的限制，不能从电极的头部采 集电压。若距电极头较远，则不能测量到真实的电极间电压值。此外，焊点有喷 1 2 第2 章软开芙点焊逆变电滁控制原理 溅时也影响电压的测量”。因此，根据文献【5 2 】、【5 3 】分析，对一定扳厚的 某种材料点焊时，如果通电时间和电极压力一定，可以确定一个良好熔核的最佳 焊接电流。在点焊焊接过程中，当电网电压、焊机二次回路感抗等变化时，要使 焊接电流保持不变，就需要采取恒流控制技术。 由于峰值电流控制模式可以快速响应逆变器工作电流的变化，实现逐脉冲控 制，提高系统的动态响应性能，并对逆变器进行快速的过流保护“”，因此， 目前对软开关逆变点焊电路系统的采样主要采用峰值电流采样。 软开关点焊逆变电源恒流控制技术就是在点焊过程中逐个周波的监测焊接 电流峰值并与设定的焊接电流值进行比较，当产生偏差时，自动改变下一周波驱 动脉冲的输出参数，使下一周波的输出电流值趋向于给定值。在整个通电周期内 不断重复上述调节过程，保持焊接区的热输入能量基本不变，从而保证焊点质量 基本稳定。目前，针对p w m 控制的点焊逆变电源输出能量控制方式主要有两种 模式；( 1 ) 通过调整逆变桥丌关管开通时间长短，即占空比调节模式；( 2 ) 通过调 整逆变桥两个错丌开关管丌通关断共同时问的长短，即移相角调节模式。系统采 用p w m 移相控制模式保证点焊逆变电源的恒流输出。 2