模块化数字控制焊接系统的研究
2008-03-31
作者：张 涛，桂卫华，王随平
摘 要：研究一种采用模块化设计的数字逆变" title="逆变">逆变焊接系统" title="焊接系统">焊接系统。通过软件算法使逆变焊接电源单元具有多种外特性，满足了不同焊接工艺的要求。本文给出了系统硬件结构框图、软件流程以及在强电磁干扰下的可靠性设计。
关键词：数字控制 逆变焊接系统 模块化
随着技术进步，新型材料不断涌现，并在焊接结构中大量采用，这对焊机和焊接工艺提出了更高要求。通常，仅靠一种焊接工艺难以解决问题，需要多种焊接工艺的结合，所以对焊机提出多功能要求[1]。此外，在氩弧焊工艺中，多采用非接触式引弧方式，通过高频高压击穿空气间隙而引燃电弧，由于高压脉冲" title="高压脉冲">高压脉冲的存在，对逆变电源" title="逆变电源">逆变电源带来严重干扰。因此，采用模块化设计，不但可以提高焊机的扩展性，满足不同焊接工艺的要求，而且可以减小各个模块之间以及模块对逆变电源的干扰，提高焊机的可靠性[2]。
模块化数字控制焊接系统包括：单片机控制的IGBT逆变式焊接电源单元、单片机控制的TIG氩弧焊单元，单片机控制的MIG送丝单元，并为以后的扩展留有接口。其中焊接电源单元可单独进行普通MMA焊、点焊和碳弧气刨，配上TIG焊装置可进行普通的或脉冲的TIG焊，配上送丝机单元可进行普通的或脉冲的CO2/MIG/MAG焊，覆盖全部焊接功能。单元模块之间通过通信协议进行焊接参数的共享和显示。而且对各种焊接功能，单片微机都能对焊接参数进行优化匹配，使焊接电源都有优良的动特性，达到焊接性能的优化。
1 逆变电源单元的组成及工作原理
逆变电源单元模块的原理框图如图1所示,它由主电路和控制电路两部分组成。
1.1 主电路
主电路包括电磁干扰滤波器、输入整流器、电容滤波器、IGBT逆变器、中频变压器、输出整流器、滤波电抗器，其核心是IGBT逆变器，通过它将50Hz的整流电压变成20kHz脉宽调制的交流电压，使电源频率从50Hz提高到20kHz，弧焊的控制速度提高130多倍，焊接的动特性有了质的提高，焊接性能优良。同时，焊机的体积和重量与电源频率成反比地缩小和减轻，使焊机便于携带。另外，整机功率因素和效率有了很大提高，与传统直流焊机相比可节能40%左右。
1.2 控制电路
控制电路由80C196KC" title="80C196KC">80C196KC单片机系统和欠压、过热、短路保护等多种保护电路组成。80C196KC微机系统的功能是：①对焊接电流、弧电压等焊接参数模拟量进行采样和A/D转换；②对欠压、过热、短路保护信号的响应；③根据不同的功能单元的要求，对焊接电流或焊接电压进行数字闭环控制，使焊机输出外特性满足焊接工艺要求；④对焊接技师的焊接经验参数进行存储；⑤对焊接电流的预置值、实际值和电弧电压值进行数显。
1.3 软件流程
焊接电源单元的微机控制系统的软件设计由多个功能程序块组成，包括主程序、软件定时中断服务程序和串行口中断服务程序。
(1)主程序。根据功能转换开关的设置，判断是MMA焊，还是TIG/MIG焊，根据串行口通信服务程序中所接收和存储的数据帧，判断是普通的还是脉冲的TIG焊，是普通的或脉冲的CO2/MIG/MAG焊，根据不同的焊接方式，选择相应的数字控制算法，计算出输出PWM信号的脉冲宽度，最后由HSO.0和HSO.1输出去控制IGBT逆变器的开关，实现焊接工艺要求的外特性。
(2)软件定时器中断服务程序。调用采样子程序对弧电压、预设焊接电流、实际焊接电流、电流推力调节、引弧电流调节等多个焊接参数进行采样和A/D转换，同时，对功能转换命令进行扫描巡检。并根据命令有无分别设置MMA焊标志、点焊标志、碳弧气刨标志。调用数显子程序用以对采得的焊接电流及其给定值和电弧电压进行显示。
(3)串行口中断服务程序。各单元数据的接收和发送都采用中断方式完成，波特率设定为9600波特。
主单元发送给MIG和TIG氩弧焊单元的数据帧格式如图2所示，数据中的前两个字节为标识码，代表是电源单元所发送的数据。以#19H代表一帧的结束。
2 功能单元的组成及工作原理
以TIG氩弧焊单元为例进行说明，TIG单元的系统框图如图3所示，主要由80C196KC微机系统，输入信号采集与处理，显示驱动与逆变电源模块的通信等几部分组成。
(1)80C196KC微机系统
它由80C196KC型16位单片机，8位锁存器和程序存储器等组成，对面板输入的各种调节参数和由逆变电源单元传输来的参数进行采集和优化计算，通过通信接口与逆变电源单元进行参数的传输和共享。
(2)输入信号的采集和处理
焊接电流、弧电压、前气延时、后气延时、收弧电流衰减时间通过80C196KC上的模拟量输入端口进行采样和A/D转换；由于输入的焊接参数比较多，为了扩展模拟量输入端口，基值电流、峰值电流、脉冲周期和占空比调节参数通过多路开关74HC4051送至ACH3，ACH0检测从逆变电源单元供给的+50V是否正常。
开关量信号通过P1和P2口输入，氩弧焊炬起动命令的传输线因6000V引弧脉冲电压的感应有很高电压，在进入微机P1.1口前要进行隔离，以免损坏CPU芯片。
P1.0口输出电磁气阀的开关信号；P1.6口输出高压脉冲引弧器的开关信号，以控制高压脉冲引弧；P2.0和 P2.1与焊接单元进行通信。
(3)显示和驱动
在输出面板上设置两组数码显示管，分别显示焊接电流和焊接电压，在焊机空载时，显示设定值，在焊机焊接时显示实际值，由控制系统自动进行切换。
(4)工频高压脉冲引弧器
采用倍压加迭加升压技术，通过多个磁芯原侧绕组的并联，最后在迭加式升压变压器的副侧绕组上产生脉冲幅值为6000V的脉冲列。由于采用工频高压脉冲引弧，无高频辐射，对人体和电气设备无危害。
(5)软件流程
TIG送丝单元的微机控制系统的软件包括主程序、软件定时中断服务程序、串行口中断服务程序以及多个功能程序块组成。
①主程序。主要完成计算和存储单元初始化；软件定时中断和串口中断的设置；延时等待系统上电复位所需要的稳定时间；设置WATCHDOG监视定时器及溢出标志，然后等待中断。
②串口中断服务程序。MIG单元发送给主单元的数据帧格式如图4所示。
为了提高数据传输的可靠性，每帧数据以#CCH开头，紧接着是#11H，最后以#19H结尾，数据中的前两个字节为标识码，代表是TIG送丝机单元所发送的数据，中间为经过TIG单元优化计算的控制数据，逆变电源单元每接收到一帧数据时，都会对这几个数据进行校验，确保在传输中未产生误码。数据帧中的每个参数都采用奇偶校验。
③软件定时中断。软件定时器中断每隔1ms中断一次，通过它调用各个功能子程序，实现对焊接参数的优化匹配和焊接过程的程序控制。
3 抗干扰及可靠性设计
随着变频调速技术和大功率开关电源的大量使用，电网受到高次谐波噪声的污染越来越严重，这些谐波噪声通过电源传入焊机，造成传导电磁干扰，严重影响焊机工作的可靠性[4]。另一方面，焊机的逆变电源也是一个电磁干扰源，当微机系统与主电路共地时，干扰尤为严重。此外，在TIG焊的高压脉冲引弧时，也会产生严重的干扰。因此，焊机的抗干扰及可靠性设计十分重要，它是确保焊机可靠工作的关键。
(1)电磁干扰滤波器。经电源传入的电磁干扰有共模干扰和差模干扰，其中共模干扰对焊机的危害最大。为此，电磁干扰滤波器的结构和参数确定，既要考虑能抑制共模干扰，又要考虑能抑制差模干扰，而且以抑制共模干扰为主。
(2)为了提高通信的可靠性，设计了光电隔离和电平转换电路。CPU的串行通信口P2.0和P2.1通过光电隔离与通信接口在地线上进行分离，减少外界信号对微机系统的干扰，由CPU输出的信号幅值为＋5V，通过电平变换，将传输的信号电压升至＋25V，这样即使在传输过程中信号受到干扰，也可以在接受端通过数字滤波将干扰滤除。
(3)焊炬操作电路的隔离。TIG焊的启动和停止都是由焊炬上的控制开关操作的，而在高压脉冲引弧过程中，引弧器产生的6000伏高压通过焊炬引线传输到钨极，在钨极与工件之间产生火花放电引弧。因此，控制开关的连线必定会感应很高的干扰电压，重则会击坏控制板上的元件，轻则会对微机系统产生严重干扰。为此，设计了变压器隔离电路使得焊炬开关的操作电路必须隔离。
模块化数字控制焊接系统经过实验室试验研究，试制出样机，经过实验室试验和现场工业试验，可得出以下结论：
(1)在IGBT逆变器基础上引入80C196KC单片微机的实时控制和模块化设计，使焊接系统经过模块化的组合，具有CO2/MIG/MAG半自动焊、脉冲TIG焊、连续TIG焊和MMA焊等多功能。并为以后的扩展留有余地。
(2)通过模块化设计，减小了功能模块之间以及功能模块对逆变焊接电源的干扰。保证了焊接系统的可靠工作。
(3)制定了逆变焊接电源与MIG送丝单元和TIG氩弧焊单元之间的通信协议，为了提高通信的可靠性，在硬件和软件上使用了多种纠错算法，使各个单元之间的组合连接十分简单可靠。
参考文献
1 刘 嘉，卢振洋，殷树言等.电焊机的数字化[J].焊接学报，2002；123(1)：88～92
2 周 洁.逆变电源的数字控制技术电焊机[J].电焊机，2004；(12)：8～10
3 孙涵芳.Intel 16位单片机.北京：北京航空航天大学出版社，1995
4 张松春，赵秀芬.电子控制设备抗干扰技术及其应用.北京：机械工业出版社，1989