一種晶閘管整流埋弧自動焊機單片機控制器的設(shè)計

宋學平

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院，甘肅 蘭州730060)

埋弧焊是焊接生產(chǎn)中應用較普遍的工藝方法。由于它具有焊接熔深大、焊縫質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高、勞動條件相對較好等優(yōu)點，因而在化工機械、壓力容器、造船、橋梁、鐵路車輛、工程機械、冶金機械及海洋結(jié)構(gòu)等制造中應用廣泛。但傳統(tǒng)的埋弧自動焊機大多數(shù)采用分離元件模擬控制，“溫飄”和“時飄”所導致的控制精度低、性能分散、調(diào)試周期長、穩(wěn)定性差等問題十分突出，對焊接質(zhì)量影響很大[1-3]。近年來，雖然數(shù)字控制埋弧焊設(shè)備不斷推出，但市場占有率并不高，模擬控制式埋弧焊機在工業(yè)生產(chǎn)中仍占很大比例，對模擬控制式埋弧自動焊機進行數(shù)字化改造，拓寬焊機功能，降低設(shè)備升級成本，提高焊接效率，具有很現(xiàn)實的意義[4]。采用單片機設(shè)計的控制器，電源外特性、送絲速度和焊接速度的調(diào)節(jié)全部采用數(shù)字算法，引弧、焊接、收弧等由過程控制軟件完成，并通過人機界面，實現(xiàn)焊接工藝參數(shù)的預置、顯示、記憶和管理,使焊機的整機性能、操作性、適應性和自動化程度得以提升[5]。

1 控制器硬件設(shè)計

1.1 焊接電源主電路

擬改造的埋弧焊機所采用的電源主電路為三相半控橋整流電源，如圖1所示，主電源工作狀態(tài)良好，滿足改造需求。40，41 為焊接電流采樣信號點，42，43 為焊接電壓的采樣信號點?？刂葡到y(tǒng)產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖使承受正向陽極電壓最高的晶閘管觸發(fā)導通，并與一個陰極電位最低的二極管串聯(lián)構(gòu)成控制回路?？刂葡到y(tǒng)通過電流負反饋數(shù)字PI控制觸發(fā)脈沖的輸入時刻來控制焊接電源的外特性。

圖1 電源主電路原理圖

1.2 控制器總體結(jié)構(gòu)

晶閘管整流埋弧自動焊機單片機控制器設(shè)計的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示[6]。該控制器由兩部分組成：電源控制器和過程控制器。電源控制器通過電源的輸出電流和電壓聯(lián)合反饋，控制其電源的外特性和動特性，以滿足不同焊接方法的要求；過程控制器通過電弧電壓和電機電樞電壓反饋，控制送絲速度和小車速度，并完成參數(shù)設(shè)置和焊接過程控制。兩個控制器之間采用抗干擾能力較強的光電隔離20 mA 電流環(huán)串行通訊接口交換數(shù)據(jù)。在焊接過程中，采用數(shù)字PI 控制算法，獲得精確的焊接工作點；控制軟件根據(jù)焊絲與工件是否短接自動選擇回抽或劃擦引??；收弧過程通過電流衰減方式實現(xiàn)弧坑填充。

1.3 電源控制器硬件設(shè)計

采用實時性好、運算能力強、控制精度高的16 位高性能80C196KB（Intel 公司生產(chǎn)）單片機為核心設(shè)計主電路控制系統(tǒng)[7]。

圖2 控制器總體結(jié)構(gòu)原理圖

圖3 控制器電氣原理圖

電源控制器電氣原理如圖3所示。80C196KB單片機片內(nèi)10 位A/D 轉(zhuǎn)換器擴展4 通道采樣電路，其中模擬輸入ACH0、ACH2 用于焊接電流、電壓采樣，ACH1、ACH3 與規(guī)范鑰匙一起進行焊接參數(shù)預置和調(diào)整；P0.4～P0.7 和P1.4～P1.7 為開關(guān)量輸入接口，用于選擇外特性類型、工作模式及單獨電源模式下的開關(guān)量輸入；P2.5～P2.7 通過固體繼電器構(gòu)成開關(guān)量輸出接口，控制主電源通斷；P1.3 模擬SPI 工作方式擴展一片IMP705，用于系統(tǒng)復位、電源監(jiān)控和提供看門狗定時器。UART 由高速光耦擴展為20mA 電流環(huán)通訊接口，實現(xiàn)電源控制器和過程控制器數(shù)據(jù)通訊。系統(tǒng)采用8 位外部總線，擴展16k 字節(jié)的程序存儲器27C128、并行接口8255、以及16 位計數(shù)器/定時器82C54。其中82C54 與同步電路、觸發(fā)電路等構(gòu)成同步觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路，為電源主電路晶閘管提供觸發(fā)脈沖，控制外特性；擴展的并行輸入輸出芯片8255 用于驅(qū)動7 位（電壓3 位、電流4 位）LED 顯示器，該顯示器用于焊接電源工作在單獨電源模式下的焊接電壓、電流實時顯示[8]。同時通過單片機的P4.6、P4.7 擴展一片74HC139，作為片選信號，分別用來選通27C128、82C54 及8255。

該控制器工作原理為：單片機80C196KB 實時采樣焊接電流及焊接電壓、與預置參數(shù)進行比較，根據(jù)數(shù)字PI 控制算法求出下一時刻晶閘管的控制角，換算為時間常數(shù)n 寫入82C54 產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，實現(xiàn)電源外特性和動特性的控制，從而建立起穩(wěn)定的埋弧焊過程。

1.4 過程控制器硬件設(shè)計

過程控制器用于調(diào)節(jié)送絲速度和小車行走速度（即焊接速度），預置焊接參數(shù)、調(diào)整焊絲位置，完成引弧、焊接、收弧等操作。過程控制器仍基于80C196KB 單片機設(shè)計，根據(jù)送絲電機和小車驅(qū)動電機工作特性，設(shè)計單相半控橋整流電路進行電機調(diào)速[9]。該控制電路組成與焊接電源控制器類似，擴展3 路信號采樣電路，分別用于電弧電壓、送絲電動機和小車驅(qū)動電機的電樞電壓采樣；設(shè)計3 個預置電路，用于預置或調(diào)節(jié)焊接電流或送絲速度、焊接電壓、小車速度；擴展一片8255 構(gòu)成人機界面，實現(xiàn)液晶顯示及操作鍵盤，液晶顯示屏顯示焊接電壓、電流及速度等信息；采用X24045芯片進行電源監(jiān)控、系統(tǒng)復位和看門狗定時器（WDT）設(shè)計，利用其EEPROM 進行焊接參數(shù)的存儲/記憶和鎖定；通過單片機P0.4～P0.7 接口設(shè)計“啟動”、“停止”、“送絲”、“抽絲”4 個操作按鈕；“焊接小車的‘前進/后退’、‘自動/手動’”，焊接參數(shù)“記憶/提取”、送絲方式“等速/變速”等選擇開關(guān)通過單片機P1.4～P1.7 接口實現(xiàn)；送絲和小車的行走方向由繼電器電路控制。擴展一片82C54 計數(shù)器/定時器，設(shè)計同步電路、觸發(fā)電路等構(gòu)成同步觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路，為送絲控制電路和小車控制電路的晶閘管提供觸發(fā)脈沖，實現(xiàn)送絲速度和小車行走速度的控制。

2 控制器軟件設(shè)計

2.1 控制原理

焊接速度、送絲速度和電弧電壓反饋均采用數(shù)字PI 調(diào)節(jié)算法，且設(shè)計中采用兩組數(shù)字PI 調(diào)節(jié)器實現(xiàn)多變量解耦控制[10]。圖4為陡降特性配合變速送絲的調(diào)節(jié)原理，該系統(tǒng)由三個PI 調(diào)節(jié)器構(gòu)成。電源外特性由PI(1)調(diào)節(jié)，根據(jù)給定的焊接電流I、電壓U 和目標外特性曲線，采用弧壓反饋自動調(diào)節(jié)，利用變速送絲匹配陡降特性焊接電源，由輸出電壓u 確定當前目標電流It，然后進行電流負反饋PI 調(diào)節(jié)。

圖4 埋弧自動焊調(diào)節(jié)原理

對于恒流或陡降特性，送絲系統(tǒng)采用電弧電壓反饋和電樞電壓反饋進行雙閉環(huán)控制，PI (2)完成電弧電壓正反饋調(diào)節(jié)，獲取送絲電動機電樞電壓目標值Vt，PI(3)以Vt為基準值完成電樞電壓負反饋調(diào)節(jié)。當電源外特性為恒壓或緩降特性時，系統(tǒng)自動選擇等速送絲方式，由電樞電壓反饋使送絲恒定，給定速度Usg由焊接電流調(diào)節(jié)旋鈕預置。

預先設(shè)定Vt，此時采用電壓反饋獲得緩降的外特性，提高電弧的自調(diào)節(jié)能力。

2.2 控制算法

針對埋弧自動焊并兼顧焊條電弧焊、氣體保護焊、碳弧氣刨設(shè)備工作要求，電源外特性設(shè)計恒流、陡降、緩降和恒壓4 種方式[5]。采用數(shù)字PI 調(diào)節(jié)器控制，其中恒流和陡降特性為電流反饋，緩降和恒壓為電壓反饋。數(shù)字PI 調(diào)節(jié)算法的差分方程為：

式中 uk(n)——調(diào)節(jié)器輸出

e(n)——被控對象的目標值與采樣值的偏差

Kp——比例系數(shù)

T ——采樣周期Ti——積分時間

（1）系統(tǒng)以恒流特性工作時，偏差為：

e(n)＝Ig-i(n)

式中 i(n)——采樣輸出電流

Ig——給定焊接電流

（2）系統(tǒng)以恒壓特性工作時，偏差為：

e(n)＝Ug-u(n)

式中 u(n)——采樣輸出電壓

Ug——給定焊接電壓

（3）系統(tǒng)以陡降、緩降特性工作時，目標電壓或電流由Ug、Ig及選取的斜率μ 來確定

u(n)＝μ[i(n)-Ig]+Ug

電壓反饋偏差：e(n)＝μ[i(n)-I]+Ug-u(n)

其中，陡降特性μ＝-1V/20A，緩降特性μ＝-1V/5A。T＝0.25ms，Ti＝20～30ms，Kp＝0.01～2.0。

2.3 控制流程

將埋弧自動焊劃分為焊前準備、引弧、焊接和收弧4 個過程，采用模塊化方法設(shè)計控制軟件。過程控制流程如圖5所示。

3 試驗與應用

利用設(shè)計的單片機控制器對蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院焊接技術(shù)實訓基地一臺MZ-1000 型模擬控制式埋弧焊機（主電路為三相半控橋）進行改造獲得了滿意效果。改造后的埋弧焊機具有如下特點：

（1）可輸出4 種特性，滿足埋弧焊、焊條電弧焊、碳弧氣刨和氣體保護焊工藝需要；

（2）能夠精確預置焊接參數(shù)并調(diào)整焊接工作點，焊接過程穩(wěn)定時，電壓和電流波動低于1 V 和10A（每秒）；

（3）具有豐富的人機界面，焊接參數(shù)數(shù)字顯示，可預置、存儲、鎖定參數(shù)，拓寬了焊機功能，操作性能和自動化程度顯著提高；

（4）引弧、收弧自動智能進行，可根據(jù)焊絲與工件接觸狀態(tài)，自動選擇引弧方式；

（5）電流調(diào)節(jié)范圍拓寬，經(jīng)調(diào)試，采用φ4 mm焊絲，電流在250～800A 范圍均可正常焊接。

4 結(jié)論

（1）基于80C196KB 單片機設(shè)計的電源控制器和過程控制器能夠滿足埋弧自動焊數(shù)字化控制要求；兩個控制器之間采用20mA 電流環(huán)串行接口通訊交換數(shù)據(jù)，電纜數(shù)量減少，穩(wěn)定性高，極大的提高了施焊工作時的便利性。

圖5 過程控制流程

（2）選擇恒壓或緩降特性時，控制器通過電樞電壓反饋PI 調(diào)節(jié)器采取等速送絲方式；選擇恒流或陡降特性，控制器采用弧壓反饋的PI 調(diào)節(jié)器確定送絲速度，然后由送絲電機電樞電壓反饋調(diào)節(jié)送絲速度，構(gòu)成雙PI 調(diào)節(jié)器的埋弧焊調(diào)節(jié)系統(tǒng)，效果良好。

（3）恒流、恒壓、陡降和緩降特性可通過改變PI 調(diào)節(jié)器偏差計算方法實現(xiàn)，滿足埋弧焊、焊條電弧焊、碳弧氣刨和氣體保護焊工藝需要。