（材料加工工程专业论文）波形控制的COlt2gt弧焊电源微机控制系统的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 c 0 2 气体保护焊是一种高效、 优质的焊接工艺方法，但是其在焊接过程 中存在的大量飞溅和焊缝成型差这两个问题制约着c o : 焊的推广。如何实现 少飞溅甚至无飞溅是人们致力要解决的。随着微机技术在焊接领域的应用不 断深入， 把波控技术应用于c 0 2 焊接电源中是当今解决c o : 焊飞溅问题的一 大方向。 本课题以 波控技术为基本指导思想，应用微机技术，对c 0 2 弧焊电 源控制系统加以研究。根据c 0 2 焊短路过渡过程的特点把短路过程细分为七 个阶段。在熔滴形成过程中，提高电流上升速度，促进颈缩形成;在短路过 渡后期降低电流，使液桥在低能量下爆断，依靠表面张力完成熔滴过渡，实 现小飞溅甚至无飞溅的短路过渡。同时，通过实时采样，准确判断焊接所处 状态， 把状态信号输送到微机， 控制输出符合短路过渡特点的电流电压波形。 本文精确分析c 0 2 焊飞溅产生的机理，在此基础上探讨了短路过渡过程 的控制策略。针对一般表面张力过渡控制中，在短路中期对焊接电流峰值的 控制效果不理想的弱点，提出在短路中期利用电流反馈原理，以电流峰值 i , 为目标量，采用p i( 比例积分)控制调节电流。本电源控制系统采用抗不平 衡能力强的半桥逆变形式主回路，通过精心设计的硬件电路实时、准确地检 测c 0 2 短路始末状态、液桥颈缩爆断时刻以 及各细分阶段的电弧参数值，并 利用单片微机控制的快速性和准确性的特点，根据 p wm 原理输出不同占空 比的信号来驱动主回路中的两个大功率开关器件( i g b t ) 处于交替开关状态， 得到符合c 0 2 焊短路过渡细分各阶段的电 源外特性。 单片机控制系统采用 8 0 c 1 9 6 k c ，充分利用它的特有资源，如富有特色 的h s i . 1 , h s i . 2 高速入口， a / d转换接口 等。 本系统还设有键盘/ 显示和指示、 报警电路，用于指示过程所处状态和系统故障报鳌。软件设计中，采用了中 断服务技术和子程序编制程序结构的思想。此外，系统在软硬件方面都采用 了抗干扰措施，有力地保证了系统稳定。 经研究证明，本系统是可行的，尤其在检测短路状态信息方面的措施使 得整个控制系统更加快速准确。 关键词:c 0 2 短路过渡 波形控制8 0 c 1 9 6 k 。 单片机i g b t p wm 武汉理工大学硕士学位论文 ab s t r a c t c 0 2 g a s s h i e l d a r c w e l d i n g i s a h i g h e f f i c i e n t a n d h i g h q u a l i t a t i v e w e l d i n g m e t h o d . h o w e v e r , i t i s u n t i l n o w t h a t t h e p r o b l e m l i k e l a r g e s p a t t e r a n d b a d f o r m a t i o n o f w e l d b e a d h a v e n o t b e e n s o l v e d s u c c e s s , w h i c h r e s t r i c t s t h e c 0 2 w e l d i n g f o r m b e i n g p o p u l a r i z e d a n d a p p l i e d . wi t h t h e f u r t h e r a p p l i c a t i o n o f m i c r o c o m p u t e r i n t h e fi e l d , a p p l y i n g w a v e c o n t r o l l e d t e c h n o l o g y t o c 0 2 p o w e r s o u r c e i s o n e o f d i r e c t i o n w h i c h t o s o l v e f o c u s o f w e l d i n g s p a t t e r . i n t h i s t o p i c , a n e w c 0 2 a r c w e l d i n g p o w e r s o u r c e i s r e s e a r c h e d w h i c h i s b a s e d o n t h e t e c h n o l o g y o f m i c r o c o m p u t e r a n d w a v e c o n t r o l , 玩t e r m s o f t h e c h a r a c t e r o f s h o rt c i r c u i t t r a n s f e r o f c 厌w e l d i n g , t h e p r o c e s s e s m a d e i n t o s e v e n s u b s e c t i o n . d u r i n g t h e n e c k o f m e t a l b e c o m i n g , r i s i n g t h e c u r r e n t v e l o c i t y m a k e i t c o m i n g i n t o b e i n g , a n d a t t h e l a t e r o f s h o r t c i r c u i t i n g t r a n s f e r , t h e w e l d i n g c u r r e n t i s d e t r a c t e d , a s i s m a k e t h e b r i d g e b r e a k i n g a t t h e l o w e n e r g y a n d d e p e n d o n s u rf a c e t e n s io n f i n i s h e s t h e t r a n s f e r w i t h o u t s p l a s h . d u r i n g t h e p r o c e s s , t h e r e a l t i m e c u r r e n t a n d v o l t a g e v a l u e s i n f o r m a t i o n a r e o b t a i n e d a n d s e n t t o t h e m i c r o c o m p u t e r f o r p r o c e s s i n g , t h e n t h e w a v e o f c u r r e n t a n d v o l t a g e i s p r o d u c e d b y t h e c o n t r o l o f m i c r o c o m p u t e r a t t h e o u t p u t e n d w h i c h i s s u i t f o r t h e s h o rt c i r c u i t i n g t r a n s f e r i n t h i s p a p e r , b a s i n g o n a n a l y z i n g t h e r e a s o n s f o r s p l a s h i n g o f c 0 2 w e l d i n g t h e c o n t r o l p r o j e c t o f s h o rt c i r c u i t i n g t r a n s f e r i s p r o b i n g . g e n e r a l l y , t h e r e i s s h o r t c o m i n g t h a t c o n t r o l l i n g p e a k v a l u e o f t h e w e l d i n g e l e c t r i c c u r r e n t i s n o t s a t i s f y i n s u r f a c e t e n s i o n t r a n s f e r c o n t r o l t e c h n o l o g y , s o t h e m e t h o d t h a t u s i n g t h e c u r r e n t f e e d b a c k d u r i n g s h o rt c i r c u i t m i d d l e p e r i o d , a p p l y i n g p i t o c o n t r o l c u r r e n t . t h e h a l f b r i d g e i n v e r t e r t y p e m a i n c i r c u i t i s a p p l i e d w h i c h h a v e a b i l i t y o f r e s i s t i n g n o - b a l a n c e . t o t r a n s m i t t h e w a v e s h a p e o f c u r r e n t a n d v o l t a g e w h i 比i s s u it a b l e f o r e a c h s t e p o f t h e c 0 2 s h o rt c i r c u i t s u b s e c t i o n s , t h e c a r e d e s i g n h a r d w a r e c i r c u i t i s u s e d . a c c o r d i n g t o p w m p r i n c i p l e , u t i l i z i n g h i g h - s p e e d a n d e x a c t a t t r i b u t e o f s i n g l e c h i p c o n t r o l , o u t c h a r a c t e r o f t h e p o w e r s o u r c e t h a t c o m e s u p t o e v e r y s u b s e c t i o n o f s h o rt c i r c u i t t r a n s f e r o f c 0 2 w e l d i n g i s o b t a i n e d . t h e u s e d c h i p a s c o n t r o l i s t h e s i n g l e c h i p 8 0 c i 9 6 k c . s o m e s o u r c e p o rt s , 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 s u c h a s h s i . 1 、h s i . 2 a n d a / d e t c , a r e u s e d i n t h i s p a p e r . a t t h e s a m e t i m e t h e r e a r e k e y b o a r d a n d d i s p l a y c i r c u i t a n d a l a r m s y s t e m , w h i c h i s f o r s e t t i n g a n d d i s p l a y i n g p a r a m e t e r i n a d v a n c e a n d a l a r m i n g t h e s y s t e m m a l f u n c t i o n . i n t e r r u p t i o n s e r v i c e t e c h n o l o g y i s u s e d i n d e s i g n o f s o f t w a r e , w h i c h c a n d i s p o s a l e v e r y k i n d o f m a l f u n c t i o n i n t i m e a n d r e a l t i m e c o n t r o l . t h e s t r u c t u r e o f s o f t w a r e a d o p t s t h e s u b r o u t i n e t h i n k i n g w h i c h i s i n f o c u s a n d e a s y t o d e b u g a n d m o d i f y . i n o r d e r t o i m p r o v e t h e s y s t e m s t a b i l i t y , h a r d w a r e a n d s o ft w a r e s y n t h e s i s m e a s u r e s a r e a d o p t e d f o r t h e d i s t u r b a n c e p r o b l e m . i n t h i s p a p e r , t h e r e s e a r c h h a s b o rn o u t t h a t t h e p r o j e c t i s w o r k a b l e ., e s p e c i a l l y i t i s m o r e q u i c k l y a n d e x a c t l y b e c a u s e o f a p p l y i n g s o m e m e t h o d s i n c h e c k i n g s h o rt c i r c u i t s t a t u s k e y w o r d s : c 0 2 w e l d i n g s h o rt c i r c u i t t r a n s f e r , w a v e c o n t r o l , 8 0 c i 9 6 k c s i n g l e c h i p , i g b t , p wm i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第 1 章绪 论 1 . 1 波控 c 0 2 焊机及其发展现状 c o : 气体保护焊是一种高效、优质的焊接工艺方法，具有节能、生产率 高、成本低、焊接品质好以及利于实现焊接自动化等特点，因此在现代工业 生产得到了广泛的应用和飞速发展。然而，施焊过程中引起的飞溅以及焊缝 成型不理想制约了c o : 焊的加速推广。 分析c o t 焊熔滴短路过渡和飞溅产生的机理知道，飞溅主要由冶金因素 和工艺因 素 造成2 ,2 1 。 减小 飞溅的 非电 控措施 包括 对保护 气体及焊 材的 控制以 改 进电 弧 状态和熔滴过 渡形式3 - 6 1 以 及以 脉动方式实现变 送丝方式 控制7 .8 1 减小飞溅的电控措施有: a .传统的在主回路串 联电抗器限制d i / d t 及i m 的方式， 但此方式难以兼顾短路过程这两个阶段对电流大小的需求，不能实现少飞溅 甚至无飞溅焊接; b . 切换电 源外特性控制法， 包括双阶梯型外特性9 1 、 复合外 特性8 1 、 三维外特性 1 0 1 等控制法; c . 利用单选钮使焊接参数达到最佳匹配的 一元化控制方法 1 1 . 1 2 : d .波控法，即细化分析熔滴过渡各阶段，获得焊接电 弧在理想状态下得电 流波形 1 3 - 1 7 1 1 . 1 . 1波控法及其原理 波形控制法是指把熔滴过渡过程分段细化，根据对短路过渡焊接电弧各 个瞬态过程的分析，以获得焊接电弧在理想状态下的电流波形。其基本思路 是按时序输出设定的理想焊接电流波形。 波控法主要特点是从解决问题入手，从改善焊缝成型，减少焊接飞溅的 角度出发，根据短路机理寻找规律，并对焊接电流、弧焊电压波形提出理想 要求。 波控法主要原理为:在缩颈形成过程中， 提高电流上升速度，促进缩颈 形成;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。 武汉理 _ 大学硕十学位论文 1 . 1 . 2波控法发展现状 波控法是伴随着逆变技术的发展以及对短路过渡机理的不断深入认识发 展起来的。对于精细控制，离开硬件基础也是不行的。当前，电力电子技术 和电子器件的发展迅猛，同时微机在焊接中的应用不断深入，通过改善弧焊 电源外特性来实现对电弧熔滴的控制成为了主流。 其中， i g b t应用于逆变式 弧焊电源， 实现了2 0 k h z 以上的频响， 为精确分析和控制熔滴过渡过程的电 流、电压波形奠定了硬件基础。同时，智能控制思想也引入了电源的研发过 程，使c o : 焊逆变电源的控制效果发生了质的飞跃。 目前，波控法主要包括如下种类: 1 .表面张力过渡 ( s u r f a c e t e n s i o n t r a n s f e r )控制 s t t控制是精细波形控制中最具代表性的一种。美国林肯公司最先研制 出s t t电源并用于生产。由于电弧方法的关键是用2 个电流脉冲完成 1 个熔 滴过渡，第 1 个电流脉冲形成熔滴并使之长大，直至熔滴与工件短路;第 2 个电流脉冲是1 个短时窄脉冲并不断检测其d i / d t ，同时控制电流脉冲值，以 产生适当的电磁收缩力，使熔滴颈部收缩变细，最后靠熔池表面张力拉断， 完成i 个熔滴过渡而不产生飞溅( 1 8 1 2 .能量控制 它的出发点是以熔滴能量为对象，通 过控制调整熔滴的能量来达到减小飞溅的 目的。在熔滴刚短路的一小段时间内将电 流调到某值，使焊丝可靠插入熔池，接着 发出高能脉冲电流，形成颈缩分离，再用 较高电流维持一段时间以增加重燃电弧的 能量，之后电流回到基值，完成一次熔滴 过渡的 能量 控制 1 6 , 17 1 。 波形如图1 - 1 所 示。 3 .并联式电流波控法 此法可以快速的抑制峰值电流的增长 图1 - 1 能量控制法波形图 以减少飞溅。其原理是在原有电源电流输出波形的任意一点叠加一电流负脉 冲波形，实现电流波形的实时控制而得到需要的焊接波形 1 9 - 2 1 1 此外，此外，还有脉冲波形控制、恒频短路控制系统等，前者通过在电 武汉理 i _ 大学硕十学位论文 流 波形图中 叠加负 脉冲电 流， 以 改 善过 渡状况 2 2 1 ; 后 者是 利用 模糊控制或p i d 控制调节波形参数以改变燃弧时间，控制熔滴过渡频率1 2 3 - 2 6 1 总之，各种波控法都是在分析短路过渡过程的机理，并提出各自相应的 理想波形，利用微机系统的快速性和控制精确的特点实现的n 1 12逆变技术及其在波形控制中的应用 1 . 2 . 1逆变技术的基本原理 弧焊电源是一种可控的能量转换装置。现绝大部分的弧焊电源是从电网 吸取电能转换成适宜于电弧焊接用的电能输出，为实现转换，一般用变压器 ( a c - a c )、整流器 ( a c - d c )、斩波器 ( d c - d c )或逆变器 ( d c - a c )等 装置。逆变式弧焊电源原理框图如图1 - 2 所示。 图 i - 2 逆变式弧焊电源原理方框图 图1 - 2中单相或三相s o h z 的交流网路电压先经输入整流器整流， 并进行 滤波，然后通过逆变电路中的大功率开关电子元件的交替开关作用变成几百 赫兹到几十千赫兹的中、高频交流电，在这一环节中高频输出被控制在与要 求输出功率相应的值上，然后此高频交流经变压器隔离并降至适合于焊接的 几十伏电压， 并在次用输出整流器整流和电抗器滤波， 得到平稳的直流输出， 武汉理_ i _ 大学硕十学位论文 即其变流顺序是a c -d c -a c -d c . 逆变式弧焊电源变压器的运行频率为几十千赫兹， 远远高于 5 0 h z ，从而 具有两大显著优点:1 )变压器的重量和尺寸大幅度减小;2 )控制系统的响 应速度提高几百甚至几千倍。当然运行频率的提高是因为增加逆变器及整流 器而获得的。而组成逆变器的功率电子开关元件的差别，逆变回路的形式， 高频变压器所用材料以及控制方法乃是决定逆变器运行特点的关键因素。 1 . 2 . 2逆变技术的发展3 一 逆变技术早在 6 0 年代就开始应用于金属加热领域，自1 9 7 2 年美国海运 管理部门主持开发出了 3 0 0 a逆变式弧焊电源开始，伴随着大功率电子开关 器件的问世以及价格走低得到了快速发展。逆变焊机己被公认为是更新换代 的 “ 革命性电源”。 逆变焊机设备的数量、品种、质量、性能以及自动化程度连年提高，现 在己成为许多工业发达国家的主导弧焊电源产品，发展速度惊人目前，世界 上的焊机制造厂商都已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。 我国在八十年代初也开始了逆变焊机的研究工作。 现在， 许多公司、厂家和科研院所都纷纷对逆变弧焊电源进行了研制和开发，逆变 焊机的生产和使用正逐年递增，但在焊机的功能、智能化以及推广和应用方 面与国外相比还有着一定的差距。 逆变式弧焊电源的发展与电子技术的发展密切相关，主要体现在功率开 关管、电路拓扑结构和控制方式上。另外磁性材料的发展也为逆变式弧焊电 源的开发提供了有利条件。为充分利用功率开关器件和集成电路，进一步提 高和稳定逆变式弧焊电源的整机容量和性能，促使人们对弧焊逆变式电源所 用的开关器件、电路结构、磁性材料进行更深入的研究，从而把弧焊逆变技 术推向更高的水平。 作为逆变器的关键元件的功率开关器件，在经历了晶闸管 ( s c r )、双 极晶体管( b j t ) 和场效应管( mo s f e t ) 的发展后， 绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 以其优越的性能正被越来越多的应用在逆变焊机中。 此外， 具有发展前途的、 新型的功率开关器件如静电感应晶体管 ( s i t )、静电感应晶闸管 ( s i t h ) 和场控晶闸管 ( mc t )正在试制或已部分应用于弧焊逆变电源中。弧焊电源 逆变器的主回路 目前主要有推挽、全桥、半桥和单端几种形式，其拓扑结构 武汉理工大学硕十学位论文 也各有优缺点。 随着弧焊逆变电源愈来愈广泛的应用于各种焊接、切割工艺中，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，在美、日、欧 等国家和地区， 2 0 k h z 左右的弧焊逆变技术己成熟， 产品质量较高且系列化。 弧焊逆变电 源总的发展趋势是向 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。 1 . 2 . 3逆变技术在波形控制中的应用 如前所述，波控法的一个特点就是把短路过渡各阶段细分，通过对各阶 段分时控制来达到理想的电流波形。逆变弧焊电源的研制成功为波形控制创 造了有利条件。其高速的动态响应速度使得对焊接电弧动态过程的细微控制 从不可能发展到可能。以功率晶闸管、功率晶体管 ( g t r )、功率场效应管 ( mo s f e t )、绝缘栅双极型晶体管 ( i g b t )等为开关器件的新一代弧焊逆 变器， 采用高频p wm开关技术和微电子控制技术， 逆变频率高达2 0 -3 0 k h z , 使焊接电流电压的波形控制更为精确。 由于c o : 焊接过程中的一些固有特征决定了对焊接过程控制的复杂性。 随着计算机技术的迅猛发展，微机在焊接中得到了越来越广泛的应用。采用 波形控制法，利用微机控制的逆变c 0 2 焊机也越来越得到了广泛的重视。 1 . 3波控法的发展趋势与难点 1 . 3 . 1波控法发展趋势3 6 - 3 8 3 1 1- ; 1 1 自从弧焊逆变器的应用为波形控制提供了更广阔的天地，使其发展更为 为容易。目前波控法的发展有以下三个发展趋势: ( 1 )控制的精细化 随电子电工技术、集成技术的不断发展，人们对熔滴短路过渡的研究更 为深入，人们能够将微秒级内的变化加以处理控制，使得焊接工艺性能得到 相当的提高。 ( 2 ) 控制的微机化 焊接控制的精细化 自然给系统带来更多的参数，若全部用硬件电路来完 武汉理工大学硕士学位论文 成会使得电路变得相当的复杂。所以 现在有众多的学者正致力于焊接电源的 微机波形控制，在这方面已经证明了微机控制的电源飞溅率能够大幅度的降 低，同时也证明了焊接控制微机化的可能性。当然波控制法也能得到更进一 步的发展。 ( 3 )控制的智能化 先进算法与波控技术相结合， 包括: 1 ) 利用微机控制弧焊电源的动、 静 特性实现焊机自 适应控制;2 )实现c 仇焊机的模糊控制;3 )发展频响更高 的逆变式 c 0 2 焊机;4 )凭借专家经验对参数进行合理选择，对系统进行最 佳控制，焊接过程由智能控制 c p u根据实验得到的最佳值确定动态控制过 程。其中日本是将智能化应用最早的国家。 1 . 3 . 2波形控制的难点3 5 (5 9 ,4 0 波控法以其灵活、方便、精确、快速的特点使得c 0 2 焊中的飞溅大为减 少或无飞溅， 且焊缝成型美观， 但在控制过程中还存在以下几个方面的难点: 1 ) 抗干扰问 题。只有尽可能的消除干扰， 保证电弧的稳定性，才能做 到以表面张力过渡 2 ) 电流波形的控制在智能化方向 有待提高， 实现多参数控制的实时快 速性。 3 ) 弧焊状态的信息检测。 短路过渡各细分阶段的精确判断及其门槛值 的精确确定有待进一步提高。 1 . 4本课题目的及任务 1 . 4 . 1课题背景 随着材料科学和电力电子技术的飞速发展， 逆变式弧焊电源已 得到了 越 来越广泛的应用。在焊接自动化方面，焊接电源的微机控制技术发展的已较 成熟，但需要在控制的快速、精确及开关器件的优化及改进上有着广阔的研 究前景。 对于c 0 2 焊来讲， 采用波控法从理论上可实现焊接无飞溅。 这种方法既 非恒压特性也非恒流特性。利用微机易于实现控制的实时性、智能化和精细 化的特点， 配合高频响的逆变波控c 0 2 焊电源，是解决c 0 2 焊飞溅、焊缝成 武汉理1 大学硕十学位论文 型美观的一个发展趋势。 1 . 4 . 2课题研究的目的和意义 1 .课题研究的目的。 c 0 2 焊中飞溅和焊缝成型问题是 c 0 2 焊接电源研究重点关注的 2个问 题。能够实现无飞溅并兼顾焊缝成型的产品在国内还没有理想的。本课题研 究的主要目的就是在这方面入手，根据c 0 2 焊短路过渡原理的机理，以单片 机为核心器件，利用单片机的灵活实时控制，通过对熔滴短路过渡过程中各 阶段的物理量 ( 电弧电压、焊接电流)进行采样，并将采集到的信号送入微 机进行处理，利用微机控制技术实现短路过渡c 0 2 焊接的波形控制，以获得 良好的焊缝成型并大大降低焊接飞溅。 2 课题研究的意义 ( 1 )利用波控法的原理获得具有一定规律的波形，从而为解决焊接飞 溅提供新思维。 ( 2 )进一步探讨了智能控制在弧焊电源中的应用。 ( 3 )为新型焊接电源的研制开拓新思路。 1 . 4 . 3本课题研究内容 本文要设计完善的硬件系统，同时采用模块设计方法设计出具有一定逻 辑、完善的软件系统。采用软硬件相结合的抗干扰措施，使系统在工作状态 下能够安全、稳定的正常工作。 1 提出理想波形控制模型。 2 .设计硬件电路来对波形特征值进行实时提取与控制。 3 完成与控制模型相对应的硬件设计， 包括主回路、 驱动模块电路和单 片机控制系统 4 .采用智能算法并设计完整的软件系统。 武汉理 大学硕士学位论文 第 2章控制系统总体设计方案 2 . 1 c 0 2 焊短路过渡控制思想及策略 随着电力电子技术的发展，绝缘栅双极晶体管 ( i g b t )的频响已达到 2 0 k h z以上。同时，高速单片微机芯片具有易于实现控制的实时性、智能化 和精细化的特点。这为精细分析和控制c o : 焊短路过渡过程的电流电压波形 奠定了硬件基础。精细波形控制法是本课题的指导思想，对c o : 焊短路过渡 过程进行细分，根据各阶段的不同特点，用微机控制电源，得到相应电流电 压波形，从而使c o : 焊电源的控制效果达到小飞溅甚至无飞溅的应用目的。 2 . 1 . 1 c 0 2 短路过渡波控模型及控制思想 2 . 川 . ，短路过渡波控模型 根据c o : 焊短路过渡的特点，提出理想的波控模型。通过对短路过渡过 程进行分析，将其分为 7个阶段:基值电流段、短路初期段、短路中期段、 短路后期段、燃弧初期段、燃弧中期段和燃弧后期段。 各阶段如图2 - 1 所示。 t o - - t : 为一个对短路过渡周期，图中所示各阶段的电流、电压值主要特征 值代表的含义为: t o 一基值电流( 约为5 0 -1 0 0 a ) i , 一最低短路电流( 约为i o a ) 工 s 一短路起始电流i ,一短路峰值电流 1 2 -短路末期电流 ( 5 0 a ) 1 3 一燃弧峰值电流 ( 约4 5 0 a ) u ， 一燃弧电压u l -燃弧转为短路的电压门槛值 约 1 3 -1 5 v ) 2 . 1 . 1 . 2各阶段特点及控制思想 短路过渡周期各过程特点和控制思想如下述: 1 . 基值电流段 ( t o - t , ) 在该阶段还未发生熔滴短路，i 。 处于较低的平稳状态，其作用是保证熔 滴在表面张力作用下形成球状。 其中燃弧电压 u o 、基值电流 t o 和相应的基值占空比b o 是预置在单片机 内。当检测到引弧成功后，单片机置焊接标志为 1 ，并调用电弧燃烧子程序。 一 一 a a iy t ;k * 9型望 it c 一 一 一 - 一 图2 - 1理想电流电压波形控制图 2短路初期段 ( t l - t 2 ) 在该阶段，需要抑制电流上升率，降低电流值，使熔滴在小电流下迅速 在熔池中铺展，扩大接触角，从而降低瞬时短路飞溅。 在t i 时刻，当取样电压u u l 来判断短路结束的状态，并在比较 器输出端产生上升沿，由h s 1 . 1引发中断，调用燃弧初期子程序，并启动定 时器，延时2 0 0 u s o 6 . 燃弧中期段 ( t 5 - t 6 ) 熔滴脱落后，控制电压时流经电弧的电流上升率值较大的值并且维持一 段时间，增加电弧的燃烧功率，改善焊缝成型。 在i s 时刻，由于延时到产生中断， 转而执行燃弧中期子程序，启动定时 器，延时 1 . 5 ms 7 . 燃弧后期段 ( t ,5 - t 7 ) 此阶段，使电流衰减至电流基值，为下一周期到来做好准备。 t 6 时刻，由上一阶段的延时到产生中断，执行燃弧后期子程序，时燃弧 电流指数衰减到基值，为下一周期做好准备 2 . 1 . 2系统控制策略 作为焊机的控制系统，其作用就是通过一定的控制手段对某一些相关参 说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 设计和工艺方面的要求。为得到如图2 - 1的控制效果，本焊机控制系统的控 制策略是: 1 ) 用单片微机控制的快速、 准确性， 适时调整驱动信号的宽度， 调节电 源的输出; 武汉理工大学硕士学位论文 2 )保证p wm ( 定频率调脉宽) 信号满足所设定的值， 通过大功率开关 元件来实现主电路逆变的正常进行: 3 ) 把开环给定脉宽的方法与电流反馈控制短路中期峰值电流的方法有机 结合起来。 4 )实现对短路过程各阶段信息的准确检测并加以处理。 实现以上思想的手段详述如下: 2 . 1 . 2 . 1单片机控制机理 如何对图2 - 1 中短路过渡各阶段的电压值用微机来控制得到，这也是本 课题需要重点探讨的关键问题。这里采取的控制思想是应用 p w m 技术 ( 其原 理见下一章)，即定频调宽，调节占空比。一般来说，用微机调节占空比比 较容易实现。将对短路过渡各阶段的电压值的控制转化为对占空比的控制， 这样就能够用单片微机进行控制。各细分阶段的值由经验确定为起点，通过 最终的试验调整为主要的修正手段，经过反复的试验确定使得焊接效果最佳 的一组数据。 u x b z ) ( b ,) ul ut u 还 b d ) ( (b .) ue t i t 2 t i t 4 t i t fi t 7 图2 - 2理想c 0 2 焊短路过程占空比 ( b )图 2 . 1 . 2 . 2大功率元器件的确定 在本设计中功率开关器件选取用i g b t( 绝缘栅双极晶体管) 。 它既具有 输入特性， 输入阻抗高，开关频率高，电压控制型， 所需控制功率小。同时 它还具有双极晶体管的输出特点， 控制电流的能力强。 i g b t具有较宽的安全 武汉理工大学硕士学位论文 工作区，用在中大容量的逆变电源中，目 前己 成为主流开关器件。 2 . 1 . 2 . 3状态信息检测及处理 从熔滴发生短路到最后的短路过渡完成过程中，如何提取各阶段的判断 信息是本系统控制策略的核心与难点之一。 如图2 -1 , 熔滴短路过渡过程中， 短路开始和结束的判断，短路后期小桥颈缩爆断的判断都是至关重要的。准 确判断各状态可以令单片机及时的执行后续环节的控制行为，如调用相关子 程序。 以上临界状态可由软件或硬件电路完成状态的判断。临界状态的判别要 求准确性和实时性，而由软件判断临界状态容易导致延误，使精细波形控制 难以实现。mc s - 9 6 系列单片机具有特有的高速输入口h s i 和输出口h s o , 由硬件电路检测判断短路状态后输出脉冲信号到h s i 口可以满足实时性的要 求。因此本系统通过设计硬件电路来实现对短路过程中的信息处理和判断。 短路过渡过程中的电流变化信息，由电流传感器测得，经a / d转换成数 字量， 送至单片机处理， 作为判断短路过渡各细分阶段是否正常一个信息量。 从判定短路发生开始到判断短路结束， 即从图2 - 1 的t 2 - t 4 以及t 4 - t : 期间， 控 制系统要完成的任务就由软件编程来负责。如图2 - 1 所示的短路过渡过程的 控制，需要对各个细分阶段的电压进行控制，而各部分的电压值的是先由经 验确定各阶段的电压值及相应的延时时间，然后再通过最终的试验调试最后 确定效果最佳的一组数据。 在坐标系上画出如图所示的典型电压波形图2 - 2 , 其与图2 - 1 熔滴短路过渡过程各细分阶段相对应。 2 . 2系统硬件总体设计方案 逆变式c 0 2 焊机接电源微机控制系统从硬件电 路上可以 分为主回路、 控 制回路和辅助电路。本焊机控制系统电路包括:短路判断电路、液桥颈缩爆 断判断电路、 控制板通电电路、 输出信号隔离放大电路、 大功率开关器件i g b t 驱动电路。焊机控制原理框图见图2 - 3 . 2 . 2 . 1主回路 焊机主电路采用三相全桥不可控整流电路， 其结构简单， 整流输出稳定。 逆变器采用半桥逆变形式，只用一个 i g b t模块，降低了生产成本。半桥逆 武汉理_ i _ 人学硕士学位论文 变电路驱动线路简单，抗不平衡能力强，可以提高焊机的可靠性口焊机额定 输出电流为 3 1 5 a，空载电压 6 5 v ，电流调节范围 5 5 - 3 1 5 a，额定负载持续 率6 0 ，可见本焊机为中等输出功率，主回路采用 i g b t半桥逆变器也恰恰 针对了这一特点。 2 . 2 . 2控制系统回路 从图 2 - 5中可以看到，单片机是中心控制单元，主要负责操作命令、接 受预定值 ( 短路小桥爆断门槛值、基值电流电压、电弧稳定燃烧占空比、维 持时间等)、采集信号 ( 焊接电弧电流、电压、i g b t 故障信号等)及按一定 的时序发出控制信号 ( 稳压电路通电信号、i g b t 驱动电路工作信号，报警显 示信号)。 考虑到焊机较高的逆变频率 ( 2 0 k h z )和波形控制的实时性，这就要求 控制系统具有较高的运算速度。基于此，微处理器采用了8 0 c 1 9 6 k c单片机 并配以专用的 mp u 8 0 c 1 % 模板。具体的工作原理为:焊接过程中，通过霍 尔电流、 电压传感器及采样电阻及时采集焊接回路中的电流和电弧电压信号。 首先信号经过 8 0 c 1 9 6 k c自有的a / d转换器转化成数字信号。 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 c 1 9 6 k c之间进行数据的交换和 管理。c p u通过计算、判断，根据p wm调制原理，由单片机 p 1 . 3 / p wm和 p 1 .4 / p wm口实时输出两路相位相反的频率固定的方波，然后被隔离、放大， 再经驱动电路驱动两个 i g b t管交替开通和关断，从而控制电源输出，以获 得要求的理想焊接电流波形。 根据 i g b t本身的特性，其工作频高，响应速度快，工作于开关状态下 其开关损耗大，从而对 i g b t的驱动可靠安全性提出了更高的要求，所以采 用专用驱动模块，其要能够满足驱动大电流大功率的场合，能实现对 i g b t 的过流过压保护， 同时驱动模块内部具有限制基极限流电阻和基射极限幅器， 确保了i g b t基极不被烧坏和击穿。 2 . 2 . 3车 甫 助电路方案 辅助电路包括焊接启动电路、键盘与显示电路、指示电路、声光报警电 路及急停电路。 焊接启动电路将人为设置的启动信号进行隔离及延时处理后，作为进入 武汉理 _ 人学硕十学位论文 焊接循环的依据送给单片机。 键盘与显示电路为用户提供友好人机交互界面。键盘电路用于用户设置 预定参数值。显示电路用于显示预置参数、小桥爆断门槛值及短路过渡过程 有关焊接信息，它不仅为用户正确输入预定值提供了保证，而且使用户对实 际焊接过程中的相关参数有一个明确的了解。 指示电路用于指示当前微机控制系统的工作状态，相应的指示灯亮灭。 声光报警电路作用是控制系统中出现的一些不正常现象的信号，例如: t g b t 过流或者损坏、程序跑飞、系统死机等，单片机控制回路都能检测得到 并加以控制。 急停电路的主要作用是将用户设置的停止焊接信号送入单片机 以实现 立即停止焊接的目的。当短路过渡过程中出现报警信息或用户决定停止焊接 时，用户只需压下急停按钮即可马上停止焊接过程的进行。 另外，在三相电源输入端设有闸刀开关、散热装置、过流保护器件、启 动停止开关及相关指示灯电路。 2 . 3系统软件总体设计方案 结合控制系统硬件设计，根据整个焊机系统的技术要求和和逆变式c o t 焊微机波形控制焊接过程的自身特点，控制系统软件需实现的功能如下: 1 .主程序设计。系统上电后初始化， 完成焊接空载、引弧和对熔滴短路 过渡过程的控制，协调各功能程序的顺利进行 2 .外部中断服务程序设计。主要包括: ( 1 ) h s i 数据有效中断服务程序。该中断服务程序完成两个功能，一个 是短路发生的判断使得 c p u能及时响应有关短路的中断服务程序; 一个是对 短路结束的判断使得 c p u能及时响应有关短路完毕的中断服务程序。 ( 2 ) 定时器中断服务程序。 在需要延时的子程序被调用前， 启动定时器， 装入需延时的时间值。当定时器时间到，完成延时功能，然后执行下一短路 阶段子程序，实现顺序控制的功能。 ( 3 ) 异常情况中断服务程序。这是个外中断服务程序，其作用是，是当 焊接系统出现异常情况，用户希望立即停止焊接过程所调用的程序。 ( 4 ) a / d中断服务程序。a / d中断服务程序完成电流电压的a / d转换， 武汉理_ r _ 大学硕士学位论文 并存储结果，供后续子程序调用数据显示和计算。 3 .各个功能子程序的设计。 采用子程序有助于将复杂的程序模块化， 使 编程简单明了。本课题中涉及到的子程序主要有:短路过渡过程不同阶段对 应得程序、产生方波子程序、p i 算法子程序、键处理子程序、显示子程序和 标度转换子程序。 标度转换子程序用于将采样值转换为实际的电压值。键处理子程序用于 预制焊接参数，并将其存入单片机特定单元以供其它程序使用，显示子程序 实现是预制焊接参数和当前焊接状况。 软件总体设计方案框图见图2 - 4 0 图2 - 3 控制系统硬件原理框图 武汉理工大学硕士学位论文 h s i 数据有效中断服务程序 定时器中断服务程序 中断服 务程序 a / d中断服务程序 异常情况中断服务程序 主程序 软件组成 短路过程各阶段 子程序 键处理、显示子程序 功能 子程序 电流 p i 控制子程序 指数衰减曲线子程序 p wm产生方波子程序 标度转换子程序 图2 - 4软件总体设计方案 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章控制系统软硬件设计 3 . 1系统硬件设计 系统的硬件设计关系到整个系统能否正常稳定工作，其能否稳定可靠工 作直接关系到系统软件工作的效果。所以对硬件的设计提出了更高的要求， 由图2 - 3所采用的焊机控制原理方案图可知，本文硬件系统设计的主要内容 包括:电源主回路形式的确定、控制回路的设计、检测电路的实现、i g b t 驱动电路的设计和其它辅助电路的设计等. 图3 - 1电源主回路图 3 . 1 . 1 3 . 1 . 1 . 1 电源主回路 c 0 2 本系统中 主回路形式的确定 焊熔滴短路过渡速度极快，这就要求主回路能够适合这一要求。在 ，主回路由输入整流滤波电路，半桥逆变器和输出整流滤波电路组 成，其主要作用是进行交流一直流一交流一直流的功率转换，旨在减小变压 器体积和改善电源的动态品质。 输入滤波整流电路为三相全桥不可控整流电 路， 其结构简单，易于实现整流输出。 采用传统的星形接法的三相变压器和 六个整流二极管构成的全桥整流电 路，利于硬件电路的搭接与实现，同时整