基于DSC的数字脉冲MIG弧焊逆变电源设计

引言
   
         脉冲MIG(Metal Inert Gas)是一种熔化极惰性气体保护焊。数字脉冲MIG焊机具有诸多优点，在制造工业中占有重要地位。研制弧焊逆变电源具有重要意义。
   
         弧焊逆变电源自上世纪80年代问世以来，经过不断的发展完善，已成为焊接电源的主流产品。弧焊逆变电源的逆变频率一般在20～100kHz，由于目前的逆变电源多采用模拟电路控制，限制了逆变电源性能的提高。焊机的数字化是当今焊接装备发展的潮流，它使得数字控制应用于弧焊逆变电源成为可能。在国内，数字化焊机的研究尚处于起步阶段，较之世界先进水平仍有很大的差距。这使我们研究弧焊逆变电源有了很大的必要。
         1 电源主电路设计

         1．1 系统概述
   
         脉冲MIG焊是一种焊接电流周期性变化的熔化极惰性气体保护焊，它对焊接设备要求较高。主电路的开关频率要高，响应速度要快，动态响应性能要好，输出电流波纹要小，要能适应多种焊接材料、多种焊丝直径在不同条件下的焊接需求。如图1所示，脉冲MIG焊机主要由6个部分组成。
         1．1．1 主回路
   
         主回路是系统的功率变换电路，其功能是将电网上的380V的三相交流电整流并进行中频桥式逆变，经再次整流后输出，输出电流可达450～500A。

         1．1．2 驱动电路
   
          驱动电路具有保护功能，防止出现过流、过热等情况。驱动逆变回路中的绝缘栅型大功率晶体管(IGBT)对触发脉冲要求严格，其开关损耗也与触发脉冲的斜率、幅度等密切相关。

         1．1．3 主控板电路
   
         主控板电路是焊机控制的核心部分。在控制上使用了变参数电流闭环PI控制和电压闭环PI控制。系统通过D／A变换送到驱动板的模拟输入口，经驱动IGBT输出。控制的反馈量是最终输出的电压和电流的采样值。

         1．1．4 送丝机电路
   
         送丝机通过调节送丝电机的转速实现焊机焊接的匀速或变速送丝。送丝机电路通过控制电磁阀实现保护气体的通断。

         1．1．5 焊机面板
   
         焊机面板是焊机和用户交互的接口。用户可以通过面板来观察和设置焊机的工作模式、焊机的状态、焊丝和保护气体的类型等。

         1．1．6 遥控盒
   
         当用户离焊机较远时，可以通过遥控盒来代替控制面板的功能以实现远程控制。

         1．2 主电路设计
   
         系统的主电路的结构如图2所示，工作在软开关方式，采用了改进的移项谐振电路。
  
  
        逆变部分N1、N3为超前桥臂，N2、N4为滞后桥臂。C1、C3为超前臂的并联电容，C2、C4为滞后臂的并联电容，且C1=C3>>C2=C4。L2为饱和电感，Cs为环流抑制串联电容。T1为主变压器。“+”、“-”为焊枪输出。S1为空气开关，电网电压经整流和Cp、L1稳压后为逆变提供直流输入。
  
  
        2 电源控制系统设计

          2．1 脉冲MIG弧焊电源控制系统总体方案
   
          脉冲MIG弧焊控制系统的总体设计是系统设计的关键，它涉及到自动控制、计算机及焊接等领域。
   
          该电源控制系统的总体方案如图3所示。脉冲MIG弧焊电源控制系统共有三个部分：电流波形控制系统、弧长控制系统、专家系统。其中电流波形控制系统、弧长控制系统为闭环控制系统，且弧长控制系统的输出为电流波形控制系统的输入，故整个系统为双闭环控制系统，电流波形控制为内环，弧长控制为外环。专家系统为整个双闭环系统的调节部分。
  
          2．2 控制系统各部分方案设计

          2．2．1 电流波形控制系统
   
          为了实现对电流波形控制的精确性，本系统应当采用PID控制。由于理想微分控制对于强扰动反应较快，而电弧的热惯性使得系统不能及时地响应微分控制。此外理想微分控制会使偏差信号e(t)中的噪声干扰放大，产生较大的噪声输出，影响系统性能。故本系统采用了变参数的PI控制器。对于脉冲MIG焊而言，一脉一滴的过渡形式是所有过渡形式中焊接质量中最好的，此时熔滴的大小与焊丝直径相当，因此熔滴过渡较好的控制思想是控制波形的形状，保证熔滴的大小一致。波形控制决定着单个熔滴的行为特性。在熔滴过渡的一个周期里，熔滴的过渡中可以分为6个阶段，在这几个阶段中，分别采用不同的比例系数和积分时间，从而获得较好的系统动态响应速度和基值电流时间的稳态精度。电流波形控制系统的框图如图4所示。
  
          2．2．2 弧长控制系统
   
          焊接电弧弧长的稳定性主要取决于两个方面：一是电弧的自身调节作用；二是焊接参数及所选择的工艺方法。传统电弧控制方法由于其弧压控制器的参数选择要考虑兼顾整个送丝速度范围，因此只能保证在某一区间弧长控制效果最佳。另外希望弧长调节过程能快速、稳定地进行。考虑到传统PID控制的不足，且目前模糊控制已经较为成熟，故本系统采用模糊控制器来进行弧压反馈部分的设计。
   
          首先将每个脉冲以峰值为起点，以100μs为采样周期进行采样并计算平均电压，并将得到的平均电压与给定电压值比较，从而得到电压偏差与电压偏差的变化率，然后根据焊工经验，设计模糊控制器，输入量为电压偏差和电压偏差的变化率，经过模糊推理和解模糊得到下一个脉冲的基值时间，将计算得到的基值时间送到电流波形控制部分以修改电流控制波形，从而调整熔化速度，使得脉冲的平均电压与给定电压相等。按此思想设计的弧长控制系统的框图如图5所示。
  
  
        2．2．3 专家控制系统
   
          专家系统是一种模拟人类专家解决特定领域问题的计算机程序系统。焊接专家系统内部含有大量的焊接领域的专家水平的知识与经验，能按照焊接专家的知识解决焊接领域参数调整与配合问题。焊接专家系统属于分析型专家系统，解决的是分类问题。通常对分类问题所进行的操作是解释操作。解释操作主要是识别操作。焊接专家系统中要识别出工况，根据输入从专家系统数据库中获得相应的解，这个解可能不唯一，也可能是错误的，经过推理机对解进行筛选，得到最优的解。以下是具体的工作过程：
   
          首先在焊机显示面板上，由焊工选择焊接条件，包括焊接材料、母材类型、母材牌号、母材厚度、焊丝直径、保护气体、送丝速度等。同时采取适当的措施使得相互之间有关联的条件不出现矛盾，并对输入的条件进行合法性检查。然后根据所选的焊接条件由专家系统经过推理确定电流控制波形的参数。最后确定电弧控制部分的给定电压。同时为了实现保存焊接规范，设计了知识获取机。
   
          专家系统框图如图6所示。
  
  
        3 系统软件设计
   
          脉冲MIG逆变焊机是一个复杂的多处理器系统。其软件设计包括主控板上MC56F8523 DSC的程序设计、主控板MC9S12DP256单片机的焊接专家系统程序设计、送丝机上MC9S08GT60单片机的软件设计、面板以及遥控盒上AT89C51单片机的软件设计。
   
          每个子系统的软件都实现焊机的部分功能，各个子系统之间通过RS-485总线进行通讯，由MC9S12DP256进行调度。主控板上的DSC主要完成焊接过程的控制，包括电流闭环盒电压闭环的控制。该系统软件采用模块化设计，使得程序结构清晰，便于系统结构扩展。
   
          本文给出焊接控制程序设计。该部分程序为系统的主要部分，直接控制焊机的动作。程序流程图如图7所示。
  
  
        4 结语
   
          本文较系统地介绍了基于DSC+MCU的MIG弧焊电源控制系统的设计，并提出了模糊控制在DSC上的实现。实践证明，该系统工作稳定，有很好的性能指标，完成了设计系统的要求。

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