（材料加工工程专业论文）基于双微处理器的脉冲mig焊逆变电源的研究.pdf

华南理工大学硕士学位论文 学校代号：1 0 5 6 1 基于双微处理器的脉冲m i g 焊 逆变电源的研究 广东省科技攻关项目( 2 0 0 5 8 1 0 2 0 1 0 0 3 ) 资助 作者姓名：彭海燕 申请学位级别：硕士 研究方向：数字化电源设备及智能控制 指导教师姓名、职称：黄石生教授 学科专业名称：材料加工工程 论文提交日期：年月日论文答辩日期： 学位授予单位：华南理工大学学位授予日期： 答辩委员会成员： 主席： 委员： 年月 日 年月日 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：专弓圣萋 日期：易奔柏口厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大 学。学校有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许学位论文被查阅( 除在保密期内的保密论文外) ；学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复 制手段保存、汇编学位论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容 相一致。 本学位论文属于： 曰保密，在l 年解密后适用本授权书。 口不保密。 学位论文全文电子版提交后： 口同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单 位浏览。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：音；翔蠹日期：可司口、9 歹 指导教师签名：髟似 日期泖。6 、。j ， 摘要 焊接电源的发展方向是数字化、智能化、精确化和多功能化。针对目前国产焊机控 制电路复杂、脉冲参数匹配困难、焊工技术要求高等特点，本论文在广泛查阅国内外大 量文献和深入研究弧焊逆变电源及其相关技术的基础上，开展了基于双微处理器的脉冲 m i g 焊逆变电源的研究工作，并且对脉冲m i g 焊工艺试验和工艺参数数字化给定进行 了研究。 论文首先在系统分析脉冲m i g 焊控制原理和功能要求的基础上提出了总体设计方 案。包括了p w m 控制的i g b t 逆变主电路设计、以w 7 7 e 5 8 为核心的电源主控制系统 和以a t 8 9 s 5 2 为核心的数字化给定与r s 4 8 5 接口单元；设计了可实现脉冲m i g 焊的控 制软件及数字接口软件；在对系统的可靠性研究的基础上进行了硬件和软件的抗干扰设 计。 采用单片机控制实现脉冲的峰值阶段恒流+ 基值阶段恒流( ，一，) 的外特性方式，并 利用建立的电源测试平台对该逆变电源及其控制系统进行了全面的性能测试。 建立了脉冲m i g 焊工艺试验的试验平台，对脉冲m i g 焊逆变电源系统进行了大量 的焊接工艺试验。寻找出了脉冲m i g 焊焊接规范参数的选择规律，为焊接工艺参数数 据库建立提供依据。 采用数据库管理和r s 4 8 5 通信方式，实现了焊接参数的数字化给定。将常用焊接 曲线信息保存在焊接工艺参数数据库中，焊接过程中，操作人员只需要根据焊接现场情 况输入焊接材料信息，根据这些输入信息检索焊接工艺数据库，将检索到的焊接曲线通 过工业r s 4 8 5 总线传送给焊机，简化复杂的脉冲m i g 焊焊接工艺参数制定过程，降低 了对操作人员的技术要求。此外，可以将比较理想的工艺参数以焊缝编号形式保存到数 据库以便下次调用：实现利用焊缝编号作为输入信息来检索数据库的管理方式，进一步 简化了操作步骤，提高了工作效率。 关键词：脉冲m i g 焊逆变电源；双微处理器；数字化给定 a bs t r a c t t h ed i g i t a l ，a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n t ，a c c u r a t ea n dm u l t i f u n c t i o ni st h ed e v e l o p m e n tt e n d e n c y o fw e l d i n gp o w e r h o w e v e r , t h e r ea r em a n ys h o r t c o m i n g s ，s u c h 勰l e s sf u n c t i o n ，c o m p l i c a t e d c o n t r o l c i r c u i t ，h i g ht e c h n o l o g yo fw e l d e ro nn a t i o n a li g b ti n v e r t e rp o w e rs o u r c e i nt h i s p a p e r , t h em u l t i f u n c t i o nw e l d i n gp o w e ra n dt h ec r a f te x p e r i m e n tb a s e do ne x p e r tk n o w l e d g e a r es t u d i e da n dd i s c u s s e d b a s e do nf i n a ls y s t e mg e n e r a lp l a n n i n g , f u n c t i o na n da c t i o no fp u l s e dm i gw e l d i n g i n v e r t e r , g r o s ss t r u c t u r e f o rm u l t i f u n c t i o np u l s e dm i gw e l d i n gi n v e r t e ri sd e s i g n e d t h e s y s t e mi n c l u d ef o u rp a r tw h i c ha r ep w mc o n t r o l l i n gi g b ti n v e r t e rp o w e rs o u r c e ，as i n g l e c h i pm a i nc o n t r o ls y s t e mw h o s ec o r ei sw 7 7 e 5 8 ，p w mc o n t r o l l i n go n o f fw i r ef e e d e rm o d e l a n dap u l s e i n t e r f a c eu n i tw h o s ec o r ei sa t 8 9 s 5 2s i n g l es h i p s i m u l t a n e o u s l yt h es o f t w a r eo f c o n t r o ls y s t e ma n dp u l s e i n t e r f a c eu n i ta r ep r o g r a m m e d ，t h es y s t e mr e l i a b i l i t yi sr e s e a r c h e d a n dt h ea n t i j a m m i n gf o rs o f t w a r ea n dh a r d w a r ea r ed e s i g n e d t h ec o n s t a n tv o l t a g e ，c o n s t a n tc u r r e n ta n dc o n s t a n tc u r r e n to fp e a kp h a s ea n db a s ep h a s e e x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i cf o rp u l s e dm i gw e l d i n gi n v e r t e ri sr e a l i z e db yv o l t a g ea n dc u r r e n t f e e d b a c kc o n t r o l ；f u r t h e rm o r eac o m p u t e ra u t o t e s t i n gp l a t f o r mw a ss e tu pt os t u d yt h ep u l s e d m i g w e l d i n gi n v e r t e r i th a sb e e nd o n em a n ye n g i n e e rt e s t i n gf o rp u l s e dm i gw e l d i n gi n v e r t e rw h i c hi sb a s e d o ne s t a b l i s h i n ge n g i n e e rt e s t i n gp l a t f o r m r e g u l a r i t yo fp a r a m e t e rf o rp u l s e dm i gw e l d i n gi s f o u n d t h i sp a p e ra d d r e s s e sa ni d e ao fu s i n gaw e l d i n gc o n t r o l l e r 豁ah o s tm a c h i n eb a s i n go n t h ew e l d i n gd a t a b a s e s a v i n gt h ec o n l n o nw e l d i n gs e a mi n f o r m a t i o ni nt h ew e l d i n gc o n t r o l l e r i nt h ef o r m o fe x p e r t i s ed a t a b a s e ，o p e r a t o r so n l yn e e dt oi n p u tt h ew e l d i n gm a t e r i a l i n f o r m a t i o nd u r i n gt h ew e l d i n gp r o c e s s ，a n dt h e nt h ec o n t r o l l e rw i l ls e a r c ht h ee x p e r t i s e d a t a b a s ea c c o r d i n gt ot h ei n p u ti n f o r m a t i o n ，a n ds e n dt h es e a r c h o u tw e l d i n gs e a mi n f o r m a t i o n t ot h ew e l d i n gm a c h i n eb yr s 4 8 5i n d u s t r i a lb u s t h i si d e as i m p l i f i e sp r o c e s ss e t t i n g sa n d r e d u c e st h ed e p e n d e n c eo fo p e r a t o r s t e c h n i c a ls k i l l s s a v et h eo p t i m i z a t i o np a r a m e t e ro fa g o o ds e a ma sas t a n d a r dc u r v ef o rn e x tu s e ，a n du s ew e l d i n gs e a mi n d e xa si n p u ti n f o r m a t i o n t os e a r c h e x p e r t i s ed a t a b a s e ，t h i ss i m p l i f i e s t h eo p e r a t i o np r o c e s sa n di m p r o v e sw o r k e f f i c i e n c y k e y w o r d s ：p u l s e dm i g w e l d i n gi n v e r t e r ；t w i nm i c r o p r o c e s s o r ；d i g i t a lg i v e np a r a m a t e r 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 本课题的学术背景及理论与实际意义一l 1 1 1 学术背景与问题的提出l 1 1 2 研究的理论与实际意义2 1 2 国内外相关领域文献综述3 1 2 1 脉冲m i g 焊简述3 1 2 2 脉冲电流的获得方法4 1 2 3 脉冲m i g 焊熔滴过渡控制的发展方向7 1 2 4 几种常用工业通信技术简介【2 5 1 1 0 1 3 本研究课题的来源及主要研究内容1 1 第二章逆变焊接电源总体方案设计1 2 2 1 总体方案选择与设计1 2 2 1 1 电源外特性的选择1 3 2 1 2 电源动特性的要求13 2 1 3 送丝系统的确定14 2 2 逆变主回路原理与设计1 5 2 2 1 功率开关管的选择1 5 2 2 2 逆变频率的确定15 2 2 3 主电路设计16 2 3 驱动电路l7 2 3 1p w m 调制17 2 3 2 功率器件i g b t 驱动电路2 0 2 3 3i g b t 故障保护2 1 2 4 本章小结2 2 第三章逆变式脉冲m i g 焊控制系统的设计2 3 m 3 1 控制系统的构成和工作原理2 3 3 1 1 对控制系统的要求2 3 3 1 2 控制系统的基本组成和工作原理2 4 3 2 主控制系统硬件设计2 6 3 2 1 单片机系统的设计2 6 3 2 2 控制电路的供电电源设计2 7 3 2 3 电弧电压、电流反馈电路一2 8 3 2 4 参数预置与显示电路2 9 3 3 数字化给定单元硬件设计2 9 3 3 1 脉冲电源实现原理2 9 3 3 2 单元总体设计3 0 3 3 3r s 4 8 5 数字接口设计一3 2 3 3 4r s 2 3 2 串口设计3 4 3 4 硬件的抗干扰设计3 4 3 5 本章小结3 5 第四章脉冲m i g 焊系统的软件设计3 6 4 1 软件的功能分析3 6 4 1 1 恒流特性和脉冲特性分析3 6 4 1 2p i 控制算法3 7 4 2 主单元和数字化给定单元的软件设计3 8 4 2 1 主单元软件设计3 8 4 2 2r s 4 8 5 通信软件设计4 0 4 2 3 脉冲发生器软件设计一4 4 4 3 软件的抗干扰措施4 5 4 3 1 监视定时器( w d t ) 4 5 4 3 2 冗余指令4 5 4 3 3 软件陷阱4 5 4 3 4 数字滤波4 6 4 4 本章小结4 6 第五章脉冲m i g 焊试验4 7 i v 5 1 电路试验测试4 7 5 1 1 实验测试平台构建4 7 5 1 2p w m 波形与驱动信号测试分析4 8 5 1 3 脉冲单元测试4 9 5 1 4 脉冲m i g 焊负载模拟实验4 9 5 1 5 外特性5 0 5 2 脉冲m i g 焊工艺试验5 1 5 2 1 试验设备与组成5 1 5 2 2 工艺实验研究5 l 5 2 3 试验结果总结及数据分析5 8 5 3 本章小结5 9 第六章脉冲m i g 焊数字化给定联调试验6 0 6 1 试验总体框图6 0 6 2 上位机控制面板简介一6 l 6 2 1 主窗口6 l 6 2 2 焊接参数设定子窗口6 2 6 2 3 专家系统维护子窗口6 3 6 2 4 焊接工作子窗口6 4 6 3 联调焊接实验及工艺参数优化6 4 6 3 1 实验设备及条件6 4 6 3 2 联调焊接实验一6 5 6 3 3 实验结果及分析6 8 6 4 本章小结6 8 结论6 9 参考文献7 0 攻读硕士学位期间发表论文7 4 致谢7 5 v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的学术背景及理论与实际意义 1 1 1 学术背景与问题的提出 随着国际市场竞争的加剧，提高焊接生产率与实现焊接过程自动化、智能化愈来愈 备受重视。然而，传统的焊接方法和工艺已经不能满足日益增长的生产效率需要，因此 人们就把重点转向了高效焊接设备的开发与焊接工艺的研究。由于熔化极气体保护焊 ( g m a w ) 具有高效、节能、价廉、便于使用、可见性好、自动化程度高等优点，在8 0 年代中期已成为国际上的主要焊接方法，目前在欧美、日本等工业发达国家的应用比例 越来越大【l 】。 国外焊接电源的发展是数字化和专家系统，对焊材、焊丝、焊丝直径、保护气体以 及过渡形式等5 种参数的不同组合都对应一条优化曲线。焊接中根据实际情况，只要选 定焊接曲线后，焊接电流和焊接电压等焊接规范就自动定好了，这大大简化了相当复杂 的脉冲m i g 焊焊接工艺制定并降低了对操作者的要求，实现一元化调节【2 3 4 1 。 近年来，铝合金焊接技术也有了突飞猛进的发展，主要表现在基于对传统焊接技术 的改进和创新而出现的新型铝合金焊接技术，具有代表性的是低频调制型脉冲m i g 焊。 低频调制型脉冲m i g 焊时，为了保证规则的喷射型脉冲过渡，要求强弱脉冲均能实现 一个脉冲过渡一个熔滴。由于铝焊丝一脉一滴的脉冲强度范围比较宽，故很容易控制达 到这一要求。从而低频调制型脉冲m i g 焊非常适合铝合金焊接，并充分发挥其优点。 用它焊铝及其铝合金，不仅获得鱼鳞状焊缝表面，而且扩大可焊焊接接头的间隙变化范 围，减少焊接气孔，细化焊缝晶粒，降低焊缝裂纹敏感性。适合焊一些内在质量和表面 质量要求均很高的铝合金部件，如自行车、壳体、油箱等。 以微处理器( m c u ) 和数字信号处n ( d s p ) 为核心的数字化焊接电源的不断进步而使 更多以前只停留在脉冲m i g 焊焊接理论上的技术变为现实。所有与焊接电弧有关的数 据和评判标准均以数字形式提供，因而可以快速编写和修改焊接规范参数。焊接质量与 焊接过程中使用的焊接材料的导电性能、导热性能、被焊材料的化学物理性能和厚度、 坡口类型、焊缝位置、材料的导热性能对选择确定合适的焊接控制程序与参数明确相关。 将相应的理论分析和实际经验形成专家系统，使焊接的工艺参数能够方便地进行设定从 而保证实际生产中能够按最佳焊接参数进行焊接是焊接过程控制的发展趋势【5 】。 华南理t 人学硕j 卜学位论文 因此，本论文研究的主题就是根据实际需要研究和开发一个采用双微处理器的脉冲 m i g 焊逆变电源；在脉冲m i g 焊逆变电源上设计数字通信接口，可以通过数字接口实 现焊机和上位机( 项目合作单位制作) 通信，利用上位机的焊接工艺参数数据库对焊机进 行脉冲参数数字化给定及一元化调节和控制；并进行深入的焊接工艺试验研究，探索理 想的脉冲m i g 焊焊接参数以及进行工艺优化，从而对工艺参数数据库系统进行维护和 管理。 1 1 2 研究的理论与实际意义 本研究课题来源于广东省科技攻关项目“车辆铝合金脉冲m i g 焊焊接工艺优化及 数字化控制研究”，整个焊接系统是通过r s - 4 8 5 半双工双线网络进行联网及通信控制。 上位机主要由项目合作单位研制，为项目的工艺参数数据库维护和管理部分。本论文为 数字化和智能化脉冲m i g 焊焊接系统的电源部分，其研究的主要意义在于为整个焊接 系统提供良好的脉冲m i g 焊逆变电源，改进当前设置功能单一、人机交互性差、脉冲 参数匹配困难的国内脉冲焊接电源；并且通过r s 4 8 5 总线，将焊接电源与基于焊接工 艺参数数据库的上位机联调，利用其良好的人机接口界面，进行焊接参数数字化给定和 实现一元化控制，避免各个设备独立设置参数的麻烦；同时上位机的液晶屏触摸选择并 给定焊接参数改善了传统电位器给定的不精确方式，为用户带来方便。该项目涉及到单 片机数字控制技术、a r m 技术、人工智能、数字通信技术、i g b t 脉宽调制的逆变技术 和自动控制技术，技术内容比较复杂，技术含量高，因此，本论文工作具有一定的理论 意义。 近年来汽车、石油化工设备、管道、造船、压力容器等行业的发展越来越快，所需 要的熔化极气体保护焊也愈来愈多。随着我国国民经济的快速发展，一些跨国大企业都 把工厂建到了国内，这就对国内焊接技术的质量和效率，焊接设备和工艺效果提出了高 要求。本课题拟在我校自动化学院和机械学院合作的项目的支持下和前期相关研究工作 的基础上对脉冲m i g 焊逆变电源、数字化接口、工艺试验和参数数字化给定进行深入 研究，进而研制出一种具有自主知识产权的设备。本研究具有很强的针对性和实际意义， 其直接意义可以将研究成果用于项目的参与企业东莞永强汽车制造有限公司罐体焊接； 通过继续开发，可以推广到一般企业，满足不断增长的汽车机车制造、集装箱、造船、 压力容器行业以及对焊接电源多种功能需求的行业，并且可以节约外汇，提高国内的焊 接设计技术水平。所以，本论文具有重大的实际价值。 2 第一章绪论 1 2 国内外相关领域文献综述 1 2 1 脉冲m i g 焊简述 脉冲m i g 焊( 熔化极脉冲氩弧焊) 的方法首先由英国焊接研究所于1 9 6 3 年提出， 这些年该法得到飞快的发展和应用。脉冲m i g 焊是人为地使焊接电源输出的能量按一 定的规律变化，从根本上打破了过去那种只以电流( 电压) 的恒定来建立焊接过程“稳 定的概念，开拓了运用变动电流( 电压) 进行焊接的途径，使气体保护焊工艺的发展 和应用进入了更广阔的领域【6 7 ，8 1 。 与熔化极氩弧焊( m i g ) 相比，脉冲m i g 焊过渡时间是间歇而又可控的，可以广 泛应用于不锈钢、合金钢、碳钢、铝及铝合金等有色或黑色金属材料的焊接。脉冲m i g 焊在工艺上具有以下优点： 1 能在很宽的电流范围内获得喷射过渡； 2 其轴向性好、飞溅小、适应全位置焊接； ， 3 有效控制热输入量，改善焊接接头性能； 4 调节方便，焊缝成形好，焊接质量比较高。 。 脉冲m i g 焊的焊接电流周期性变化，脉冲期间，峰值电流大于产生喷射过渡的临 界电流值，此时的电弧形态与一般喷射过渡的电弧形态相似，对焊丝和工件进行强烈的 加热使之熔化，同时建立熔池；在脉冲间歇期间，由于基值电流很小，其主要作用是维 持电弧的导电状态，并对焊丝起一定的预热作用。脉冲m i g 焊能在焊接平均电流低于 临界电流情况下，实现射滴过渡；并且通过控制脉冲峰值电流大小和峰值时间，能有效 的控制脉冲能量 9 , 1 0 】。 脉冲m i g 焊熔滴过渡形式有一脉一滴、一脉多滴、多脉一滴三种形式。其中一脉 一滴是最理想的一种过渡形式，为了获得这种过渡形式，焊接参数之间的匹配尤其重要。 通常是通过脉冲来控制熔滴过渡，以便达到最佳的一脉一滴过渡，从而实现熔滴大小均 匀，过渡很有规则，方向性强、飞溅少，焊接质量高【1 1 , 1 2 , 1 3 , 1 4 , 1 5 】。 脉冲m i g 焊以其特有的优点，受到了人们越来越多的关注，在相关领域的普及程 度也越来越高。目前在西方各主要工业国的焊接中已经逐步取代手工焊和c 0 2 焊，例如 在美国绝大部分气体保护焊为脉冲m i g m a g 焊，其应用范围也将越来越广泛【1 6 1 7 1 。 3 华南理_ t 大学硕十学位论文 1 2 2 脉冲电流的获得方法 脉冲电流的获得方法有很多。最早的是采用机械转换器来实现，通过在普通弧焊电 流中加设限流电阻和短路装置来获得脉冲电流f 2 7 1 。但是这种方法具有机械磨损大、火花 多、使用寿命不长及脉冲频率低等缺点。故近来普遍采用大功率电子开关元件，通过阻 抗变换和脉冲给定值来获得脉冲电流。目前可以通过以下四种方式来获得脉冲电流。 1 2 2 1 利用电子开关获得脉冲电流 其原理是在直流弧焊电源的交流侧或直流侧接上大功率晶闸管，分别组成晶闸管交 流断续器或直流断续器k ，借助它们作为电子开关获得脉冲电流。 采用这种方法时，为了使电弧不致在脉冲电流时中断，需采取措施或另一电源来产 生基本电流，以维持电弧的连续燃烧，也即利用双电源叠加来获得脉冲电流，如图1 - l 所示，其基值电流由额定电流较小的直流电源供电；脉冲电流由直流弧焊电源和功率开 关管串联组成的电源装置供电，其额定电流较大。两个电源的工艺参数可分别调节。 o 直 维 流 弧 弧 焊电 电 。， 源 源 k i 订- 宠由二_ 二丌当曼 0t 图l 一1 电子开关式脉冲弧焊电源 f i g 1 1e l e c t r o n - s w i t c hp u l s e dw e l d i n gp o w e r 功率电子开关k 由控制电路控制其断开与闭合。当k 断开时，电弧电流由维弧电 源提供，调节维弧电源的输出即可调节输出脉冲基值电流的大小；当k 闭合时，电弧电 流由维弧电源和直流弧焊电源共同提供，调节直流弧焊电源的输出即可调节输出峰值电 流的大小，因此，电流波形是两电源输出的叠加。如此不断的闭合与断开功率电子开关 k ，就可以提供间断出现的脉冲峰值电流和基值电流。改变k 闭合与断开的周期，即 可控制脉冲电流的频率。控制k 的闭合时间，就可以调节脉宽比。 同时，这种脉冲电源也可以只用一台电源兼顾，称为单电源式或一体式，这时需要 4 第一章绪论 通过切换它的两条外特性，来分别满足脉冲和维弧的需求。 1 2 2 2 利用阻抗变换获得脉冲电流 这种方法又分为变换直流侧电阻值和变换交流侧电阻值，其中交换交流侧阻抗值比 较少用。交换直流侧电阻值是通过采用大功率晶体管组来获得脉冲电流。如图l - 2 所示， 这种脉冲电源只由个单电源供电，只由直流弧焊电源、功率电子开关q 组成。其中， 大功率开关管组既可工作在放大状态，起着阻抗变换的作用；亦可工作在饱和状态，起 着开关的作用。 图l - 2 阻抗变换式脉冲弧焊电源 f i g 1 - 2i m p e d a n c e - c o n v e r s i o np u l s e dw e l d i n gp o w e r 1 2 2 3 利用硅二极管的整流作用获得脉冲电流 图1 - 3 整流式脉冲弧焊电源 f i g 1 - 3p u l s e dw e l d i n gr e c t i f i e r 5 华南理r t 大学硕十学位论文 这种电源是采用硅二极管单相整流器作为脉冲电源，如图1 3 所示。此种弧焊电源 用于等速送丝熔化极脉冲弧焊时，电弧稳定，使用和调节方便。但是其脉冲频率有限制， 只能获得频率为1 0 0 h z 和5 0 h z 的脉冲电流。 1 2 2 4 利用给定信号变换获得脉冲电流 在晶体管式、晶闸管式弧焊电源的控制电路中，把脉冲信号指令送到给定环节，从 而在主电路回路中可得到脉冲电流。 图1 4 脉冲给定式弧焊电源 f i g 14 p o s i t i v ed i s p l a c e m e n tp u l s e dw e l d i n gp o w e r 其原理如图1 4 所示。从脉冲给定发出指令信 号，经开关控制回路之后，用以推动开关晶体管组， 使其不断饱和与截止，从而使电源能输出与指令信 号相同频率的矩形波。 在恒流弧焊电源的控制回路中增加调节脉冲 频率和脉冲宽度的环节，用以对脉冲给定进行低频 调制从而获得峰值电流和基值电流。如图1 5 所示， 在同样的脉冲频率下，脉冲宽度大时，平均输出电 流也大，如图1 5 ( a ) ；脉冲宽度小时，平均输出电 流也小，如图1 5 ( b ) 。如果使脉冲在一段时间里宽 度大( 平均电流大) ，在一段时间里宽度小，前一段 为低频脉冲电流，后一段为维弧电流。这就是低频 调制的脉冲电流和维弧电流。这种脉冲给定通过低 频调制获得脉冲电流和维弧电流如图1 - 5 ( c ) 所示。 6 o 平 f 皿 b ) 电流 均电流 i 脉相 - c ) 图1 5 脉冲输出电流波形 f i g 1 5p u l s e dc u r r e n tw a v e f o r m 电流 第一章绪论 1 2 2 5 小结 比较以上几种方法，其中第一种和第三种方法，为了获得连续稳定的脉冲波形，一 般要采用两个电源，不如单电源简单，而且成本较高，占用空间较大，搬运使用也不方 便，故很少采用；第二种方法采用单电源形式，但是由于开关管工作在放大状态时其管 压降较大，会消耗较高的功耗，使焊机的效率大大下降，同时也使得功率开关管严重发 热，给散热增加了难度。而最后一种方法克服了前两者的缺点，随着功率开关器件开关 速度的不断提高与微机及数字化技术在焊接电源中的应用不断深入，这种方案实现起来 将会越来越容易，有着较好的发展前景与应用空间。 本文采用最后一种给定式信号变换获得脉冲电流。 1 2 3 脉冲m i g 焊熔滴过渡控制的发展方向 1 2 3 1 控制的协同化 脉冲m i g 焊基本的规范参数有脉冲电流易，基值电流厶，脉冲时间乃，基值时间 乃，平均电流厶( 即焊接电流) 等。此外，还有电弧电压队焊接速度y 、送丝速度野 等工艺参数。工艺参数如此之多，一方面有利于更灵活地调整和控制焊接过程，但是也 使调整规范参数复杂化，从而增加了许多新的困难。为了解决此问题，目前在已发展的 脉冲m i g 焊控制系统中广泛采用了s y n e r g i e 控制法( 协同控制法) 。s y n e r g i e 控制法是英 国焊接研究所发明的一种脉冲m i g 焊电弧控制方法。它解决了众多脉冲参数调节的不 便，实现了脉冲m i g 焊的单旋钮控制。其原理为：给定送丝速度，而脉冲参数将自动 协调，使焊丝熔化速度自动与送丝速度相协调而保持弧长的稳赳1 引。 1 2 3 2 控制的数字化 随着各种新型半导体器件的应用和发展，从简单的单片机，到复杂的c p l d f p g a 、 工控、d s p 以及嵌入式、a r m 等数字化技术，目前都广泛应用于脉冲m i g 焊熔滴过渡 控制中。数字化技术不仅可提高控制系统的抗干扰性、控制精度，还可提高焊接精度、 可靠性和稳定性等性能。 无论是熔滴过渡控制的脉冲参数一元化调节，还是脉冲参数的分别调节，既可以采用 一般的硬件模拟控制系统，也可以采用数字化控制系统。当全部采用硬件模拟控制时， 由于控制电路很复杂，不仅影响了系统的稳定性，而且也影响了系统的灵活性，不能随 着实时焊接条件的变化而变化，即焊接过程的适应性很差；而当采用数字化控制时，可 在同样的硬件支持下，研制适应不同焊接条件的控制软件，使焊接脉冲参数随着不同的 7 华南理r 人学硕十学位论文 焊接条件而变化，增加了系的柔性和适应性，便于操作和精确控制，这是今后发展的主 要方向。 f r o n i u s 公司的t r a n s p l u ss y n e r g i c 2 7 0 0 4 0 0 0 等系列产品在焊机上实现了m i g 焊可储 存近8 0 个焊接程序，实时显示焊接规范参数，通过单旋钮给定焊接规范参数和电流波 形参数，可以实现熔滴过渡和弧长变化的精确控制。田口 华南理工大学的学者国内首次在脉冲m i g 焊逆变电源中成功地应用了单一d s p 实 现数字化控制，以全软件方式产生p w m 信号，简化了控制系统，提高控制系统的灵活 性、控制精度和可靠型1 9 】。并且针对脉冲m i g 焊熔滴过渡过程的控制，提出中值波形 控制策略的新工艺方法，设计了前中值、后中值、中中值等三种中值工艺方法，如图l - 6 所示。 幻无巾值波形b 1 前t i 值波形 “，)酗) c ) 后中值波形 d ) 巾中值波形 图1 6 中值波形控制方法 f i g 1 - 6w a v e f o r mw i t hm e d i a np h a s ec o n t r o lm e t h o d s 中值波形与一般脉冲波形的区别在于在两峰值电流之间增加了中值电流，称之为 “中值波形。中值波形的基值阶段起维弧作用；中值阶段是为了增加熔滴过渡过程的 可控性，保证过渡时熔滴大小一致、过渡均匀，弧长一致，促使熔滴进行过渡，过渡形 式为大滴过渡；峰值阶段是决定脉冲能量的重要参数，它影响熔滴的过渡力、母材的熔 深，其主要作用是使熔滴在等离子流力、电磁力和重力的作用下过渡到熔池中去，过渡 形式为喷射过渡，熔滴尺寸较小。 8 第一章绪论 1 2 3 3 控制的智能化 经过2 0 多年的发展，以专家系统、模糊控制、神经网络为代表的智能控制理论在 脉冲m i g 焊熔滴过渡控制中得到越来越广泛的应用。 国外方面，文献 2 0 】采用了模糊控制方法控制脉冲m i g 焊的熔宽，并建立了一套弧 焊机器人模糊专家系统，对模糊控制进行振动实验的结果表明，采用该方法后的焊接效 果良好。 目前，国内外许多焊接工作者对脉冲m i g m a g 焊接过程进行了模糊控制，这些为 熔滴的最佳过渡形式创造了先决条件。由于脉冲m i g m a g 焊接过程是一个典型的非线 性、强耦合、时变的多变量复杂系统，很难对其建立起精确的数学模型，这就决定了对 它进行有效控制的困难程度。模糊控制作为三大人工智能控制之一，在设计系统时不需 要建立起被控制对象的数学模型，系统的鲁棒性强，故尤其适用于脉冲m i g 焊熔滴过 渡的控制。 在我国焊接领域，模糊控制技术较早应用于机器人气保焊的焊缝自动跟踪上，后来 焊接学者将其用于焊缝质量控制上。随着模糊控制技术的不断深入，不断有人将其运用 到脉冲m i g 焊过程中的弧长控制系统。现在理论和实验两方面证明了弧长的模糊控制 具有响应速度快、适应性强等特点。 文献【2 1 提出在g m a w 中利用模糊控制控制焊缝熔宽的方法。 国内清华大学陈强教授2 2 1 等对m i g 焊熔透的模糊控制进行深入的研究。 为了保证一脉一滴这种最理想的熔滴过渡形式的实现，天津大学 2 3 1 采用模糊逻辑 p i d 控制器对峰值弧压进行了控制，选取峰值时间乃和送丝速度吩作为控制量，峰值 弧压为被控制量。 神经网络具有快速处理、高度容错、联想记忆、学习简便等优点。它是用众多的非 线性神经元组成一个网络，以逼近高度复杂的非线性多变量时变系统。用神经网络设计 的控制系统的适应性、智能性和逻辑性均较好为高维数、非线性、强干扰、不确定、难 建模的复杂工业生产工程控制提供了新途径。目前此项技术尚不成熟，但肯定是一个发 展趋势。 1 2 3 4 控制的精确化 一脉一滴的过渡形式是所有过渡形式中最好的。在脉冲基值期间，熔滴长大，脉冲 峰值时，由于超过了射流过渡的临界电流，在此期间会发生跳弧现象，促进熔滴过渡。 9 华南理t 大学硕十学位论文 这种控制思想要求控制更为精确。 近年研究者们提出的综合控制法，该法将协同控制与闭环控制相结合，通过弧压反 馈和送丝速度反馈均控制脉冲频率，达到易和昂单元能量恒定，从而保证了一脉一滴 和弧长控制问题的解决。文献 2 4 】研究考虑到干伸长对熔化速度和熔滴体积的影响，通 过调节乃和乃，使伟乃+ 厶死) 保证不变，不仅保证一脉一滴，而且还要保证每滴的体积 基本不变，使熔滴过渡过程更加均匀稳定，更加精确。 不管是采用传统的p i d 控制方式，还是采用较新颖的模糊控制或神经网络控制方 式，其目的都是为了保证熔滴过渡过程的稳定、均匀而精确。 脉冲m i g 焊熔滴过渡控制的关键是获得一脉一滴的最佳过渡方式。脉冲m i g 焊熔 滴过渡控制的协同化、数字化、智能化和精确化是今后的主要发展趋势。其中，模糊控 制在今后的溶滴过渡控制中将占主导地位；神经网络具有很多的自适应、自学习能力， 因此模糊逻辑与神经网络结合是熔滴过渡控制研究的主要方向，有助于提高焊接质量。 1 2 4 几种常用工业通信技术简介【2 5 】 本课题开发的脉冲m i g 焊逆变电源，主要应用了r s 2 3 2 和r s 4 8 5 两种工业通信 技术，下面对它们进行简单介绍。 ( 1 ) r s 2 3 2 通信技术 r s 2 3 2 通信技术( 又称e i ar s 2 3 2 c ) 是目前p c 机与通信工业中应用最广泛的一种 串行通信技术。 典型的r s 2 3 2 信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电 平在+ 5 - - , + 1 5 v ，负电平在扣1 5 v 电平。当无数据传输时，线上为t t l ，从开始传送数 据到结束，线上电平从t t l 电平到r s 2 3 2 电平再返回1 v r l 电平。接收器典型的工作电 平在+ 3 + 1 2 v 与一3 - 1 2 v 。由于发送电平与接收电平的差仅为2 v 至3 v 左右，所以其共 模抑制能力差，其传送距离最大为约1 5 米，最高速率为2 0 k b s 。 r s 2 3 2 是为点对点( 即只用一对收、发设备) 通信而设计的，其驱动器负载为3 7 k q 。 适合于本地设备之间的通信。 ( 2 ) r s 4 8 5 通信技术 r s 4 8 5 总线是目前工业上最常用的总线形式之一，由它组成的半双工网络，一般 只需两根连线，所以r s 4 8 5 接口均采用屏蔽双绞线传输。它具有以下特点： 1 接口信号电平低：逻辑“l ”以两线间的电压差为+ ( 2 6 ) v 表示；逻辑“0 ”以两线间 1 0 第一章绪论 的电压差为( 2 - - 6 ) v 表示。接口信号电低，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与1 v r l 电平兼容，可方便与t t l 电路连接； 2 高传输速率：r s - 4 8 5 的数据最高传输速率为1 0 m b p s ： 3 抗噪声干扰性好：接口采用平衡驱动器和差分接收器的组合，