單個(gè)弧焊電源遠(yuǎn)程控制策略研究＊

高英俠，孫澤濤

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單個(gè)弧焊電源遠(yuǎn)程控制策略研究＊

高英俠，孫澤濤

（甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 金昌 737100）

在焊接生產(chǎn)自動化及弧焊電源規(guī)?；褂眠^程中，弧焊電源維修及保養(yǎng)越來越困難，使用焊接電源遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控能夠使此問題得到解決。單個(gè)弧焊設(shè)備性能良好、工作穩(wěn)定，良好弧焊電源控制技術(shù)為焊接設(shè)備高性能的主要體現(xiàn)?；诖?，對單個(gè)弧焊電源遠(yuǎn)程控制策略進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了單個(gè)弧焊電源遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，此系統(tǒng)能夠遠(yuǎn)程設(shè)置弧焊電源焊接參數(shù)，還能夠?qū)『鸽娫垂ぷ鳡顟B(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程檢測。

弧焊電源；遠(yuǎn)程控制；控制策略；數(shù)字化

現(xiàn)有的電焊機(jī)相互獨(dú)立，無論是在穩(wěn)定性、安全性、可管理性、可集中管理和可集中控制性上都無法得到保證。焊接設(shè)備數(shù)字化、設(shè)備通訊技術(shù)優(yōu)化與集成控制設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化是實(shí)現(xiàn)焊接生產(chǎn)自動化、信息化與智能化的基礎(chǔ)。數(shù)字化焊機(jī)順應(yīng)了時(shí)代的需求，已經(jīng)成為了焊機(jī)發(fā)展的主流方向。相比于傳統(tǒng)模擬焊機(jī)，數(shù)字化焊機(jī)具有焊接精度高、功能強(qiáng)大及管理功能充實(shí)等優(yōu)勢。通過對數(shù)字化焊接設(shè)備的高效管理，一方面可以提高焊接設(shè)備的使用效率，另一方面可以對焊接信息進(jìn)行管理[1]。

1 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

弧焊電源控制電路都是通過電子控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)焊接電弧的閉環(huán)動態(tài)控制，電子控制系統(tǒng)主要包括驅(qū)動電路、控制電路及反饋電路。逆變電源類型不同，使用的調(diào)節(jié)體制也各有不同，從而使相應(yīng)技術(shù)需求得到滿足。比如，使弧焊工藝需求得到滿足，也就是調(diào)節(jié)輸出電氣特性，利用電壓電流反饋得到不同外特性，通過多種電抗器實(shí)現(xiàn)其動特性的控制及改善，都能夠利用脈沖頻率及寬度的控制實(shí)現(xiàn)。

弧焊電源能量轉(zhuǎn)換的方式為：AC-DS-AC-DC-AC，此種方式的逆變一共有兩次，最終實(shí)現(xiàn)方波交流電的輸出。圖1為電路的基本結(jié)構(gòu)。

其中三相50 Hz工頻交流電通過濾波、整流轉(zhuǎn)變成為穩(wěn)定的直流電。通過逆變電路轉(zhuǎn)變成為交流電，通過中頻變壓器實(shí)現(xiàn)降壓，并通過逆變器實(shí)現(xiàn)方波交流電的轉(zhuǎn)變，利用濾波、整流實(shí)現(xiàn)直流電的轉(zhuǎn)變[2]。

2 遠(yuǎn)程控制的硬件設(shè)置

以嵌入式Internet弧焊電源遠(yuǎn)程監(jiān)控中所包括的微電子、現(xiàn)代信號處理、電力電子及網(wǎng)絡(luò)通信等方面的領(lǐng)域前沿技術(shù)為基礎(chǔ)，通過全面分析實(shí)現(xiàn)技術(shù)方案，比如結(jié)合網(wǎng)絡(luò)接口、微處理器、遠(yuǎn)程監(jiān)控終端軟件、精簡TCP/IP協(xié)議。其中，硬件系統(tǒng)指的是基于DSP控制波控短路過度弧焊，滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)際需求，在其中設(shè)置網(wǎng)絡(luò)接口及存儲模塊?？刂坪诵臑锳RM S3C4型微處理器[3]。實(shí)現(xiàn)2 MB線性設(shè)計(jì)，并連接處理器。系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的RAM空間使用8 MB HY57V和處理器相互連接。在控制過程中，使用典型以太網(wǎng)接口控制器芯片設(shè)計(jì)硬件電路，圖2為接口的示意圖。為滿足實(shí)際的需求，根據(jù)數(shù)據(jù)收發(fā)功能實(shí)現(xiàn)控制的簡化。因?yàn)樵诳刂破餍酒袑?shí)現(xiàn)10BASE收發(fā)器的設(shè)置，所以，利用RJ-45接口實(shí)現(xiàn)變壓器與以太網(wǎng)的相互連接。因?yàn)榛『鸽娫吹腎GBT所要承受的電壓較低，輸出的功率比較大，所以，逆變主電路的結(jié)構(gòu)為全橋式。矩形波通過變壓器實(shí)現(xiàn)降壓，實(shí)現(xiàn)二極管全波整流、穩(wěn)定直流電的輸出，之后利用逆變器，使直流電向方波交流電的轉(zhuǎn)變，從而在電弧中使用[4]。

圖1 電路的基本結(jié)構(gòu)

圖2 接口的示意圖

3 弧焊電源直流電的控制

對于網(wǎng)側(cè)電流及負(fù)載電流在弧焊電源三相電流PWM整流器被控的變量，直流端控制能夠?qū)φ髌髫?fù)載輸出端提供穩(wěn)定性負(fù)載電流，因此，要求負(fù)載電流具有良好的抗干擾性能。整流器交流側(cè)電流正弦控制中，應(yīng)使功率因數(shù)及電源使用率得到提高。兩側(cè)電流與網(wǎng)側(cè)電壓相位相同，控制網(wǎng)側(cè)電流重點(diǎn)為電流跟隨性能控制。在設(shè)計(jì)弧焊電源直接電流控制器的過程中，要求整流器電網(wǎng)基波頻率比控制系統(tǒng)PWM開關(guān)頻率低，并且不對整流器交流端電流諧波成分進(jìn)行考慮，只考慮控制部分傳遞函數(shù)基波分量。在電網(wǎng)電動勢平衡設(shè)置的過程中，不對電網(wǎng)電動勢畸變對于系統(tǒng)動態(tài)性能的影響進(jìn)行考慮，所以，簡化了閉環(huán)傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)。

大部分的整流器都是通過雙閉環(huán)控制，使整流器交流側(cè)、單位功率因數(shù)及直接輸出端負(fù)載電流穩(wěn)定性更加接近，降低直流脈動。其在外環(huán)方面屬于直流電流環(huán)，要使此種直流脈動降低，使負(fù)載電流恒定，在負(fù)載抖動變化的過程中，實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定運(yùn)行，以此使焊接電弧飛濺降低，實(shí)現(xiàn)電弧穩(wěn)定。在外環(huán)控制過程中，對比負(fù)載電流和期望給定值，使差值信號通過外環(huán)PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，網(wǎng)側(cè)電流峰值的指令在調(diào)節(jié)之后承擔(dān)輸出信號，使單位復(fù)制標(biāo)準(zhǔn)正弦波和網(wǎng)側(cè)電流峰值指令相乘，得到的乘積就是整流器交流側(cè)電流指令信號，之后將給定指定電流信號和網(wǎng)側(cè)電流信號利用交流控制環(huán)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)跟蹤網(wǎng)側(cè)電流目的，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流跟蹤網(wǎng)側(cè)電壓相位[5]。

4 輸入和顯示電路設(shè)計(jì)

數(shù)字化顯示面板輸入通過旋轉(zhuǎn)編碼器與按鍵相互結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)，按鍵屬于最長使用的輸入方法，旋轉(zhuǎn)編碼器調(diào)節(jié)的過程較為簡單方便，能夠有效快速調(diào)節(jié)參數(shù)。根據(jù)不同的工作原理，編碼器主要包括增量式及絕對式。增量式編碼使位移變換向著周期性電信號進(jìn)行轉(zhuǎn)變，之后使電信號向著計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)行轉(zhuǎn)變，也就是利用脈沖數(shù)量表示位移的大小。絕對式編碼器利用確定該數(shù)值實(shí)現(xiàn)相位位置的表示，所以，測量值與編碼器的起始、最終的位置具有密切的關(guān)系，與中間的過程沒有關(guān)系。因此，本文利用了增量式編碼器，用戶能夠利用按鍵實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的選擇，利用旋轉(zhuǎn)編碼器調(diào)整參數(shù)值。編碼器電路原理為：其實(shí)現(xiàn)脈沖信號的輸出一般表示為AB兩相，和編碼器電路中的1和3管腳輸出相互對應(yīng)。旋轉(zhuǎn)編碼器在實(shí)現(xiàn)一周旋轉(zhuǎn)時(shí)，AB相就是實(shí)現(xiàn)一定數(shù)目脈沖信號的輸出。在A脈沖比B脈沖周期超前1/4時(shí)，旋轉(zhuǎn)編碼器屬于正向旋轉(zhuǎn)。在B相脈沖超前A相脈沖1/4周期時(shí)，旋轉(zhuǎn)編碼器就會實(shí)現(xiàn)方向旋轉(zhuǎn)，從而對旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)向進(jìn)行判斷。

面板顯示部門使用結(jié)合數(shù)碼管及LED指示燈的方式，LED指示燈主要目的就是實(shí)現(xiàn)目前焊機(jī)狀態(tài)和參數(shù)調(diào)整模式的指示。數(shù)碼管使用兩組一位米字形數(shù)碼管結(jié)合三位七段數(shù)碼管，將電壓值及焊接電流充分展現(xiàn)出來。米字形數(shù)碼管能夠?qū)?shù)字及符號充分展現(xiàn)出來，在實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)調(diào)節(jié)時(shí)用來顯示具體的焊接工藝參數(shù)[6]。

5 結(jié)束語

智能化弧焊電源在高穩(wěn)定性、高效率及高質(zhì)量焊接生產(chǎn)過程中具有重要作用。目前，弧焊電源技術(shù)研究和使用具有多種成果。在計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及智能控制算法不斷發(fā)展的過程中，智能化弧焊電源技術(shù)中還有多種問題需要進(jìn)一步研究，尤其是更加精準(zhǔn)的收集傳感技術(shù)、結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊控制的技術(shù)、操作界面擬人化等技術(shù)，此方面為未來主要的發(fā)展方向。

［1］宋金虎.逆變式交流方波弧焊電源新型控制策略研究［J］.焊接技術(shù)，2013，42（05）：55-58.

［2］孫偉城.一體化雙弧脈沖MIG沒接電源控制策略研究［D］.曲阜：曲阜師范大學(xué)，2016.

［3］高順利，李洪波，宋來弟，等.調(diào)壓器遠(yuǎn)程調(diào)壓控制策略研究［J］.化工自動化及儀表，2014（08）.

［4］楊玉甜.逆變弧焊電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建模［D］.大連：大連理工大學(xué)，2016.

［5］高順利，李洪波，宋來弟，等.燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)遠(yuǎn)程調(diào)壓控制策略研究［J］.城市燃?xì)猓?014（03）：7-11.

［6］唐春玲，肖國強(qiáng)，李敏.船舶遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)定位及路由策略研究［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2017（20）：114-116.

高英俠（1989—），女，甘肅永昌人，本科，東北大學(xué)講師，主要研究方向?yàn)樽詣踊?。孫澤濤（1985—），男，甘肅永昌人，本科，吉林大學(xué)講師，主要研究方向?yàn)闇y控技術(shù)與儀器。

金昌市2018年科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目“弧焊電源生產(chǎn)過程智能化控制技術(shù)研究”（編號：201816）；2018年甘肅省高等學(xué)?？蒲许?xiàng)目“智能化弧焊電源集中控制系統(tǒng)的研究”（編號：2018B-115）

2095－6835（2019）01－0017－02

TG434.1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.01.017

〔編輯：張思楠〕