數字化弧焊電源的現狀與分析

聶大濤，何建萍，王付鑫，任磊磊

(上海工程技術大學材料工程學院，上海 201620)

0 前言

所謂數字化就是將許多復雜多變的信息轉變?yōu)榭梢远攘康臄底帧祿?，再以這些數字、數據建立適當的數字化模型。采用模數轉換器把它們轉變?yōu)橐幌盗卸M制代碼，引入計算機內部，進行統一處理。數字化焊機是指在模擬技術控制的焊機基礎上，采用集成電路和數字控制技術，用0、1二進制編碼的數字信號代替模擬信號，從而獲得性能穩(wěn)定、可控性好、精度高的新型焊機。

電弧焊接是利用電弧作為熱源的熔焊方法。焊接電弧是一種發(fā)生在電極與焊件之間的氣體放電現象，自“自由電弧”出現以來，以電弧作為熱源在焊接生產應用中已有很長的歷史，對其工藝性能進行改善一直是國內外研究的熱點［1］。電弧是一種常見的熱等離子［2］，由焊接電源供給，在電極與工件之間產生的電弧可有效地把電能轉換成焊接過程所需要的熱能。

焊接電源作為焊機的重要組成部分，為焊接電弧提供電能。性能良好、工作穩(wěn)定的弧焊電源是實現先進電弧焊工藝的關鍵。隨著電力電子技術、數字化技術的發(fā)展，數字化弧焊電源開始問世。由于其性能穩(wěn)定、可控性好、精度高等顯著特點，成為今后國內外焊接工作者的主要研究方向之一。

1 國內外研究現狀

20世紀90年代初期數字化弧焊電源在歐洲問世，此后數字化弧焊電源的發(fā)展日新月異。奧地利Fronius 公司［3］推出的 TPS2700/TPS4000/TPS5000全數字化弧焊電源，可以監(jiān)控焊接過程、程序化引弧和收弧及智能化調節(jié)參數。一臺焊機可實現MIG/MAG、TIG和焊條電弧焊等多種焊接方法，可存儲約80個焊接程序，實時顯示焊接參數，同時，此類弧焊電源還能通過網絡進行工藝管理和控制軟件升級。美國Lincoln電氣公司推出了Nextweld弧焊電源，它是波形控制技術、數字化通信技術和電源電子技術的無縫集成。Miller公司生產的SyncrWave250、351、500P交直流方波電源，用于交流TIG焊，當電流過零點時，電壓上升極快，在極短時間內電弧復燃，大大提高了電弧的穩(wěn)定性。澳大利亞的 WOLLONG大學利用美國 TI公司的TMS320C32數字信號處理器的高速采樣率控制GMAW 焊接過程［4］。此外，大阪電器、Kemppi、Lincoln等公司將微機應用于逆變弧焊電源，精確控制輸出脈沖，實現同步脈沖的最優(yōu)MAG焊過程，開發(fā)出電弧穩(wěn)定、無飛濺的熔化極氣體保護焊機。

國內數字化弧焊電源的研究起步比較晚。上海交通大學的李芳［5］針對當前GMAW-P數字焊接電源存在的問題，應用模塊化理論，從數字控制角度對GMAW-P焊接電源系統進行了模塊劃分。采用雙CPU控制理論，分別使用DSP和MCU獨立控制信息交互模塊與過程控制模塊，并通過RS-485總線來實現DSP和MCU之間的數據通訊。北京工業(yè)大學李強［6］設計了一套直流脈沖TIG焊接系統，其脈沖電源主回路采用全橋二次逆變拓撲結構:一次逆變采用雙PI調節(jié)方式，實現精確快速的功率輸出控制;二次逆變控制采用ARM+CPLD結構，實現脈沖的頻率、占空比等功能控制。哈爾濱工程大學段美珠［7］結合DSP和嵌入式系統的最新發(fā)展，采用DSP、CPLD和單片機設計了CO2焊逆變電源的全數字控制系統，建立了CO2氣體保護焊的全數字控制系統的研究平臺。蘭州理工大學陳濤［8］采用逆變技術和數字信號處理技術，研究開發(fā)一套數字控制低能量輸入GMAW焊接電源。

2 模擬弧焊電源的結構及分析

傳統的弧焊電源都采用模擬控制方式，逆變式弧焊電源工作原理框圖如圖1所示。

模擬控制型弧焊電源都是由主電路(電子功率器件)和控制電路(電子控制系統)兩大部分組成的。主電路主要功能是變壓變流，提供電弧負載所需要的電壓和電流;控制電路主要是通過驅動電路來實現弧焊電源各種特性的控制［9］。

圖1 逆變式弧焊電源工作原理框圖Fig.1 Principle block － diagram of inverter arc welding power source

隨著焊機功能的增加和焊接工藝復雜性的增強，傳統的模擬式弧焊電源已不能滿足現代焊機的發(fā)展需求，各種數字化控制器件的應用促進了數字化弧焊電源的發(fā)展。與數字化弧焊電源相比，模擬控制系統的弧焊電源存在以下缺點:(1)各種分立元器件較多，線路復雜，靈活性差，很難適應復雜的焊接工藝要求;(2)模擬器件的穩(wěn)定性差，容易受溫度、濕度、電場、磁場等外界環(huán)境的影響，降低控制準確性，同時還存在器件老化問題。

因此，開發(fā)動特性好、焊接工藝優(yōu)良、效率高、控制性能良好的數字化弧焊電源成為我國數字化等離子弧焊機發(fā)展的主要方向。

3 數字化弧焊電源

數字化弧焊電源系統結構如圖2所示［10］。數字化弧焊電源就是用數字控制技術代替模擬控制技術，即用數字電路和軟件控制代替?zhèn)鹘y的模擬電路控制。它由主電路、控制電路和保護電路組成，其核心是數字控制系統。

圖2 數字化弧焊電源系統的結構Fig.2 Assumption diagram of digital arc welding power source system

3.1 主電路的數字化分析

逆變電源主電路示意如圖3所示［11］。

圖3 主電路示意Fig.3 Main circuit diagram

逆變電源因其體積小、質量輕、轉換效率高、節(jié)材節(jié)能等特點，得到了廣泛的應用。其主要電路形式有單端、半橋、全橋電路，分別適合于小、中和大功率輸出。其中全橋式主電路有特有的優(yōu)點，其電路簡潔，變壓器工作在磁滯曲線的兩側，體積小［12］。

主電路的數字化關鍵在于變壓器的設計必須要滿足電流、電壓的匹配要求。數字化弧焊電源主要采用開關式電源，其功率開關器件IGBT工作在開關狀態(tài)，通過調節(jié)占空比來控制輸出功率［11］。焊接電源主電路的數字化提高了焊接電源的性能:(1)焊接電源的功率損耗減少，使得焊接電源的效率達到90%以上;(2)隨著工作頻率的提高，回路輸出電流的紋波更小，響應速度更快，因此焊機能夠獲得更好的動態(tài)響應特性;(3)采用快速開關功率器件，獲得優(yōu)良的焊接工藝性能，實現少、無飛濺和成形良好的焊接工藝要求。

3.2 數字化控制器件

目前常見的數字化控制器件有ARM、單片機、數字信號處理器(DSP)和CPLD/FPGA等。

3.2.1 ARM 處理器

ARM處理器是一個32位元精簡指令集(RISC)處理器架構，廣泛地應用于許多嵌入式系統設計。其特點有:①體積小、低功耗、低成本、高性能;②大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快;③尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高;④指令長度固定。

在基于ARM微處理器的數字化逆變電源設計中，數字化微處理器ARM作為控制系統的核心，具有32位微處理器和高速運算能力，可采用C語言編程。此外，ARM片上系統內嵌PWM調制器，可通過軟件程序實現PWM的輸出，實現六路單邊沿控制或三路雙邊沿控制，脈沖周期和寬度是任意的定時器計數值，能實現死區(qū)時間控制［13］。在此基礎上，采用嵌入式操作系統開發(fā)模式，可以保證系統的實時性，提高系統的穩(wěn)定性和可靠性［14］。

3.2.2 MCU 處理器

單片機是將微處理器、存儲器以及I/O接口電路集成在一塊芯片上構成的，不僅具有一般計算機的功能，還在芯片上集成有定時器/計數器，從而提高了實時控制能力。由于單片機的I/O接口多，位操作指令豐富，邏輯操作功能強，抗干擾性及適應能力強等特點，被廣泛應用于各種家用電器、工業(yè)控制和智能終端。

3.2.3 DSP 處理器

數字信號處理器(DSP)是繼單片機之后發(fā)展起來的新型數字化控制器件，它可以高速實現過去由軟件實現的大部分算法。DSP與其他數字控制器件相比的優(yōu)點是:數據處理能力強、運算速度快、采樣周期短、能實時完成復雜計算。因此，以DSP為控制核心的數字化弧焊電源已成為主要發(fā)展方向。

3.2.4 CPLD/FPGA 處理器

復雜可編程邏輯器件(CPLD)是一種用戶根據各自需要而自行構造邏輯功能的數字集成電路。借助集成開發(fā)軟件平臺，用原理圖、硬件描述語言等方法，生成相應的目標文件，再將代碼傳送到目標芯片中，實現設計的數字系統。FPGA是在CPLD等可編程器件的基礎上發(fā)展的產物，克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點。

3.3 數字化多機處理器系統

隨著焊接過程和焊接工藝的復雜性增強，對焊接電源性能的要求也越來越高，采用單一處理器控制的弧焊電源已不能滿足復雜焊接工藝的需求，而且采用單一的處理器，信號高度集中，資源獨占，程序設計復雜，可靠性降低，因此多機控制系統成為了目前主要研究方向。多機控制系統大大簡化了硬件電路，系統的可靠性、靈活性以及控制精度都得到很大提高，系統升級也更為便捷。

3.3.1 MCU+DSP 系統

MCU處理慢速事件，負責進行與外部各模塊的數據交換，并將各類數據傳遞到DSP，同時處理硬件電路各類保護和邏輯信號并做出相應動作。DSP處理高速事件，負責控制弧長穩(wěn)定和不同材料的波形、焊接各個過程的實時控制、焊機外特性的實現等功能。MCU和DSP之間采用RS485通訊方式，提高了傳輸速率。

3.3.2 MCU+FPGA 系統

FPGA是一種半定制電路，既有軟件編程的優(yōu)點，設計電路靈活多變，又具有豐富的觸發(fā)器和引腳等內部資源，運算速度快，可以滿足實時控制要求。因此，采用FPGA作為主控芯片，實現焊接工藝時序和焊接電弧的精細控制。由高性能的MCU完成人機交互功能、與外界的通訊等，最終共同構成全數字脈沖弧焊電源［15］。

3.3.3 ARM+DSP+FPGA 系統

控制系統的主電路以IGBT構成的逆變器為核心，控制系統以植入了實時操作系統的ARM作為控制核心，負責焊接程序控制和人機接口，以DSP為運算核心，負責焊接參數反饋運算。結合FPGA在線可編程的邏輯功能對焊機從硬件和軟件進行全方位的升級［16］。

3.3.4 MCU+DSP+CPLD 系統

結合DSP技術和嵌入式系統發(fā)展的最新成果，選用DSP和MCU設計脈沖MIG/MAG焊逆變電源的全數字控制系統。其中，DSP負責電源的整體管理與控制，CPLD負責數字化PWM、數字化保護電路和數字化濾波電路，單片機負責人機接口交互系統的控制，單片機和DSP之間采用RS232通訊協議進行數據的交互［17］。

3.4 數字化控制規(guī)律

自動化控制系統中，在確定性控制規(guī)律的基礎上，數字化控制和智能化控制的研究成為熱點。所謂智能化控制，就是將以模糊邏輯、神經元網絡和專家系統為標志的人工智能技術引入弧焊電源的控制系統，對復雜焊接對象的不確定信息進行有效控制。目前對智能化控制系統的研究已有一定進展，其中模糊控制和神經網絡控制成為主要研究方向。

3.4.1 模糊控制

模糊控制是在控制方法上應用模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理的知識來模擬人的模糊思維方法，用計算機實現與操作者相同的控制。它實質上是一種非線性控制，屬于智能控制的范疇。

模糊控制的突出特征是一種基于規(guī)則的控制，以現場操作人員的控制經驗或相關專家知識為出發(fā)點，采用語言型控制規(guī)則，將這些規(guī)則編寫成相應的控制程序，構成計算機控制系統，從而達到用計算機構成模糊控制器，去對那些復雜、無法建立數學模型的系統進行控制的目的［11］。

模糊控制適用于以下系統:太復雜而無法精確建立數學模型的系統，具有操作非線性或者多參數的系統，輸入或者定義具有結構不確定的系統。

3.4.2 神經網絡控制

神經網絡控制是人工神經網絡理論與控制理論相結合的產物，是智能控制的一個新的分支，為解決復雜的非線性、不確定、不確知系統的控制問題開辟了新途徑，使控制系統穩(wěn)定性好、魯棒性強，具有滿意的動靜態(tài)特性。

由于神經元網絡具有自適應、自學習、并行處理及較強的容錯能力，將人工神經元網絡用于復雜過程的控制引起了人們的廣泛關注。因此，提出一種基于神經元網絡的自適應神經網絡PID控制器，將它作為焊接電壓、電流的自適應神經元網絡控制系統的核心。與傳統PID相比，自適應神經網絡PID控制的系數由學習算法來調整，實時性強［18］。

經過幾十年的發(fā)展，人工神經網絡已經廣泛應用于自動控制、處理組合優(yōu)化問題、模式識別、圖像處理、機械人控制、信號處理、焊接領域，以及數據挖掘、電力系統、交通等領域。

3.4.3 專家系統

專家系統是早期人工智能的一個重要分支，它應用人工智能技術和計算機技術，根據某領域一個或多個專家提供的知識和經驗，進行推理和判斷，從而模擬人類專家處理復雜問題。從某種意義上來說，專家系統就是一個知識獲取和利用的系統。目前，它在焊機逆變電源的設計、建模、波形控制方面取得了一些成果。但專家系統的獲取比較慢，難以滿足快速時變系統的實時控制要求［19］。

經過焊接工作者不懈努力，專家系統的研究和應用幾乎涵蓋焊接生產的所有主要領域，如焊接工藝設計、裂紋分析、實時監(jiān)控等諸多方面。

3.4.4 確定性的控制規(guī)律

除了上述不確定性的控制規(guī)律外，還存在一些確定性的控制規(guī)律，如:比例(P)控制、積分(I)控制和微分(D)控制。更多的場合下，這幾種控制規(guī)律是組合使用的，如比例(P)控制、比例積分(PI)控制、比例積分微分(PID)控制等。

(1)比例(P)控制。

比例控制規(guī)律表達式為

比例控制是最基本、最重要和應用最普遍的控制規(guī)律，它能夠迅速克服擾動的影響，使系統很快穩(wěn)定下來。通常適用于擾動幅度小、負荷變化不大、過程時滯較小(τ/T)或者控制要求不高的情況下。

(2)比例積分(PI)控制。

比例積分(PI)控制表達式為

比例積分控制器的工作點不斷變化，可以看成是粗調的比例作用與細調的積分作用的組合。由于比例積分控制器具有比例和積分控制的優(yōu)點，有比例度和積分時間兩個參數可調，因此適用范圍較廣，多數控制系統都可以采用。

(3)比例積分微分(PID)控制。

理想的PID控制器的運算規(guī)律數學表達式為

實際的PID控制規(guī)律比較復雜，在幅度為A的階躍偏差作用下可以看作是比例、積分、微分三部分作用的疊加:

PID控制器有比例度δ、積分時間TI和微分時間TD三個參數可供調整，因此適用范圍廣，在溫度和成分分析系統的控制中得到更為廣泛的應用。

4 數字化弧焊電源存在的問題

雖然數字化弧焊電源與傳統的電源相比，在穩(wěn)定性、可靠性和可調性等方面都有很大的提高，但是仍然存在一些問題:

(1)在通用性方面，由于電源的負載都不相同，造成逆變電源很難達到設計要求。此外，弧焊電源逆變器的應用場合不同，負載特性和要求也不同，以至于沒有哪一種PWM方法能夠兼顧各方面。

(2)焊接過程的復雜性和開放式的特點使得生產過程不穩(wěn)定，弧焊電源輸入電壓的波動幅值和負載的性質、大小變化范圍很大，增加了控制對象的復雜性和不確定性，因此，簡單的控制方法很難滿足實際的生產需求。

(3)構成弧焊電源的線路復雜，結構不緊湊，造成了電源運行的穩(wěn)定性差，難于適應復雜的焊接工藝要求。

5 展望

研究數字化逆變弧焊電源，增強電源參數的穩(wěn)定性和調節(jié)靈活性，使得焊接過程穩(wěn)定，焊縫成型良好。在高質量、高效率的焊接生產中，發(fā)揮著極其重要的作用。

隨著各種功率器件的發(fā)展和功能的完善，數字化逆變弧焊電源的主電路將進一步簡化，線路復雜性降低，可靠性和穩(wěn)定性提高。在滿足各種焊接工藝要求的同時，將大大降低設備的成本。另一方面，電源電路的簡化對軟件系統的要求增加，軟件系統的穩(wěn)定性和可靠性直接影響著焊接質量的好壞。在計算機技術、網絡技術和數字化集成技術不斷發(fā)展的推動下，能夠處理多因素、非線性等復雜焊接過程的智能控制系統成為一個新的研究方向。

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