（材料加工工程专业论文）基于MSP430逆变COlt2gt焊控制系统研究.pdf

摘要 摘要 随着我国国民经济的发展，铜的用量不断增加。其中很大一部分为焊接结构 钢。随着产品中钢焊接结构应用的日益增多，焊接制造技术将影响产品的成本、 质量，进而影响生产效益，必须予以重视。c 0 2 焊接方法从上世纪5 0 年代初问 世以来，以其高效、节能和低成本等特点受到人们的极大关注。只有c 0 2 气体 保护焊的用量在全国范围大幅度增加，才能全面提高我国的焊接效率、降低生产 成本，才能为实现焊接生产过程的机械化与自动化奠定必要的基础。大力推广 c 0 2 气体保护焊，对c 0 2 焊机提出了更高的要求。尽管我国每年生产的焊机多 达2 0 多万套，但大部分是普通型的对新型高性能的焊机的开发速度相对较慢， 每年仍需从国外进口较多先进设备。在今后一段时间内，我国主要应重点开发功 能更多、性能更好、效率更高的焊机，特别是气体保护焊机。 c 0 2 焊的主要问题是飞溅、成形问题，随着焊接结构钢用量的增加，焊接生 产对焊接效率问题也给予了越来越多的关注。本文分析了不同的波形控制对焊接 飞溅、成形以及焊接速度的影响，确立了波形控制方案。在此基础之上，完成了 m s p 4 3 0 单片机硬件系统的设计、调试，完成了i g b t 逆变焊接电源的安装调试。 在硬件平台上，依靠软件来实现波形控制及焊机的管理。 数字化焊接电源的软件正变得越来越复杂，继续采用传统的前后台系统编制 软件已很难保证软件开发的效率、可靠性和安全性，必须用新的编程思想来取代 原有的软件开发方式。嵌入式实时操作系统( r t o s ) n 用户软件的开发搭建了一 个软件平台，在这个平台上开发用户软件变得简单、可靠，同时实时性好，可以 适应数字化焊接电源的需要，保证数字化焊接电源的性能。本文在硬件平台基础 上，移植成功p c o s i i r t o s ，在r t o s 平台上，完成波形控制c 0 2 焊软件开发。 实验结果表明，在m s p 4 3 0 的硬件平台上，r t o s 实现任务调度大约需要 8 0 u s ，可以满足焊接过程的需要。实际的焊接结果表明，焊接过程稳定，各种功 能正常工作。焊接结果表明，依靠软硬件可以实现给定的波形控制。短路过程中 实现双斜率，以降低飞溅，燃弧阶段可以对燃孤波形进行调节，以满足不同的焊 接需要。实现了设计的要求。 关键词c 0 2 焊；波形控制；r t o s ；m s p 4 3 0 b s t l t a c t a b s t r a c t m o r ea n dm o r es t e e l sa i eu s e di nc h i n aa l o n gw i t ht h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n t t o d a y m o s to ft h e ma r ew e l d i n gs t r u c t u r es t e e l s m o r ea t t e n t i o ns h o u l db ep a i dt o w e l d i n gt e c h n o l o g i e sb e c a u s et h e r ea r es om a n ys t e e l sn e e dt ob ew e l d e d w e l d i n g t e c h n o l o g yw i l l a f f e c tt h ep r i c e ，q u a l i t ya n dc o m p e t i t i o na b i l i t yo fap r o d u c ti ft h e r e a g el o t so f w e l d i n gw o r k si nt h i sp r o d u c t c 0 2w e l d i n gt e c h n o l o g yw a sb o r ni n19 5 0 s i ta t t r a c t sp e o p l e se y e sf o ri t sh i g hp e r f o r m a n c e ，l o wp r i c ea n dl o we n e r g yc o s ts i n c e i ta p p e a r e d i t so u rm a j o rt a s kt om a k ei tt ob e c o m ep o p u l a ru s ei nd o m e s t i ci nt h e c o m i n gy e a r s o n l yo f t h i s ，c h i n aw e l d i n gp e r f o r m a n c ec a nb ei n c r e a s e da n dp r o d u c t c o s tc a nb el o w e r e d i t sa l s ot h eb a s eo fc h i n am a n u f a c t u r i n gm e c h a n i z a t i o na n d a u t o m a t i z a t i o n ，w es h o u l d p r o v i d eh i g hq u a l k y w e l d i n gp o w e rt o m e e tt h e r e q u i r e m e n t so fm o d e r nw e l d i n gp r o c e s s n o w , c h i n ap r o d u c em o r et h a n2 0 0 ，0 0 0 w e l d i n ge q u i p m e n t se a c hy e a r b u tm o s to ft h e ma r en o r m a lp r o d u c t sl a c ko fh i g h t e c h n o l o g ya n dc a n tm e e tt h er e q u i r e m e n t s ，c h i n ah a st oi m p o r tm a n ya d v a n c e d w e l d i n ge q u i p m e n t se a c hy e a r w es h o u l d c o n c e u t r r t ei n d e v e l o p i n gw e l d i n g e q u i p m e n t sw i t hh i g he f f i c i e n c ya n dq u a l i t y , e s p e c i a l l ym a g m i gi nt h ef u t u r e t h et w om a i np r o b l e m so fc 0 2w e l d i n gt e c h n o l o g ya r es p a t t e ra n dp o o rb e a d s h a p e p e o p l ep a ym u c ha n e n t i o n t o w e l d i n gp e r f o r m a n c ea c c o m p a n y i n g t h e i n c r e a s i n gu s eo fs t r u c t u r es t e e l s t h ea u t h o rd i s c u s s e dt h ee f f e c t so fw e l d i n g w a v e f o r mt o w a r d ss p a t t e r , b e a ds h a p ea n dp e r f o r m a n c ei nc 0 2w e l d i n gp r o c e s si n t h i sp a p e r t h ew a v e f o r mc o n t r o lp l a nw a sa l s od e t e r m i n e db a s e do nt h ea n a l y s i s t h ea u t h o ra l s od e v e l o p e d ，t e s t e da n dd e b u g g e dam s p 4 3 0m i c r o p r o c e s s o rc o n t r o l s y s t e m ai n v e r t e rw i t hi g b tw a sm a d et ou t i l i z et h ef u n c t i o no fc o sw e l d i n g t e c h n o l o g yt h r o u g hs o f t w a r e t h es o f t w a r eo fd i g i t a lp o w e ri sb e c o m i n gm o r ec o m p l i c a t e dt h a nb e f o r e t h e e f f i c i e n c y , r e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t yo fs o f t w a r eb a s e do nf o r e - b a c k g r o u n ds y s t e mc a n n o tb ea s s u r e d t h e r em u s tb ea n o t h e rn e wi d e at od e v e l o pt h es o f t w a r eo fd i g i t a l 1 1 1 p o w e r e m b e d d e dr e a lt i m eo p e r a i n gs y s t e mp r o v i d e su sap l a t f o r mf o rd e v e l o p i n g s o f t w a r eo fe m b e d d e ds y s t e m i tc a l lf u l f i l lt h er e q u i r e m e n t so fd e v e l o p i n gu s e r s s o f t w a r ea n da s s u r ei t sq u a l i t y t h i sp a p e rr t nag c o s i ir t o so nt h eh a r d w a r ea n d d e v e l o pt h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r eo fc 0 2w e l d i n gi n v e r t e l t h er e s u l t ss h o wt h a tr t o sn e e d s8 0 u st of i n i s ht h et a s ks c h e d u l e i ti sr i g h t f u l f o rt h ec 0 2w e l d i n gp o w e r w e l d i n gr e s u l t ss h o wt h a tw e l d i n gp r o c e s si ss t a b l ea n d p r o p e r t h i sm a c h i n eh a sd o u b l eu ps l o p ed u r i n gs h o r tc u r r e n ts t a g et od e c r e a s e s p a t t e rw h i l et h ec u r r e n td o w ns l o p ec a l lb ea d j u s t e dd u r i n ga r ci g n i t i n gs t a g e k e yw o r d sc 0 2w e l d i n gt e c h n o l o g y ；w a v e f o r mc o n t r o l ；r t o s ；m s p 4 3 0 - i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谓 意。 繇喀隰w g 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：辟导师签名：龟箜邋日期：型。s 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着我国国民经济的发展，钢的用量不断增加。2 0 0 2 年我国钢产量超过1 8 5 亿吨。如果再加上进口的钢材，目前国内市场流通的钢材总量超过2 亿吨，成为 世界上最大的钢材消费国。其中很大一部分为焊接结构用钢，在今后2 0 年钢材 仍将占有重要的地位。随着焊接钢结构应用的日益增多，必须重视焊接制造技术， 这将影响产品的成本、效益及质量。一个国家焊接技术水平的高低可以从焊材消 耗来判定。目前我国焊材生产中手工焊条的比重居高不下，使得我国焊材生产总 量与钢材生产总量之比偏高。以2 0 0 2 年为例，生产的焊材( 仅计算焊条和焊丝) 总量为1 4 4 9 万吨，而钢产量为1 8 5 0 0 万吨，两者之比为0 7 8 。工业发达国家 的比例一般在0 ，3 0 5 之间，而发展中国家在o 5 0 8 之间。由于手工焊条 比例过高，造成每亿吨钢材需7 8 万吨焊材，比工业发达国家高出一倍。这将对 我国资源、人力和物力的合理应用，以及焊接生产效率的迅速提高带来负面影响。 在焊接生产中，必须以高效率的焊接方法取代手工电弧焊，以降低生产成本，提 高产品的竞争力川。 c 0 2 焊接方法从上世纪5 0 年代初问世以来，以其高效、节能和低成本等特 点受到人们极大关注。8 0 年代初，先进工业国家的c 0 2 焊工作量就已经占焊接 总量的3 0 以上，到9 0 年代初上升到5 0 ，其中日本达到7 1 ，c 0 2 焊在国 外已经成为一种主要的焊接方法。我国虽然自5 0 年代末就开始研制与应用c 0 2 焊，但由于生产水平不高，该焊接方法的发展一直较为缓慢，8 0 年代以来，发 展较快。目f | ，国内企业正在逐步采用高效率的c 0 2 或a r + c 0 2 气体保护焊取 代焊条手工焊。据统计，c 0 2 焊接在不同行业的应用情况不尽相同，在汽车零部 件、集装箱和工程机械行业中基本上全部采用气体保护焊；而一般机械、铁路车 辆和重型机械行业的比例都超过5 0 ：在造船、锅炉和金属结构行业由于埋弧焊 的用量较大，c 0 2 气体保护焊的比例相对较低。继续大力推广c 0 2 气体保护焊 北京工业大学工学硕士学位论文 是我国焊接行业今后一段时间的重要任务，只有c 0 2 气体保护焊的用量在全国 范围大幅度增加，才能全面提高我国的焊接效率、降低生产成本；才能为实现焊 接生产过程的机械化与自动化奠定必要的基础。 为了提高焊接生产的效率，必须大力推广c 0 2 气体保护焊，这对焊机提出 了更高的要求。尽管我国每年生产的焊机达2 0 多万套，但大部分是普通型的， 对新型高性能的焊机的开发速度相对较慢，每年仍需从国外进口较多先进设备。 目前的国内市场上，国外品牌焊机与国内焊机并存，且国外品牌焊机占有相当大 的比重。国外焊机主要品牌有美国林肯、芬兰肯比、日本松下、瑞典伊萨等，其 设备性能稳定，适应范围广，焊机动、静特性优良，能够承受较大的电网波动。 因此，在今后一段时间内，我国主要应重点开发功能更多、性能更好、效率更高 的焊机，特别是气体保护焊机。 1 2c 0 2 控制研究现状 c 0 2 焊熔滴过渡的有效过渡形式可以分为潜弧射滴过渡、短路过渡和含有瞬 时短路过渡的排斥滴状过渡三种。此外，还存在大滴过渡、排斥过渡和潜弧射流 过渡等。对于中小规范焊接，多为短路过渡形式。 短路过渡c 0 2 焊的主要问题是飞溅大和成形不好。为了减少飞溅，改善成 形，随着主电路的发展和人们对c 0 2 焊熔滴过渡认识的加强，控制方式不断更 新，飞溅减少，焊缝成形得到改善。主要的波形控制方法有：传统的控制方法、 s t t 表面张力过渡控制、高速焊波形控制、d a c ( d y n a m i ca r cc o n t r 0 1 ) 短路过 渡控制法、电子电抗器控制法等。 1 2 1 传统的控制方法 传统设备包括抽头式整流焊机、磁放大器式整流弧焊机和晶闸管式整流弧焊 机等。这些设备主要靠直流电抗器的电感量d c l 来调节。在这种情况下，设备 的动特性主要反映在电流的上升速度d i d t 和短路峰值电流i 。两个参量。电感量 l 对电流波形的影响很大。电感较小时，飞溅较大；随着电感的增大，飞溅减小； 当电感继续增大时，由于d i d t 较小，焊丝与熔池接触处来不及爆炸，于是产生 - 2 - 第i 苹绪论 更大的飞溅。因此，在这种情况下正确选用d c l 是十分重要的。d c l 的大小主 要根据焊丝直径来确定，随焊丝直径的增大而增大。一般来说，对于每一种直径 的焊丝，都存在着一个最佳电感区间，这时飞溅较小。传统焊接设备都使用铁磁 电感，不仅笨重，而且难以改变电感量，对于一定的电感量只适用于某一直径焊 丝的某一段电流区间，而对于其它直径焊丝和焊接电流就不够合适了。所以这种 方法不可能与焊接参数取得最佳匹配关系。 1 2 2 脉冲诱导过渡 根据电爆炸理论，所以为了减小飞溅，就要求减少电爆炸能量，尤其是在小 桥临断开之前的极短时间内，必须限制短路电流大小及其增长速度。据此，国内外 焊接工作者发展了负脉冲诱导过渡控制法。总的设计思想是对常规c 0 2 气体保 护过程中的短路过渡电流波形进行局部削波，减小部分短路电流，降低焊接飞溅。 此削波作用相当于在常规短路电流波形上迭加一负电流脉冲，如图卜1 所示，故命 名为“负脉冲诱导过渡”1 3 。 企 图l l 负脉冲诱导过渡电流电压波形 f i g 1 - 1n e g a t i v ep u l s et r a n s m i tw a v e f o r m 1 2 3 基于能量控制的波形控制 这种方法的核心在于通过电源输出合适的电流、电压波形，控制熔滴的能量， 以达到减小飞溅的目的。通过控制燃弧阶段的能量给定，使得熔滴尺寸在预定的 范围内，熔滴形成能量过大，否则会影响焊接过程的稳定性。控制系统通过熔滴 尺寸使得液桥在低电流范围下爆断。其波形如图1 2 。基值电流i f 较小( 2 0 - 8 0 a ) ， 用于锥弧并使焊丝末端均匀熔化。熔滴与熔池短路接触短路前后，电流被限制在 - 3 北京工业大学工学硕士学位论文 11 夼j 。 图1 2 能量控制电流电压波形 f i g 1 2c u r r e n ta n dv o l t a g ew a v e f o r mo f p o w e rc o n 订o i a ( 2 1 2 1 2 a ) ，并持续一段时n ( o 2 1 6 m s ，可调) ，以使熔滴可靠的与熔池润湿。 稳定之后，电流迅速升至【b 并以s j 斜率上升到【c ，使得小桥在电弧力作用下颈 缩并迅速熔断。根据不同的规范，i c ( 2 9 4 4 2 0 a ) 和s i ( 1 2 2 0 0 0 a m s ) 斜率均可调 节。电弧重燃后，电流从i c 缓降至i d ，其时间t d 可调( o 5 2 5 m s ) ，以增加电弧 的燃烧能量，从而改善焊缝成型。接着电流又回到基值，完成1 次熔滴过渡的能 量控制。实现以上电流、电压的波形控制，要求电源有很快的响应速度，满足波 控参数的精确控制 。 1 2 4s t t 表面张力过渡控制 s t t 表面张力过渡控制是精细波形控制最具有代表性的一种，国内外都对其 进行了广泛的研究 6 1 4 1 ，波形如图1 3 。 该电源的熔滴过渡精分为7 段： a 基值电流段( t o t 。) ：电流在熔滴发生短路前处于较低的平稳状态( 约为5 0 i o o a ) ，该电流保证熔滴在表面张力作用下形成近乎球状，既不会凝固，也不会 过分长大而脱落。 b 。小桥形成段( t t t 2 ) ：焊丝送进，熔滴发生短路( 在基值电流下) ，电压检测 器检测出短路发生，为进一步促进熔滴与熔池的接触和“润湿”作用，电流立即降 至i o a 左右，持续约0 7 5 m s ( t i t 2 ) ，使熔滴与熔池形成稳固的短路桥。 c 颈缩段( t 2 t 3 1 ：小桥形成后，电流以双益线状迅速上升，使短路桥产生颈 缩力，同时计算电压的变化率d u d t ( 注意，此时高温下的液态钢电阻率很高，所 d 第l 章绪论 l j 。 1 f ， h t 图1 3 s t t 的电流与电压波形 f i g 1 3c u r r e n ta n dv o l t a g ew a v e f o r mo f s t i 以电压不为零) 。 d 能量减少段( t 3 t 4 ) ：当d u d t 达到某一确定值时，说明熔断即将发生，电流 在几个u s 内降至5 0 a ，使短路液桥依靠表面张力熔断并过渡到熔池中。t 4 表示熔 断发生时刻。 e 脱离熔池段m t 5 ) ：熔断发生后，燃弧电流( 5 0 a ) 维持一段时间( t 4 t s ) ，这 样可以减小燃弧时对熔池的冲击，使焊丝平稳脱离熔池。 等离子助推段如t 6 ) ：过渡完成，燃弧( t ，时刻) 之后，电流上升至4 5 0 a 左右 对12 r a m ，5 m r a i n ，c 0 2 1 0 0 的气保焊，时间约为1 2 m s ，以增加电弧的 燃烧功率，有利于改善焊缝成形。 g 回复阶段：在该段中电流衰减到基值，为下一个周期傲准备。 s t t 技术的另一个重要且全新的特点是焊接电流与送丝速度无关，因而可以 在大幅度减少飞溅和烟尘的同时更好地控制热量的输入，得到合适的熔深和完整 的背面成形。 1 2 5 高速焊波形控制 西田等指出，不同的焊接速度对电流波形提出了不同的要求，其中影响最大 图1 4 不同焊接速度对电流波形的要求 f i g 1 - 4d i f f e r e n tw e l d i n gs p e e dv sw e l d i n gc u r r e n t 的是燃弧阶段的电流波形，如图1 - 4 所示。图中燃弧波形( a ) 适合于低速焊接， 其波形与传统的电流波形类似，若将这种波形应用于高速焊接，由于再引燃电流 较大，焊丝端头返烧较大，同时对熔池产生较大的冲击，其结果使熔池产生较大 的振荡，引起焊道不连续；波形再引燃电流较小，而且在燃弧阶段基本上保持不 变，扶而抑制了熔池振动，使熔池比较平静，焊缝成形良好：( b ) 则是介于二者 之间的波形，适用于中速焊接。但西田的这种控制方式并没有给出实际实现的结 果，还停留在设想阶段，另外在高速焊接时。若采用图2 中曲线( c ) 所示的恒 流输出的燃弧波形，如何保持弧长的自调节作用也是一个大问题。随着逆变电源 技术和数字控制技术的发展，西田的设想为电流波形控制的发展提供了一定的思 路。 1 2 6d a c ( d y n a m i ca r cc o n t r 0 1 ) 短路过渡控制法 同本o t c 公司开发了专用高速焊用的波形控制法陋”】，动态电弧控制 d a c ( d y n a m i ca r cc o n t r 0 1 ) 法：在短路的瞬时，通过检测电压的瞬时变化以实现电 流波形的精确控制。其电流控制波形如图1 5 所示。当短路将要发生时通过 检测电压迅速减小电流，使熔滴与熔池自然接触：当熔滴与熔池接触后，增加电 流使熔滴过渡：同时燃弧电流可以自由调节，满足高速焊的需要。 第l 章绪论 通过实验证明，在1 ，2 m m 焊丝采用3 5 0 a 时，焊速为2 m r a i n 时，焊接2 3 m m 和3 2 m m 的搭接焊缝，可以得到良好的焊缝成形。 徽小短路 ( 电渡急 衄珞期问燃弧期问 乒 且且堕旦且 一 、 a 泡i 懑 ： ； e 藏抑棚 ( 电流急蔽)( 电境急碱) 多 f 一” v 憾篓冀姿。 ( a ) 一 电子波形控势一、 弋- 垆 张躺帕速度 时间 图1 - 5 新型波形控制d a c ( d y n a m i ca r cc o n t r 0 1 ) 法与传统波形控制法 f i g 1 - 5d a c w a v e f o r mv st r a d i t i o n a lw a v e f o r m 1 3c o ：焊接电源研究现状 1 3 1c 0 2 焊主电路的发展 c 0 2 焊主电路的发展伴随着电力电子技术及其它技术的发展而发展，大致经 历了以下几个阶段。 5 0 年代初期，c 0 2 气体保护焊技术的研究处于初始阶段。对c 0 2 气体保护 焊电弧和熔滴过渡的特点只有肤浅的认识。仅提出c 0 2 气体保护焊电源必须具 有平或上升的外特性，其主电路使用的是弧焊发电机、抽头式和磁放大器式硅整 流电源。6 0 年代，对c 0 2 气体保护焊熔滴过渡理论的研究有了新的发展。研究 发现，对于c 0 2 气体保护焊电源，不但有静特性要求，而且必须具有良好的动特 性。其动特性指标，主要是指短路电流的上升率( d i d t ) ，只有选择合适的短路电流 北京工业大学工学硕士学位论文 上升率，才能使c 0 2 气体保护焊电弧保持稳定，大幅度减少飞溅。因此，在焊接 主回路中串联了1 个可调电抗器，通过调节该电抗器即可调节短路电流上升率， 得到满意的焊接效果1 1 8 l 。 随着半导体技术的发展，大功率晶闸管的研制成功，自6 0 年代末，世界各国都 进行了晶闸管焊接电源的研究工作。主电路形式各国采用了不同的方案。日本和 我国以带平衡电抗器的六相双反星形可控整流电路为主；而美国则以三相全控桥 的电路形式为主。晶闸管焊接电源与弧焊发电机相比，具有效率高、噪声小、动 态性能好的特点；与抽头式变压器硅整流电源相比，焊接参数实现了无级调节， 可满足精度较高的焊接需要；与磁放大器硅整流电源相比，可节约大量的铜铁材 料，主回路时间常数小，动态性能好，而且有利于各种控制方案的实现。因此， 晶闸管焊接电源一出现就被用于c 0 2 气体保护焊中。7 0 8 0 年代，晶闸管焊接 电源日趋成熟，功能日益完善，逐渐成为c 0 2 气体保护焊的主流设备。9 0 年代 至今，晶闸管电源仍在c 0 2 气体保护焊中占有很大的比例。 晶闸管虽然有许多优点，但晶闸管为半控元件，控制周期大约为3 3 m s ，该 时间与c 0 2 气体保护焊熔滴过渡的周期在同一数量级上，也就是说晶闸管电源 不可能很好地控制c 0 2 气体保护焊的熔滴过渡。晶体管为全控元件，克服了晶 闸管这个缺点。因此，焊接工作者早在7 0 年代，就进行了晶体管焊接电源的研 究工作。1 9 7 3 年西德研制成功第一台晶体管式焊接电源。发展至今，晶体管器件 己从原来单一的三极晶体管，发展到场效应管( m o s f e t ) 和绝缘门极晶体管 ( i g b t ) 等多种器件：主电路形式也经历了从模拟式电源，到主变压器二次侧开关 电源，再到主变压器一次侧开关电源的发展过程。主变压器二次侧开关电源，一 般简称为开关式晶体管焊接电源；主变压器一次侧开关焊接电源，一般称为逆变 焊接电源1 2 】。 逆变焊接电源的研究工作，自7 0 年代初就开始了。直到8 0 年代初，由于电 力电子技术的发展，给逆变焊机的发展创造了条件。1 9 8 6 年日本大阪变压器公 司推出了3 5 0 a 场效应晶体管c 0 2 弧焊电源，其逆变频率达5 0khz 。逆变焊机 的中频逆变器可控性能好，适应于焊接工艺所需的动静特性的要求，容易做成比 传统焊接电源性能更好、功能更强的c 0 2 焊接电源，是c 0 2 焊接电源今后发展 的仑方向。 r 第1 章绪论 1 3 2c 0 2 焊控制电路的发展 c 0 2 焊控制电路的发展主要经历了模拟控制、单片机控制和数字化控制三个 阶段。在模拟控制系统中，焊接电流、电压等参数的采样、比较、p i 运算以及 p w m 信号生成等全部由模拟电路完成。模拟控制是耳前弧焊电源中应用最为普 遍的控制方式。随着信息技术的发展，出现了单片机控制的焊接电源。单片机控 制的弧焊逆变电源是弧焊逆变电源数字化控制中的一个重要阶段。在单片机控制 的弧焊逆变电源系统中，单片机主要完成了控制信号的给定功能以及焊机的总体 管理。虽然单片机仅仅完成了给定功能，但是已经使得弧焊逆变电源在实现焊接 工艺控制时，如c 0 2 焊波形控制等，获得极大灵活性。例如可以通过单片机给 出多种斜率、不同幅值的c 0 2 焊短路波形，使得c 0 2 焊的工艺效果在不同的电 流范围内都能接近于最佳。单片机控制系统与模拟系统相比具有更大的灵活性， 但受m c u 自身能力的限制，其控制核心一p i 控制器和p w m 调制电路都是由模 拟元件组成，只是部分实现了c 0 2 焊机的数字化。随着数字信号处理器( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o rd s p ) 在c 0 2 焊机上的应用，出现了全数字化c 0 2 焊机。数字化 焊机的控制系统以d s p 为控制核心，实现数字p i 、数字p w m 调制，具有控制 策略调整灵活、控制精度高以及控制参数稳定等特点，具有更好的工艺稳定性和 更好的工艺效果i l 。 1 4 研究意义 c 0 2 焊飞溅大，成形差。为降低飞溅，取得最佳的工艺效果，需要对c o z 焊 短路电流波形进行精细控制，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【2 0 1 。如果控制过程全部用硬件来实现，则控制电路会很复杂。这 不但影响了系统的可靠性，而且往参数调整和控制极不灵活。为此国内外很多学 者应用单片机实现时序管理、波形给定等功能，不仅简化了硬件电路而且可以 充分利用微控制器软件编程灵活的特点，实现诸如自适应控制、模糊控制【2 ”j 。 采用单片机控制的c 0 2 焊机具有极高的使用价值和应用前景。 北京工业大学工学硕士学位论文 过去使用的单片机多为i n t e l 8 x 系列，比如8 0 c 1 9 6 k c ，多为i n t e l 公司上世纪 8 0 年代的产品，有些已经停产。其编程环境多为汇编语言，可读性差，很多新的 技术无法体现，比如f l a s h ，所以有必要用性能更好，集成度更高的微控制器取 代原有的单片机，以充分发挥逆变c 0 2 焊机的性能。 北京工业大学焊接研究所研制的多波形逆变c 0 2 焊机，基于i n t e l 8 0 c 1 9 6 k c 单片机，采用双闭环控制，焊接过程稳定，飞溅少，成形好f 3 2 “】。该焊机实现 了短路阶段双斜率控制，但是燃弧阶段波形不可调。前文己提及，燃弧波形对焊 缝成形、焊接速度有一定影响。焊接母材、焊接要求不一样，应该有不同的焊接 燃弧波形。要实现这一目标，必须在原有的基础之上，首先实现燃弧波形可调， 进而实现最优波形控制。同时，不可避免的会使控制软件变得复杂。如果继续采 用原有的编程思想，维护困难，可移植性差，有必要采用新的编程思想实现控制 过程。 基于以上原因，本文选用t i 公司m s p 4 3 0 微控制器代替i n t e l 8 0 c 1 9 6 c ，设计 硬件控制系统，在硬件平台基础上移入r t o s 来编制软件。充分发挥单片机控制 的优势，实现c 0 2 焊机功能，在原有双斜率的基础上，进一步完善波形控制。 1 5 研究内容 本文在i n t e l 8 0 c 1 9 6 k c 控制c 0 2 焊基础上，用t im s p 4 3 0 微控制器取代 i n t e l 8 0 c 1 9 6 k c 单片机，设计c 0 2 焊机软硬件控制系统。主要研究内容如下： 1 、设计硬件控制电路。以m s p 4 3 0 m c u 为控制核心，设计控制电路，实现 和其它电路的接口，包括送丝、显示、驱动等。 2 、在硬件平台上移植r t o s ，编制系统软件。依靠r t o s 实现任务调度， 实现焊机的各种功能，完成c 0 2 焊短路过渡过程中各种波形控制，实现稳定、 可靠的焊接。 3 、组装、调试c 0 2 焊逆变电源，完成控制系统的软硬件调试，实现给定的 波形控制。为进一步的研究打下基础。 一l o 2 1 总体目标 第2 章硬件设计 本文进行m s p 4 3 0 控制c 0 2 逆变焊机研究的目标由功率、功能、工艺性能 等几个方面的指标来确定。功率指标用来确定所研制的逆变弧焊电源的的电流、 电压的输出范围，主要与主电路的设计有关。功率指标如表2 1 所示。 表2 1 主要功率指标 t a b l e2 - 1t h em a i np o w e rc h a r a c t e r i s t i c s 输入电压( v ) 3 3 8 0 输入功率( k w ) 1 7 5 空载电压( v ) 6 7 5 电流范围( a ) 6 0 5 0 0 工作电压范围( v ) 1 6 3 5 负载持续率 5 0 杈4 0 0 a ，2 5 ) 功率因数 o 9 5 效率 8 5 2 2 总体方案设计 m s p 4 3 0 波形控制c 0 2 焊机为直流逆变焊机，采用等速送丝配恒压外特性电 源系统。燃弧阶段采用恒压控制，短路阶段恒流控制，短路过程采用双斜率波形 以减小飞溅，具有过流、过热和欠压保护等功能。 通常c 0 2 焊机系统主要由以下四部分组成：主电路部分、控制电路部分、显 示面板部分和送丝调速部分。图2 1 为焊机的总体方案图。逆变器部分为主功 率部分，三相输入经全波整流后，逆变输出到高频变压器，在变压器副边经 1 1 图2 1 焊机总体方案设计 f i g ，2 - 1d i a g r a mo f w e l d i n gp o w e r 整流后直流输出，完成d c d c 变换。主控电路部分为单片机控制系统，依靠软 件和硬件的共同作用实现波形给定和焊机的管理。软件程序通过j t a g 接口由 p c 机下载到目标板。单片机系统经过输出p w m 信号到驱动电路以驱动i g b t 。 由电压l e m 和电流l e m 采样电流电压信号反馈至单片机控制系统，完成闭环 控制。显示电路完成焊接参数的设定及焊接电流、电压的显示，主要的参数包括： 电压设定、电流设定、2 4 拍设定、焊丝选择等。显示电路把焊接参数设定传递 给单片机控制系统，单片机控制系统产生相应的送丝速度传递给送丝电路，从而 完成焊接参数的匹配。可以说，在整个控制系统中，单片机控制系统是整个控制 系统的核心。下面将从主电路设计、波形控制方案和单片机控制系统三个方面分 别加以说明。 1 2 2 3 主电路设计 目前使用的逆变器开关元件一般为晶闸管和i g b t 。晶闸管逆变技术已经相 对成熟，但其频率较低，限制了其灵活性。i g b t 兼有m o s 和g t r 的优点，其 单管容量可达1 0 0 0 a j l 2 0 0 v ，逆变频率可达1 0 3 0 k h z ，便于制作大容量、高性 能的焊机。对于c 0 2 焊机而言，逆变频率2 0 k h z 的i g b t 焊机可以发挥晶闸管 整流焊机和低频逆变焊机所不能发挥的控制功能，以降低飞溅和改善成形。所以 本文研制的焊机中，主电路采用全桥d c d c 逆变形式，功率器件使用i g b t ， 逆变频率2 0 k h z ，输出电流为5 0 0 a 采用等速送丝配恒压外特性电源系统。由 于i g b t 逆变主电路已相对成熟，这里不再详述。 2 4 波形控制方案 2 4 1c 0 2 焊飞溅成因 大量研究表明，短路过渡c 0 2 焊飞溅主要有四种形式【3 3 1 ： ( 1 ) 在正常短路时( 短路时f a jt s 2 m s ) ，液相小桥由于电爆炸而引起的飞溅。 ( 2 ) 在大电流或高电压时，当金属熔滴与熔池接触时产生瞬时短路( 短路时 间t s 宝 吝 图4 4 不同电流下降斜率焊接波形 f i g 4 - 4r e a lw a v e f o r mo f w e l d i n gc u l t c n ta n dv o l t a g ew i t hs l o wd o w ns l o p e 为此，需要燃弧波形可调。在进行其它工艺实验之前，需要验证焊接电源软硬件 控制下，能否实现给定的控制波形。图4 3 为实际的焊接波形，试验表明设计 的软硬件系统可以实现给定波形。与图4 3 相比，图4 4 中除燃弧阶段电流波 形下降慢，焊接电流电压相同。把图4 3 、图4 4 波形进一步展开可进一步观 察波形。图4 5 、图4 6 分别是图4 3 、图4 4 的展开波形。由图中可以看 出，在短路初期，由于短路，电流上升，在此期间，虽然给定电流迅速下拉，但 是由于电路的惯性作用，电流依旧上升，但由于抑制作用，上升幅度不大，有一 个很小的台阶。在这一过程中，实现熔滴的润湿过渡。之后，电路以较快斜率上 升，之后以较慢斜率上升。重新燃弧后，电流可以以不同的斜率下降。 为了加以比较，用单位时间内电压下降率来说明。在图4 5 中，下降7 0 0 m v 4 0 【 一a ，o o n v h 需要2 , 0 0 m s ，而在图4 6 中，下降7 0 0 m v 大约需要2 5 4 m s ，可见图4 6 中 呈 量 = 图4 5 展开单周期波形图 f i g 4 5s i n g l ep e r i o dw a v e f o r mo fw e l d i n gc u r r e n t 电流下降斜率慢于图4 5 中电流下降斜率。从而表明，设计的焊接软硬件系统 可以实现燃弧波形的调节。为进一步的试验打下基础。 o 色 g 岜 图4 6 缓下降单周期展开图 f i g 4 6s i n g l ew a v e f o r mo f w e t d i n gc u r r e n tw i t hs l o wd o w ns l o p e 北京工业大学工学硕士学位论文 4 4 本章小结 1 在软硬件调试成功的基础之上，验证了r t o s 调度时间及调度结果，结 果表明在m s p 4 3 0 的硬件平台上，实现任务调度大约需要8 0 u s ，可以满足焊接 过程的需要。实际的焊接结果表明，调度过程正确、可靠。 2 焊接结果表明，依靠软硬件可以实现给定的波形控制，短路过程中实现 双斜率，以降低飞溅，燃弧阶段可以对燃弧波形进行调节，以满足不同的焊接需 要。实现了设计的要求，也为进一步实验研究打下基础。 4 2 结论 为提高焊接生产中的机械化与自动化水平，提高焊接生产效率和焊接生产质 量，必须大力推广c 0 2 焊接方法。随着c 0 2 焊的推广，对c 0 2 焊接设备提出了 更高的要求。本文在8 0 c 1 9 6 k c 单片机控制双斜率c 0 2 逆变焊机的基础上，以 m s p 4 3 0 f 4 4 9 为核心，设计波形控制c 0 2 焊逆变焊机，结果如下： 1 以m s p 4 3 0 单片机为核心，完成了c 0 2 焊波形控制系统的设计。在此基 础上，对逆变式c 0 2 焊机进行了安装和调试工作。 2 以单片机或d s p 为控制核心的数字化焊接电源，依靠软件来实现各种功 能。为了提高软件的可靠性、实时性和可移植性，本文采用r t o s 进行软件编程。 在成功地将“c o s i i 移植于m s p 4 3 0 单片机系统地基础上，以c 0 2 工艺控制为 目标，进行了多任务规划和编程实现。 3 针对c 0 2 焊的工艺要求，对r t o s 系统的性能进行了测试。结果表明本 文的软件系统功能正常，运行稳定，实时性可以满足对c 0 2 短路过渡过程进行 控制的要求。 4 针对c 0 2 短路过渡控制确定了波形控制方案，选取了合适的波形控制参 数。焊接工艺实验结果表明，本文设计的m s p 4 3 0 控制系统可以有效控制c 0 2 短路过渡过程。 本文为进一步的研究准备好一个软硬件平台。在以后的工作中，结合工艺实 验，针对不同的母材厚度。不同的焊丝直径。或者结合不同的焊接要求，可以给 定一个优化的焊接波形，包括短路波形和燃弧波形。同时，这种给定的波形不是 固定不变的，操作人员可以根据实际的要求而改变控制波形，进一步满足焊接生 产的需要。 4 3 参考文献 1 林尚扬，关桥我国制造业焊接生产现状与发展战略研究熔焊新技术及应用研讨会论 文集无锡：2 0 0 3 1 1 0 2 包晔峰，吴毅雄c 0 2 焊接技术的发展趋势电焊机，v o l3 1 ，2 0 0 1 ( 8 ) ：7 1 l 3 李树槐负脉冲电流诱导过渡c 0 2 焊接用晶体管电源的研究焊接学报，1 9 8 6 ，7 ( 3 ) ： 1 6 1 1 6 5 。：? r 4 d r - i n g l u t z p r o c e s sc o n t r o li nt h ea r c i n ga n ds h o r t - c b c m tp h a s ed u r i n gm e t a l - a r ca c t