基于自动化控制的熔化极惰性气体保护焊焊接电源设计及实验测试初探

2018-02-28刘安琦范胜海

科技与创新 2018年4期

刘安琦，范胜海

（松下制冷（大连）有限公司，辽宁大连 116600）

在自动化控制技术快速发展的推动下，近年来业界在熔化极惰性气体保护焊领域取得了较为喜人的成果，焊弧能量和熔滴过渡的精确控制便属于其中的成果典型，而在这些成果的基础上进一步提升熔化极惰性气体保护焊的焊接效率、质量、稳定性，正是本文就焊接电源设计及实验测试开展具体研究的原因所在。

1 电源控制系统设计

电源控制系统可以细分为专家系统、电弧控制系统、电流波形系统3部分，其中的专家系统主要负责闭环系统和给定电压的调节，而电弧控制系统和电流波形系统则共同组成了内、外双闭环控制系统。

1.1 电流波形控制

电流波形控制属于电源控制系统设计的关键点，本文选择了基于变参数PI控制算法负责保证电流环的电流恒定输出，由此即可为焊接过程的稳定、高效控制实现提供有力支持。之所以选择基于变参数PI控制算法，是由于该算法基于偏差的比例等环节能够较好地服务于波形控制，基于偏差的积分环节更是在克服静差、提高控制精度领域有着较为出色的表现。对于本文研究的熔化极惰性气体保护焊焊接来说，其本身具备熔滴过渡周期性特点，深入分析可以发现其熔滴过渡过程存在上升、峰值、下降、基值4个阶段，而这4个阶段均存在与之相对应的电流波形，这种对应关系正是基于变参数PI控制算法应用的原理所在。值得注意的是，很多时候基于变参数PI控制算法需要得到专家系统的支持，这是为了应对熔化极惰性气体保护焊的保护气体、焊丝直径和材料、送丝速度发生变化情况[1]。

1.2 电弧控制

为进一步提升熔化极惰性气体保护焊的焊接稳定性、质量、效率，其电弧控制也必须得到关注，但考虑到该焊接技术的电弧弧长存在非线性特征，因此本文选择了模糊控制算法负责电弧控制，由此即可省略大量复杂数学模型的应用。在模糊控制算法的应用中，这一应用会通过控制电弧电压精准控制电弧弧长。该过程需要将模糊控制器输入变量定义为：

式（1）中：en为第n次的采样偏差；Ug为给定电弧电压；Ufn为第n次电弧均值电压反馈量；ecn为第n次的偏差变化率；en-1为第n－1次的采样偏差。

一般情况下，熔化极惰性气体保护焊的焊接电弧弧长为5.5 mm，如果电场强度为0.61 V/mm，即可通过式（1）求得ecn为－3.36～＋3.36 V，由于基值时间12 ms时的熔化极惰性气体保护焊焊接过程较为平稳，可求得峰值电压为±3.2 V，进一步计算可得出1.79 ms这一电弧均值电压变化1 V的对应基值时间，其变化范围为－5.73～＋5.73 V。由于e，ecn，Tb分别与模糊量E、EC、T相对应，因此可以确定E和EC的论域设定为－3～＋3，T的论域设定则为－6～＋6，选择1为单位分割论域内的模糊量，使用B，M，S表示大、中、小，使用P和N表示正与负，ZO表示零，即可得出输入量E、EC和输出量T的三角隶属度函数，其中，ke＝kec＝2、kT＝1.参考熔化极惰性气体保护焊特点，确定了基于模糊控制的推理原则，即“系统采样偏差较小时，主要采用以稳定为主的控制策略；当系统采样偏差较大时，以无误差或误差最小为主，同时需要关注系统超调及振荡”。最终笔者得出了用于焊接电弧电压控制的模糊控制规则，由此即可实现高质量焊接过程电弧均值电压控制。

2 硬件与软件设计

2.1 硬件设计

熔化极惰性气体保护焊焊接电源的硬件主要由主电路、控制系统、显示面板、自动送丝机4部分组成，其中的控制系统属于研究的关键所在，该系统可以细分为外围电路、电压控制系统和电流环控制系统3部分。在焊接电源控制系统的控制中，采用了现场可编程门阵列FPGA实时控制电流环，具体硬件选择了Altera公司生产的Cyclone III FPGA型号芯片、AD7863型号的14位A/D转换器芯片、TVL5630型号的12位D/A转换器芯片，为进一步提升焊接电源控制系统的信号传输能力和抗干扰能力，采用了波形整形电路和光电耦合器。值得注意的是，为了满足电压环控制的实时要求，芯片的采样周期需要小于系统延迟时间，芯片的计算时间则需要小于系统数据处理时间，同时系统对多个芯片进行了集成，其稳定性由此可得到更好的保障[2]。

2.2 软件设计

熔化极惰性气体保护焊焊接电源设计中的软件设计主要包括主控制器DSC系统、协处理器FPGA系统，前者主要负责电弧电压的模糊控制，后者则负责电流波形控制。对于软件层面的熔化极惰性气体保护焊焊接电源设计来说，其控制流程可以概括为“控制系统初始化→焊接开始→运行引弧程序→等待一定时间或电流超过规定值→进入上升、峰值、下降、基值4个阶段循环→基值段应用基于变参数的PI控制算法→给定阀值大于电弧均值时转入上升段→采用基于变参数的PI控制算法控制峰值电流→1.2 ms后计算电弧均值电压→给定阀值大于电弧均值电压进入下降段→继续应用基于变参数的PI控制算法控制→到达设定运行时间进入基值段→循环→收到终止信号→收弧、停止焊接”，由此可深入了解该系统的软件设计环节。

3 实验测试

为验证上文研究的实践价值，选择了纯氩气作为保护气体、直径1.0 mm的铝镁合金焊丝、20 V的试焊电压、125A的试焊电流，其中的起弧电流设定为410A、基值电流设定为85A、基值时间设定为3.6 ms、峰值时间设定为340A，由此开展的熔化极惰性气体保护焊焊接电源控制系统的实验测试，求得了该系统在实际应用中的起弧波形、焊接波形和收弧波形。

分析起弧波形不难发现，实验求得了410A的起弧电流、22A的基值电流、78 V的空载电压，而分析焊接波形和收弧波形可以发现，应用熔化极惰性气体保护焊焊接电源控制系统焊接时的峰值电流为355A、峰值时间为1.45 ms、基值电流为82A、基值时间为3.6 ms，这一系列数值直观说明了本文研究的电源控制系统具备较为优秀的控制效果，系统实现的实时精准控制电流波形与电压弧长能够大大提升熔化极惰性气体保护焊的焊接质量、效率。