第7章-弧焊电源的控制

第7章弧焊电源的控制7.1弧焊电源控制系统的概述7.2弧焊电源控制系统的关键技术7.3弧焊电源的单片机控制7.4弧焊电源的全数字化控制7.5弧焊电源的智能控制7.6机器人用弧焊电源7.7数字式控制弧焊电源产品介绍7.1弧焊电源控制系统的概述对弧焊电源的控制方法可有不同的分类方法:1.按控制装置：主要有机械式控制、电磁式控制、电子式控制和数字式控制。2.按控制方法：主要有PID控制、自适应控制、模糊逻辑控制、人工神经网络控制等。3.按控制内容：有外特性控制、动特性控制和工艺程序控制等。弧焊电源机械控制型抽头式弧焊变压器弧焊整流器动铁式、动圈式弧焊变压器弧焊整流器电磁控制型磁放大器式弧焊整流器弧焊发电机电子控制型晶闸管式弧焊电源晶体管式弧焊电源弧焊逆变器方波交流弧焊电源数字控制型单片微机MCUDSP(数字信号处理器）ARM嵌入式处理器图7-1弧焊电源控制方法的分类7.1.1弧焊电源的控制方法分类7.1.2弧焊电源各种控制方法的特点1.采用机械装置来控制弧焊接电源的外、动特性方法有：动铁式、动圈式、抽头式弧焊变压器，弧焊整流器等。它是通过机械移动铁心或绕组的位置，或换接抽头来改变漏抗和控制漏抗，从而控制弧焊电源的外特性。其动特性取决于弧焊电源自身的结构及其电气参数。机械式控制的弧焊电源的特点是结构简单结实、工作可靠。其规范参数有级调节，在建筑工地等场合还在使用。但是它们的无功损耗大、控制性能差，不能做到精细的控制，只能用在对焊接质量要求不太高的场合。2.电磁式控制的弧焊电源有串联饱和电抗器式弧焊变压器、磁放大器式弧焊整流器和弧焊发电机等。它们靠改变主回路中饱和电抗器的磁饱和程度来控制弧焊电源的外特性，其外、动特性也主要取决于弧焊电源本身的结构。电磁式控制弧焊电源的特点是工作可靠性高，但是磁惯性大、调节速度慢、不灵活，体积和重量都很大，效率低，它们将逐渐被淘汰。我国已明令禁止生产磁放大器式弧焊电源，而弧焊发电机也只生产少量的柴油发电机式，用于野外施工无动力供应的场合。3.电子式控制的弧焊电源无论是弧焊电源的外特性还是动特性，都完全采用电子电路进行控制，包括电流、电压波形的任意控制，而与自身的结构没有决定性关系。电子式控制的弧焊电源主电路采用电力电子功率器件进行功率调节，常用的器件有晶闸管、晶体管、场效应管和IGBT等；采用微电子集成IC为核心的控制电路，使弧焊电源的性能得到大幅度的提升。电子式控制的弧焊电源的主要特点是：控制精度高，可控性好；参数调节范围宽，可调参数多；动特性好，动态响应速度快；高效、节能省材。4.数字式控制的弧焊电源是在电子式控制弧焊电源的基础上，以单片微处理器、DSP、ARM嵌入式芯片为核心实现弧焊电源的部分或全数字化控制。目前在弧焊电源中常用的微处理器有：各种型号的单片微机，有8位和16位的；DSP数字信号处理器，主要有通用型，如美国TI公司的TMS3202xx系列；32位的嵌入式ARM微处理器也开始在弧焊电源中使用。7.1.3对弧焊电源控制系统的要求电子、数字式控制类弧焊电源，与传统的电源区别，它的外特性、调节特性、动特性，除了与结构有一定的关系外，更重要的还受控制于电子、微电子电路。因而对它的要求也较高，除要求它完成基本要求的“宏观”控制任务外，还要求对其静、动态特性，输出的焊接电流、电压波形，引弧、收弧，脉冲波形，多焊接参数的优化匹配等等，进行任意的“微观”控制与变换，还包括工艺时序控制，以便实现高性能、高速度、高质量和对多种贵重材料的自动、半自动焊接，以及具有多功能、柔性的特点。7.2弧焊电源控制系统的关键技术7.2.1工艺时序控制技术各种焊接方法都要按照一定的程序操作焊接过程，图7-2a所示为带高频引弧器的TIG弧焊逆变器工艺控制时序。焊枪开关接通后，弧焊电源的控制电路开始工作，Ar保护气电磁阀开通；延时后，高频引弧器开通引燃电弧，引弧成功后高频引弧器关断。电流在电弧引燃时经过短暂的峰值后回到维弧电流，经过一段预热延时后缓升到正常值。在焊接结束前电流要缓降到维弧电流，经过一段延时后再降为零。送气阀经过延时后再关断。预热缓升正常焊接焊接电流缓降填弧坑后通气保护气体图7-2弧焊工艺控制时序TIG焊（带高频引弧）工艺时序7.2.2引弧和收弧控制技术对于熔化极气体保护焊，在引弧过程中由于焊丝和工件的接触不可避免地存在抖动，电压产生剧烈震荡，电流上升缓慢，引燃电弧较为困难。图7-3a在引弧过程中，在空载电压上维持有一段时间，电流上升迅速，引弧时间短，引弧顺畅，电弧声音柔和。在收弧过程中，电流应缓慢减少到零，让焊丝回烧以填平弧坑，减少弧坑裂纹等焊接缺陷。若收弧过程中电流冲击比较严重，焊接电流和电弧电压的抖动都比较剧烈，收弧过程不稳定，焊接过后有较大的弧坑出现。图7-2-2b的收弧过程比较好，焊接电流波形比较稳定，纹波抖动也较小，电流平缓降低，收弧过程效果较好。图7-3MAG焊的引弧收弧过程a)引弧过程b)收弧过程7.2.3一元化调节技术在焊接规范的调节中，焊接电流和电压需要有很好的配合，不同焊接方法其电流和电压之间的关系也不同。在某一焊接电流值下，有一个对应的最佳电压值，只有电流和电压合理搭配才能使焊丝的熔滴过渡最稳定。电流与电压之间的搭配关系可以从大量焊接工艺试验中得到的，并可绘制出一条一元化曲线。在焊接过程中，通常采用的是电压优先的一元化参数调节。根据焊接材料和焊丝直径的不同，将电源电压给定电压信号依据一定的比例变换后，作为送丝电机的控制电压，使送丝速度随着弧焊电源输出电压的增大而增大，从而使输出电流随之增大。7.2.4弧焊电源的波形控制技术在熔化极气体保护焊中，熔滴的形成、尺寸、过渡模式和熔滴行为等是影响焊接工艺性能、焊缝成形和焊接质量的重要因素，熔滴过渡及行为一直是焊接工作者研究的热点。在熔化极气体保护焊中，典型的熔滴过渡模式有CO2短路过渡和脉冲MIG焊的射滴过渡，研究熔滴过渡模式及行为的目的之一是要对熔滴过渡过程加以控制。7.2.4.1短路过渡的波形控制技术在CO2焊中小电流规范下，熔滴主要是短路过渡，它是在电压较低，弧长较短的时候发生的，是燃弧与短路交替进行的不规则周期性变化过程。在短路过渡过程中，焊接电流起着极其重要的作用。焊接电流的大小及变化率既控制焊丝的熔化，熔滴过渡过程，又影响飞溅的产生和焊缝成形。而焊接电流是焊机输出特性和电弧特性综合作用的结果。焊接工作者研究出各种有效的控制方法。典型的有：恒压特性控制法、复合外特性控制法、波形控制法、脉动送丝控制方法等。较为典型的控制方法有双L型输出特性、双阶梯输出特性。7.2.4.2脉冲电流的波形控制技术脉冲MIG焊工艺是一种焊接质量比较高的熔化极气体保护焊方法。它具有熔滴过渡过程可控，母材热输入量低，焊接变形小，适于全位置焊接，生产效率高。脉冲MIG焊的熔滴过渡形式为：多脉一滴、一脉一滴和一脉多滴，其中一脉一滴是所有过渡形式中最理想的一种，要获得这种熔滴过渡形式，焊接参数之间的配合尤为重要。脉冲焊工艺参数多，除了电弧电压、送丝速度和焊接速度外，还有脉冲参数，包括峰值电流Ip、峰值时间tp、基值电流Ib和基值时间tb。图7-5脉冲MIG焊的脉冲参数示意图电流I/AtptbIbIp时间t/s7.2.4.2脉冲电流的波形控制技术1．Synergic控制法2．脉冲门限控制系统3．QH-ARC控制法4．闭环控制法5．综合控制法6．中值波形控制法7.3弧焊电源的单片机控制随着电子技术和信息技术的进步，弧焊电源向着数字化方向发展。弧焊电源的数字化包括两方面的内容：(1)主电路的数字化。电力电子技术的发展为焊接装备的数字化提供了条件，大功率电力电子器件的出现，使弧焊电源的主电路由模拟工作状态变为开关状态，完成了主电路从模拟到数字化的跨越，当前弧焊逆变器已成为焊机生产中的主流产品和重点发展方向。(2)控制电路的数字化。它们是以单片机、DSP或ARM嵌入式微处理器为控制核心，通过软件编程实现弧焊工艺过程控制，这就大大增加了控制系统的柔性和适应性，便于操作和精确控制。7.3.1单片机控制的功能和特点单片机具有三个基本功能，即数值计算、数值分析和实时控制。采用单片机控制后，通过不同的控制算法可以获得弧焊电源的各种外特性；通过编程可实现任意复杂工艺的顺序控制；可以采用各种控制算法实现焊接工艺参数的最优控制和匹配；利用现场通信技术可进行双机协同控制，实现双丝高速焊接；通过以太网IP接口技术可以实现焊接电源设备的远程管理、维护和升级。(1)外特性控制：通过不同的算法可获得不同外特性和输出线能量的任意控制。(2)动特性控制：通过软件编程可以实现PI或PID调节器，在反馈量中加入电流变化率(di/dt)，可以控制电流的上升速度，使其符合焊接工艺的动态性能特征。(3)预置焊接参数：可以将焊丝材料与直径、工件材质与板厚、保护气体成分等预置在单片机系统的ROM存储器中。焊接时，可通过面板选择具体的焊接工艺参数，单片机系统根据记忆再现，并在焊接过程监控这些焊接参数。(4)实现“一元化”调节功能：针对某一焊接方法，在不同焊接规范下进行大量的焊接工艺试验，找出焊接参数之间的最佳组合。在焊接时，仅用单旋钮选择焊接电流(送丝速度)，其它工艺参数与之配合实现一元化调节。(5)对焊接电流波形的控制：通过软件编程实现PID、模糊逻辑等控制算法，在焊接过程实时采集电流波形，可以实现波形控制。(6)对焊接工艺程序的控制和焊接故障报警：如对先通气后通电、引弧、电流的递增和衰减等工艺程序进行控制；以及对焊接过程中可能产生的粘丝、熄弧、过流、过压、过热、触嘴等故障进行诊断和报警。一、单片机控制实现的功能弧焊电源采用单片机控制后，通过软件编程，大大丰富了控制系统的功能，增加了控制系统的灵活性和适应性，其主要功能如下：二、单片机控制的特点弧焊电源采用单片机控制后，性能更好，功能更全，与传统弧焊电源相比，具有以下特点：(1)便于采用各种先进的控制算法：采用软件编程，不仅可以实现常规PID控制算法，而且可以实现更加先进、更加智能化的控制算法.(2)控制更加灵活、系统升级方便：采用单片机控制后，弧焊电源的许多控制功能可以通过软件编程实现，若改变弧焊电源的功能或对弧焊电源加以升级，只要修改软件重新装载到单片机系统，或者在线修改控制算法和工艺参数，而不必改动硬件电路。(3)控制电路的元器件数量明显减少：随着单片机的集成度的不断提高，以前需要专用IC和分立元件实现的功能，可以在一块单片机内实现。(4)控制系统的可靠性高，易于实现标准化：采用单片机后，许多模拟信号的处理被数字信号处理所代替，使控制系统的可靠性得到大大提高。对于某一系列的弧焊电源产品，可以采用同一套硬件控制电路板；而软件可以采用模块化设计，在产品开发时，根据不同的焊接方法，修改有关参数，并将所需要的软件模块组合起来即可实现相应的焊接工艺。这样从软硬件两方面都可以很容易实现标准化，进一步提高系统的性能和可靠性。(5)存储能力强，便于实现一机多用：存储技术的发展，出现不同的高速存储技术，而存储的密度在大幅度提高。在控制系统中就可以存放不同的焊接工艺应用程序及控制参数，这样就可以实现一机多用。(6)系统一致性好，便于生产制造：采用单片机实现信号的数字化处理，不会出现模拟器件中因温飘和时飘等带来的差异问题，使产品的一致性好。7.3.2单片机控制原理弧焊电源的控制主要可分为以下几个模块：(1)主电路的驱动控制；(2)电参数控制；(3)信号检测电路；(4)故障报警与处理电路；(5)通信电路；(6)人机界面。单片机在控制电路中处于核心地位，是控制系统的中枢大脑，它控制着几个模块按一定的规则协调有序地工作。图7-9单片机控制的弧焊逆变器组成框图系统组成可分为主电路（即电子功率单元）和控制电路（即电子控制单元）两大部分。为了防止主电路对控制电路的干扰，在信号采集输入和控制信号输出通道上都采用光电隔离和电磁隔离等措施。控制过程单片机控制过程如下：由键盘直接输入焊接规范参数，或借助于多圈电位从基准电源产生电压信号，并经过A/D转换输入焊接过程的规范参数，然后通过键盘或控制开