基于自動(dòng)化控制的熔化極惰性氣體保護(hù)焊焊接電源設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)測(cè)試初探

劉安琦，范勝海

（松下制冷（大連）有限公司，遼寧 大連 116600）

在自動(dòng)化控制技術(shù)快速發(fā)展的推動(dòng)下，近年來業(yè)界在熔化極惰性氣體保護(hù)焊領(lǐng)域取得了較為喜人的成果，焊弧能量和熔滴過渡的精確控制便屬于其中的成果典型，而在這些成果的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升熔化極惰性氣體保護(hù)焊的焊接效率、質(zhì)量、穩(wěn)定性，正是本文就焊接電源設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)測(cè)試開展具體研究的原因所在。

1 電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電源控制系統(tǒng)可以細(xì)分為專家系統(tǒng)、電弧控制系統(tǒng)、電流波形系統(tǒng)3部分，其中的專家系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)閉環(huán)系統(tǒng)和給定電壓的調(diào)節(jié)，而電弧控制系統(tǒng)和電流波形系統(tǒng)則共同組成了內(nèi)、外雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。

1.1 電流波形控制

電流波形控制屬于電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，本文選擇了基于變參數(shù)PI控制算法負(fù)責(zé)保證電流環(huán)的電流恒定輸出，由此即可為焊接過程的穩(wěn)定、高效控制實(shí)現(xiàn)提供有力支持。之所以選擇基于變參數(shù)PI控制算法，是由于該算法基于偏差的比例等環(huán)節(jié)能夠較好地服務(wù)于波形控制，基于偏差的積分環(huán)節(jié)更是在克服靜差、提高控制精度領(lǐng)域有著較為出色的表現(xiàn)。對(duì)于本文研究的熔化極惰性氣體保護(hù)焊焊接來說，其本身具備熔滴過渡周期性特點(diǎn)，深入分析可以發(fā)現(xiàn)其熔滴過渡過程存在上升、峰值、下降、基值4個(gè)階段，而這4個(gè)階段均存在與之相對(duì)應(yīng)的電流波形，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系正是基于變參數(shù)PI控制算法應(yīng)用的原理所在。值得注意的是，很多時(shí)候基于變參數(shù)PI控制算法需要得到專家系統(tǒng)的支持，這是為了應(yīng)對(duì)熔化極惰性氣體保護(hù)焊的保護(hù)氣體、焊絲直徑和材料、送絲速度發(fā)生變化情況[1]。

1.2 電弧控制

為進(jìn)一步提升熔化極惰性氣體保護(hù)焊的焊接穩(wěn)定性、質(zhì)量、效率，其電弧控制也必須得到關(guān)注，但考慮到該焊接技術(shù)的電弧弧長存在非線性特征，因此本文選擇了模糊控制算法負(fù)責(zé)電弧控制，由此即可省略大量復(fù)雜數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用。在模糊控制算法的應(yīng)用中，這一應(yīng)用會(huì)通過控制電弧電壓精準(zhǔn)控制電弧弧長。該過程需要將模糊控制器輸入變量定義為：

式（1）中：en為第n次的采樣偏差；Ug為給定電弧電壓；Ufn為第n次電弧均值電壓反饋量；ecn為第n次的偏差變化率；en-1為第n－1次的采樣偏差。

一般情況下，熔化極惰性氣體保護(hù)焊的焊接電弧弧長為5.5 mm，如果電場強(qiáng)度為0.61 V/mm，即可通過式（1）求得ecn為－3.36～＋3.36 V，由于基值時(shí)間12 ms時(shí)的熔化極惰性氣體保護(hù)焊焊接過程較為平穩(wěn)，可求得峰值電壓為±3.2 V，進(jìn)一步計(jì)算可得出1.79 ms這一電弧均值電壓變化1 V的對(duì)應(yīng)基值時(shí)間，其變化范圍為－5.73～＋5.73 V。由于e，ecn，Tb分別與模糊量E、EC、T相對(duì)應(yīng)，因此可以確定E和EC的論域設(shè)定為－3～＋3，T的論域設(shè)定則為－6～＋6，選擇1為單位分割論域內(nèi)的模糊量，使用B，M，S表示大、中、小，使用P和N表示正與負(fù)，ZO表示零，即可得出輸入量E、EC和輸出量T的三角隸屬度函數(shù)，其中，ke＝kec＝2、kT＝1.參考熔化極惰性氣體保護(hù)焊特點(diǎn)，確定了基于模糊控制的推理原則，即“系統(tǒng)采樣偏差較小時(shí)，主要采用以穩(wěn)定為主的控制策略；當(dāng)系統(tǒng)采樣偏差較大時(shí)，以無誤差或誤差最小為主，同時(shí)需要關(guān)注系統(tǒng)超調(diào)及振蕩”。最終筆者得出了用于焊接電弧電壓控制的模糊控制規(guī)則，由此即可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量焊接過程電弧均值電壓控制。

2 硬件與軟件設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

熔化極惰性氣體保護(hù)焊焊接電源的硬件主要由主電路、控制系統(tǒng)、顯示面板、自動(dòng)送絲機(jī)4部分組成，其中的控制系統(tǒng)屬于研究的關(guān)鍵所在，該系統(tǒng)可以細(xì)分為外圍電路、電壓控制系統(tǒng)和電流環(huán)控制系統(tǒng)3部分。在焊接電源控制系統(tǒng)的控制中，采用了現(xiàn)場可編程門陣列FPGA實(shí)時(shí)控制電流環(huán)，具體硬件選擇了Altera公司生產(chǎn)的Cyclone III FPGA型號(hào)芯片、AD7863型號(hào)的14位A/D轉(zhuǎn)換器芯片、TVL5630型號(hào)的12位D/A轉(zhuǎn)換器芯片，為進(jìn)一步提升焊接電源控制系統(tǒng)的信號(hào)傳輸能力和抗干擾能力，采用了波形整形電路和光電耦合器。值得注意的是，為了滿足電壓環(huán)控制的實(shí)時(shí)要求，芯片的采樣周期需要小于系統(tǒng)延遲時(shí)間，芯片的計(jì)算時(shí)間則需要小于系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理時(shí)間，同時(shí)系統(tǒng)對(duì)多個(gè)芯片進(jìn)行了集成，其穩(wěn)定性由此可得到更好的保障[2]。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

熔化極惰性氣體保護(hù)焊焊接電源設(shè)計(jì)中的軟件設(shè)計(jì)主要包括主控制器DSC系統(tǒng)、協(xié)處理器FPGA系統(tǒng)，前者主要負(fù)責(zé)電弧電壓的模糊控制，后者則負(fù)責(zé)電流波形控制。對(duì)于軟件層面的熔化極惰性氣體保護(hù)焊焊接電源設(shè)計(jì)來說，其控制流程可以概括為“控制系統(tǒng)初始化→焊接開始→運(yùn)行引弧程序→等待一定時(shí)間或電流超過規(guī)定值→進(jìn)入上升、峰值、下降、基值4個(gè)階段循環(huán)→基值段應(yīng)用基于變參數(shù)的PI控制算法→給定閥值大于電弧均值時(shí)轉(zhuǎn)入上升段→采用基于變參數(shù)的PI控制算法控制峰值電流→1.2 ms后計(jì)算電弧均值電壓→給定閥值大于電弧均值電壓進(jìn)入下降段→繼續(xù)應(yīng)用基于變參數(shù)的PI控制算法控制→到達(dá)設(shè)定運(yùn)行時(shí)間進(jìn)入基值段→循環(huán)→收到終止信號(hào)→收弧、停止焊接”，由此可深入了解該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為驗(yàn)證上文研究的實(shí)踐價(jià)值，選擇了純氬氣作為保護(hù)氣體、直徑1.0 mm的鋁鎂合金焊絲、20 V的試焊電壓、125A的試焊電流，其中的起弧電流設(shè)定為410A、基值電流設(shè)定為85A、基值時(shí)間設(shè)定為3.6 ms、峰值時(shí)間設(shè)定為340A，由此開展的熔化極惰性氣體保護(hù)焊焊接電源控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，求得了該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的起弧波形、焊接波形和收弧波形。

分析起弧波形不難發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)求得了410A的起弧電流、22A的基值電流、78 V的空載電壓，而分析焊接波形和收弧波形可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用熔化極惰性氣體保護(hù)焊焊接電源控制系統(tǒng)焊接時(shí)的峰值電流為355A、峰值時(shí)間為1.45 ms、基值電流為82A、基值時(shí)間為3.6 ms，這一系列數(shù)值直觀說明了本文研究的電源控制系統(tǒng)具備較為優(yōu)秀的控制效果，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)控制電流波形與電壓弧長能夠大大提升熔化極惰性氣體保護(hù)焊的焊接質(zhì)量、效率。

4 結(jié)論

綜上所述，本文研究的熔化極惰性氣體保護(hù)焊焊接電源控制系統(tǒng)具備較高的應(yīng)用價(jià)值。而在此基礎(chǔ)上，本文涉及的理論分析、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等內(nèi)容，則證明了研究的借鑒價(jià)值。因此，在相關(guān)領(lǐng)域的理論研究和實(shí)踐探索中，本文內(nèi)容能夠發(fā)揮一定的參考作用。

［1］王江.馬氏體不銹鋼的熔化極惰性氣體保護(hù)焊焊接［J］.機(jī)械工程師，2013（12）：232.

［2］趙長清.鋁及鋁合金板材非熔化極惰性氣體保護(hù)焊的焊接工藝探討［J］.民營科技，2012（08）：31.