（材料加工工程专业论文）波形控制逆变COlt2gt焊机的研制.pdf

摘要 本文主要对c 0 2 焊短路过渡中的信号检测电路、送丝电路和程序控制系统 等进行了设计与调试。采用光耦6 n 1 3 6 对电弧电压进行隔离，得到了所需的弧 压信号，给出了一个较为合适的短路检测的阀值电压。基于电压一阶微分法( d u d t ) 设计了缩颈检测电路，并加入削波电路成功地消除了燃弧电压对缩颈检测电路的 影响，提高了电路的抗干扰性。基于i n t e l 8 0 3 1 设计的控制系统具有参数设置、 数据采集、系统保护等多项功能，并专门从软件上对焊接过程中可能出现的瞬态 短路现象进行了及时地处理，保证了信号处理的正确性，提高了控制系统的抗干 扰能力。通过对焊机逆变主电路的调试分析，建立了i g b t 开通和关断时的电路 模型。该电路模型仿真得到的电压波形与实测的电压波形具有很好的对应关系， 为i g b t 开关轨迹的研究提供了一定的参考价值。通过对电压负反馈配合电流正 反馈的送丝调速系统与转速负反馈调速系统的比较，得出了这两种调速系统的等 效条件，并采用电压负反馈配合电流正反馈技术，设计了种以t l 4 9 4 为核心 的具有过电流截止保护功能的c 0 2 焊机送丝调速电路。实验证明，当电源电压 由3 4 2 v 变到4 1 8 v ，负载从2 5 n 变到5 0 n 时，送丝速度的变化率小于5 ，符 合j b t 9 5 3 3 一l9 9 9 专业标准要求。 关键词：c 0 2 焊、信号检测、波形控制、等速送丝 a b s t r a c t t h es i g n a l d e t e c t i n g c i r c u i t t h e c o n s t a n t s p e e dw i r e f e e d i n g c i r c u i ta n dt h e p r o g r a m m e dc o n t r o ls y s t e md u r i n g t h es h o r tc i r c u i to fc 0 2 ( c a r b o n d i o x i d e ) w e l d i n g a r ea l ld e s i g n e da n dd e b u g g e di nt h ed i s s e r t a t i o n t h es j g n a lo fa r cv o l t a g ew i t h o u t d i s t o r t i o ni s g o tb yu s eo fp h o t o c o u p l e di s o l a t o r6 n 1 3 6t oi n s u l a t es i g n a lv o l t a g e f r o ma r cv o l t a g ea n dt h er e l a t i v ea p p r o p r i a t ev o l t a g ed e t e c t i n gt h e s i g n a lo fs h o r t c i r c u i ti s p r o v i d e d t h el i q u i db r i d g e s h r i n k d e t e c t i n gc i r c u i tb a s e do nd u d t i s d e s i g n e d t h ec l i p p i n gc i r c u i ti s a p p l i e dt oe l i m i n a t et h ee f f e c to nt h el i q u i db r i d g e s h r i n kd e t e c t i n gc i r c u i tf r o ma r ev o l t a g es u c c e s s f u l l y ，w h i c hi m p r o v e st h ec a p a b i l i t y o f a n t i - j a m m i n go f i t t h ec o n t r 0 1 s y s t e m b a s e do n m i c r o c o m p u t e r 8 0 3li sd e v i s e d w h i c hc a n p r e s e t u pt h ep a r a m e t e r s ，c o l l e c tt h ed a t aa n dp r o t e c ti t s e l et h es i g n a lo fs h o r t c i r c u i t w h i c h p e r i o di st o os m a l li se l i m i n a t e db ym e a n so fs o f t w a r et oe n s u r et h ev a l i d i t yo f s i g n a lp r o c e s s i n ga n di m p r o v e st h ec a p a b i l i t yo fa n t i - j a m m i n go ft h ec o n t r o ls y s t e m t h ec i r c u i tm o d e lo fi g b t ( i n s u l a t e dg a t e b i p o l a rt r a n s i s t o r ) d u r i n gs w i t c hi s d e v i s e da f t e rt h ei n v e r s i o nm a i nc i r c u i to fw e l d i n gm a c h i n ew a sa n a l y z e d t h e v o l t a g ew a v e f o r i l lf r o mt h em o d e lh a sas t r o n gr e s e m b l a n c et ot h ev o l t a g ew a v e f o r m f r o mt h ee x p e r i m e n t ，w h i c hs h o w st h a tt h em o d e lc a np r o v i d et h er e f e r e n c ef o rt h e r e s e a r c ho f o n o f f p r o c e s so f i g b 工 c o m p a r e dt h ev o l t a g en e g a t i v ef e e d b a c kw i r e f e e d i n gs p e e dr e g u l a t i o ns y s t e m s u p p o r t e db yc u r r e n tp o s i t i v ef e e d b a c kw i t ht h er o t a t i o n a ls p e e dn e g a t i v ef e e d b a c k r e g u l a t i o ns y s t e m ，t h ee q u i v a l e n tc o n d i t i o no ft h et w os y s t e m si so b t a i n e d t h e n a w i r e f e e d i n gs p e e dr e g u l a t i o nc i r c u i tf o rt h ec 0 2w e l d i n gm a c h i n ei sd e s i g n e db a s e d o nt l 4 9 4 c h i p ，w h i c hh a st h es e l f - p r o t e c t i v ef u n c t i o nu n d e rt h ec o n d i t i o no fc u r t e n t o v e r l o a d i n g i nt h ee x p e r i m e n t s ，w h e nt h ep o w e rv o l t a g ev a r i e sf r o m3 4 2 vt o4 1b y , a n dt h el o a df r o m2 5 nt o5 0 n ，t h ev a r i a t i o nr a t i oo f t h ew i r e f e e d i n gs p e e di ss m a l l t h a n5 ，w h i c hs a t i s f i e st h ej b t 9 5 3 3 9 9 9 p r o f e s s i o n a ls t a n d a r d k e y w o r d s ：c a r b o nd i o x i d em e t a la r cw e l d i n g ，s i g n a ld e t e c t i n g ，w a v e f o r mc o n t r o l c o n s t a n t - s p e e dw i r e - f e e d i n g 箱章绪论 第一章绪论 1 1逆变c 0 ：焊的使用现状 目前，在世界范围内，逆变c 0 2 气体保护焊呈现出广阔的发展前景。逆变焊 机具有如下优点：( a ) 能耗低，仅为旋转式焊机的1 3 1 4 ，其输入功率与晶闸管 电源相比，可减少2 0 3 0 ；f b ) 克服了晶闹管电源小电流时效率低的缺点；( c ) 使 用的变压器重量与尺寸仅为传统变压器的1 5 1 1 0 ，大大节约紫铜、硅钢等材料， 节能、节材效果非常明显；( d ) 因逆变电源体积小，特别适用于电力、建筑、管道 铺设等安装现场使用。c 0 2 气体保护焊是一种高效、优质的焊接工艺方法，便于实 现焊接自动化等特点。因为逆变式c 0 2 焊具有逆变焊机和c 0 2 气体保护焊的双重 优点，所以很多焊接工作者都在致力于逆变式c 0 2 焊接技术的研究和推广工作， 使得逆变式c 0 2 气体保护焊应用得越来越多普遍。据有关资料显示，以金属熔敷 量计算，2 0 世纪9 0 年代初期日本、英国、美国等发达国家的气体保护焊( c 0 2 ) 已占到焊接总量5 0 以上，而我国还不到i o 。 1 9 9 2 1 9 9 5 年，国内曾出现过逆变热，近百家企业都在研制逆变焊机，并都已 不同程度地开发出了不同规格的实验产品。但在当时由于国内与i g b t 逆变电源相 关的配套产业的发展尚不成熟，对i g b t 制造难度的估计不足，以及自身技术水平 有限使得产品性能不稳定，很多企业最后不得不放弃或停产。经过这一次逆变热之 后，人们开始摆正心态，对逆变焊机进行系统研究，并取得了一定的成果【l _ 3 】。 迄今为止，我国的逆变焊机电源已经形成三代产品：第一代是以s c r 为主开 关器件的弧焊逆变器，其逆变频率为2 0 0 0 5 0 0 0 h z ；第二代是以g t r 或m o s f e t 为主开关器件的弧焊逆变器，其逆变频率为2 0 k h z 2 0 0 k h z ；第三代为i g b t 弧焊 逆变器，逆变频率为2 0 k h z - 3 0 k h z 。 1 2 波形控制逆变c o ：焊的研究现状 1 2 1 国内研究 国内焊接工作者为减少c 0 2 焊接飞溅和改善焊缝成型一直在进行着不懈的努 力。至今所傲的大量研究工作，可从不同的角度大致分为4 个方面：( a ) 采用混合 保护气体c q + a 。来改变电弧形态； ( b 1 对焊丝化学成分进行优化；( c ) 通过改变 送丝模式来减少飞溅；( d ) 改进c 0 2 焊接电源的设计。目前，针对c 0 2 焊接电源做 的研究工作较多，以下分别介绍： a 传统方法 在具有恒压外特性的焊接电源输出回路中串联一个电感量大小适合的电抗器。 一方面，在短路期间，由于电感的存在，短路电流上升率以及液桥破断时的短路峰 值电流受到了抑制，从而也降低了飞溅。但是，电感量大小的选择要适当，太小的 电感会使短路电流上升率和液桥爆断电流过大，产生大量的小颗粒飞溅；太大的电 7 - 海人学硕卜学位论文 波形控制逆娈c 0 2 焊机的研制 感在抑制短路电流上升速度和短路峰值电流的同时，会使短路时间延欧，从而使液 桥柬不及收缩和过渡，导致固体短路现象的发生，引起更大飞溅，甚至会影响焊接 过程的正常运j f 。另一方面，电感除可以调节短路电流上升率外，还起着储能的作 用。电弧重新引燃后，电感中的能量向电弧释放，使燃弧电流从短路峰值电流缓慢 下降，从而保证了适当的燃弧能量和较好的焊缝成型。 通常，不同的焊接电流、燃弧过程以及短路过程对电感有着不同的大小要求， 而一个电感量固定不变的电抗器很难同时满足。因此现在有研究者提出在焊接电源 输出回路中采用磁饱和电抗器或直流可控电抗器 4 j ，使电抗器既能满足在燃弧期间 具有较大电感量的要求，又能满足在短路期间电感量较小的要求，以便最大程度地 收到减低飞溅的效果。 b 焊接宅流波形控制 焊接电流波形控制可采用开环控制方法。即：根据c o ：电弧各阶段对电流波 形的要求，设计一系列基于时间分配的电流波形，力图控制熔滴过渡的各个阶段。 但短路过渡焊接电弧各个阶段错综复杂，相互关联，并受焊接过程各个随机于扰的 影响，电流很难与电弧各个阶段同步一致，如果发生不同步，飞溅会更大。因此， 可在上述方案的基础上，对给定的波形参数进行寻优调整。寻优调整可分为离线寻 优和在线寻优。在线寻优虽有利于适应焊接过程的扰动，但它是根据数个周期的历 史情况进行判断和控制，不能在当前周期下调整，且寻优控制结果只适合于大多数 周期的情况，因此其工艺效果的改善也会受到一定的影响。 c 定时切换电源外特性 这类方案是根据c o ：电弧的不同阶段对电源外特性进行定时切换。其中，具 有代表性的方案是将c o ：电弧分为短路阶段和燃弧阶段，每个阶段对应一条外特 性，在复合外特性控制之下，两条外特性进行定时切换。此方案与电流波形控制大 致相同，都是根据c 0 2 电弧在各阶段需要不同的电源外特性，区别在于不同的外 特性对电弧具有不同的调节作用。但是，该方案中两条外特性的作用时间和切换时 刻都是事先预置的，很难与电弧的每个状态保持同步，适应性较差。 d 检测短路过程对电弧实时控制 此方案是在上述二和三方案的基础上对电孤和短路过程进行检测和控制。这种 方案的难点在于：1 、熔滴短路液桥电阻很小，且受各种因素的影响，不容易被检 测出来：2 、短路液桥收缩过程是加速的，因此在检测出液桥即将破断时，再控制 电源输出电流，其动态响应就有滞后的可能。 e 复合电源外特性控制 这种方法对短路过渡c 0 2 焊接电弧中的燃弧、短路瞬间、液桥的颈缩与破断 以及电弧重新引燃等各个阶段进行闭环控制。c 0 2 电弧在上述电源外特性的作用下 具有如下特点：( 1 ) 当熔滴与熔池发生短路时，电源输出一个很小的电流，让熔滴 在熔池表面铺展，防止瞬间短路飞溅的发生； ( 2 ) 当熔滴在熔池表面铺展，形成稳 定的液桥后，电流以较大的增长率上升到适当的短路峰值电流，使短路液桥在该电 笙二兰堕堕 流f 收缩，形成缩颈；( 3 ) 到了短路液桥收缩的后期，即破断前夕，短路电流迅速 降低，液桥在小电流下破断，减小液桥破断时飞溅的产生；( 4 ) 在液桥破断，电弧 重新引燃的同时，电源会立即在一段时间内输出熔深控制特性，产生一个较强的燃 弧脉冲电流，增加燃弧能量和焊缝熔深，该熔深控制外特性的作用时间可以根据熔 深的要求进行调节和预置，以便在相同的送丝速度下获得不同的熔深；( 5 ) 在燃弧 脉冲过后，电弧会自动进入弧长检测和控制状态，使电弧长度和熔滴大小受到控制。 这种控制方法使飞溅明显减小，熔深显著增加，焊缝成型的质量得到改善，并能在 相同的送丝速度下获得不同的熔深，收到了良好的焊接工艺效果l j ”。 1 2 1 国外研究 由于传统的c 0 2 逆变焊机采用恒压输出特性，焊接电流由送丝速度决定，而 且熔滴过渡不是在最优的参数下进行，这就导致了大量焊接飞溅的产生。因此，国 外许多科研工作者针对这一现象开展了大量的研究工作。 在控制电路方面，前苏联学者经过大量研究，最早提出了s t t 法( s u r f a c e t e n s i o nt r a n s f e r ) n i 表面张力过渡法。基于这种思想，研究者们提出了各种波形控 制思想，即将短路过渡过程分成若干阶段，然后对各个阶段的电流进行控制，以达 到少飞溅或无飞溅的目的。其中，电压开环控制配合电流闭环控制的效果较为理想。 该法首先通过获取电压信号来判断是燃弧状还是短路状态：如果是燃弧状态，则采 用电压开环控制，这样有助于调节控制器，得到稳定的电压输出：当燃弧状态结束， 进入到短路状态时，则系统切换到电流闭环控制，对短路状态各个阶段的电流波形 进行实时控制。为减少飞溅和便于重新燃弧，开环电压控制在液桥断开时刻不起作 用，而是过了一段时间后才起作用，因此这种控制方式使飞溅明显减少【6 ，7 1 。 在焊接逆变电源主电路方面，通过外加辅助二极管d l 、d 2 ，使逆变主电源能 在零电流和零电压开关，这就大大降低了i g b t 上所承受电压，提高了焊接电源的 稳定性j ，如图1 1 所示。 图1 1 零电压零电流主电路拓扑结构 在送丝系统方面，国外些专家发现送丝系统控制方法对焊接飞溅有一定的影 响，并认为h 桥驱动控制效果最好 g j o 。 河海人学埘l 学位论文 波形控制逆变c 0 2 焊机的| _ f ：h 1 3 存在的问题 研究资料表明如何减少飞溅，改善焊缝成型仍然是当今的研究热点。根据飞溅 产生的机理可将其分为：气体逸出引起的飞溅、熔滴短路引起的飞溅、熔滴爆炸引 起的飞溅、气流的吹送引起的飞溅、喷洒飞溅、电弧力引起的飞溅和熔池中产生的 飞溅【1 1 o 其中短路过渡是逆变式c 0 2 气体保护焊中常用的一种熔滴过渡形式。短 路过渡焊接过程中存在的两个问题至今尚未彻底解决：( a ) 由于瞬时短路的发生 和短路末期液桥破断引起的大量飞溅。大量研究表明短路过渡飞溅主要发生在短路 初期和末期。短路初期，熔滴与熔池的接触面积较小，此时的斑点压力将阻碍熔滴 过渡，若此时电流过大，将产生大量飞溅。短路末期，液桥发生缩颈，在短路电流 的作用下，缩颈小桥金属被迅速加热，最后导致小桥金属发生汽化爆炸，产生飞溅。 飞溅的多少与爆炸能量有关，此能量主要是在小桥破断前的1 0 0 1 5 0 p s 短时间内 聚集起来的，主要由这个时间内短路电流大小所决定。( b ) 由于周期性的短路过程 降低了电弧对母材的热输入，导致母材熔化不足，焊缝质量和成型差。焊缝成型差 主要表现为焊缝较窄、熔深较浅、堆高较高等。在焊接较厚的工件时易出现未焊透 现象，并且在焊接角焊缝时易产生两边熔合不足，使焊缝的受力状况恶化。这些问 题都影响了短路过渡c 0 2 气体保护焊在工业生产中的进一步推广和使用【2 】。 1 4 课题介绍 1 4 1 本课题的任务 本课题是基于现在国内微机控制的逆变c 0 2 焊机的发展状况，向学校申请的 河海大学青年基金项目，以便对逆变c 0 2 焊的焊接过程能有进步了解和认识， 同时对其进行更深入的研究。 所要研制的波形控制逆变c 0 2 焊机的主要技术要求有： ( 1 ) 焊机顺利实现逆变，其中焊机逆变电源主电路的功率器件选用i g b t ( i n s u l a t e dg a t e d b i p o l a rt r a n s i s t o r ) ，逆变频率为2 5 k h z ，焊机额定电流为3 5 0 a ， 最大占空比0 4 ，空载电压6 0 v 。 ( 2 ) 能够适用于直径分别为函o 8 、驴1 0 、函1 2 和驴】6 的焊丝。 ( 3 ) 能方便地进行焊接参数的设置，并能对有关参数进行实时显示。 ( 4 ) 能够对异常现象进行处理，具有一定的保护功能。 ( 5 ) 系统稳定可靠，抗干扰能力强。 ( 6 ) 对焊接电流波形进行有效的精细化控制，减少飞溅，改善焊缝成型。 1 4 2 课题的进展情况 1 4 2 1 主电路部分的进展 本课题经过近一年的研究，已基本完成主电路和部分保护电路的设计。焊机的 总体结构框图如图1 2 所示。三相输入电压经过整流滤波( a c d c ) 后，得到5 4 0 v 4 第章绪论 左右的直流电再经过逆变器将直流转换成中频交流( d c a c ) ，然后经变压器 降压隔离，最后整流滤波输出( a c d c ) 旧。 娶5 0 h z 倒 捡 i 喧金爹l l j a c ；整沉滤波逆受器 ；整流滤波 ： 一一+ j 一一一 幽12 逆变焊接电源结构框图 从图1 2 中可以看出，焊机主电路包括输入整流滤波、逆变、电压转换隔离以 及输出整流滤波几个部分。其中，逆变器是主电路的核心，由功率电子开关器件和 中频变压器组成，而功率电子开关器件连接的拓扑结构有推挽式、半桥式、全桥式、 单端正激式、单端反激式等多种形式。这些拓扑结构各有优缺点，为了满足焊机的 设计要求，同时保证焊机的效率，主电路部分采用具有硬开关功能的p w m 控制全 桥弧焊逆变器，其电路图如图1 3 所示。 幽1 3 惩燹弧焊电源主电路 图1 3 中的e 表示电网输入电压经过整流滤波后得到的直流电压，q l q 4 是四 个i g b t 。其中，q l 和q 4 是一组，q 2 和q 3 是一组。电源的逆变过程如下：当q 和q 4 开通，q 2 和q 3 关断时，电源经过q ，、变压器原边、q 4 构成导通回路；当 q l 和q 4 由开通到关断时，q 2 和q 3 并不是立刻开通，而是继续关断一段时间后才 开通，以防止直通现象的发生；当q 2 和q 3 开通，q l 和q 4 关段时，电源经过q ，、 变压器原边、q 3 构成导通回路；当q 2 和q 3 由开通到关断时，q 和q 。并不是立刻 开通，而是继续关断一段时间后才开通，进入下一个逆变过程。 图1 3 中每个i g b t 的c 、e 间都并联了一个r c 阻容吸收电路，其作用是为 了吸收i g b t 的集电极由于关断而引起的尖峰电压，保护 g b t 。 ! ! 塑苎堂塑：! ：望堡堡兰 些堑丝型垄垄旦婴生塑塑! ! ! 堂 1 4 22 电源外特性控制电路吲 图14 电源外特性控制电路 电源外特性控制电路的电路图如图i 4 所示，其中1 5 v 直流电源电路省略。 图1 ，4 中s g 3 5 2 6 是高性能的脉宽调制器集成芯片，它的误差放大器的正相输 入端1 脚有两路输入：一路是燃弧电压给定信号u g l 和短路电流给定信号i g ：另一 路是空载给定电压u d 1 ) 燃弧电压给定信号u 。l 和短路电流给定信号i 。 当转换开关s l 转到手动，从s g 3 5 2 6 的1 8 脚引入基准5 v 电压，经过r 6 ，再 由调压旋钮r 5 产生u 当s 】切换到微机控制状态时，控制信号经过由d a 转换 器输入，产生u 小在燃弧状态下，电压反馈信号u f 经过光耦u 5 隔离放大，再经 模拟切换开关m c l 4 5 5 l 接入s g 3 5 2 6 的误差放大器的反相输入端2 脚，与u 。1 构 成电压负反馈闭环系统，产生平硬的电源外特性，输出恒定电压，并且由u 。l 控制 可调。 在短路过渡过程中，系统采用电流闭环控制。当检测到短路时，向c p u 发出 中断申请。c p u 响应中断后，输出电流给定信号i 。同时，在c p u 控制下，模拟 开关m c l 4 5 5 1 把电压反馈信号u f 从s g 3 5 2 6 的误差放大器的反相输入端断开，并 接地，转而把电流反馈控制信号i f 接入，这样就构成电流闭环负反馈。c p u 可以 通过控制给定电流的大小来实现短路期间电流波形的控制。 2 ) 空载电压给定u 出 反馈电流信号i f 经过运放u i b 反相放大后，与设定值比较，判断是否空载。当 电流小于3 0 a 时，处于空载状态，u 2 a 输出正相饱和电压，经r 1 6 、r 1 1 分压后， 得到空载给定电压u 巳2 ，电源输出空载电压5 0 v ；当电流高于3 0 a 时，则处于焊接 状态，u 2 a 状态翻转，二极管d 4 截止，u 。2 = 0 ，进入正常焊接状态。 在s g 3 5 2 6 的误差放大器的反相输入端2 脚，也有两路输入：一路是电压反馈 第一章绪论 信号l j f 口为了防i 上系统相互十扰，控制电路与主电路之间采用光耦隔离。另一路 是电流反馈信号i r 。由于比较器u 2 a 以及模拟开关芯片m c l 4 5 5 l 输入要求为正， 所以采用两级放大电路对电流反馈信号i f 的相位与增益进行调整。 s g 3 5 2 6 的2 脚与3 脚之间的r mc 2 与同相输入端电阻r 1 7 或r 18 组成p i 渊节 器，8 脚是关断信号输入端。由于1 g b t 在工作过程中如果出现输入电压过大、模 块内部温度过商、输出发生短路或负载过大造成过流等故障【1 4 0 “，将有可能使i g b t 模块损坏，因此必须采取措施对系统加以保护。图1 4 中p w m 封锁信号就是对 i g b t 起保护作用而设计的。当发生过流、过压、过热等现象，立即将8 脚置低电 平，终止1 3 脚和1 6 脚的p w m 输出，关断i g b t ，起到有效的保护作用。具体的 p w m 封锁信号电路如图1 5 所示。 图1 5p w m 封锁信号电路 图1 5 中采用的比较器是l m 3 2 4 n 。正常工作时，比较器的1 脚、2 脚、1 3 脚 和1 4 脚均输出+ 5 v 。当输入电压过高时，光耦u 2 0 和u i 导通，9 脚和1 0 脚输入 0 v ，1 4 脚输出0 v 当输入电压正常时，光耦u 2 0 导通，u i 不导通，9 脚输入+ 5 v ， 1 0 脚输入0 v ，1 3 脚和1 4 脚输出+ 5 v ：当输入电压过低时，光耦u 2 0 和u i 不导通， 9 脚和1 0 脚输入+ 5 v ，1 3 脚输出0 v 。出现过热时，s 2 闭合，6 脚电压高于7 脚电 压，l 脚输出0 v 。发生过流时，4 脚电压高于5 脚电压，2 脚输出o v 。由此可以 看出该电路能够对焊接过程中可能出现的过流、过热、过压或欠压情况作出响应， 起到保护i g b t 的作用。 0 9 海大学硕卜学位论义 波形控制逆娈c 0 2 焊机的研制 14 3 本论文的任务 1 对主电路部分进行试验分析，使其能够稳定正常工作。 2 对焊接过程中的短路和缩颈检测电路进行设计调试。 3 对单片机控制系统的软硬件部分进行设计调试。 4 对送丝电路部分进行设计调试。 第二章信号检测 一 第二章信号检测 21 波形控制简介 短路过渡过程的电流波形控制是减少飞溅、改善焊缝成型的一种重要方法。波 控方法发展到现在，都具有一些基于短路过渡过程物理本质的共同特点：( 1 ) 在熔 滴与熔池接触的瞬间，降低电流，以减少熔池的振荡并促进熔滴在熔池表面的铺展， 防止熔滴与熔池在接触处产生分离，即防止所谓瞬时短路现象的发生；( 2 ) 在液态 金属小桥产生缩颈并即将发生破断时再次降低电流，以抑制电爆炸的产生，从而减 小飞溅；( 3 ) 在燃弧过程中，向电弧施以较大的电流，使电弧对工件充分加热，促 进熔池铺展，保证良好的焊缝成型j 。 图2 1 是波形控制示意图。在t o 时刻，短路开始，迅速减小电流并持续约0 7 5 m s 左右l l 驯至t l ，使短路稳定进行，防止能量局部集中和瞬时短路飞溅的产生：t i t 2 是短路电流上升阶段。根据文献f 1 9 】中 提到增大短路中期电流上升速度有利 于提高短路过渡过程的规则性与稳定 性。因此，在短路中期采用较大的电流 上升速度。t 2 时刻，熔滴缩颈已达临界 尺寸，即将断开。为防止金属小桥上能 量集中而产生电爆炸飞溅。迅速将电流 减小并持续至小桥断开，即t 3 时刻，r ， 进入重新燃弧阶段：此时电压达到了重 新燃弧所需的较高值，但电流被控制在 较小值。因为小桥刚刚断裂，液态金属 正向熔池铺展，熔池正处于种不稳定 状态，若此时电流较大，会产生较大的 电弧吹力作用，在熔池上加剧这种不稳 图2 i 控制波形示意图 定状态。到t 4 时刻，迅速增大电流，持续至t 5 时刻，熔池在大电流的电弧作用下 铺展；之后，电流被迅速降至正常的燃弧基值电流，到t 6 时刻，再次发生短路， 进入下一次循环。 电弧中存在多种机械作用力，其中等离子流力是电弧的主要机械作用力20 1 ， 在电孤轴线两边按双面指数分布( 长弧) 或高斯分布( 短弧) ，随着电弧电流的增大， 等离子流力的分布半径和峰值也增大：随着弧长增大，等离子流力分布半径增大， 压力峰值减小。这样，在燃弧的t 4 t s 阶段提高电流和电压有利于增加熔宽，焊缝 成形得以改善。此外，提高电流和电压可提高焊件的加热程度，促使液态金属易于 铺展，有利于改善焊缝成犁。 河海人学硕士学位论文 波形控制逆变c 0 2t 早帆的研制 从上面的分析可知，要实现波形控制，首先必须对短路发生时刻t o 和液桥即 将断开时刻t 2 进行检测判定。只有这样才能对短路期间的电流波形进行控制。 2 2电弧电压信号的获取 2 2 16 n 1 3 6 简介 电流波形控制是一个复杂的动态过 程，要求焊接控制系统具有很高的响应速 度。为此硬件控制电路中的相关元件必须 严格选取，以便满足控制系统的要求。为 了获取准确无误的电弧电压信号，作者采 用了光耦隔离技术。在此就所用到的光耦 c a t h o d e b a s e c 0 1 l e c t o r e m i t t e r 6 n 1 3 6 进行简单的介绍。图2 26 n 1 3 6 的引脚图 电流传输比c t r 是光耦合器的重要参数。它表示光耦中光敏晶体管( 接收管) 的输出电流i c 与发光二极管( 发射管) 的输入正向电流i f 之比，通常用百分数表 示。有公式 c 豫= ( 。c i f ) 1 0 0 1 2 对于线性光耦而言，其c t r 值应能在 m 一定范围内作线性调整。为降低光耦的功 。 耗且避免出现误触发现象，c t r 值应在 5 0 一2 0 0 范围之内【2 l 】。6 n 1 3 6 是一种快8 速线性光耦，其导通时间很短，只需几个 纳秒。图2 2 和图2 3 分别是它的引脚图和6 输出电流电压特性图。从图2 3 中可以看 出其c t r 值在5 0 2 0 0 的范围内，线性4 工作电流范围比较宽，约为0 - 2 5 m a ，最 大电源供给电压+ 1 5 v ，光耦内部的发光二 2 极管的导通电压为1 2 v 左右。使用时， 6 n 1 3 6 的1 脚和4 脚不接，5 脚和6 脚均 。 可作为输出脚使用。 - ， ，一举参 _ j 一 一 ， ，一 一j o n 哈 彦 ，一 怒 - ，r 一一 一2 0 m a 二 一1 i 1 5 m a 厂ll 1 0 m a ii i 5 m i 图2 36 n 1 3 6 的输出电流电压特性图 2 2 2 弧压信号获取电路的设计 短路和缩颈检测电路都是以弧压为基础进行设计的，而焊机的输出电压相对较 高，不宜直接作为检测电路的信号源。为此，将实际的电弧电压经过线性度好、响 应速度快的光耦隔离后输出，既可得到所需的信号源。其电路图如图2 4 所示。 图2 4 中，u a 是焊机输出电压，经过由r 5 和c 9 ( r 5 、c 9 较小，r 。c 。1 0 p s ) 组成的低通滤波回路滤波后，送入光耦6 n 1 3 6 ，经过其隔离后得到的信号u f 0u ， k 麓k 塑= 兰笪兰焦型 图24 弧压信号获取电路 既可作为短路检测和缩颈检测电路的信号源。通过调整r s 和风的阻值可以改变输 入信号u 。的线性工作范围，从而得到满足要求的u f 。 由图2 3 可知，6 n 1 3 6 的线性工作输入电流范围为0 2 5 m a 。为了确保6 n 1 3 6 可靠工作，设计中选取6 n 1 3 6 的最大输入工作电流为2 0 m a 。由此可得电阻r s + r 6 的最小阻值为： ( r s + r 6 l 。= 等= 篇硼o o q “ 式中：【k 。广焊机最大空载电压，6 0 r ； 厶。6 n 1 3 6 的最大允许输入工作电流，2 0 m a ； 因此r 5 和k 均选取2 w ，1 5 0 0 q 的电阻。 光耦6 n 1 3 6 线性工作时最大输出电流为6 m a ，由此可得r 8 阻值为： r 。：生：堡：2 5 0 0 q 6 l 。 6 m a 式中：圪。6 n 1 3 6 的8 脚电源电压，1 5 v ； 厶。6 n 1 3 6 线性工作时最大输出电流，6 m a ； 因此r 8 选用o2 5 w ，2 5 0 0 q 的电阻。 图2 5 是实际测得的电压波形u 。和u f 。可以看出u 。与u f 具有很好的对应关 系，没有出现明显的失真，这说明所设计的弧压信号获取电路是成功的。 嘲；嘲黛懋 设置 硼 量t i 信源 豳 置， 赫：一瞄禹：融 储存 ： i - - i r 村 圃 舶f 2 a t l l v 啪懵船t v1 赫 a 焊机输出电压波形u 。d 一信号源波形u f 图2 5 信号源电压波形 河海人学硕l 学位论文 波形控制逆变c 0 2 焊机的j | i 】f 制 23 短路信号的检测 焊接过程中发生短路时，电弧电压会急剧下降，因此短路初始时刻通常采用电 弧电压进行判定。当电弧电压低于某值( 约1 3 1 5 v ) 时，认为是短路状态，否则 是燃弧状态【2 2 。据此设计的电路如图2 6 所示。 图26 短路检测屯路 图2 6 中u f 是从图2 4 中得到的信号源，r 1 2 的作用是给定短路检测电压阀值。 当电弧电压高于短路阀值电压时，比较器u 5 b 的7 脚输出高电平：当电弧电压低于 短路阀值电压时，输出低电平，向c p u 申请中断。 短路检测电路要及时准确的检测到熔滴与熔池的接触时刻，并具有一定的抗干 扰能力，能消除瞬态短路对正常检测信号的影响，同时要求在一个短路过渡周期中 只能出现的一个短路信号。实验中发现当短路阀值电压越高，越容易检测到瞬态短 路信号；反之则相反，但不可过低，过低有可能丢失正常短路信号。因此通过调试， 作者最终选取短路阀值电压9 6 v ，图2 7 是实际焊接时检测到的短路信号。 从图2 7 中可以看出所设计的电路能够及时准确地检测到正常短路时的短路信 号，并具有一定的抗干扰能力，能消除部分瞬态短路对控制系统造成的影响。 - 。 。 ， 【1 1 1 二 韶 + - 一r ，嘲：p 嘲 | ：i ! ；一三。 ； 三 信源 1 、 1 。 f - 孤，：_ i l 胍 圃 ：l i “； ；i ：； ： ，i ! ! ： r ot。 一| 1 _ 。：。l 二。! 。： 。 1 焊机输出电压波形u a2 短路信号波形 图2 , 7 短路信号实测波形 笫二章信号检测 2 4 缩颈信号的检测 2 41 缩颈时刻的判定 输 出 阻 抗 f d 2 8 短路r 段电源输出阻抗的变化曲线 图2 8 是文献 1 9 中的研究成果。从图2 8 中电源输出电阻的变化曲线可以看 出，液桥从颈缩开始至破断只有约1 5 0 “s 。短路后期，电磁力与表面张力的正反馈 作用使得液桥颈部断面加速减小，从而使液桥电阻迅速增加，因此可以用液桥的电 阻变化率券或液桥电阻的状态值作为缩颈时刻的检测信号。但在实际的电路设计 中，由于很难检测到真实的豢信号或液桥电阻的状态值，因此有研究者提出采用 一些近似的信号( 如输出电压变化率d i u 或输出电流变化率婴) 来替代车信号。 “ “f 口f 下面对这两种替代信号进行分析。 焊机电源的等效电路图如图2 9 所示【2 2 。 0 8 吊 e ：坐+ r d(21)t 、二l 河海大学顺t ：学位论：艾 波形拎制逆变c 0 2 焊机的研制 24 1 1 竺取样及分析 “f 由式( 2 ，】) 得 坐：1 ，e - _ r (22)dt上工 。 型d ! t 值实际反映了i r 的值。由于矗= 月+ 月：+ r ，当干伸长很短、回路电阻很 小，即r ，十r ：的值与尺，的值相比可以忽略时，_ d l 可以反映脶、的值，即液桥电阻 状态。但实际中r ，+ r 。的值与r ，的值相比不可以忽略，此时掣不能准确地反映液 “ 桥电阻状态i r ，的值。 2 - 4 1 2 掣取样及分析 短路时取样的电弧电压为： u = 1 r = ，( r l + r 2 十r 3 ) 型d t = ，堡o t + 磋= ， 垫o t + 警+ 垫o t ) + r 芸 c zs ， & a 一簖 。 由于导线电阻及干伸长电阻值的变化率很小，即鲁， 鲁+ 鲁，液桥即 将断开时刻r 詈 c 。面o r ，所以型d tz ，堕o t ， 型d t 反映了液桥的电阻变化率，即 液桥的状态【2 2 。n 止k g g n 掣来作为短路缩颈时刻的检测信号。 2 ，4 2 缩颈检测电路的设计 根据前面的分析可知，短路后期的缩颈信号可以采用电弧电压的阶微分信号 进行检测，其电路图如图2 1 0 所示。 图2 1 0 缩颈检测电路 图2 - 1 0 中u f 是从图2 4 中得到的信号源。从图2 5 中可以看出信号源u f 中含 竺三至堡! 丝塑l 一 有燃弧和短路两个阶段的信号。燃弧阶段的信号对于缩颈检测电路来说是多余的， 并 ! 能对缩颈检测电路产生干扰，因此有必要将燃弧期间的电压信号滤除。为此在 微分电路之前采用了一个削波电路，如图2 ，1 0 中稳压二极管d 3 。根据图2 5 中的 信号源波形u f 的电压大小，d 3 选用3 v 左右的稳压管。另外，由于微分信号太弱， 不能直接驱动快速光耦6 n 1 3 7 ，周此在微分电路之后加了两级放大电路，总的放大 倍数约为1 0 0 。当缩颈时刻到来时，光耦6 n 1 3 7 输出低电平，并送至8 0 3 l 的p l 2 口。焊接过程中存在着瞬态短路，这些瞬态短路会产生相应的误信号。如果采用电 容将这些误信号滤除，会使缩颈信号滞后，故作者采用了软件滤波的方式将其滤除， 具体内容将在后面的章节详细介绍。实际测得的缩颈信号波形如图2 1 1 和图2 ，1 2 所示，其中图2 1 2 是图2 11 中3 7 5 6 2 5 m s 之间的局部放大图。 ：1；1 i 】 类型 ，j 冒圃 0 ，i ；一信源 一隅降 p i 嘲， r 嘲 p；l l i 0 1 一 一 ，- t- 一 l ：曩i 1 、l r i i i c h 3s m o 锥 1 电弧电压波形3 缩颈信号波形 图2 1 1 缩颈信号波形 一二二；脒薯絮叫二- ；： i ：。：，：! 。t ：，：警：t | ：；一一 。l 一 ： ：= 1 ： 鲢 ： ： =： ： 珏 ： ： ： _ ： 噩 。；：；。；一一；，i 委。 c 1 1 3s 口o v 卜一电弧电压波形 3 缩颈信号波形 图2 t 2 缩颈信号局部放大波形 从图2 1 1 中可以看到在每个短路末期都能检测到缩颈信号。从图21 2 可以看 r 海火学碗l 学位论文 波形控$ 4 逆变c 0 2 焊机的 j f 制 到缩颈信号在液桥破断前的2 0 0 9 s 左右被检测到，而从相关参考文献得知液桥从缩 颈开始到破断只有约1 5 0 p _ s ，检测到的缩颈信号比报道的缩颈开始时刻有所提前。 2 ，5 本章小结 本章简要介绍了波形控制理论，并采用光耦隔离技术设计了弧压信号获取电 路。通过分析短路期间的电压特征，设计了短路检测电路和缩颈检测电路，并对其 进行了调试，实验结果证实所设计的电路是可行的。 塑三童塑塑墅篁塑婴堡堡兰一 第三章控制系统的硬件设计 3 1控制系统的要求 波控逆变c o ：气体保护焊最核心的任务就是对每个熔滴过渡周期内的电流波 形进行控制，以便减少飞溅，改善焊缝成型。而熔滴过渡是个复杂的动态过程， 因此必须借助自动控制技术才能有效地实现波控。 根据波控逆变c 0 2 气体保护焊的特点，设计的硬件控制系统必须满足如下要 求： 1 、要对相关的参数进行采集和显示，如电流、电压等，以便对其进行控制， 因此必须有信号采集电路和a d 转换电路。 2 、控制系统输出的是数字量，而受控对象通常是模拟量，因此必须有d a 转 换电路，以便实现相应的d a 转换。 3 、要有键盘显示接口电路，以便电流电压参数的预置和显示。 4 、必须设置其他一些相应的输入输出接口电路，以便c p u 对输入的检测信 号做出及时的响应，同时对相关的硬件设备进行控制，如送丝机、气阀等。 焊蓬皇堕焦型卜fa d 电现皇压撞型，la d 焊枪开关检测 空载状态检测 短路燃弧检测 液桥粗细检测 短路中断请求 故障中断检测 时钟 孑 堡竺垄壁堕塞 d al 皇