基于DSC的數字脈沖MIG弧焊逆變電源設計

0 引言

　　脈沖MIG(Metal Inert Gas)是一種熔化極惰性氣體保護焊。數字脈沖MIG焊機具有諸多優(yōu)點(diǎn)，在制造工業(yè)中占有重要地位。研制弧焊逆變電源具有重要意義。

　　弧焊逆變電源自上世紀80年代問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展完善，已成為焊接電源的主流產(chǎn)品?；『?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/逆變電源">逆變電源的逆變頻率一般在20～100kHz，由于目前的逆變電源多采用模擬電路控制，限制了逆變電源性能的提高。焊機的數字化是當今焊接裝備發(fā)展的潮流，它使得數字控制應用于弧焊逆變電源成為可能。在國內，數字化焊機的研究尚處于起步階段，較之世界先進(jìn)水平仍有很大的差距。這使我們研究弧焊逆變電源有了很大的必要。

1 電源主電路設計

1．1 系統概述

　　脈沖MIG焊是一種焊接電流周期性變化的熔化極惰性氣體保護焊，它對焊接設備要求較高。主電路的開(kāi)關(guān)頻率要高，響應速度要快，動(dòng)態(tài)響應性能要好，輸出電流波紋要小，要能適應多種焊接材料、多種焊絲直徑在不同條件下的焊接需求。如圖1所示，脈沖MIG焊機主要由6個(gè)部分組成。

1．1．1 主回路

　　主回路是系統的功率變換電路，其功能是將電網(wǎng)上的380V的三相交流電整流并進(jìn)行中頻橋式逆變，經(jīng)再次整流后輸出，輸出電流可達450～500A。

1．1．2 驅動(dòng)電路

　　驅動(dòng)電路具有保護功能，防止出現過(guò)流、過(guò)熱等情況。驅動(dòng)逆變回路中的絕緣柵型大功率晶體管(IGBT)對觸發(fā)脈沖要求嚴格，其開(kāi)關(guān)損耗也與觸發(fā)脈沖的斜率、幅度等密切相關(guān)。

1．1．3 主控板電路

　　主控板電路是焊機控制的核心部分。在控制上使用了變參數電流閉環(huán)PI控制和電壓閉環(huán)PI控制。系統通過(guò)D／A變換送到驅動(dòng)板的模擬輸入口，經(jīng)驅動(dòng)IGBT輸出?？刂频姆答伭渴亲罱K輸出的電壓和電流的采樣值。

1．1．4 送絲機電路

　　送絲機通過(guò)調節送絲電機的轉速實(shí)現焊機焊接的勻速或變速送絲。送絲機電路通過(guò)控制電磁閥實(shí)現保護氣體的通斷。

1．1．5 焊機面板

　　焊機面板是焊機和用戶(hù)交互的接口。用戶(hù)可以通過(guò)面板來(lái)觀(guān)察和設置焊機的工作模式、焊機的狀態(tài)、焊絲和保護氣體的類(lèi)型等。

1．1．6 遙控盒

　　當用戶(hù)離焊機較遠時(shí)，可以通過(guò)遙控盒來(lái)代替控制面板的功能以實(shí)現遠程控制。

1．2 主電路設計

　　系統的主電路的結構如圖2所示，工作在軟開(kāi)關(guān)方式，采用了改進(jìn)的移項諧振電路。

　　逆變部分N1、N3為超前橋臂，N2、N4為滯后橋臂。C1、C3為超前臂的并聯(lián)電容，C2、C4為滯后臂的并聯(lián)電容，且C1=C3>>C2=C4。L2為飽和電感，Cs為環(huán)流抑制串聯(lián)電容。T1為主變壓器。“+”、“-”為焊槍輸出。S1為空氣開(kāi)關(guān)，電網(wǎng)電壓經(jīng)整流和Cp、L1穩壓后為逆變提供直流輸入。

2 電源控制系統設計

2．1 脈沖MIG弧焊電源控制系統總體方案

　　脈沖MIG弧焊控制系統的總體設計是系統設計的關(guān)鍵，它涉及到自動(dòng)控制、計算機及焊接等領(lǐng)域。

　　該電源控制系統的總體方案如圖3所示。脈沖MIG弧焊電源控制系統共有三個(gè)部分：電流波形控制系統、弧長(cháng)控制系統、專(zhuān)家系統。其中電流波形控制系統、弧長(cháng)控制系統為閉環(huán)控制系統，且弧長(cháng)控制系統的輸出為電流波形控制系統的輸入，故整個(gè)系統為雙閉環(huán)控制系統，電流波形控制為內環(huán)，弧長(cháng)控制為外環(huán)。專(zhuān)家系統為整個(gè)雙閉環(huán)系統的調節部分。

2．2 控制系統各部分方案設計

2．2．1 電流波形控制系統

　　為了實(shí)現對電流波形控制的精確性，本系統應當采用PID控制。由于理想微分控制對于強擾動(dòng)反應較快，而電弧的熱慣性使得系統不能及時(shí)地響應微分控制。此外理想微分控制會(huì )使偏差信號e(t)中的噪聲干擾放大，產(chǎn)生較大的噪聲輸出，影響系統性能。故本系統采用了變參數的PI控制器。對于脈沖MIG焊而言，一脈一滴的過(guò)渡形式是所有過(guò)渡形式中焊接質(zhì)量中最好的，此時(shí)熔滴的大小與焊絲直徑相當，因此熔滴過(guò)渡較好的控制思想是控制波形的形狀，保證熔滴的大小一致。波形控制決定著(zhù)單個(gè)熔滴的行為特性。在熔滴過(guò)渡的一個(gè)周期里，熔滴的過(guò)渡中可以分為6個(gè)階段，在這幾個(gè)階段中，分別采用不同的比例系數和積分時(shí)間，從而獲得較好的系統動(dòng)態(tài)響應速度和基值電流時(shí)間的穩態(tài)精度。電流波形控制系統的框圖如圖4所示。

2．2．2 弧長(cháng)控制系統

　　焊接電弧弧長(cháng)的穩定性主要取決于兩個(gè)方面：一是電弧的自身調節作用；二是焊接參數及所選擇的工藝方法。傳統電弧控制方法由于其弧壓控制器的參數選擇要考慮兼顧整個(gè)送絲速度范圍，因此只能保證在某一區間弧長(cháng)控制效果最佳。另外希望弧長(cháng)調節過(guò)程能快速、穩定地進(jìn)行?？紤]到傳統PID控制的不足，且目前模糊控制已經(jīng)較為成熟，故本系統采用模糊控制器來(lái)進(jìn)行弧壓反饋部分的設計。

　　首先將每個(gè)脈沖以峰值為起點(diǎn)，以100μs為采樣周期進(jìn)行采樣并計算平均電壓，并將得到的平均電壓與給定電壓值比較，從而得到電壓偏差與電壓偏差的變化率，然后根據焊工經(jīng)驗，設計模糊控制器，輸入量為電壓偏差和電壓偏差的變化率，經(jīng)過(guò)模糊推理和解模糊得到下一個(gè)脈沖的基值時(shí)間，將計算得到的基值時(shí)間送到電流波形控制部分以修改電流控制波形，從而調整熔化速度，使得脈沖的平均電壓與給定電壓相等。按此思想設計的弧長(cháng)控制系統的框圖如圖5所示。

2．2．3 專(zhuān)家控制系統

　　專(zhuān)家系統是一種模擬人類(lèi)專(zhuān)家解決特定領(lǐng)域問(wèn)題的計算機程序系統。焊接專(zhuān)家系統內部含有大量的焊接領(lǐng)域的專(zhuān)家水平的知識與經(jīng)驗，能按照焊接專(zhuān)家的知識解決焊接領(lǐng)域參數調整與配合問(wèn)題。焊接專(zhuān)家系統屬于分析型專(zhuān)家系統，解決的是分類(lèi)問(wèn)題。通常對分類(lèi)問(wèn)題所進(jìn)行的操作是解釋操作。解釋操作主要是識別操作。焊接專(zhuān)家系統中要識別出工況，根據輸入從專(zhuān)家系統數據庫中獲得相應的解，這個(gè)解可能不唯一，也可能是錯誤的，經(jīng)過(guò)推理機對解進(jìn)行篩選，得到最優(yōu)的解。以下是具體的工作過(guò)程：

　　首先在焊機顯示面板上，由焊工選擇焊接條件，包括焊接材料、母材類(lèi)型、母材牌號、母材厚度、焊絲直徑、保護氣體、送絲速度等。同時(shí)采取適當的措施使得相互之間有關(guān)聯(lián)的條件不出現矛盾，并對輸入的條件進(jìn)行合法性檢查。然后根據所選的焊接條件由專(zhuān)家系統經(jīng)過(guò)推理確定電流控制波形的參數。最后確定電弧控制部分的給定電壓。同時(shí)為了實(shí)現保存焊接規范，設計了知識獲取機。

　　專(zhuān)家系統框圖如圖6所示。

3 系統軟件設計

　　脈沖MIG逆變焊機是一個(gè)復雜的多處理器系統。其軟件設計包括主控板上MC56F8523 DSC的程序設計、主控板MC9S12DP256單片機的焊接專(zhuān)家系統程序設計、送絲機上MC9S08GT60單片機的軟件設計、面板以及遙控盒上AT89C51單片機的軟件設計。

　　每個(gè)子系統的軟件都實(shí)現焊機的部分功能，各個(gè)子系統之間通過(guò)RS-485總線(xiàn)進(jìn)行通訊，由MC9S12DP256進(jìn)行調度。主控板上的DSC主要完成焊接過(guò)程的控制，包括電流閉環(huán)盒電壓閉環(huán)的控制。該系統軟件采用模塊化設計，使得程序結構清晰，便于系統結構擴展。

　　本文給出焊接控制程序設計。該部分程序為系統的主要部分，直接控制焊機的動(dòng)作。程序流程圖如圖7所示。

4 結語(yǔ)

　　本文較系統地介紹了基于DSC+MCU的MIG弧焊電源控制系統的設計，并提出了模糊控制在DSC上的實(shí)現。實(shí)踐證明，該系統工作穩定，有很好的性能指標，完成了設計系統的要求。