摘 要： 研究一種采用模塊化設(shè)計的數(shù)字逆變" title="逆變">逆變焊接系統(tǒng)" title="焊接系統(tǒng)">焊接系統(tǒng)。通過軟件算法使逆變焊接電源單元具有多種外特性，滿足了不同焊接工藝的要求。本文給出了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖、軟件流程以及在強(qiáng)電磁干擾下的可靠性設(shè)計。
關(guān)鍵詞： 數(shù)字控制 逆變焊接系統(tǒng) 模塊化
隨著技術(shù)進(jìn)步，新型材料不斷涌現(xiàn)，并在焊接結(jié)構(gòu)中大量采用，這對焊機(jī)和焊接工藝提出了更高要求。通常，僅靠一種焊接工藝難以解決問題，需要多種焊接工藝的結(jié)合，所以對焊機(jī)提出多功能要求[1]。此外，在氬弧焊工藝中，多采用非接觸式引弧方式，通過高頻高壓擊穿空氣間隙而引燃電弧，由于高壓脈沖" title="高壓脈沖">高壓脈沖的存在，對逆變電源" title="逆變電源">逆變電源帶來嚴(yán)重干擾。因此，采用模塊化設(shè)計，不但可以提高焊機(jī)的擴(kuò)展性，滿足不同焊接工藝的要求，而且可以減小各個模塊之間以及模塊對逆變電源的干擾，提高焊機(jī)的可靠性[2]。
模塊化數(shù)字控制焊接系統(tǒng)包括：單片機(jī)控制的IGBT逆變式焊接電源單元、單片機(jī)控制的TIG氬弧焊單元，單片機(jī)控制的MIG送絲單元，并為以后的擴(kuò)展留有接口。其中焊接電源單元可單獨(dú)進(jìn)行普通MMA焊、點(diǎn)焊和碳弧氣刨，配上TIG焊裝置可進(jìn)行普通的或脈沖的TIG焊，配上送絲機(jī)單元可進(jìn)行普通的或脈沖的CO2/MIG/MAG焊，覆蓋全部焊接功能。單元模塊之間通過通信協(xié)議進(jìn)行焊接參數(shù)的共享和顯示。而且對各種焊接功能，單片微機(jī)都能對焊接參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化匹配，使焊接電源都有優(yōu)良的動特性，達(dá)到焊接性能的優(yōu)化。
1 逆變電源單元的組成及工作原理
逆變電源單元模塊的原理框圖如圖1所示,它由主電路和控制電路兩部分組成。
1.1 主電路
主電路包括電磁干擾濾波器、輸入整流器、電容濾波器、IGBT逆變器、中頻變壓器、輸出整流器、濾波電抗器，其核心是IGBT逆變器，通過它將50Hz的整流電壓變成20kHz脈寬調(diào)制的交流電壓，使電源頻率從50Hz提高到20kHz，弧焊的控制速度提高130多倍，焊接的動特性有了質(zhì)的提高，焊接性能優(yōu)良。同時，焊機(jī)的體積和重量與電源頻率成反比地縮小和減輕，使焊機(jī)便于攜帶。另外，整機(jī)功率因素和效率有了很大提高，與傳統(tǒng)直流焊機(jī)相比可節(jié)能40%左右。
1.2 控制電路
控制電路由80C196KC" title="80C196KC">80C196KC單片機(jī)系統(tǒng)和欠壓、過熱、短路保護(hù)等多種保護(hù)電路組成。80C196KC微機(jī)系統(tǒng)的功能是：①對焊接電流、弧電壓等焊接參數(shù)模擬量進(jìn)行采樣和A/D轉(zhuǎn)換；②對欠壓、過熱、短路保護(hù)信號的響應(yīng)；③根據(jù)不同的功能單元的要求，對焊接電流或焊接電壓進(jìn)行數(shù)字閉環(huán)控制，使焊機(jī)輸出外特性滿足焊接工藝要求；④對焊接技師的焊接經(jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行存儲；⑤對焊接電流的預(yù)置值、實(shí)際值和電弧電壓值進(jìn)行數(shù)顯。
1.3 軟件流程
焊接電源單元的微機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計由多個功能程序塊組成，包括主程序、軟件定時中斷服務(wù)程序和串行口中斷服務(wù)程序。
(1)主程序。根據(jù)功能轉(zhuǎn)換開關(guān)的設(shè)置，判斷是MMA焊，還是TIG/MIG焊，根據(jù)串行口通信服務(wù)程序中所接收和存儲的數(shù)據(jù)幀，判斷是普通的還是脈沖的TIG焊，是普通的或脈沖的CO2/MIG/MAG焊，根據(jù)不同的焊接方式，選擇相應(yīng)的數(shù)字控制算法，計算出輸出PWM信號的脈沖寬度，最后由HSO.0和HSO.1輸出去控制IGBT逆變器的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)焊接工藝要求的外特性。
(2)軟件定時器中斷服務(wù)程序。調(diào)用采樣子程序?qū)‰妷骸㈩A(yù)設(shè)焊接電流、實(shí)際焊接電流、電流推力調(diào)節(jié)、引弧電流調(diào)節(jié)等多個焊接參數(shù)進(jìn)行采樣和A/D轉(zhuǎn)換，同時，對功能轉(zhuǎn)換命令進(jìn)行掃描巡檢。并根據(jù)命令有無分別設(shè)置MMA焊標(biāo)志、點(diǎn)焊標(biāo)志、碳弧氣刨標(biāo)志。調(diào)用數(shù)顯子程序用以對采得的焊接電流及其給定值和電弧電壓進(jìn)行顯示。
(3)串行口中斷服務(wù)程序。各單元數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送都采用中斷方式完成，波特率設(shè)定為9600波特。
主單元發(fā)送給MIG和TIG氬弧焊單元的數(shù)據(jù)幀格式如圖2所示，數(shù)據(jù)中的前兩個字節(jié)為標(biāo)識碼，代表是電源單元所發(fā)送的數(shù)據(jù)。以#19H代表一幀的結(jié)束。
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2 功能單元的組成及工作原理
以TIG氬弧焊單元為例進(jìn)行說明，TIG單元的系統(tǒng)框圖如圖3所示，主要由80C196KC微機(jī)系統(tǒng)，輸入信號采集與處理，顯示驅(qū)動與逆變電源模塊的通信等幾部分組成。
(1)80C196KC微機(jī)系統(tǒng)
它由80C196KC型16位單片機(jī)，8位鎖存器和程序存儲器等組成，對面板輸入的各種調(diào)節(jié)參數(shù)和由逆變電源單元傳輸來的參數(shù)進(jìn)行采集和優(yōu)化計算，通過通信接口與逆變電源單元進(jìn)行參數(shù)的傳輸和共享。
(2)輸入信號的采集和處理
焊接電流、弧電壓、前氣延時、后氣延時、收弧電流衰減時間通過80C196KC上的模擬量輸入端口進(jìn)行采樣和A/D轉(zhuǎn)換；由于輸入的焊接參數(shù)比較多，為了擴(kuò)展模擬量輸入端口，基值電流、峰值電流、脈沖周期和占空比調(diào)節(jié)參數(shù)通過多路開關(guān)74HC4051送至ACH3，ACH0檢測從逆變電源單元供給的+50V是否正常。
開關(guān)量信號通過P1和P2口輸入，氬弧焊炬起動命令的傳輸線因6000V引弧脈沖電壓的感應(yīng)有很高電壓，在進(jìn)入微機(jī)P1.1口前要進(jìn)行隔離，以免損壞CPU芯片。
P1.0口輸出電磁氣閥的開關(guān)信號；P1.6口輸出高壓脈沖引弧器的開關(guān)信號，以控制高壓脈沖引弧；P2.0和 P2.1與焊接單元進(jìn)行通信。
(3)顯示和驅(qū)動
在輸出面板上設(shè)置兩組數(shù)碼顯示管，分別顯示焊接電流和焊接電壓，在焊機(jī)空載時，顯示設(shè)定值，在焊機(jī)焊接時顯示實(shí)際值，由控制系統(tǒng)自動進(jìn)行切換。
(4)工頻高壓脈沖引弧器
采用倍壓加迭加升壓技術(shù)，通過多個磁芯原側(cè)繞組的并聯(lián)，最后在迭加式升壓變壓器的副側(cè)繞組上產(chǎn)生脈沖幅值為6000V的脈沖列。由于采用工頻高壓脈沖引弧，無高頻輻射，對人體和電氣設(shè)備無危害。
(5)軟件流程
TIG送絲單元的微機(jī)控制系統(tǒng)的軟件包括主程序、軟件定時中斷服務(wù)程序、串行口中斷服務(wù)程序以及多個功能程序塊組成。
①主程序。主要完成計算和存儲單元初始化；軟件定時中斷和串口中斷的設(shè)置；延時等待系統(tǒng)上電復(fù)位所需要的穩(wěn)定時間；設(shè)置WATCHDOG監(jiān)視定時器及溢出標(biāo)志，然后等待中斷。
②串口中斷服務(wù)程序。MIG單元發(fā)送給主單元的數(shù)據(jù)幀格式如圖4所示。
為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕繋瑪?shù)據(jù)以#CCH開頭，緊接著是#11H，最后以#19H結(jié)尾，數(shù)據(jù)中的前兩個字節(jié)為標(biāo)識碼，代表是TIG送絲機(jī)單元所發(fā)送的數(shù)據(jù)，中間為經(jīng)過TIG單元優(yōu)化計算的控制數(shù)據(jù)，逆變電源單元每接收到一幀數(shù)據(jù)時，都會對這幾個數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，確保在傳輸中未產(chǎn)生誤碼。數(shù)據(jù)幀中的每個參數(shù)都采用奇偶校驗(yàn)。
③軟件定時中斷。軟件定時器中斷每隔1ms中斷一次，通過它調(diào)用各個功能子程序，實(shí)現(xiàn)對焊接參數(shù)的優(yōu)化匹配和焊接過程的程序控制。
3 抗干擾及可靠性設(shè)計
隨著變頻調(diào)速技術(shù)和大功率開關(guān)電源的大量使用，電網(wǎng)受到高次諧波噪聲的污染越來越嚴(yán)重，這些諧波噪聲通過電源傳入焊機(jī)，造成傳導(dǎo)電磁干擾，嚴(yán)重影響焊機(jī)工作的可靠性[4]。另一方面，焊機(jī)的逆變電源也是一個電磁干擾源，當(dāng)微機(jī)系統(tǒng)與主電路共地時，干擾尤為嚴(yán)重。此外，在TIG焊的高壓脈沖引弧時，也會產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。因此，焊機(jī)的抗干擾及可靠性設(shè)計十分重要，它是確保焊機(jī)可靠工作的關(guān)鍵。
(1)電磁干擾濾波器。經(jīng)電源傳入的電磁干擾有共模干擾和差模干擾，其中共模干擾對焊機(jī)的危害最大。為此，電磁干擾濾波器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)確定，既要考慮能抑制共模干擾，又要考慮能抑制差模干擾，而且以抑制共模干擾為主。
(2)為了提高通信的可靠性，設(shè)計了光電隔離和電平轉(zhuǎn)換電路。CPU的串行通信口P2.0和P2.1通過光電隔離與通信接口在地線上進(jìn)行分離，減少外界信號對微機(jī)系統(tǒng)的干擾，由CPU輸出的信號幅值為＋5V，通過電平變換，將傳輸?shù)男盘栯妷荷粒?5V，這樣即使在傳輸過程中信號受到干擾，也可以在接受端通過數(shù)字濾波將干擾濾除。
(3)焊炬操作電路的隔離。TIG焊的啟動和停止都是由焊炬上的控制開關(guān)操作的，而在高壓脈沖引弧過程中，引弧器產(chǎn)生的6000伏高壓通過焊炬引線傳輸?shù)芥u極，在鎢極與工件之間產(chǎn)生火花放電引弧。因此，控制開關(guān)的連線必定會感應(yīng)很高的干擾電壓，重則會擊壞控制板上的元件，輕則會對微機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。為此，設(shè)計了變壓器隔離電路使得焊炬開關(guān)的操作電路必須隔離。
模塊化數(shù)字控制焊接系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究，試制出樣機(jī)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)，可得出以下結(jié)論：
(1)在IGBT逆變器基礎(chǔ)上引入80C196KC單片微機(jī)的實(shí)時控制和模塊化設(shè)計，使焊接系統(tǒng)經(jīng)過模塊化的組合，具有CO2/MIG/MAG半自動焊、脈沖TIG焊、連續(xù)TIG焊和MMA焊等多功能。并為以后的擴(kuò)展留有余地。
(2)通過模塊化設(shè)計，減小了功能模塊之間以及功能模塊對逆變焊接電源的干擾。保證了焊接系統(tǒng)的可靠工作。
(3)制定了逆變焊接電源與MIG送絲單元和TIG氬弧焊單元之間的通信協(xié)議，為了提高通信的可靠性，在硬件和軟件上使用了多種糾錯算法，使各個單元之間的組合連接十分簡單可靠。
參考文獻(xiàn)
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