（材料加工工程专业论文）基于双处理器的脉冲mig焊电源数字化控制系统的研究.pdf

摘要 与直流熔化极氩弧焊相比，脉冲熔化极氩弧焊具有电流调节范围广、热输入 量可控性好以及有利于实现全位置焊接等一系列优点，因此被广泛应用；数字化 控制具稳定性好和控制精度高以及控制灵活、易于实现柔性化控制等优点。将数 字化技术用于控制脉冲熔化极氩弧焊，近年来得到了学术界的高度关注。为此， 本文以单片机( m c u ) 和数字信号处理器( d s p ) 为控制核心，在理论分析的基础上 进行了脉冲m i g 焊的电源数字控制系统的研究。 本课题首先分析了脉冲m i g 焊的熔滴过渡行为，提出了相应的控制方案， 采用了双阶梯型电源外特性。以m c u + d s p 为核心，构建了脉冲m i g 焊电源 数字控制系统的模型，并进行了数字化逆变焊接电源的控制系统的硬件设计，包 括电流、电压采样电路设计及双路p w m 输出隔离电路设计等；建立了弧焊电源 及其控制系统的数学模型以及仿真模型，借助m a t l a b 对控制系统进行仿真研 究，得到了数字控制器的最佳参数范围；采用c c s 编程环境，编写了脉冲m i g 焊主程序、引弧子程序、收弧子程序、正常焊接子程序、p i 控制子程序等。 在单脉冲m i g 焊基础上，本课题分析了双脉冲波形特点，并进行了双脉冲 m i g 焊程序设计。 实验表明，本文设计的数字控制系统具有很好的实用性，其输出的p w m 控 制信号能够实现脉冲m i g 焊双阶梯形外特性和对脉冲波形的控制。 关键词：脉冲；d s p ：m c u ；m i g ；数字化焊接电源：双处理器 a b s t r a c t p u l s e dm i gw e l d i n gi sw i d e l yu s e di nt h ei n d u s t r y c o m p a r e dw i t hd i r e c t c u r r e n tm i gw e l d i n g ，p u l s e dm i gw e l d i n gh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sw i d e r a n g eo fc u r r e n t ，c o n t r o l l a b l eh e a ti n p u ta n df u l lp o s i t i o na v a i l a b i l i t y 。d i g i t a lc o n t r o l i sf l e x i b l ea n dh a sb e t t e rs t a b i l i t ya n dh i g h e rp r e c i s i o n d i g i t a lt e c h n o l o g yu s e dt o c o n t r o lp u l s e dm i gw e l d i n gh a sb e c o m et h ef o c u so fa c a d e m i a t h e r e f o r e ，t h i sp a p e r i sa i m i n ga td i g i t a lc o n t r o ls y s t e mr e s e a r c ht h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sb a s e do n m c ua n d d s p o nt h eb a s i so fd r o p l e tt r a n s f e ra n a l y s i si np u l s e dm i gw e l d i n g ，t h e c o r r e s p o n d i n gc o n t r o li sb r o u g h ta n d t h ed o u b l e lp o w e ro u t p u tc h a r a c t e r i s t i cc o n t r o l i sd e s i g n e d d i g i t a lc o n t r o ls y s t e mm o d e lo fp u l s e dm i gw e l d i n gi ss e tu pa n dt h e h a r d w a r eo fw e l d i n gp o w e rs o u r c ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nm c ua n dd s p , i n c l u d i n g c u r r e n tf e e d b a c kc i r c u i t ，v o l t a g ef e e d b a c kc i r c u i ta n dd o u b l ep w mo u t p u ti s o l a t i o n c i r c u i t b e s i d e s 。t h en u m e r i c a ls y s t e mm o d e la n dt h em o d e lf o rs i m u l a t i o na r eb u i l t o p t i m a lp a r a m e t e r sr a n g ei so b t a i n e db ym a t l a b s i m u l a t i o n i nc c sp r o g r a m m i n g e n v i r o n m e n t ，t h em a i np r o g r a mo fp u l s e dm i gw e l d i n gi sp r e p a r e d ，a sw e l la st h e p r o g r a mo fa r cp r o c e d u r e ，a r cs u b r o u t i n e ，n o r m a lw e l d i n ga n d p ic o n t r 0 1 t h ec h a r a c t e r i s t i c so f d u a l p u l s ew e l d i n gi sa n a l y z e da n dt h ed u a l p u l s em i gw e l d i n g p r o g r a mi sd e s i g n e do nt h eb a s i so fs i n g l ep u l s e dm i gw e l d i n g e x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tt h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e mh a sf i n ep r a c t i c a b i l l 气t y t h e w h o l es y s t e mi sa b l et oa c h i e v et h ed o u b l e lp o w e ro m p m c h a r a c t e r i s t i cc o n t r o la n d d r o p l e t st r a n s i t i o nm o d e c o n t r 0 1 k e y w o r d s ：p u l s e ，d s p , m c u ，m i g , d i g i t a lw e l d i n gp o w e r , d u a l p r o c e s s o r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨壅盘堂或其他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谢意。 学位论文作者签名：i 河演华签字日期： 汕9 署年月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤注盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：i 菇逭哗 导师签名： 甥嬲 签字日期：b 屯 年f 月1 日签字日期：加辟6 月1日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 数字化焊接电源系统简介 1 1 1 数字化焊接电源的定义与特点 高速和高效化焊接是现代焊接的发展方向，是实现现代化焊接的必由之路。 数字化焊机是高效焊接和焊接自动化焊接的基础，将数字信号处理技术与弧焊工 艺相结合，引起了业内人士的广泛关注。所谓数字化，是指按照一定的规则把 连续的物理变量用0 1 编码的数字形式来表示。将数字化技术应用于焊接电源控 制系统【2 】，能更加灵活有效地实现模拟电路所无法实现的控制方案。 焊接电源在经历了弧焊发电机、交流焊接变压器、硅弧焊整流器之后，现在 已经发展到了弧焊电源逆变技术【3 1 。自1 9 8 2 年瑞典e s a b 公司率先推出晶闸管 弧焊逆变器产品，美国的l i n c o l nm i l l e rp o w c o n 、芬兰的k e m p p i j 、瑞士的 e l t r o n 和日本的大阪变压器公司等国际著名的焊接设备公司都相继推出了各 自的弧焊逆变器产品。这标志着焊接电源主电路从模拟到数字化的跨越。对于焊 接专业领域来讲，这是一项革命性的技术跨越。主电路的数字化，使焊接电源的 功率损耗大大减少，效率达9 0 以上。由于工作频率的提高，回路输出电流的纹 波更小，响应速度更快，焊机可以获得更好的动态响应特性。1 9 9 8 年奥地利 f r o n i u s 全数字化焊机进入市场，标志着控制电路数字化焊机的实用化，将传统 逆变焊机的模拟控制发展为数字化控制，极大地提高了焊机对电弧的控制品质。 近些年，随着计算机技术、数字化技术的发展，有关数字化焊接电源的研究越来 越多，并逐步成为了焊接电源的主要发展方向【习。 从焊机系统角度出发，所谓的数字化焊机主要包括以下四个方面1 6 川。 1 、弧焊电源主电路的数字化 即从模拟式焊接电源主电路发展到现在开关式焊接电源主电路，其中开关器 件可以采用i g b t 、m o s f e t 或双极性晶体管等等。焊接电源主电路的数字化使 得焊接电源在多方面的性能上获得了提高：焊接电源的功率损耗大大地减少，使 得许多电源的效率达n 9 0 以上；随着工作频率的提高，回路输出电流的纹波更 小，响应速度更快，因此焊机获得了更好的动态响应特性：同时，由于提高了频 第一章绪论 率使得变压器的质量和体积大幅度减小，使得开关电源又具有了体积小、重量轻 的特点。 2 、控制电路的数字化 这方面的技术应用发展非常快，数字控制系统结构由微控制器( m c l 0 、数 字信号处理芯片( d s p ) 或微处理器与数字信号处理器组合构成，利用数字信号处 理芯片等处理器对焊接过程的电信号进行实时数字信号处理，采用软件来实现焊 接过程的信息控制。 3 、人机接口技术 人机交互系统是人机最直接的操作界面，是操作者向计算机输入信息、发出 指令及观察现场参数和信息的窗口，具有友好性、灵活性、功能性、明确性、一 致性、可靠性等特点。 4 、系统网络化 利用数字化焊接电源的数字化接口，实现焊接电源系统与互联网的通信，这 样一方面可以在网上控制和监控焊接过程，保证焊接质量；另一方面焊机可以通 过计算机从网上下载软件到焊接电源系统中，便于焊机升级和功能的改进。 1 1 2 数字化焊接电源的优点 与非数字信号( 信息) 相比，数字信号( 编码) 具有传输速度快、容量大、 放大不易失真，抗干扰能力强，保密性好，便于计算机操作和处理等优点，决定 了数字化焊接电源具有模拟焊接电源所不具有的优点 8 - j o 。 1i 稳定性高 在模拟控制系统中，信号的处理是通过有源或者无源得电路网络完成的。信 号处理参数是由电阻、电容参数的选择来确定的。由于电阻、电容等电子元器件 参数的偏差、漂移必然导致控制系统参数的变化，难以保证参数和焊机工作稳定。 而在数字控制系统中，信号的处理或控制算法的实施是通过软件程序完成的，因 此其稳定性好，产品的一致性也容易得到保证。 2 、柔性好 对于模拟控制系统，系统的控制功能是由硬件电路结构及其参数所决定的， 电路一旦确定就很难改变。对于数字控制系统，系统的控制功能是在基本硬件电 路的基础上，通过软件编程来实现的，可以设计多种外特性来适应不同焊接方法 的要求，实现一机多用。而且还可以通过通讯接口与焊机进行联系，调整固化在 芯片内部的程序，为焊机赋予更多得功能。 3 、便捷的人机交互功能 2 第一章绪论 随着高性能的数字信号处理器的出现，人机交互功能显得越来越完善，同时 也为用户带来了越来越方便快捷的操作。在自动化焊接过程中，操作者只须按动 操作界面上的按钮便可方便地进行相关焊接操作，如参数设置、特性选择、焊接 启动或停止等。 4 、控制精度高 模拟控制的精度一般由电子元器件参数值引起的误差和运算放大器非理想 特性参数引起的误差所决定。而且模拟控制往往采用多级处理，其误差积累和噪 声的逐级放大，使模拟控制系统的总体误差较大。由于数字控制的精度仅仅与模 数转换的量化误差，以及系统的有限字长有关，因此数字化控制常常可以获得较 高的控制精度。 5 、易实现网络化控制 数字化焊接电源采用具有标准网络接口的d s p 处理器，可以和其它设备间非 常方便地进行大量信息的交换。现在市场上已经出现具有有线或无线网络功能的 数字化焊机产品，比如l i n c o l np o w e rw a v ea c d c l 0 0 0 已经具备了基于 i e e e 8 0 2 1l bw i f i 网络协议的无线网络功能。 1 2 熔化极脉冲氩弧焊概述 熔化极脉冲氩弧焊和熔化极直流氩弧焊得主要区别在于，焊接过程采用脉动 直流取代连续导电得恒定直流。在脉冲氩弧焊时，脉冲电流的导通及熔滴过渡是 间歇进行，而且是可控的。当脉冲电流导通时，其峰值电流应大于产生喷射过渡 的临界电流值。此时电弧形态相似于熔滴喷射过渡的电弧形态，对焊丝和焊件进 行强烈的加热，促使熔滴过渡与熔池形成。在脉冲电流间歇期间，电弧电流是基 值电流，其主要作用是维持电弧稳定燃烧，并对焊丝进行预热。与直流熔化极氩 弧焊相比，脉冲熔化极氩弧焊具有电流调节范围宽、利于实现全位置焊、易控制 热输入量等优点j 。 1 2 1熔化极脉冲氩弧焊的脉冲参数 脉冲熔化极氢弧焊的工艺参数除了电弧“静态”参数，如平均电流、平均电 压、焊接速度等之外，还包括些脉冲参数，主要有：基值电流、脉冲电流、脉 冲频率及脉宽比等【1 2 1 。 l 、基值电流 基值电流的作用主要是在脉冲电流间歇期间来维持焊丝与熔池之间的导电 3 第一章绪论 状态，保持电弧稳定燃烧：同时有预热母材和焊丝的作用，使焊丝端部有一定的 熔化量，为脉冲电弧期间熔滴过渡做准备。基值电流也是调节平均焊接电流和调 节工件焊接线能量的重要工艺参数。基值电流不宜取得过大，否则脉冲特点就不 明显，甚至在脉冲间歇期间亦有熔滴过渡，使熔滴过渡失去可控性。基值电流过 小，则电弧不稳定。 2 、脉冲电流 脉冲电流是决定脉冲能量的重要工艺参数。为了获得脉冲喷射过渡，其值应 大于产生喷射过渡的临界电流值。但该临界电流值不是固定的，它随着脉冲持续 时间及基值电流的增加而减小。脉冲电流过大，会使焊接过程不稳定，并使焊缝 表面成形变差。总之，在平均电流确定之后，应选择合适的脉冲电流与基值电流 组合，保证实现稳定且可控的熔滴过渡。 3 、脉冲频率及脉宽比 脉冲频率是脉冲熔化极氩弧焊的重要参数之一，其大小主要根据焊接电流来 确定。脉宽比是指脉冲电流持续时间与基值电流持续时间之比，它反映了脉冲焊 接特点的强弱。脉宽比过大，脉冲焊接特点不显著；脉宽比太小，则无法实现稳 定的喷射过渡。脉宽比一般在2 5 - 5 0 之间。 1 2 2 熔化极脉冲氩弧焊的研究现状及存在问题 1 2 2 1 熔化极脉冲氩弧焊的控制方法 国内外大批学者都曾对脉冲m i g 焊进行过大量的研究，提出了许多行之有效 的控制方法。近年来发展的脉冲y l t g 焊控制方法可分为对电参数的控制方法和对 熔滴过渡的检测控制方法。 1 、对电参数的控制方法 ( 1 ) s y n e r g i c 控制法( 协同控制法) s y n e r g i c 控制法【1 3 j 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， 是目前脉冲m i g 焊控制系统中应用最为广泛的一种方法。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【1 4 , 1 5 1 。其原理为：焊接电源的外特 性采用恒流特性，通过两条恒流外特性的切换实现脉冲焊接，脉冲参数的控制是 利用送丝速度作为信号，按照一定的数学模型来控制脉冲参数，使电弧在任何送 丝速度下均可获得最佳的弧长和最佳的熔滴过渡方式。但是由于这种控制方法实 质上属于开环控制方式，所以该系统的抗弧长干扰能力差。当遇到除送丝速度以 外的干扰时，弧长将改变，熔滴的喷射过渡将会受到破坏。 ( 2 ) 弧长闭环控制法 4 第一章绪论 其基本原理是利用弧长信号闭环反馈控制脉冲参数【16 1 。该方法的原理如下： 首先根据送丝速度按照一定的数学模型来控制脉冲频率，使焊丝熔化速度与送丝 速度基本相等，然后再引入电弧平均电压的负反馈来调整脉冲参数以适应条件的 变化和随机干扰。该系统的缺点是，闭环反馈信号取自电弧平均电压，动态品质 差；再者，当遇到干扰如磁偏吹时，平均弧压信号并不能反映弧长的变化。文献 刀中提出一种弧长闭环脉冲m i d 焊控制方法，该方法通过采样每一周期中脉冲的 某个特定对应点的电弧电压作为弧长信号闭环反馈，调整脉冲参数( 基值时间) ， 实现对脉冲m i g 焊的控制。 ( 3 ) 自适应闭环控制法 送丝速度和脉冲频率按一定的函数关系由单旋钮给定，且脉冲频率还受控于 电弧电压( 弧长) 达到弧长控制的目的【1 8 】。为确保一个脉冲过渡一个熔滴，采用 预置单元能量( 峰值电流和峰值时间) 和设定基值电流不变。其优点是抗弧长干扰 能力强，而送丝速度的扰动会引起焊接过程不稳定，需加强送丝机的力矩补偿能 力，使送丝速度稳定。 ( 4 ) 综合控制法 该方法综合了s y n e r g i c 控制法和自适应闭环控制法的优点。电压和送丝速度 的反馈信号均用于控制脉冲频率，而峰值电流和峰值时间的单元能量恒定，以期 得到1 脉1 滴的熔滴过渡。该方法弧长控制性好，焊接质量高，只要保证峰值电流 i p 和峰值时间t p 满足一定的匹配关系，就能实现1 脉l 滴。文献1 19 】中提取送丝速 度信号和脉冲峰值电压，研制自适应s y n e r g i c 控制系统，该控制系统不但保持 s y n e r g i c 控制系统的优点，而且对由非送丝速度引起的弧长干扰有较强的自适应 能力。 ( 5 ) 门限控制法 脉冲m i g 焊门限控制法【2 0 】是通过设立电弧电压的门限值来实现其控制。原理 如下：当焊丝的熔化或焊丝的送进使电弧工作点移动时，电弧电压也随之变化， 当电弧电压达到设置的上、下门限值时，控制系统迫使电流发生突变，使电弧电 压不超过设置的上、下门限值，在门限值内则按闭环控制处理，从而使弧长得到 控制。其电源外特性为“口”字形，在脉冲与维弧期间均工作在恒流状态，而脉 冲频率( 即脉冲持续时间) 由弧长的给定电压和实际反馈电压的偏差来决定。该类 方法是以调节脉冲频率而克服弧长的扰动来调节焊丝的熔化速度，在脉冲峰值阶 段可能未停留足够时间，所以熔滴过渡不能确保1 脉1 滴的情况。 2 、对熔滴过渡的检测控制方法 熔滴过渡对焊接质量有很大的影响，直接决定着焊道表面波纹均匀性、焊接 熔深以及焊缝的几何形状。脉冲m i g 焊熔滴过渡有多脉一滴、一脉一滴和一脉多 5 第一章绪论 滴等过渡形式，对熔滴过渡过程进行控制，以获得良好的焊接效果，具有及其重 要的意义。目前，脉冲m i g 焊熔滴过渡检测控制方法归纳起来主要有以下几种。 ( 1 ) 弧光通量检测控制法 文献【2 l 】通过弧光传感熔滴过渡，弧光检测熔滴过渡，从而实现熔滴过渡的 闭环控制。试验中可以将一个弧光传感器安装在电弧或焊枪的侧面，利用弧光通 量的改变作为熔滴过渡检测的信号，来控制焊接电源的脉冲电流从而实现对熔滴 过渡的控制。 ( 2 ) 电弧声音检测控制法 电弧从熔滴端部跳到熔滴根部时发出声音，利用这种现象来检测熔滴过渡形 式并进行控制【l 引。 ( 3 ) 激励熔滴振荡过渡熔滴控制法 文献【2 2 】提出当电流从峰值向基值过渡时，激励熔滴振荡来促进熔滴过渡。 该方法利用熔滴振荡时的向下动量作用于过渡熔滴。因此所需要的峰值电流低于 临界电流，保证了熔滴在自然情况下不发生过渡，振荡作用是由高帧率图像系统 在线控制的。 ( 4 ) 电流电压波形统计分析控制法 由于焊接过程的复杂性，电弧电压和电流信号等参数的分布是随机的，为了 对其进行控制，就必须通过统计分析找出焊接过程中的控制参数。文献1 2 3 j 提出 用统计分析、傅立叶变换、幅值频率分布图等方法分析电弧电压和电流波形图， 判断熔滴的过渡过程。 ( 5 ) 电弧光谱信号控制法 由于电弧的特征光谱信息对熔滴自由过渡过程有比其它信息更为灵敏的特 性，通过对这一信息进行在线识别可实现对熔滴过程的控制。利用电弧光谱信息 进行测控能达到一般测控方法无法达到的测控效果，有着很大的优越性。与现在 的其他方法相比，光谱法的优点体现为：信息丰富，灵敏度高，选择性好，响应 速度快，无介入性，抗干扰能力强，时空分辨率高【2 4 】等。 综合比较上述各种方法，从实现熔滴过渡的效果来看，无论焊接参数和非控 制参数怎样变化，弧光通量检测控制法、激励熔滴振荡过渡熔滴控制法、电弧光 谱信号控制法都可以获得预想的效果：而电弧声音检测控制法、电流电压波形统 计分析控制法的控制效果要差一些。 1 2 2 2 熔化极脉冲氩弧焊控制方法的实现方式 目前对于熔化极脉冲氩弧焊控制方法的实现方式有模拟控制、单片机控制、 d s p 数字化控制等实现方式。在模拟控制系统在中，由于元器件数量多，并且控 6 第一章绪论 制系统的参数由电阻、电容等分立元件的参数决定，控制系统的调试复杂、灵活 性差，使得控制系统的稳定性和准确性不高。而单片机控制系统虽然在信号的给 定部分实现了数字化，但受到单片机自身处理能力的限制，弧焊电源的反馈信号 和p w m 仍然采用了模拟电路，往往不能胜任实时性强、数据处理量大的系统。d s p 控制系统采用多组总线技术实现了并行运行机制，极大的提高了运算速度，可以 实现p i d 计算、p w m 信号产生、采样等实时控制。但d s p 运算速度很快，但如果 仅采用d s p 来实现控制的话，由于还需要进行焊接程序管理的功能，必然会浪费 d s p 的宝贵资源，不能很好地实现焊接过程的动态控制。因此，本课题将d s p 与 m c u 联合来实现控制，不仅能快速实现良好的柔性控制，而且还能实现其它功 能的灵活控制，可以有效的控制熔化极脉冲氩弧焊。 1 2 2 3熔化极双脉冲氩弧焊的研究现状 为了减少焊铝等合金过程中产生的气孔等缺陷，双脉冲在国外已有应用。双 脉冲焊接方法有如下突出特点1 2 5 ，2 6 j ：焊铝时能够获得美观的鱼鳞纹焊缝外观；由 于其电弧形态( 包括弧长) 的周期性变化，扰动熔池，细化焊缝晶粒。所以双脉 冲焊能够减小裂纹的产生几率，同时减小焊接气孔发生率。关于双脉冲的实现， 目前有两种方式。方式一：在普通单脉冲电源的基础上，调制焊丝的送给速度， 使送丝速度按照设定的频率低频变化。方式- - 送丝速度维持恒定，通过脉冲能 量和电弧电压的调制，使电弧形态、电压和电流发生变化。方式一进一步增加了 送丝的送给难度。方式二则使焊接电源的控制更为复杂、困难。由于d s p 的运算 速度快，能够进行有效的实时控制，且设计的硬件控制电路能够满足要求，因此 本课题采用方式二。 1 3 本课题的研究目的及主要研究内容 目前脉冲熔化极氩弧焊焊接过程中电弧的稳定性和焊接质量的稳定性是国 内外关心的热点。尽管国内外的专家学者在脉冲m i g 焊控制方面取得了一些进展， 但都有一定的局限性，如设备复杂、昂贵，抗干扰能力差、可靠性低等。为了进 一步提高焊接质量，希望对脉冲焊电源能够在较大电流或电压范围内精确、灵活 的控制脉冲电流波形，同时在全范围内能够获得快速稳定的弧长调节特性。 总之，本文脉冲m g i 焊双处理器数字化焊接电源研究的目的在于，对单脉冲 焊，可以保证在大电流范围内实现稳定的和控制较为精确的一脉一滴过渡，在基 值电流期间电流稳定不易熄弧，同时与传统方法相比，实现全电流范围内弧长好 的动态调节特性，从整体上提高脉冲m i g 焊的焊接性。在性能优异的单脉冲焊研 7 第一章绪论 究的基础上，设计双脉冲焊控制系统，进行新工艺的焊接研究。 本文的主要研究内容如下： 1 ) 分析脉冲m i g 焊熔滴过渡特点，提出数字化焊接电源外特性控制策略： 2 ) 以m c u 和d s p 为双处理器，设计相关的电压、电流反馈及驱动控制电路； 3 ) 建立脉冲m i g 焊控制系统的数学模型，借助m a t l a b 进行仿真，得到数字控 制器的最佳参数； 4 ) 实现m c u 和d s p 任务分配及协调，编写单脉冲m i g 焊程序，并进行实验 验证； 5 ) 在单脉冲m i g 焊的基础，提出双脉冲的控制策略，并进行相关软件程序 的编写。 8 第二章脉冲m i g 焊的熔滴过渡行为及电源外特性的控制策略 第二章脉冲g 焊的熔滴过渡行为及电源外特性的控制策略 熔滴过渡直接影响到焊缝的外观及质量。控制脉冲m i g 焊，必需能够有效的 控制过渡。只有弄清熔滴过渡的行为，才能提出有效的控制策略，设计出合理的 弧焊电源外特性。 2 1 脉冲m i g 焊熔滴过渡行为 2 1 1 熔滴过渡的机理 在m i g 焊中，焊丝在电弧热和干伸长度电阻热的共同作用下发生熔化并形成 熔滴，在一定条件下熔滴将从焊丝端部脱落而过渡到熔池。对于熔滴过渡的机理， 主要有熔滴运动的动平衡理论和微扰动“失稳”理论。 1 、熔滴过渡的动平衡理论 在熔化极气体保护焊中，作用在熔滴上的力主要有电磁力( f m ) ，等离子流 力( f d ) ，重力( f 。) ，表面张力( f 。) ，熔滴表面金属蒸发的反作用力( f v ) ，和 爆炸力( f 。) 。 在颗粒过渡和射滴过渡情况下，熔滴脱离过程中主要考虑以下三种因素 2 7 - 3 0 1 ：即电磁力、表面张力和液体的运动。表面张力( f s ) 和电磁力( f m ) 可 用以下方程表示，即： 只= n d y ( t ) ( 2 1 ) f m = ，2l o g ( r7 d 1 式中： r 一有效导电截面直径( 如图2 - 1 所示) ； p _ 熔融金属与固态金属间界面的直径； 畎t ) 表面张力系数( 温度函数) 。 从式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 中可以看出，表面张力f 会由于y ( t ) 随着时间减小而呈递减趋势，而电磁力( f m ) 会由于l o g ( r ，d ) 9 ( 2 2 ) 图2 1 射滴过渡模型 第二章脉冲m i g 焊的熔滴过渡行为及电源外特性的控制策略 随着时间增加而呈递增趋势。在熔滴形成开始阶段，较大的f s 促使球状熔滴形成 并长大，一定时间之后，f m 开始超过f s 使球状熔滴获得一定动量e 。 e = l2 f 。( f ) 一f ，( f ) d t ( 2 - 3 ) 竹l 在射流过渡情况下，熔滴过渡机理完全不同于颗粒过渡和射滴过渡。射流过 渡情况下由于熔滴具有较高的平均温度，使熔滴表面急剧蒸发而造成硬t ) 大大减 小，进而也使f s 大大减小。因此，熔滴不能以球状形式过渡形成颗粒过渡或射滴 过渡，而只能以细滴形式过渡形成射流过渡。 总而言之，在熔滴形成开始阶段，如果f s 大于f m ，则形成球状熔滴，一旦 f m 超过f s ，球状熔滴则开始脱离形成颗粒过渡或射滴过渡。如果f m 总是大于f s ， 则没有机会形成球状熔滴，因而只能形成细滴产生射流过渡。 2 、微挠动“失稳”理论 微挠动“失稳 是磁流体力学研究的重要内容之一1 3 。这种“失稳”的基 本机理是，如果有一微挠动使磁流体的一些部分收缩而其他部分向外膨胀，则流 经磁流体的纵向电流在通过收缩部分的较小截面时，将在其周围产生一较强的角 向磁场，因而对磁流体产生一较大的径向力，这一过程在一定的条件下能自发地 将其自身箍断。 而m i g 焊接过程中焊丝端部被熔化的液态金属实际上也是一种磁流体，并且 在焊接过程中也存在着微挠动，如送丝的颤动，等离子流的冲击等等。如图2 2 所示，在一个熔滴脱离焊丝以后( 图2 2 ( a ) ) ，焊丝将存在一个稳定熔化阶段( 图 2 - 2 ( b ) ) ，在此阶段中尽管也会受到来自焊接过程的微挠动，但“失稳”的临界条 件不能被满足，故焊丝端部的熔滴持续长大而无脱落倾向。因此，熔滴在经过一 段时间的稳定长大以后，一旦微挠动满足“失稳”的临界条件，熔滴就从稳定成 长转变为“失稳”成长，形成“缩颈”，进而发生熔滴过渡( 图2 2 ( c ) ) 。 ( 矗) 熔游脱落后( b ) 熔漪稳定成长( c ) 熔滴“失稳成长 图2 2 熔滴脱落的模型 1 0 第二章脉冲m i g 焊的熔滴过渡行为及电源外特性的控制策略 2 1 2 脉冲川g 焊熔滴过渡形式 从一般的熔滴过渡的机理可知，对于脉冲m i g 焊，其电流有峰值阶段和基值 阶段之分，在恒流控制条件下，其熔滴过渡过程大致如下：在基值电流期间，低 电流条件下，电弧和焊丝端部只有少量熔化，仅勉强可见，这表明温度较低，电 弧中金属蒸气量少。进入脉冲阶段后，焊丝熔化速度提高，焊丝端部熔化金属量 增加，当熔滴尺寸接近于焊丝直径时，开始在焊丝与熔滴之间形成颈缩，颈缩下 部的熔滴在等离子流力和电磁收缩力的作用下脱离焊丝端部，向熔池过渡一滴。 随后如果脉冲电流尚未结束，焊丝端部产生持续的的熔化和熔滴过渡，形成一脉 多滴过渡形式1 3 引。这种情况下，峰值电流的持续时i u 7 t p 较长( 如图2 3 所示，脉 冲峰值时间大于t 2 ) ；若在脉冲电流期间产生第一熔滴以后，脉冲电流马上结束， 随后等待下一个脉冲的到来，有的时候在脉冲电流作用期间熔滴尚未脱落，当脉 冲结束时，受到自身重力和惯性力的作用，熔滴脱落到熔池中。即是说熔滴可以 在脉冲后期或者在脉冲下降沿过渡，但是每个肠? 中周期只对应一个熔滴过渡，此 时脉冲持续时间t p 较上一情况短( 如图2 3 所示，脉冲峰值时间等于t 2 ) 。研究表 明此种过渡形式是最理想的过渡形式，具有飞溅与烟雾极少，熔滴大小和形状一 致均匀等特点；若脉冲峰值电流i p 或者脉冲持续时间t p 很小( 如图2 3 所示，脉冲 ， a )( b ) ( c )( d )( c )( f ) ( g ) 图2 - 3 脉冲焊熔滴过渡 峰值时间截止于t 1 ) ，在一个脉冲周期内，焊丝熔化量很小，需要经过第二个或 者更多的脉冲，焊丝端部才能熔化积累到可以脱落的熔滴尺寸。通常熔滴尺寸大 于焊丝直径，重力对它的脱落起主要作用。由于i p 较小，等离子流力和电磁力对 第二章脉冲m i g 焊的熔滴过渡行为及电源外特性的控制策略 熔滴的推动作用不够。 对于双脉冲m i g 焊，其脉冲电流由强脉冲和弱脉冲两部分组成。可以把双脉 冲的强脉冲阶段看作是单脉冲的峰值阶段，把弱脉冲阶段看作是单脉冲的基值阶 段。这样一个强、弱脉冲周期对应一个熔滴过渡，就能形成相对于单脉冲的一脉 一滴的良好过渡形式。 2 2 脉冲m i g 焊熔滴过渡的影响因素 利用脉冲电流来控制熔滴过渡f 3 3 1 的思想早在上个世纪六十年代就被提了出 来。当时的脉冲m i g 焊熔滴过渡可控的概念是指在平均电流低于喷射过渡临界电 流的情况下，能够用窄宽度的脉冲峰值电流来实现喷射过渡。至于在一个脉冲周 去内究竟过渡一滴还是多滴熔滴，并不是传统脉冲m i g 焊熔滴过渡可控的的内容。 本章2 1 2 节表明，脉冲m i g 焊的熔滴过渡有三种形式：一脉多滴、一脉一滴、多 脉一滴，并且一脉一滴过渡形式是最理想的过渡形式。因此对脉冲m i g 焊焊接参 数的控制目的，主要是为了能够形成良好的熔滴过渡形式。下面讨论各个脉冲参 数对一脉一滴过渡形式的影响。 l 、脉冲峰值参数( 脉冲峰值电流i p 脉冲峰值时间t p ) 的影响 脉冲峰值参数是影响一个脉冲过渡一个熔滴的主要因素。随着峰值电流的 增加，熔滴的体积减小，过渡时间间隔缩短【3 4 1 ，故为保证一个脉冲过渡一个熔 滴，脉冲峰值时间需相应减小【3 引。研究结果表明，对于一个脉冲过渡一个熔滴， 脉冲峰值参数间的匹配关系为【i 3 1 。 ，p 刀乙c ( 2 - 4 ) 式中，n = 2 或2 3 ；c 是与焊丝材料、焊丝直径、保护介质及干伸长度有关的常数， 通常由实验确定。 2 、脉冲基值参数( 脉冲基值电流i b 和脉冲基值时间t b ) 的影响 脉冲基值参数对一个脉冲过渡一个熔滴的影响主要体现在对熔滴体积的影 响。a l l u m 给出了基值参数影响熔滴体积的表达式3 6 1 。 妙= a k ( i p 乙+ i b 乙) ( 2 5 ) 式中，、i ，为熔滴体积；a 为焊丝截面积；k 是常数。从式中可以看出，在焊丝确定 且峰值参数不变的条件下，熔滴体积随基值参数的增加而增加。 3 、干伸长度的影响 1 2 第二章脉冲m i g 焊的熔滴过渡行为及电源外特性的控制策略 干伸长度变化对一个脉冲过渡一个熔滴的影响主要是通过影响焊丝的熔化 速度而体现出来的。钢焊丝的熔化速度与干伸长度的关系可表示为f 3 7 1 。 彩= c d + 胱d f ( 2 - 6 ) 式中，c 0 为焊丝熔化速度；7 为平均电流；孽为干伸长度；f 为脉冲频率；d 、0 【、 p 是常数。对于铝焊材，干伸长度的变化对焊丝的熔化速度无明显影响。 4 、保护介质的影响 m a t s u d a 等人的研究结果表明，在脉冲峰值参数不变的条件下，脉冲m a g 焊一个脉冲过渡一个熔滴的送丝速度可以比脉冲m i g 焊高。文献【3 8 】研究结果还表 明，脉m a g 焊同脉冲m i g 焊相比，不仅熔滴过渡的时间提前，而且熔滴脱离焊 丝前的电弧形态也存在显著差别。 针对以上影响因素，对弧焊电源的控制系统提出了较高的要求。即需焊接电 源在较大电流范围内能够精确的调节脉冲峰值电流及其持续时间、基值电流及其 持续时间，以控制脉冲波形，并且能够在此电流范围内设定与之相应的送丝速度， 以保证送丝速度能够和产生一脉一滴过渡时焊丝的熔化速度相匹配。 2 3 焊接电源外特性设计方案 为了能够满足脉冲m i g 焊的控制要求，理想的弧焊电源应该具有以下性能 【3 9 】： 1 ) 电弧燃烧连续稳定； 2 ) 熔滴过渡均匀、可靠、无飞溅； 3 ) 弧长具有较强的抗干扰能力和自调节作用，良好的动态响应； 4 ) 具有简易的操作和规范调节方式。 目前，焊接电源外特性控制方案有以下四种。 1 ) 平一平( u u ) 外特性即维弧与脉冲电流均采用恒压外特性，特点在于： 自身调节能力强，缺点在于脉冲电流不稳定，必影响熔滴过渡。 2 ) 平一陡( u i ) 外特性即维弧电流采用恒压外特性，脉冲电流采用恒流外特 性，其特点在于：能抗弧长干扰而脉冲电流不变以进行较为稳定的喷射过渡；缺 点在于：自动调节能力差。 3 ) 陡一平( i u ) 外特性表示维弧电流采用恒流外特性，脉冲电流采用恒压外 特性，它的特点在于：自身调节能力强，脉冲期弧压稳定，维弧期间电流恒定， 不会因弧压波动导致电流过小而熄弧。 1 3 第二章脉冲m i g 焊的熔滴过渡行为及电源外特性的控制策略 4 ) 陡一陡( i i ) 外特性，即脉冲、维弧电流均采用恒流外特性，其特点在于 能得到稳定的熔滴过渡并且可对熔滴过渡进行精确控制，在维弧期电流稳定不易 熄弧，它的缺点在于弧压波动大，维弧期间会因弧长波动造成短路。 综合以上各种控制方案的特点，本课题采用双阶梯型电源外特性控制方案， 如图2 4 所示。这种控制方案的基本思想是采用l 型外特性控制维持电弧，而用 型外特性控制脉冲电弧。用它来实现脉冲焊，可以将电弧的工作点限制在方框上， 有效的改善电弧的稳定性。设原始电弧长度为l o ，则其维持电弧在a 点工作，脉 冲电弧在b 点工作。如有偶然因素干扰使弧长变短为l 1 时，则其维弧工作点将移 至a 1 ，脉冲电弧工作点将移至b l ；若干扰使弧长变长为l 2 ，则其维弧和脉冲工作 点分别移至a 2 、b 2 。脉冲阶段工作点在恒流特性1 2 上，电流稳定，电弧弹性好， 熔滴过渡不受弧长的影响，即在 弧长的干扰下，能维持喷射过渡。 同时，恒压特性u 2 段对最大弧长 进行了限制，这样可以保证在送 丝速度的扰动下不会烧坏焊嘴。 维弧阶段工作点在1 1 上，电流稳 定，不会断弧，当弧长变化过大， 趋近短路时，工作点立即转入恒 压u l 段，电流增大，弧长增大， 有效的避免了短路。 2 4 本章小结 1 1 i a 1 2i 2 图2 = 4 双阶梯电源外特性控制图 本章从熔滴过渡机理入手，分析单双脉冲m i g 焊熔滴过渡行为，指出一脉一 滴是最佳熔滴过渡形式。在此基础上，分析了影响m i g 焊熔滴过渡的因素，并对 焊接电源外特性提出了要求，设计了双阶梯型电源外特性，这样她b v , 徊l k 好的解决脉 冲m i g 焊的电弧稳定性问题，实现熔滴的良好过渡。 1 4 眈 之【、 叭 第三章双处理器数字化电源硬件设计 第三章双处理器数字化焊接电源硬件设计 3 1 数字化焊机系统总体设计 目前的数字化焊机是指数字化控制与逆变技术相结合的焊机，主要包括主电 路的数字化以及控制电路的数字化。由于焊接过程需要处理的数据量比较大，单 一的单片机是难以处理这样的数据，随着数字信号处理器的性能的不断提高，及 其开发工具越来越多，越来越好，使得d s p 器件及技术得以普及。就二者功能 而言，d s p 器件是运算密集型的，而单片机是事务密集型的，各有优缺点。本课 题主要是采用高性能数字信号处理器( t m s 3 2 0 1 ，f 2 4 0 7 a ) 与单片机( m s p 4 3 0 f 1 4 9 ) 结合实现数字化控制。其整体结构如图3 - 1 所示一o - 4 4 1 图3 - 1 数字化焊机系统结构框图 从图中可以看出，该系统主要包括：主电路和数字控制电路两部分。 主电路部分先采用整流，将工频交流电整为5 4 0 v 的直流电，滤波后，再利 用逆变电路将其变为2 0 k h z 的交流高压电，然后经过中频变压器降为2 0 k h z 的 低压输出，经过二次整流后变为一定幅值的脉冲电流输出，为焊接提供能源。 数字控制部分主要以单片机( m c u ) 与数字信号处理器( d s p ) 为核心相互配合 完成，二者通过r s 2 3 2 异步通信串口进行数据通信。它们都是t i 公司的产品。 在该系统里，单片机( m c u ) 主要实现了整个m i g 焊机的焊接开始与结束、 1 5 第三章双处理器数字化电源硬件设计 参数显示与参数设置、与上位机通信，可以为d s p 节省大量资源。d s p 主要是利 用其快速的运算能力来实现脉冲m i g 焊接熔滴过渡过程中的波形控制，是系统 的控制核心。由于脉冲m i g 焊有峰值和基值两个时刻，需要即时检测峰值阶段和 基值阶段的电流电压值，与给定的值进行比较，进行p i 计算，得到相应的控制 参数，即p w m 信号的占空比。利用d s p 的事件管理器模块产生对应占空比的双路 p w m 信号，对电源的输出进行控制，使得脉冲m i g 焊的熔滴过渡较为稳定，防止 短路、熄弧等不良现象的产生。本系统包含了相应的信号检测电路，并利用d s p 的捕获中断实现调用相应阶段的控制子程序，从而实现不同阶段的控制。此外， 由于防止过程中出现过流等异常信号，该系统还应包含了相应的信号检测电路， 利用d s p 的p w m 输出保护引脚对该信号进行捕获，判断控制信号，以保护焊 机安全使用。 对于电压电流采样转换是利用了d s p 内部自带的a d 转换模块进行，其转 换速度为纳秒级。由于脉冲m i g 焊接过程是一个极其复杂的过程，其焊接条件 造成对周围电气环境有较大的污染，电压、电流知送丝速度的反馈信号会包含有 很多高频干扰，会对相应的控制运算造成相当大的误差，虽然现在有许多相应的 软件算法，如f i r 滤波或者i i r 滤波等数字滤波算法，但是若要利用d s p 软件 进行滤波算法，必然会额外造成相当多的时间的消耗，会影响到过程控制的实时 性。因此，在电压、电流反馈模拟量输入d s p 之前需要用硬件滤波电路来对该 模拟量进行处理，将干扰去除，然后再输入到d s p ，进行a d 转换，以用于计算。 3 2 单片机控制系统设计 本文选用美国德州仪器( t i ) 公司的m s p 4 3 0 f 1 4 9 型单片机作为焊接电源系 统的主控芯片。m s p 4 3 0 f l x x 系列单片机是m s p 4 3 0 系列单片机的一个子系列， 于2 0 0 0 年推出。这一系列含有f l a s h 存储器，在系统设计、开发及实际应用 上都表现了下列优点 4 5 , 4 6 】： 1 ) 采用精简指令集( r i s c ) 结构，具有强大的处理功能； 2 ) 电源电压采用1 8 - - - , 3 6 v 低电压，系统中共有一种活动模式和五中低功 耗模式，功耗超低； 3 ) 丰富的片上外围模块，包括定时器、a d 转换器、模拟比较器、硬件乘 法器、8 位并行端口等； 4 ) 方便高效的开发方式，m s p 4 3 0 f 1 4 x 含有f l a s h 存储器，并且包括一个 j t a g 接口，这得它的开发调试相当简单； 1 6 第三章双处理器数字化电源硬件设计 5 ) 适应工业级运行环境，运行环境温度为4