（材料加工工程专业论文）基于波控技术的co2焊电源的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 、土艟着微机技术在焊接领域应用的不断深入，波控技术在弧焊电源中的应 用也成为新型焊机研究的一主流方向。本文以波控技术为基本指导思想，应 用微机技术，对c o 。焊短路过渡用电源加以研究。根据c 0 。焊短路过渡过程的 特点对其进行细分成七个阶段。在颈缩形成过程中，提高电流上升速度，促 进颈缩形成，而在短路过渡后期降低电流，使液桥低能量爆破，完成较小飞 溅的短路过渡。在此过程中，通过电流电压传感器实时采样电流电压值，并 送至微机处理，控制输出符合于短路过渡特点的电流电压波形。 本文在分析c o 。焊飞溅产生和煜缝成型机堡的基础上，探讨了c o z 焊短路 过渡过程的控制策略，采用简单的三相桥式不可控全桥电路的主回路形式。 利用i g b t 响应速度快且易于控制的特点，在主回路的输出侧直接用单片机控 制大功能器件( i g b t ) 工作于开关状态。i g b t 驱动电路采用的是专用驱动模 块m 5 7 9 6 2 a l ，其特点是能稳定可靠地驱动i g b t ，为整个系统的正常工作提供 保障。利用定频调宽原理，实时准确地检测c 0 。焊短路时刻和熔滴颈缩时刻 及各细分阶段的电弧参数值，并通过单片机处理，控制得到符合c o ：焊短路 过渡细分各阶段的电源外特性。 单片机控制系统芯片采用的8 0 c 1 9 6 k c 。主要用到的资源引脚有h s i 高速 输入引脚，p 1 口，p 2 多功能口和 d 转换接口等。同时系统设有键盘显示 电路和指示报警系统，用于指示过程控制状态和系统故障报警。软件技术， 采用了中断服务技术，及时处理各类故障和实时控制，程序结构采用了子程 序编程思想，使其清晰明了，便于调试修改，同时采用了软硬件综合抗干扰 措施，提高系统稳定性。 系统研究证明了本系统的可行性，同时也是控制c 0 2 焊飞溅问题的有效 措施，即降低了成本又使控制简单，易于实现。 斑讯c 0 2 鹏擞，8 0 瀛渊胜制i g b t ，p w m 茎堡堡三查堂堡主堂垒堡苎 a b s t r a c t w i t ht h ef u r t h e ra p p l i c a t i o no fm i c r o c o m p u t e ri n t h ew e l d i n gf i e l d ，t h e r e s e a r c ho fw a v ec o n t r o l l e dt e c h n o l o g yi nn e ww e l d i n gm a c h i n ee x p l o i t s a m a i n s t r e a mm e t h o d i nt h i sp a p e r ，t h en e w p o w e r s o u r c ef o rc 0 2s h o r tc i r c u i t i n g t r a n s f e ri sr e s e a r c h e dw h i c hi sb a s e do nt h et e c h n o l o g yo fm i c r o c o m p u t e ra n d w a v ec o n t r 0 1 i nt e r m so ft h ec h a r a c t e ro fs h o r tc i r c u i tt r a n s f e ro fc 0 2 w e l d i n g ， t h ep r o c e s si sm a d ei n t os e v e ns u b s e c t i o n s d u r i n gt h en e c ko fm e t a lb e c o m i n g ， r i s i n gt h ec k t r r e n tv e t o e i t ym a k e i tc o m i n gi n t ob e i n g a n da f 国el a t e ro fs h m t c i r c u i t i n gt r a n s f e r ，t h ew e l d i n gc u r r e n ti sd e t r a c t e d ，a si sm a k e t h eb r i d g eb r a k i n g a tt h el o w e n e r g ya n df i n i s h e st h et r a n s f e rw i t h o u ts p l a s h d u r i n gt h ep r o c e s s ，t h e r e a lt i m ec u r r e n ta n dv o l t a g ev a l u e si n f o r m a t i o na r eo b t a i n e da n ds e n tt ot h e m i c r o c o m p u t e rf o rp r o c e s s i n g ，t h e nt h ew a v e o fc u r r e n ta n dv o l t a g ei sp r o d u c e d b yt h ec o n t r o lo fm i c r o c o m p u t e ra tt h eo u t p u te n dw h i c hi s s u i tf o rt h es h o r t c i r c u i t i n gt r a n s f e r i nt h i s p a p e r , b a s i n go na n a l y z i n g o ft h er e a s o n sf o r s p l a s h i n go fc 0 2 w e l d i n ga n dw e l dm o u l d i n g ，t h ec o n t r o lp r o j e c to fs h o r tc i r c u i t i n g t r a n s f e ri s p r o b i n g t h em a i nc i r c u i ti st h r e ep h a s ew h o l eb r i d g ew h i c h c a nn o tb ec o n t r o l l e d b yu s i n gt h ec h a r a c t e r so fi g b t s w i f tr e s p o n d i n ga n de a s yc o n t r o l l i n g ，a tt h e f a n - o u to fd c ，i g b ti sm a d et ow o r k si nao n o f fs t a t u ew i t ht h ec o n t r o l l i n go f s i n g l ec h i po nt h eo u t p u te n do ft h em a i nc i r c u i t t h ed r i v e rc i r c u i tf o rh i g h p o w e r d e v i c e si g b t a d o p t s t h em o d u l e m 5 7 9 6 2 a l ，w h i c h c a n w o r k i n g r e l i a b l y s ot h eh o l es y s t e mw o r k i n g w e l li sp o s s i b l e t ot r a n s m i tt h ew a v e s h a p e o fc u r r e n ta n dv o l t a g ew h i c hi ss u i t a b l ef o re a c hs t e po ft h ec 0 2s h o r tc i r c u i t s u b s e c t i o n s ，t h ep r i n c i p l eo fp w mi su s e d a tt h et i m eo fs h o r tc i r c u i ta n d s h r i n k i n gn e c ko fm e l t i n gd r o pa n do t h e rs u b s e c t i o n s ，t h ea r cv a l u e sa r ee x a c t l y c h e c k e di nr e a lt i m ea n ds e n tt ob e p r o c e s s e db y t h ec h i p t h eo u tc h a r a c t e ro ft h e p o w e rs o u r c et h a tc o m e su pt oe v e r ys u b s e c t i o no fs h o r tc i r c u i tt r a n s f e ro fc 0 2 w e l d i n g i so b t a i n e d a tt h es a m e t i m e ，t h ec h i p u s e da sc o n t r o | i st h e s i n g t ec h i p 8 0 c 1 9 6 k c s o m es o u r c ep o r t s ，s u c ha sh s i 、p 1 、p 2 、de c t ，a r eu s e di nt h i s i l 武汉理工大学硕士学位论文 p a p e r a t t h es a m et i m et h e r ea 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 ta n da l a r m s y s t e m ，w h i c hi sf o rs e t t i n ga n dd i s p l a y i n gp a r a m e t e ri na d v a n c ea n da l a r m i n g t h es y s t e mm a l f u n c t i o n i ns o f t w a r et e c h n o l o g y ，i n t e r r p u t t i n gs e r v i c et e c h n o l o g y i s u s e d ，w h i c hc a n d i s p o s a le v e r yk i n do fm a l f u n c t i o ni n t i m ea n dr e a lt i m e c o n t r 0 1 t h es t r u c t u r eo fs o f t w a r ea d o p t st h es u b r o u t i m et h i n k i n gw h i c hi si n f o c u sa n de a s yt od e b u ga n dm o d i f y i no r d e rt oi m p r o v et h es y s t e ms t a b i l i t y ， h a r d w a r ea n ds o r w a r e s y n t h e s i s m e a s u r e sa r e a d o p t e d f o rt h ed i s t u r b a n c e p r o b l e m i nt h i sp a p e r , t h er e s e a r c hh a sb o r no u tt h a tt h ep r o j e c ti sw o r k a b l e ，a tt h e s a m et i m ei ti st h e a v a i l a b l em e a s u r ef o r s o l v i n g t h e s p l a s h i n g w h e n w e l d i n g ，n a m e l y , i tn o to n l yd e c l i n et h ep r i c eb u ta l s oe a s yf o rc o n t r o l l i n ga n d r e a l i z i n g k e y w o r d s ：8 0 c 1 9 6 k cs i n g l ec h i p ， w a v ec o n t r o l ，i g b t ，p w m c 0 2w e l d i n gs h o r tc i r c u i tt r a n s f e r i l i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 选题的背景 第1 章绪论 焊接自动化研究的内容发展至目前为止主要包括：数控技术在弧焊电源 中的应用、焊接电源的微机控制技术和智能技术在焊接电源中的应用等，其 中微机技术在焊接的应用发展已较成熟，但在控制的快速上、精确上及开关 器件的优化及改进上有着广阔的研究前景，而智能技术在焊接中的应用则是 弧焊电源最新发展趋势的代表，其包括模糊理论、焊接专家系统、机器人等 先进的技术在弧焊电源中的应用。电子技术的发展和微机技术在焊接的应用， 为解决c 0 ：焊接飞溅问题提供了更为广阔的思维空间。 对c o ：焊来讲理论上波控法可以实现焊接无飞溅。这是一种既不是恒压 特性、也不是恒流特性的特殊措施。采用波控法，再将先进的算法( 模糊技 术、专家系统、人工神经网络等智能技术) 应用到c o 。焊电源的研究中来是 目前解决c o ：焊飞溅、焊缝成型美观的新型措施，也是发展c o 。焊实现自动化 的一个发展趋势。 利用微机技术易于实现控制的实时性、智能性和精细化的特点，完善微 机控制的c o 。焊机，使其在性价比达到最佳而又能满足国内大多数用户的需 要，这也成为了当代科研人员具有可挖掘的一大潜力方向。 1 2 选题的目的和意义 焊接飞溅问题是焊接电源研究所必需重点关注的问题。无飞溅的产品在 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 o ：焊 短路过渡原理，利用单片机的灵活实时控制，通过焊接过程的检测传感对c o ： 焊熔滴短路过渡不同阶段的物理量( 焊接电弧电压、电流等) 进行采样，并将 采集到的信号送入微机进行处理，利用微机控制电源输出符合于短路过渡和 飞溅规律的电源特性，以达到减少焊接飞溅，提高焊接过程的稳定性的且的， 也同时得到优美的焊缝成型，提高焊接质量的要求，另外在电源制做成本上 加以探讨。降低成本的基础上实现微机波控技术，解决c o ：焊接中最棘手的 武汉理工大学硕士学位论文 焊接飞溅问题，达到较为满意的结果。 课题研究的意义主要表现在以下几个方面： 1 现代化电源外特性的控制方法。传统的电源研究方法都是采用一些电 感电容等措施来减小或增加电流的增长速度来获得一恒流或恒压特性和多特 性。本课题的研究突破了传统的方法，能够获得具有一定规律的波形，从而 为解决焊接飞溅提出新思维。 2 为c o ：短路过渡用电源在国内的研究及推广做了基础工作，为实现无 飞溅焊接铺平技术基础。目前在国内，短路过渡用电源，特别是以表面张力 过渡为主导的电源。在实际生产中的应用有待于进一步的推广，其主要原因是 其昂贵的造价成为很多企事业单位的负担，本课题的研究在造价方面也进行 了研究，若研究获得成功的话那么在焊接领域将是个不小的影响。 3 为新型焊接电源的研制开拓新思路。在过去很长一段时间里，对焊接 电源的研究大多在冶金和焊接材料方面着手，来解决焊接飞溅等有关难以解 决的问题，而从电源外特性的角度去解决这方面的问题也是近几年倍受关注 的一研究方向。本课题为微机控制的短路过渡用电源的研究开拓了思维方式。 促使先进技术在焊接领域中的应用更为深入。 1 3 研究内容 本文要设计完善的硬件系统。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 确定短路过渡c o ：焊电源的主电路形式及i g b t 的驱动方案 2 单片机系统和外围扩展电路的设计与调试 3 控制机理的研究和软件系统的设计 2 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章国内外研究状况 长期以来，人们致力于减少c o ：焊接飞溅的研究。一般方法可归纳为三 种：一、通过改变焊接材料与保护气体成份来调整熔滴过渡方法。二、改变 送丝方法。三、通过改善弧焊电源特性来实现对电弧熔滴的控制。本节对 微机波控技术的c o ：焊电源的研究概况作一简单介绍。 2 1 微机控制的瓤型弧焊电源概况 焊接电源发展至今，微机在其中的应用不断的深入，成熟产品已在焊接 生产得到广泛应用，其控制的基本技术一般都包括：最小微机控制系统、控 制系统程序流程、控制算法、抗干扰措旌等。这些技术在弧焊电源应用后， 微机控制的弧焊产品成功研制得到了保障。目前已成功得到应用的产品有： 晶闸管弧焊电源、晶体管弧焊电源、弧焊逆变电源、多功能弧焊电源、脉冲 弧焊电源、微程序控制的多特性焊接电源、专家模糊控制智能弧焊电源等9 1 。 电子技术，微机的不断发展使新型弧焊电源的出现也成为了必然，多功 能，多特性的弧焊电源的技术产品已在焊接领域中得到了广泛应用，而且焊接 质量都较传统的焊接方法好。目前，新型的弧焊电源有模拟式弧焊电源，硬 开关型弧焊电源、轶开关型弧焊电源及微机控制的智能弧焊电源。近几年来 对智能弧焊电源的研究主要从以下几个方面入手日儿“。 1 弧焊电源的微机控制。目前采用的微机大部分以单片机( 8 0 5 1 、8 0 9 6 系列等) 为主。 2 弧焊电源的熔滴过渡控制。例如波控法、s t t 方法，实时焊丝回抽s t t 控制法等，当然它们也是通过微机来得以实现的。 3 弧焊电源的模糊控制。 4 人工神经网络在弧焊电源中的应用。 5 机器人弧焊系统的智能控制。 模糊控制、神经网络是一种先进的控制方法，这是一个新兴的研究方向， 在这方面的研究与应用有待于进一步的完善和探讨。 3 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 波控c o ：焊电源发展现状及趋势 2 2 1 发展现状 在液桥爆断时，需要对飞溅抑制的同时，又要小的短路过渡电流，解决这 个问题，传统的方法是在主回路串联电抗器限制d i d t 及i 的方式。现今流 行采用的控制法是根据短路机理找到的规律，分时控制的波形控制法，即在 熔滴过渡的不同时刻迅速进行相应的控制。现发展了一种叫电压波控法，讲 述一下其原理：在颈缩形成过程，提高电流上升速度，促进缩颈形成，而在 短路过渡后降低电流，使液桥在低的爆炸能量下爆破，获得无飞溅的短路过 渡。 随着电子技术和电子器件的不断发展及微机在焊接应用的不断深入，通 过微机技术改变电源外特性的方法研究成为了主流。例如，在单片机控制的弧 焊逆变电源的基础上，建立了c 0 ：熔滴过渡频率的f u z z y p i d 控制系统，其 原理是通过调节波形参数从而改变燃弧时间，控制熔滴过渡频率，采用f u z z y 法引入参数自学习功能，保证了系统具有良好的动静态性能“”1 。并联式 电流波控法也是一种抗干扰性较好的波控法。此法也有人在研究并已取得了 一定的成果。它可以快速的抑制峰值电流的增长以减少飞溅。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 。 总之，在c o z 焊应用中，各种波控法的研究，所针对的对象大部分是c 0 。 焊的熔滴过渡，根据短路过程的特点，利用微机系统反应速度快，控制精确 的特点加以研究。例如：实现一脉冲一熔滴过渡的波形控制、方波控制、s t t 电源、单片机控制的其它短路过渡电源等等。这些所用到的器件大部分是晶 体管、m o s f e t 管、快速晶体管、i g b t 管等等“1 1 。 2 2 2 波控法发展趋势及其存在的问题 1 波控法发展趋势。微机技术及电力电子器件的不断发展为波形控制法 提供了更广阔的天地，使其发展更为容易。目前波控法的发展有以下三个发 展趋势： ( 1 ) 控制的精细化。随电子技术、集成技术的不断发展，人们对熔滴短 4 武汉理工大学硕士学位论文 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，使焊接 工艺性能得到相当的提高。在这方面有代表性的电源是美国林肯公司的表面 张力过渡电源，即s t t 电源。此电源将短路过渡过程细分为：液桥形成段、 颈缩段、液桥爆断段、重燃弧段、燃弧后期段等六个细段加以控制，由此得 到少飞溅甚至无飞溅，焊接烟尘少，焊缝成型美观的焊接0 1 。 ( 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，在这方面蒋力培教授等人研究的较早。 实践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1 1 0 】。 ( 3 ) 控制的智能化。先进算法与波控制技术在c o 。焊电源中的应用发展 趋势主要表现在以下几个方面1 5 q 2 l ： 1 ) 应用微机( 常用单片机) 实现焊机自适应控制。利用微机控制弧焊机 电源的动态、静态特性，自动调节焊接规范和焊接参数，改善焊接性能，保 证焊接一致性，获得高质量焊缝。 2 ) 实现c 0 。焊机的模糊控制。利用先进的电子技术和智能控制技术使 c o 。焊机效率更高、飞溅更少、操作更为简便。 3 ) 逆变式c 0 z 焊机将得到更大的发展。为实现更可靠的引弧和更理想的波 形控制，要求电源具有更好的动态响应能力所以逆变电源用于焊接有更广 阔的前途。 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，经大量工 艺实验而得工艺参数与飞溅的关系曲线，储存在c p u 或r o m 、r a m 。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。 2 存在的问题。在减少焊接飞溅，焊缝成型美观方面具有其独到的优势 之处，美国林肯公司研制成功并应用到实际生产中的s t t 电源走在了前列， 它是一种既不是恒压特性，也不是恒流特性的一种新型电源，其飞溅小，电 弧稳定。在国内完全实现熔滴表面张力过渡的成熟焊接电源，还有待于进一 步的研究推广“引睦引n ”圳。主要存在以下几个方面的问题： ( 1 ) 系统的抗干扰问题。要几乎以表面张力过渡，尽可能地消除干扰 是至关重要的，特别是电弧的稳定性尤为重要。 5 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 弧焊电源的波纹成分难以控制。 ( 3 ) 电流波形的控制在智能化方向上有待提高，实现多参数控制的实时 快速性。 ( 4 ) 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。 2 2 3 波控法的优点及意义 焊接飞溅与焊缝成型问题是焊接发展以来学者们所关注最多的，不管是 从事电源，还是弧焊方法、焊接材料的研究人员。而波控法正是为解决这一 问题而发展起来的种新型电源控制方法，有其独到的优点和意义”虬“。优 点： 1 灵活性和方便性，易于实现用微机智能控制。 2 精确性，能控制到微秒级内的变化。 3 焊接飞溅少或无飞溅，焊缝成型美观。 4 快速性，能在微秒内的变化信息快速经处理反应到过程控制上。 意义：由于能用微机控制大大减小了焊接设备的体积、重量及减少飞尘、 净化环境。同时更为重要的是此法不仅仅局限于解决飞溅与焊缝成型，其对 焊接工艺其它性能都有明显的改善，提高了焊速。为研究弧焊电源提供了更 为广阔的思路，引导焊接电源跟上时代先进技术的发展。 2 3 微机系统抗干扰措施 在抗干扰措施方面，微机系统主要采取硬件和软件综合抗干扰措施。 2 3 1 硬件抗干扰措施 1 采用高抗干扰稳压电源可以抑制网路交流电中谐波的干扰。 2 用输入通道的干扰耦合技术和静电屏蔽来消除周围电磁场的影响。主 要有四种：静电耦合、互感耦合、共阻耦合、电磁辐射耦合。通过这些技术 可以将强弱电等干扰隔离开，提高系统的可靠性。 3 合理的印刷电路设计，如数模地严格分开、强弱电系统分开。 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 2 软件抗干扰措施”们”2 3 1 1 数字滤波。对输入信号在a d 变换后用数字滤波技术来去除外界干 扰信号。常用的数字滤波方法有程序判断滤波、中值滤波、算术平均滤波、 加权滑动滤波、滑动平均滤波等。 2 设立软件陷阱和软件暂停保护。在存储器e p r o i d 中，每隔一些指令设 置几个连续的返回指令或空操作指令以防止外部干扰使得微机系统程序计数 器出错产生程序跳出的失控现象。 3 用时间监视器。可以防止程序陷入死循环或飞出，经常用的一种是 看门狗( w a t c hd o g ) 。用以监视程序的正常运行。 2 4c 0 z 焊微机控制的弧焊电源所面临的挑战陉4 。3 力饰8 。8 2 3 微机控制的弧焊电源，在提高弧焊电源的性能和焊接质量，以及推进弧 焊机器人的应用都具有明显的价值。所以要从以下几个方面进一步开展工作： 1 优化微机控制的弧焊电源的结构参数，形成系列化在实际生产中推广 应用。 2 引入先进的控制算法。 3 采用功能模块化的软硬件的设计方法，加强微机控制系统的配套研究。 4 把模糊控制、专家系统和人工神经网络广泛应用到焊接电源领域中来， 也是焊接控制技术发展的最新动态。模糊控制、专家系统和人工神经网等智 能控制在各技术行业具有兴欣的发展前景，自然在焊接领域中也不例外，其 智能性、精确性、微机化及其先进的算法都是在自动化里最受欢迎的，未来 是属于自动化的，将这些技术应用到焊接中来也是时代发展的要求。 5 集成专用焊接电源芯片的研制。随着集成化技术的飞速发展，芯片种 类五花八门。电子元件的发展更是飞快，发展焊接专用电子元件，集成焊接 专用芯片是焊接硬件发展的一个很有前景的方向。现在专业芯片的发展越来 越被各行所重视，若焊接在这方面没有投入的话，那么有可能被时代的发展 所遗弃。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章系统设计方案 3 1 c 0 。焊短路过渡过程控制策略 随着电力电子技术的发展，绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 响应速度可以实 现2 0 k 以上，加上高速单片微机芯片，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节设计的基本指 导思想，对c o z 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，得到相应的电流电压波形，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“。 3 1 1c o z 焊电源精细波形控制法原理 根据c 0 。焊短路过渡的特点，对其过渡过程进行分析，将其分为七个阶 段：基值电流稳定燃烧段、短路初期、熔滴小桥形成段、缩颈形成段、小桥 爆断段、熔滴脱落助推段、回复阶段。 如图3 1 所示，上述各个过程的特点如下： 1 在短路开始前( t 。t 。) ，维持一定的基值电流电压。促进焊丝熔化， 快速形成熔滴。 2 在短路初期( tl t ：) ，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。 3 在短路中期( t 2 t 。) ，提供适当的短路电流以保证熔滴形成小桥，正 常缩颈。 4 缩颈形成后进入小桥爆断段( t 。t 。) ，尽量降低液桥破断前夕的电流， 因为在高温液态金属是有较大电阻的，所以可以通过控制电压来控制电流的 目的。 5 在短路结束后，熔滴脱落段( t t 。) ，控制燃弧的电压，即控制燃弧 的电流在5 0 a 左右，维持一段时间，这样可以减小燃弧时对熔池的冲击，使 焊丝平稳脱离熔池而不引起飞溅。 6 熔滴脱落后期过渡助推段( t 。t 。) ，控制电压使流经电弧的电流上升 8 武汉理工大学硕士学位论文 至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。 7 回复阶段( t 。t ，) ，使电流衰减至基值，为下一周期到来做准备。 图3 1 c o 。焊短路过渡波形控制过程示意图 3 1 2 系统控制策略 系统的控制策略以软硬件相结合技术为指导思想，为得到如图3 1 的控 制效果，系统控制策略的核心，主要表现在以下几个方面： 1 主回路及其元器件的确定。 主回路要满足c 0 ：焊短路过渡速度极快的特性，特别是大功率器件选型 要符合响应速度快这一特性，这样才能在熔滴短路过渡过程瞬间内，系统具 有充分的时间提取有关信息处理并加以控制输出。这一部分的具体措施见后 面章节叙述。 2 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之一。如图3 - i ，熔滴短路过渡过程中，短路 的判断是很为重要的一环，系统设计由硬件电路完成。因为硬件电路反应速 度快，有利于及时判断短路过渡开始。而短路过渡过程中的电流变化信息， 9 武汉理工大学硕士学位论文 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，即从图3 一l 的 t 时刻起，控制系统要完成的任务就由软件编程来负责。如图3 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 值从何而得呢? 本系统采用经验确定各阶段的电压值( 见表4 7 ) 及相应的 延时时间( 见表4 6 ) ，而通过最终的实验调试确定效果最佳的一组数据。在 坐标系上画出如图3 2 所示的典型电压波形图，其与图3 1 熔滴短路过渡过 程各细分阶段相对应。 3 单片微机控制机理。 如何对图3 l 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。这里采取的控制策略是应用p w m 技术( 其原 理见下节叙述) ，即定频调宽，调节占空比，众所周知，用微机调节占空比是 很容易实现的。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来控制了。电压值与占空比及图3 1 各阶段持续时间 的计算推理详见4 2 3 节所述。各细分阶段的值由经验确定为起点，通过最 u 图3 2 经验确定c 0 2 焊短路过程u t 图 终的实验调整为主要的修正手段，经过反复的实验确定使得焊接效果最佳的 一组数据。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 系统硬件方案 由于短路过渡的速度极快，又要对其过程进行细分，这必然对控制系统 的软硬件提出了更高的要求，根据3 1 节所述，用p w m 技术进行精细波形 控制，所以对p w m 控制的原理必需有个清楚的了解，在这一节就对p w m 控制原理及系统采用的软硬件方案原理作一下阐述。 3 2 1 p w m 控制原理 脉冲定频调宽就是对脉冲信号的频率加以固定调节脉冲信号的高电平 通电时间，来获取不同的占空比b ( 如3 3 图b ) ，b = t t ) ，不同的占空比其对 u 图3 - 3 平均值计算原理图 应电压平均值就不同，图3 - 3 中的阴影部分的面积应是相等，由此可得 则 即 式中u 。一方波平均电压 u o t = u f u o = t ，u u o = 曰u ( 3 1 ) ( 3 2 ) 武汉理工大学硕士学位论文 u 一方波正电压 b 一占空比 由式3 1 知，因为频率固定，即t 是定值，所以要改变u 。的大小只需调 节高电平通电时间t ，也就是调整占空比b 的大小来获得想要的u 。值。高电 平通电时间t 越长，则占空比越大，所以得图3 4 所示的斩波图中的占空比 有如下关系：b 2 b 1 b 3 ，由式3 2 知，u 2 u u 3 ，由此可见，通过调整方波的 高电平时间t ( 即调整b ) ，就可以达到调整相邻时间段的电压值。这就将对 电压的控制转化为了对占空比的控制，这就是p w m 控制原理。 图3 4 恒频连续斩波图 基于这种原理，结合图3 - i 熔滴短路过渡从t 。t ，过程分析，相邻阶段 的电压值是不同的，利用p w m 控制原理，只要控制相对应的占空比就可以达 到控制不同时间段所需的电压值的大小。 值得注意的一点，用p w m 控制原理进行斩波，其结果是个方波信号，而 实际应用中需要的是连续信号，为解决这个问题，只需在斩波的输出端设有 滤波装置，将得到的方波滤成可用的连续信号。 综上所述，对于图3 - 1 所示的电压连续波形可以通过p w m 控制技术实现。 3 2 2c 0 ：焊电源主回路方案 焊接主回路拟采用的方案方框图如图3 5 所示，主要有初级回路、次级 回路、控制回路和辅助电路组成。次级回路输出的电压电流值的大小取决于 大功率器件的通断状态。因此控制单片机的特定输出口输出方波的高低电平 时间，实现对大功率器件的控制，使其在c o ：短路过渡过程的不同阶段处于不 同的占空比状态，达到控制输出电压电流的大小的目的。 1 初次级回路。 初次级电路选用三相全桥不可控整流电路，其结构简单，整流输出稳定， 1 2 堡堡里三查堂堡圭堂垡堡苎 ：一 在直流输出侧装有大功能器件作为开关管，同时设计有滤波电路。另外如图 3 5 中的传感器被安装于电源内部以用作检测信息用。 2 控制回路。 控制回路以单片机系统为核心，外围设计了短路判断电路、控制板通 断电电路、电流电压采样电路、大功率开关器件i g b t 驱动电路。 图3 5 主回路方案 单片机系统以8 0 c 1 9 6 k c 单片机作为中心控制单元，主要负责接受操作命 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) 。 短路判断信号由单片机的h i s 0 口输入产生中断，执行c o ：焊短路过渡 过程的微机程序并有相应的指示灯指示标志。通过电流电压传感器提取电弧 及短路过程的电流电压信息，并送至单片机进行信号处理，根据p w m 调制原 理，e h 单片机p 2 5 p w m 口实时输出频率固定的方波来控制i g b t 模块的驱动电 路，从而使得在大功率器件i g b t 的输出端获得与短路过程各阶段特点相对应 的方波。 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 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 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。 3 辅助电路方案。 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 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： i 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。 3 3 系统软件设计方案 软件设计要实现以下三个功能：其一是主程序完成芯片初始化、焊前准 备工作、实现引弧燃烧和c o z 焊短路过渡全过程控制；其二是实现对短路过 渡过程中所提取的信息进行处理判断；其三是能够有效检测焊接过程中出现 的各种异常情况并实现相对应的指示或声光报警。 根据c o z 焊短路过渡的特点，将其过渡过程的各阶段分为七个阶段，即 基值电流稳定燃烧段、短路初期、熔滴小桥形成段、缩颈形成段、小桥爆断 段、熔滴脱落助推段、回复阶段。其电弧参数( i f 、阱) 检测由硬件电路完 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 成。短路过程各阶段控制由相应的软件来执行，软件系统主要有焊接主程序、 中断服务程序、焊接子程序三部分组成。 3 3 1 主程序 主程序完成系统的初始化及焊接空载、引弧和熔滴过渡过程，起逻辑协 调作用，使得短路焊接过程顺利完成。 当系统通电后，主程序负责对各芯片进行检测和初始化，并接受外部预 置值的设定( 如短路小桥爆断门槛值等) 并存入内部存储器以备后用。同时 指示焊接准备工作就绪，为下一步的工作做好就绪工作。 3 3 2 中断服务程序 为了解决c p u 与i o 设备工作速度不协调的矛盾，提高c p u 的工作效率， 同时使c p u 能够及时处理实时控制中的各类故障，本文采用了中断技术并利 用中断服务程序实现特定功能。 论文中涉及的中断服务程序主要包括：h i s 0 中断服务程序和外部中断 e x t i n t 。h i s 0 中断主要是负责短路的判断使得c p u 及对地响应有关短路的 中断服务程序。外中断服务程序用于实现用户希望立即停止焊接过程的目的。 3 3 3 子程序 采用子程序的设计思想有利于将复杂的程序模块化，使得编程过程简单 明了化，本文的软件子程序包括：短路过渡过程不同时期相对应的子程序、 延时子程序、双曲线计算子程序、键盘处理子程序、显示子程序及标度转换 子程序。 延时子程序主要是对短路过渡过程中需延时部分的处理，标度转换子程 序用于将采样值转换为实际的电压值。 键盘处理子程序用于预置焊接参数，并将其存入单片机特定单元以供其 它程序使用。显示子程序是显示预置焊接参数和当前焊接状况。 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章系统软硬件设计 4 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3 - 5 所采用的主回路方案图可知，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 路的设计和辅助电路的设计等。 4 1 1 电源主回路 图4 - 1 电源主回路 1 主回路的确定。 由于c 0 。熔滴短路过渡的速度是非常快的，这就要求主回路能够适应这 一要求。本系统选用了如图4 - 1 所示的三相全桥不可控整流电路有其特有优 点和可行性。其主要优点是结构简单，易于实现整流输出，采用传统星形接 法的三相变压器和六个整流二极管的构成全桥整流电路，这都有利于硬件电 路的搭接与实现，同时整流输出的电压较为稳定，为控制系统的研究提供了 1 6 垫婆翌王查堂塑主堂堡垒壅 一 一 保障。另外，在次级输出端用微机控制一个大功率开关管作用于开关状态， 直接控制输出端的电流电压的大小。这使得控制系统更接近于控制对象，从 而在一定程度节省了时间和硬件系统的反应时间。同时i g b t 大功率开并管的 响应速度能达2 0 k 以上，加上现行单片机控制速度快，这为短路过渡过程需 在极短时间内得到控制反应提供了硬件保障，也为主回路应用于短路过渡过 程控制奠定了硬件基础，实现对c o 。焊短路过渡过程的飞溅问题进行深入的 探讨。 2 回路工作原理。 主回路主要有以下几部分构成：三相变压器、整流部分、大功率开关器 件( 单管驱动的绝缘栅双极晶体管i g b t ) 、微机( 单片机) 控制电路、滤波 电路。下面叙述一下其工作原理：三相电由变压器降压输送至不可控全桥电 路整流输出，微机控制系统控制i g b t 的驱动电路，使i g b t 工作于开关状态， 即对直流输出电压波形进行斩波，得到具有一定占空比的方波，短路过渡各 阶段的所需方波的占空比与其各自的特性要求相对应。在i g b t 的输出侧得到 的方波并不能直接用于焊接，所以此时方波通过l c 滤波电路得以将方波滤成 直流电，以各施焊用。利用p w m 控制原理，可以控制i g b t 驱动电路输出的具 有正负偏压的方波的占空比，这个正负偏压用来驱动i g b t 工作于通断状态， 从而控制了i g b t 的开关速度，决定了输出端的直流斩波波形的占空比的大 小，最终达到控制主回路输出端电压的大小。 3 主回路元器件选型。 变压整流部分选择传统的器件即可，这里主要对微机芯片、i g b t 管、i g b t 驱动模块及电流电压传感器型号加以选定。 i g s t 选用是m i g s o o o l s i l ，它是一种压控开关器件，单管驱动型，具有 驱动功率大，耐压高，额定电流大可以达5 0 0 a ，开关响应速度快，可适用于 本系统。 要使i g b t 响应速度快等优点得以充分发挥，对其驱动电路的要求自然不 可忽视，为了可靠地驱动i g b t 且保证其不受到损坏，系统选用了i g b t 专用 驱动模块m 5 7 9 6 2 a l ，驱动模块的信号由单片机控制，详细介绍见4 1 3 节。 单片机控制系统以8 0 c 1 9 6 k c 为核心芯片，这部分见下节详述。 电流电压传感器是用作检测回路的电流电压信息，在这里选用霍尔电流 电压传感器系列，其主要优点是输出量可以为t t l 电平用信号且隔离传感。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 4 1 2 单片机控制系统设计 对于控制系统的设计，首先要知其控制的机理，才能正确进行硬件电路 设计。单片机控制系统硬件设计如图4 - 2 所示( 详细的电路原理图见附录1 ) ， 设计依据的控制机理及单片机系统组成的功能作用，在这一节将作详细叙述。 单片微机控制系统主要硬件组成包括：8 0 c 1 9 6 k c 单片机、检测电路、驱动电 路、显示电