单片机控制弧焊逆变器的研究

宋进军

0 引言

随着大规模和超大规模集成电路的迅速发展，使计算机日趋小型化、价格低廉、工作可靠、体积小、功率强，已被广泛用于各个行业，其中包括对弧焊逆变器的控制[1]。用计算机控制的焊机，制造方便，有较好的试用性和通用性。然而计算机对于焊机来说，价格昂贵，体积大，而单片机是以工业控制为目的设计的，将计算机的一些功能集成在一块芯片上，体积小且价格便宜，用在焊机上的性能价格比较高，因此单片机控制的弧焊电源应运而生[2，3]，并得到了很快的发展。

1 原理

本文采用 MCS-51系列中的 8031型 8位单片机控制弧焊逆变器。主要研究它对 TIG/MIG自动焊逆变器及设备的控制[4，5]。为实现对弧焊逆变器设备输出外特性、直接与脉冲参数变换、焊接程序及过程等的控制[6]，本控制系统主要设立如下通道和接口(见图 1)。

其中，模拟量输出通道4个:电弧电压Uf、焊接电流 If或送丝速度vs、焊接速度vH及备用通道;模拟量输入通道 8个:电弧电压、焊接电流、焊接速度等模拟量的实值检测;开关量输出通道 8个，用于启动、应答、送气、送电、引弧、送丝及停止等的程序控制;开关量的输入通道 16个，用于检测各种故障的信号;其他通道:报警通道，与IBM-PC微机进行通信的RS-232接口等。

系统工作原理，是借助键盘、拨动开关选择，并经过模拟量通道输入焊接全过程的规范参数，然后通过键盘和开关量通道发出焊接指令。这时，微机接上弧焊逆变器和设备的各有关通道，并发出提前送气指令，然后是引弧指令。引弧成功后，微机自动把电流从小递增到预定值。若是TIG焊，焊接电流通过电流反馈实现恒流特性控制。若是 MIG焊，微机控制系统通过对电、电流信号(借助模拟量输入通道)的采集比较，使焊丝速度和电弧电压调节到恒定规范。待工件预热到一定时间后，微机发出启动行走机构指令，并输出一定数值的焊接信号，微机在焊接过程中显示出实际焊接电流及电弧电压值(包括空载电压)，自动进行焊接过程中的规范变换。收弧时，微机发出收弧指令，进行收弧处理。若在焊接过程中或焊接结束后微机检测到故障信号，则故障信号由开关量转为数字量，以中断方式供微机处理，中断一切工作，发出警报，并显示故障原因，以便操作者查找并排除故障;故障排除后可以按焊接键，再次进行焊接。

2 硬件设计

整个微机控制系统有8031主机模板、数字I/O模板、工业 I/O模板、D/A模板、A/D模板、开关量输出模板、电源模板，经BASE总线母板连接而成。主机板采用高档 8位 MCS-51系列单片机中的8031微处理机，主振:7.372 8MHz，存储空间范围大。程序存储器基本配置为8 K字节，可扩到64 K字节，数据存储器基本配置为2 K字节，可扩到32K字节。可编程I/O口36位，接键盘显示板。键盘显示板有 8个LED数码显示器，32个键盘。此外，还有一个RS-232串行口，可直接和IBM-PC系统相接，并经过总线连接驱动、隔离，驱动力较大，抗干扰性能好。数字 I/O模板具有48路可编程I/O口，选 8个 I/O口作拨动开关状态输入。模拟量输出、输入通道分别为 4个和 8个。D/A，A/D转换精度均为 8位，转换速度最快为:D/A 1μm，A/D 333μm。开关量输出板8路光电隔离，工业 I/O模板具有 16路光电隔离输入，8路光电隔离输出，由该板故障开关量信号。供电电源板完成控制系统的供电及掉电保护等，能输出5 V，12V和24 V直流稳压电源。

3 软件设计

本软件采用分层结构化思想，将整个软件程序模块化，模块功能单一化，提高软件的可靠性，便于维修和调试，缩短研制周期。

软件结构完成如下任务:

系统初始化处理，包括工作单元初始焊接参数设置，单片机中断系统的编程，片内定时器和片外的I/O编程;显示器管理，包括8位LED动态显示、子程序和显示内容控制程序;键盘管理，包括键扫描、键识别、键处理和键命令执行;实际焊接时电流、电弧电压的检测。焊接电流(或电弧电压)、焊接速度给定值的检出控制，包括A/D，D/A转换，数字滤波，线性处理等;开关量的输出控制和开关量输入的检测及处理;对电流、电压模拟量及故障开关量输入的检测，对越限熄弧、气压不足等故障进行诊断报警处理;焊接过程的顺序控制(包括送气、启/停小车、电流递增和衰减、规范的自动切换)。这一切由定时器 0，定时器 1中断服务程序完成;参数值数制转换，数值运算，参数的传递及规范地址的计算等。

4 结语

此微机控制的弧焊逆变器可以实现以下功能:

1)外特性控制:通过不同的算法可获得恒流特性、恒压特性、斜率不同的其他外特性和恒定输出功率特性的任意控制，以满足各种弧焊方法和场合的需要;2)动特性控制:借助于运放PI调节器组成的电子电抗器对焊接过程的短路电流上升率进行控制，从而得到上升率的一个优化范围，使熔滴有节奏地过渡，减小飞溅; 3)预置主要参数:根据不同的焊丝直径、保护气体成分进行预置焊接参数，再现记忆，监控各组焊接参数，根据不同需要变换参数;4)实现单选钮调节功能:即根据工件厚度不同，同时按所需的电弧电压、电流，甚至电感量的一元化调节，而不必逐个调节这些焊接参数;5)对焊接电流波形的控制:通过软件设计，可以获得各种各样适合焊接的脉冲电流波形、脉冲频率、脉冲电流、基值电流、脉冲宽度，占空比以及脉冲前后沿斜率的任意控制，以便对电弧功率实现精确控制;6)对焊接工艺程序和焊接故障的控制:如先通气后通电、电流的递增和衰减，以及在焊接过程中可能产生的粘丝、灭弧、过电流、触嘴等故障进行诊断和报警。

[1] 黄石生.逆变理论与弧焊逆变器[M].北京:机械工业出版社，1995.

[2] W Lueas:Computer in a rewelding-the next industrial revolution.Partla:An introduction to computer technology[J].Metal Construetion，1984(10):633-666.

[3] W Lueas:Computer in a rewelding-the next industrial revolution.Partla:Computers in arc welding-then next industrial revolution[J].Metal Construetion，1985(1):30-34.

[4] 韩赞冬.单片机控制IGBT逆变式脉冲TIG焊电源的研究[J].电焊机，2001，19(3):4-6.

[5] 殷树言，钢 铁，李 涛.弧压式脉冲MIG焊电源微机控制系统的研究[J].哈尔滨工业大学学报，1994(8):16-17.

[6] 赵家瑞.智能控制MIG焊熔滴过渡[J].电焊机，2007，19 (2):11-14.