大功率交流脈沖埋弧焊接電源波形控制策略研究

王振民 唐嘉健 羅犇德 饒杰 林三寶 徐孟嘉

摘要：波形控制有利于改善交流埋弧焊接質(zhì)量，但其對埋弧焊接電源的極性切換速度、過零點穩(wěn)弧以及動態(tài)響應(yīng)速度等均有著極高的要求，尤其在大電流交流脈沖埋弧焊接工況下的實現(xiàn)難度極大。為此，提出兩種大功率交流脈沖埋弧焊接電源的優(yōu)化控制策略，包括：次級逆變的臨界直通策略，可加快交流輸出時的極性切換速度;PI分離式控制算法，可提高焊接電源動態(tài)波形輸出性能。通過模態(tài)分析和SMIULINK模型仿真方法，對所提出的優(yōu)化控制策略進行了有效性分析，并將所提出的優(yōu)化策略在所研制的大功率交流脈沖埋弧焊接電源系統(tǒng)上進行了實驗驗證。結(jié)果表明，提出的波形控制策略可有效提高埋弧焊接電源的極性切換速度，同時可抑制復(fù)雜波形的電流超調(diào)、穩(wěn)態(tài)誤差和波形震蕩。

關(guān)鍵詞：埋弧焊;方波脈沖;極性切換;PI分離

中圖分類號：TG434? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）07-0001-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.07.01

0? ? 前言

埋弧焊具有焊縫熔深大、熔敷速度快、自動化程度高的特點，在中厚板長焊縫的焊接領(lǐng)域中有著較為廣泛的應(yīng)用。為獲取更高的焊接效率，埋弧焊通常工作于大電流、高速度的狀態(tài)之下，不僅容易導(dǎo)致焊縫晶粒粗化，還會增大焊縫中氣孔、熱裂紋等缺陷出現(xiàn)的概率，降低焊縫的力學性能[1]。GMAW（熔化極氣體保護焊）的經(jīng)驗表明，通過波形控制可以影響電弧焊時的熔滴過渡，進而影響焊縫成形質(zhì)量[2]。Sengupta V和Mendez P通過實驗發(fā)現(xiàn)，交流方波有助于加速埋弧焊的焊絲熔化速度，并加大熔池縱向挖掘的深度[3-4];Reisgen U的實驗結(jié)果表明，脈沖電流可降低埋弧焊熔滴中的氫擴散率，減少焊縫氫致裂紋的發(fā)生[5];王占英等人的實驗結(jié)果表明，一定的脈沖頻率可加大埋弧焊縫的熔深和熔寬，抑制焊縫咬邊，同時細化焊縫晶粒[6]。因此，采用交流與脈沖相結(jié)合的復(fù)雜波形有望進一步提高埋弧焊的焊接效率，優(yōu)化埋弧焊的焊接質(zhì)量。

由于埋弧焊通常在大電流下焊接，而在大電流下實現(xiàn)多種波形的優(yōu)化輸出對焊接電源的極性切換速度、過零點穩(wěn)弧、動態(tài)響應(yīng)速度、波形調(diào)控能力等均有著極高的要求，實現(xiàn)難度極大，目前國內(nèi)外仍未見對大功率交流脈沖埋弧焊接電源的相關(guān)研究報導(dǎo)。針對該難題，文中提出了兩種焊接電源輸出控制的優(yōu)化策略，并將其應(yīng)用于自行設(shè)計的埋弧焊接電源中，可實現(xiàn)多種大電流交流脈沖波形的柔性輸出和精密控制。

1 次級逆變臨界直通策略

研制的埋弧焊接電源主電路次級拓撲如圖1所示，雙路全波整流配合并聯(lián)的半橋逆變結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)大電流變極性輸出。由于耦合電感的雙向續(xù)流作用，在極性切換期間若輸出電流沒有發(fā)生衰減，那么在次級逆變正負電流通道切換完成后，反向電流可以在極短時間內(nèi)迅速達到極性切換前的電流值，使電流極性在極短時間內(nèi)完成切換[7]。

然而功率回路中的電氣元件并非理想器件。如正極性切換至負極性，當IGBT1、IGBT2關(guān)斷IGBT3、IGBT4開通時，由于IGBT存在開關(guān)延時，即使次級逆變驅(qū)動信號不存在死區(qū)時間，依然會存在某個短暫的時間區(qū)間IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4均處于高阻態(tài)，此時輸出端可視為斷開，輸出電流極速衰減，這不僅會影響極性切換速度，而且高額的di/dt與電感耦合還會產(chǎn)生極大的電壓應(yīng)力威脅器件的安全。

為保證極性切換速度，并降低極性切換時的電壓應(yīng)力，提出了一種次級逆變臨界直通策略：通過增大柵極關(guān)斷電阻延緩IGBT的關(guān)斷速度，使得IGBT3、IGBT4開通完成之前IGBT1、IGBT2仍處于導(dǎo)通電阻較小的狀態(tài)，如圖2所示，此時次級逆變處于一種臨界直通狀態(tài)，次級回路電流經(jīng)IGBT1、IGBT2不僅從負載流過，還可從IGBT3、IGBT4流過。因同時存在兩條電流回路且回路電阻較小，因此電流衰減較少，可保障交流極性切換的速度[8]，同時還能抑制電流變化所引起的電壓應(yīng)力對IGBT等器件造成的影響。但次級逆變IGBT的關(guān)斷速度不可過分延緩，一旦關(guān)斷速度過慢可能會造成次級逆變進入真正的直通狀態(tài)，使得負載被短路輸出電流降為0，導(dǎo)致斷弧。

2 PI分離式控制算法

2.1 PID算法優(yōu)化

控制系統(tǒng)設(shè)定好預(yù)期目標值后，閉環(huán)反饋回路將處理好的采樣值傳入到PID控制算法中進行計算，通過調(diào)節(jié)初級逆變占空比使輸出電流逐步逼近目標值，實現(xiàn)對輸出電流的高速精準調(diào)控。

經(jīng)典的增量式PID公式如式（1）所示，相較于位置式PID其計算復(fù)雜度大大降低，可以良好地應(yīng)用于微處理器上，提高計算速度[9]。然而電源主電路并非理想的電氣回路，輸出復(fù)雜波形時頻繁的波形變化與電路中雜散參數(shù)耦合極易造成超調(diào)、波動、延時、穩(wěn)態(tài)誤差等波形畸變。經(jīng)典的增量式PID在解決這些問題時表現(xiàn)乏力，因此提出了改進后的PI分離式控制算法。

由式（1）可知，積分分量（KI）通過不斷累積輸出誤差增大控制量以逼近預(yù)設(shè)目標值，消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差。但焊接系統(tǒng)輸出響應(yīng)具有滯后性，輸出量無法及時反映控制量的變化情況，在大誤差階段，輸出誤差會過量累積，使得控制量Δuk極大增加，引起輸出超調(diào)。在輸出復(fù)雜波形時，積分分量的誤差過量累積情況會更加嚴重，引起嚴重的超調(diào)并造成后續(xù)的波形震蕩。為改善這一狀況，在式（1）的基礎(chǔ)上引入積分分離的方法，如式（2）所示，在大誤差階段大幅縮減積分分量，減少不必要的誤差累積;在小誤差區(qū)間恢復(fù)正常積分，抑制穩(wěn)態(tài)誤差的出現(xiàn)[10]。

但是，積分分量減少將會導(dǎo)致系統(tǒng)輸出的響應(yīng)速度較大幅度下降。由式（1）可知，當前誤差值大于上一次誤差值時，可獲得正向比例增量（KP），反之為負。根據(jù)該特性，進一步引入了比例分離的方法，如式（3）所示。以目標值增大為例，在目標值切換瞬間，增大KP可獲得極大的系統(tǒng)初始增量;隨著輸出值逐步逼近目標值，比例分量轉(zhuǎn)變?yōu)樨?，通過減小KP來抑制控制量的衰減;接近穩(wěn)態(tài)階段時大幅減小KP，精細化調(diào)控輸出波形的同時減小震蕩的發(fā)生。

2.2 系統(tǒng)模型搭建

為驗證上述理論，在SIMULINK中搭建兩個焊接電源閉環(huán)反饋系統(tǒng)進行仿真測試對比，如圖3所示。

圖3a為經(jīng)典PID控制系統(tǒng)。為使仿真模型能夠更加真實地反映焊接電源實際輸出情況，進行了如下設(shè)計：將輸出電流誤差值進行12位數(shù)字轉(zhuǎn)換，使其與ADC精度一致;PI環(huán)節(jié)通過保持器和之后模塊實現(xiàn)20 kHz的離散化增量調(diào)控，PI參數(shù)經(jīng)調(diào)節(jié)設(shè)定為（1.5，0.08）;將PI環(huán)節(jié)計算結(jié)果進行最大、最小值限幅，以模擬焊接電源初級逆變的死區(qū)時間和最小脈寬，并將所得值與20 kHz的鋸齒波進行比較輸出，可得初級逆變PWM仿真信號[11];忽略電氣回路中部分雜散因素，PWM信號與空載電壓乘積即為次級整流輸出端電壓信號，后續(xù)的LR環(huán)節(jié)中因寄生電容的影響可計算得到二階傳遞函數(shù);反饋環(huán)節(jié)為ADC采樣濾波模塊，由二階濾波系統(tǒng)和ADC采樣轉(zhuǎn)換滯后環(huán)節(jié)組成[12]。

圖3b為PI分離式控制系統(tǒng)，以經(jīng)典PID控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)在PI環(huán)節(jié)中分別加入了輸出誤差判斷：①當誤差值絕對值大于15%目標值時，KI=0.01;誤差值小于15%目標值時，KI=0.08;②當誤差值絕對值大于90%目標值時，KP=2;當誤差值絕對值大于15%目標值并小于90%目標值時，KP=1.6;當誤差值絕對值小于15%目標值時，KP=1.3。

2.3 仿真測試

采用所搭建的兩個焊接系統(tǒng)模型進行對比仿真實驗。其中圖4為600 A階躍電流仿真輸出波形，參數(shù)測量結(jié)果如表1所示。由測量數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，相較于經(jīng)典PID控制系統(tǒng)，PI分離式控制系統(tǒng)雖然上升時間略慢，但電流超調(diào)量顯著降低，且達到穩(wěn)態(tài)值所用時間更短，無明顯的波形震蕩和穩(wěn)態(tài)誤差，階躍特性良好。為進一步測試兩個系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)差異，對兩個系統(tǒng)進行脈沖輸出仿真測試，設(shè)定脈沖峰值為650 A，脈沖基值為400 A，脈沖頻率50 Hz，占空比50%。仿真輸出波形如圖5所示，輸出脈沖穩(wěn)定后的參數(shù)測量結(jié)果如表2所示。

可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)典PID控制系統(tǒng)在輸出脈沖峰值時超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)速度較慢;在輸出脈沖基值時超調(diào)量極大，調(diào)節(jié)速度極慢。而PI分離系統(tǒng)對于脈沖峰值和脈沖基值的電流超調(diào)均有著穩(wěn)定而優(yōu)異的抑制效果，且達到穩(wěn)態(tài)所需的調(diào)節(jié)時間更短，輸出的脈沖波形更為規(guī)整，動特性表現(xiàn)更為優(yōu)異。

3 實驗驗證

3.1 輸出波形測試

以仿真優(yōu)化控制參數(shù)為指導(dǎo)，應(yīng)用自行研制的MZ-1250埋弧焊接電源進行復(fù)雜波形輸出實驗驗證，實測波形如圖6所示。

圖6a為800 A階躍信號測試波形，實測電流最大超調(diào)13.25%，上升時間357.54 μs，調(diào)節(jié)時間1.8 ms，未觀察到明顯的穩(wěn)態(tài)誤差和波形震蕩。

圖6b為交流方波模式下測得的輸出電流波形，設(shè)定正向電流峰值1 000 A、反向電流峰值1 000 A、交流頻率50 Hz、交流占空比50%、理論有效值1 000 A。實測電流最大正向超調(diào)3.8%，最大反向超調(diào)4.8%;電流有效值987.6 A，偏差值1.24%;正反向切換時間343.96 μs，切換速度高達5.81 A/μs。

圖6c為變極性雙脈沖模式下測得的輸出電流波形，設(shè)定正向電流峰值800 A、正向電流基值600 A、反向電流值700 A、交流頻率60 Hz、交流占空比50%、脈沖頻率10 Hz、理論有效值700 A。實測電流最大正向超調(diào)6.2%，反向最大超調(diào)14%;電流有效值690.6 A，偏差值1.34%。

圖6d為變極性中值脈沖模式下測得的輸出波形，設(shè)定正向電流峰值450 A、正向電流基值300 A、反向電流值300 A、交流頻率50 Hz、交流占空比70%、脈沖占空比50%，理論有效值352.5 A。實測最大正向超調(diào)4.3%、最大反向超調(diào)8.1%;電流有效值353.22 A，偏差值0.2%。

由上述實驗數(shù)據(jù)和實驗波形可知，優(yōu)化后的埋弧焊接電源電流上升速度和極性切換速度均非?？?，并能在輸出交流脈沖波形時有效壓制電流超調(diào)，電流波形中均未觀察到明顯的穩(wěn)態(tài)誤差和波形震蕩。輸出電流有效值偏差較小，輸出波形十分規(guī)整。

3.2 焊接工藝實驗

將所研制的大功率交流脈沖埋弧焊接電源與埋弧小車集成，搭建了埋弧焊接工藝平臺，進行變極性雙脈沖焊接實驗。實驗采用直徑3.2 mm的H08A焊絲、HJ431焊劑，焊接試板為板厚8 mm的Q235F、小車行走速度54 cm/min;設(shè)定變極性雙脈沖正向峰值550 A、正向基值525 A、反向峰值500 A、交流頻率45 Hz、交流占空比70%、脈沖頻率5 Hz。實驗結(jié)果如圖7所示，焊縫成形均勻，魚鱗紋密集且清晰，未發(fā)現(xiàn)明顯的咬邊缺陷，焊接效果良好。

4 結(jié)論

（1）采用耦合電感配合次級逆變臨界直通策略可有效加快焊接電源交流極性的切換速度，±1 000 A下切換時間僅用343.96 μs，可有效提高交流埋弧焊時電弧的穩(wěn)定性及交流波形質(zhì)量。

（2）PI分離式控制算法相對于經(jīng)典的增量PID算法具有更好的動態(tài)輸出控制性能，在保證電流上升速度的同時，還可有效抑制電流超調(diào)、波形震蕩和穩(wěn)態(tài)誤差的發(fā)生，極大地提高了大功率埋弧焊接電源的交流脈沖電流波形的輸出品質(zhì)。

參考文獻：

中國機械工程學會焊接學會. 焊接手冊 第1卷[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1992：81-122.

孟疌. GMAW-P脈沖參數(shù)與熔滴過渡及焊縫成形關(guān)系建模及分析研究[D]. 上海：上海交通大學，2008.

Sengupta V，Mendez P F. Effect of Current on Metal Transfer in SAW，Part 2：AC[J]. Welding Journal，2017，96（7）：271-278.

Mendez P F，Goett G，Guest S. High-speed video of metal transfer in submerged arc welding[J]. Welding Journal，2015，94（10）：326-333.

Reisgen U，SchaFer J，Willms K. Analysis of the submerged arc in comparison between a pulsed and non-pulsed process[J]. Welding in the World，2016，60（4）：1-9.

王占英，劉叢，陳龍，等. 脈沖頻率對脈沖埋弧焊焊縫成形的影響[J]. 熱加工工藝，2018，47（9）：222-224.

陳杰，朱志明，王琳化，等. 新型變極性焊接電源二次逆變電路及其控制技術(shù)[J]. 焊接學報，2009（2）：29-33.

齊鉑金，王義朋，王曲. 快變換交流方波埋弧焊電源研制[J]. 航空制造技術(shù)，2016（17）：67-70，76.

王述彥，師宇，馮忠緒. 基于模糊PID控制器的控制方法研究[J]. 機械科學與技術(shù)，2011，30（1）：166-172.

曹敏，徐凌樺，李捍東. 積分分離的單神經(jīng)元PID控制算法及其研究[J]. 系統(tǒng)仿真技術(shù)，2010，6（3）：197-201.

王效華， 牛思先. 基于單片機PWM控制技術(shù)的實現(xiàn)[J]. 武漢理工大學學報，2010，217（1）：94-98.

董陽，彭曉宏，吳艷偉.基于MATLAB的Sigma-Delta ADC中數(shù)字濾波器設(shè)計[J]. 電子設(shè)計工程，2015（10）：175-178.