《電子技術應用》
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模塊化數(shù)字控制焊接系統(tǒng)的研究

《電子技術應用》
2008-03-31
作者:張 濤,桂衛(wèi)華,王隨平

  摘 要: 研究一種采用模塊化設計的數(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)硬件結構框圖、軟件流程以及在強電磁干擾下的可靠性設計。
  關鍵詞: 數(shù)字控制 逆變焊接系統(tǒng) 模塊化


  隨著技術進步,新型材料不斷涌現(xiàn),并在焊接結構中大量采用,這對焊機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合,所以對焊機提出多功能要求[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">逆變電源帶來嚴重干擾。因此,采用模塊化設計,不但可以提高焊機的擴展性,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,提高焊機的可靠性[2]。
  模塊化數(shù)字控制焊接系統(tǒng)包括:單片機控制的IGBT逆變式焊接電源單元、單片機控制的TIG氬弧焊單元,單片機控制的MIG送絲單元,并為以后的擴展留有接口。其中焊接電源單元可單獨進行普通MMA焊、點焊和碳弧氣刨,配上TIG焊裝置可進行普通的或脈沖的TIG焊,配上送絲機單元可進行普通的或脈沖的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,單片微機都能對焊接參數(shù)進行優(yōu)化匹配,使焊接電源都有優(yōu)良的動特性,達到焊接性能的優(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,焊機的體積和重量與電源頻率成反比地縮小和減輕,使焊機便于攜帶。另外,整機功率因素和效率有了很大提高,與傳統(tǒng)直流焊機相比可節(jié)能40%左右。
1.2 控制電路
  控制電路由80C196KC" title="80C196KC">80C196KC單片機系統(tǒng)和欠壓、過熱、短路保護等多種保護電路組成。80C196KC微機系統(tǒng)的功能是:①對焊接電流、弧電壓等焊接參數(shù)模擬量進行采樣和A/D轉換;②對欠壓、過熱、短路保護信號的響應;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行數(shù)字閉環(huán)控制,使焊機輸出外特性滿足焊接工藝要求;④對焊接技師的焊接經(jīng)驗參數(shù)進行存儲;⑤對焊接電流的預置值、實際值和電弧電壓值進行數(shù)顯。
1.3 軟件流程
  焊接電源單元的微機控制系統(tǒng)的軟件設計由多個功能程序塊組成,包括主程序、軟件定時中斷服務程序和串行口中斷服務程序。
  (1)主程序。根據(jù)功能轉換開關的設置,判斷是MMA焊,還是TIG/MIG焊,根據(jù)串行口通信服務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,實現(xiàn)焊接工藝要求的外特性。
  (2)軟件定時器中斷服務程序。調(diào)用采樣子程序對弧電壓、預設焊接電流、實際焊接電流、電流推力調(diào)節(jié)、引弧電流調(diào)節(jié)等多個焊接參數(shù)進行采樣和A/D轉換,同時,對功能轉換命令進行掃描巡檢。并根據(jù)命令有無分別設置MMA焊標志、點焊標志、碳弧氣刨標志。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行顯示。
  (3)串行口中斷服務程序。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氬弧焊單元為例進行說明,TIG單元的系統(tǒng)框圖如圖3所示,主要由80C196KC微機系統(tǒng),輸入信號采集與處理,顯示驅動與逆變電源模塊的通信等幾部分組成。
  (1)80C196KC微機系統(tǒng)
  它由80C196KC型16位單片機,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)進行采集和優(yōu)化計算,通過通信接口與逆變電源單元進行參數(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行采樣和A/D轉換;由于輸入的焊接參數(shù)比較多,為了擴展模擬量輸入端口,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74HC4051送至ACH3,ACH0檢測從逆變電源單元供給的+50V是否正常。
  開關量信號通過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有很高電壓,在進入微機P1.1口前要進行隔離,以免損壞CPU芯片。
  P1.0口輸出電磁氣閥的開關信號;P1.6口輸出高壓脈沖引弧器的開關信號,以控制高壓脈沖引??;P2.0和 P2.1與焊接單元進行通信。
  (3)顯示和驅動
  在輸出面板上設置兩組數(shù)碼顯示管,分別顯示焊接電流和焊接電壓,在焊機空載時,顯示設定值,在焊機焊接時顯示實際值,由控制系統(tǒng)自動進行切換。
  (4)工頻高壓脈沖引弧器
  采用倍壓加迭加升壓技術,通過多個磁芯原側繞組的并聯(lián),最后在迭加式升壓變壓器的副側繞組上產(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,對人體和電氣設備無危害。
  (5)軟件流程
  TIG送絲單元的微機控制系統(tǒng)的軟件包括主程序、軟件定時中斷服務程序、串行口中斷服務程序以及多個功能程序塊組成。
 ?、僦鞒绦?。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置;延時等待系統(tǒng)上電復位所需要的穩(wěn)定時間;設置WATCHDOG監(jiān)視定時器及溢出標志,然后等待中斷。
 ?、诖谥袛喾粘绦?。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?,每幀?shù)據(jù)以#CCH開頭,緊接著是#11H,最后以#19H結尾,數(shù)據(jù)中的前兩個字節(jié)為標識碼,代表是TIG送絲機單元所發(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)進行校驗,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。
  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 抗干擾及可靠性設計
  隨著變頻調(diào)速技術和大功率開關電源的大量使用,電網(wǎng)受到高次諧波噪聲的污染越來越嚴重,這些諧波噪聲通過電源傳入焊機,造成傳導電磁干擾,嚴重影響焊機工作的可靠性[4]。另一方面,焊機的逆變電源也是一個電磁干擾源,當微機系統(tǒng)與主電路共地時,干擾尤為嚴重。此外,在TIG焊的高壓脈沖引弧時,也會產(chǎn)生嚴重的干擾。因此,焊機的抗干擾及可靠性設計十分重要,它是確保焊機可靠工作的關鍵。
  (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的危害最大。為此,電磁干擾濾波器的結構和參數(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,設計了光電隔離和電平轉換電路。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行分離,減少外界信號對微機系統(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,控制開關的連線必定會感應很高的干擾電壓,重則會擊壞控制板上的元件,輕則會對微機系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重干擾。為此,設計了變壓器隔離電路使得焊炬開關的操作電路必須隔離。
  模塊化數(shù)字控制焊接系統(tǒng)經(jīng)過實驗室試驗研究,試制出樣機,經(jīng)過實驗室試驗和現(xiàn)場工業(yè)試驗,可得出以下結論:
  (1)在IGBT逆變器基礎上引入80C196KC單片微機的實時控制和模塊化設計,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。并為以后的擴展留有余地。
  (2)通過模塊化設計,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
1 劉 嘉,盧振洋,殷樹言等.電焊機的數(shù)字化[J].焊接學報,2002;123(1):88~92
2 周 潔.逆變電源的數(shù)字控制技術電焊機[J].電焊機,2004;(12):8~10
3 孫涵芳.Intel 16位單片機.北京:北京航空航天大學出版社,1995
4 張松春,趙秀芬.電子控制設備抗干擾技術及其應用.北京:機械工業(yè)出版社,1989

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