CO2焊接逆變電源及其智能模糊控制

摘要：在分析CO2焊接過程控制特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了恒流型IGBT逆變電源。在不同的熔滴過渡形式下，提出了弧長和短路頻率智能模糊控制方案。試驗(yàn)證明，采用該技術(shù)有助于克服CO2焊接存在的不足，可以更好地實(shí)現(xiàn)電弧狀態(tài)的控制。

關(guān)鍵詞：逆變電源模糊控制CO2焊接

An Inverter－ type Power Supply and Fuzzy Control for CO2 Arc Welding

Abstract:Based on the foundation of analysis of CO2 welding process,a constant current (CC)IGBT inverter is developed.In case of different droplet－ transfer forms,fuzzy control schemes of arc length and short－ circuit frequency are put forwords.It is indicated by experiments that the existing shortcomings of CO2 welding can be overcome,and are states controlled more easily.

Keywords:Inverter－ type power supply Fuzzy control CO2 welding 　

??? CO2焊是一種重要的焊接方法，具有高效率、低成本的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的CO2焊接質(zhì)量受到焊接電源和控制方法的局限，存在飛濺大、成型差和焊接參數(shù)需要調(diào)節(jié)等缺點(diǎn)。近年來，隨著弧焊逆變器和微處理器技術(shù)等的進(jìn)步，為提高焊接質(zhì)量奠定了基礎(chǔ)，開發(fā)了新的CO2焊接控制方法。目前已經(jīng)出現(xiàn)了多種方案，但是其效果仍有局限，應(yīng)用較為困難[1～3]。如何合理地設(shè)計CO2焊逆變器和發(fā)展控制技術(shù)，是目前面臨的主要問題。本文對此進(jìn)行了探討，提出了技術(shù)方案，在電源恒流外特性控制基礎(chǔ)上，采用了具有自學(xué)習(xí)能力的模糊控制，獲得了較好的試驗(yàn)效果。

1簡單恒壓型CO2焊接電源的缺點(diǎn)

??? 對于普通的CO2焊接，大都采用變壓器抽頭調(diào)節(jié)的平特性焊機(jī)，或恒壓控制和晶閘管焊機(jī)，配合等速送絲系統(tǒng)進(jìn)行焊接。雖然可獲得一定的弧長自調(diào)節(jié)能力，但飛濺大、成型差，工藝效果不好。

??? 分析其原因，這是與CO2焊接的物理過程有關(guān)。CO2焊接有自由過渡和短路過渡兩種形式，且以短路過渡為常用。對于自由過渡，恒壓型電源對焊絲的熔滴過渡具有較強(qiáng)的排斥作用，造成其偏向和飛濺，難于應(yīng)用。對于短路過渡包括短路與燃弧兩個狀態(tài)，恒壓型電源通過在主電路串入電感來限制短路電流和提高燃弧能量，但難以很好兼顧。

??? 電弧負(fù)載經(jīng)歷著空載、短路和燃弧狀態(tài)的變化，并且都是正常的工作狀態(tài)。在短路時，對于電源和負(fù)載來說，必然要以控制電流為目標(biāo)。而在燃弧時，對自動或半自動的CO2焊，需要更合適的弧長控制方法。短路過渡則希望有合適的短路過渡頻率，以改善過程穩(wěn)定性。顯然，恒壓型電源不符合熔滴過渡過程要求。

2恒流型逆變電源的特點(diǎn)

??? 基于上述分析，本文采用恒流型技術(shù)方案，設(shè)計了CO2焊接逆變電源。該電源采用IGBT器件和單端正激電路，工作頻率20kHz。電路原理如圖1所示。電源具有恒流閉環(huán)控制系統(tǒng)和可控的電子電抗器特性，以滿足CO2焊接過程的電流控制。通過輸出狀態(tài)判斷，進(jìn)行了變結(jié)構(gòu)控制。當(dāng)電源空載和輕載時，進(jìn)行脈寬控制，以提高電源的可靠性。當(dāng)短路時，焊接電流切換為峰值，保證重新燃弧；當(dāng)弧長波動過大時，又切換為小電流維弧，在相對較大的送絲速度的作用下，恢復(fù)弧長。

當(dāng)給定電流與送絲速度在一定范圍時，電弧穩(wěn)定而無短路過程，即自由過渡。當(dāng)送絲速度較大時，將產(chǎn)生不斷的燃弧、短路過程，即短路過渡。調(diào)節(jié)送絲速度，可得到不同的熔滴過渡形式，并改變電弧電壓工作點(diǎn)和短路過渡頻率。由于階梯特性很強(qiáng)的門限控制和約束作用，具有一定的自適應(yīng)特點(diǎn)。與平特性電源比較，避免了平特性對熔滴過渡的排斥作用，使電弧柔順，飛濺小。電流和送絲速度獨(dú)立調(diào)節(jié)，兩者的配合可以控制電弧狀態(tài)和焊縫成型。但是，這種方法仍存在明顯不足：當(dāng)送絲速度和焊槍高度波動時，效果不盡理想，表現(xiàn)在兩方面，即自由過渡的電弧弧長變化，短路過渡時短路頻率變化，從而影響過程穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量。

圖1恒流型焊接逆變電源

（a）20A,100μs/格

（b）20A,5ms/格
圖2輸出電流動態(tài)過程

3智能模糊控制系統(tǒng)

　　為了解決恒流型電源的不足，引入微機(jī)控制和模糊控制技術(shù)。系統(tǒng)可相應(yīng)地進(jìn)行自由或短路不同控制方案。自由過渡的控制較為簡單，其目標(biāo)即維持合適的電弧電壓來保證穩(wěn)定弧長。短路過渡除了對短路過程的電流和燃弧電壓控制外，還要進(jìn)行短路頻率控制。

圖3中的低成本單片機(jī)系統(tǒng)可代替模擬電子電路的簡單切換，即采用“微機(jī)＋模擬”的方式，實(shí)時調(diào)整焊接電流和動特性。該設(shè)計接口容易，簡單可靠，具有更好的可控性。通過工藝試驗(yàn)，在不同的工作狀態(tài)下，建立了開環(huán)條件下送絲速度與焊接電流的適用范圍關(guān)系，以及與動態(tài)性關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，實(shí)施適智能控制方案。

圖3微機(jī)控制焊接逆變電源

3．1自由過渡的弧長控制

　　根據(jù)開環(huán)試驗(yàn)粗選的焊接送絲速度與電流，系統(tǒng)在焊接中因擾動導(dǎo)致弧長不穩(wěn)定，通過焊接電壓反饋和模糊控制調(diào)節(jié)，控制器采用單片機(jī)構(gòu)成和實(shí)現(xiàn)。

設(shè)燃弧電壓偏差為E，燃弧電壓偏差變化率為EC，焊接電流調(diào)整量為△I，選取其論域、模糊語言變量,按照正態(tài)分布確定隸屬函數(shù)。燃弧電壓偏差考慮了熔滴尺寸造成的波動，有助于克服電弧暴躁。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定規(guī)則，然后按照FUZZY推理合成規(guī)則計算出模糊關(guān)系矩陣，選用加權(quán)平均法解模糊，構(gòu)成控制系統(tǒng)查詢表。它實(shí)時處理速度快，反映了模糊控制并行處理、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。

E={NB、NM、MS、NO、PO、PS、PM、PB}

EC={NB、NM、NS、0、PS、PM、PB}

△I={NB、NM、NS、0、PS、PM、PB}

基本模糊器設(shè)計有主觀性，要根據(jù)試驗(yàn)來確定，且不是唯一的，以達(dá)到較滿意的控制效果為目標(biāo)。由于電壓的偏差考慮了瞬時熔滴過渡，是符合實(shí)際特點(diǎn)的。同時，軟件設(shè)定了電壓門限，當(dāng)偏差過大時電流下降到維弧電流，當(dāng)接近短路時則進(jìn)行短路控制。

圖4 弧長模糊控制原理

3．2短路過渡的過程控制

短路過渡的控制可分為兩個層次，一是僅對短路過程本身的控制，二是通過短路頻率控制保證穩(wěn)定性。這里首先討論短路過程控制。

短路過渡是短路和燃弧的交替過程。短路期間實(shí)際上是控制電流上升，燃弧期間才是控制弧長，即電弧電壓控制。與傳統(tǒng)控制方法相比，這是分時控制。短路期間的電流控制原理可根據(jù)電弧物理狀態(tài)而進(jìn)行，但實(shí)際上由于逆變器短路時間常數(shù)（L/Rsc）大，因此尚難得到理想效果。為了簡化設(shè)計，采用了短路后電流不變，延時（1ms）后控制電流上升率。在燃弧期間，通過電弧電壓反饋和模糊控制，調(diào)整電流來控制弧長，方案與上相同。

但是，由于焊接過程的隨機(jī)性，僅對短路過程本身控制還不夠。在給定的弧壓控制下，擾動將引起短路頻率變化。因此，還需引入短路過渡的頻率控制。

3．3短路過渡的頻率控制

以短路頻率給定為目標(biāo)，實(shí)際短路頻率偏差E，偏差變化率EC，用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)模糊控制器，控制量為燃弧電壓給定值△U。然后，在上述弧壓控制過程中，實(shí)現(xiàn)逆變器的電流調(diào)整。這是一種間接控制?？紤]這一控制的低頻特點(diǎn)，約0.25s進(jìn)行一次修正，計算量較少。為了便于靈活調(diào)整，未采用固定的模糊控制表，而是采用了具有修正因子的控制器。

△Ug=αEi＋(1－α)ECi

其中0<α <1， i取 遍 所 有 量 化 等 級 。

這種方法不僅簡單靈活，而且有明顯的物理意義。它模仿了人工操作手動控制的思維特點(diǎn)，修正因子的大小表示對偏差和偏差變化率所加的權(quán)重。同時，反映了人工思維過程的連續(xù)性和瞬時單值性特點(diǎn)，而且可避免控制規(guī)則可能的不平滑性。修正因子的大小可通過多次試驗(yàn)和離線調(diào)整選擇。

　　考慮到電弧過程的影響因素復(fù)雜和時變特點(diǎn)，上述完全根據(jù)試驗(yàn)建立的模糊控制系統(tǒng)應(yīng)該引入一定的適應(yīng)能力。當(dāng)誤差較大時，系統(tǒng)控制量應(yīng)加大比例成分、減少微分分量以提高響應(yīng)速度，即應(yīng)取較大的α。否則相反。根據(jù)這一想法，在對修正因子有一定約束的條件下，采用線性插值的方法，調(diào)整控制因子。

α=[(αH－αL)Ei/m]＋αL

αH、αL分別為α的最大和最小取值，m為量化等級數(shù)。

可看出，該方法避免了復(fù)雜的計算過程，只需經(jīng)過簡單的比較及加減法即可，便于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。在上述公式中，通過實(shí)時修正控制因子，達(dá)到自學(xué)習(xí)目的。

3．4雙旋鈕自適應(yīng)調(diào)節(jié)方式

在焊機(jī)面板上，設(shè)定兩個電位器。一個為名義平均電流，設(shè)定送絲速度。另一個為名義平均電壓，設(shè)置電弧狀態(tài)，當(dāng)自由過渡時是弧長（弧壓），當(dāng)短路過渡時是頻率。其大小決定自由過渡或短路過渡焊接模式，從而選取不同的控制參數(shù)和策略方法。查表確定焊接電流初值，通過智能控制，調(diào)整焊接電流，實(shí)現(xiàn)對電弧和熔滴過渡的控制。

與普通CO2的一元化控制不同，該系統(tǒng)可由操作者選擇，實(shí)現(xiàn)了電弧狀態(tài)可控，而不是局限于某一狀態(tài)，同時又實(shí)現(xiàn)了智能化的自適應(yīng)控制?？煞Q之為“雙旋鈕自適應(yīng)調(diào)節(jié)”。

4試驗(yàn)結(jié)果

采用這種自行研制的IGBT逆變電源進(jìn)行了CO2氣體保護(hù)焊接，焊絲為直徑0.8mm的H08Mn2Si覆銅焊絲，分別采用了200A拉絲焊槍和S86A推絲式送絲機(jī)進(jìn)行焊接試驗(yàn)。

模糊控制的自由過渡，提高了弧長穩(wěn)定性，同時電弧柔順，焊接過程幾乎無飛濺，成型良好。在平焊位置，具有最好效果。智能模糊控制的短路過渡，飛濺較自由過渡略有增加，但過程穩(wěn)定?？煽囟搪奉l率約80Hz。在較低頻率，半自動焊能獲得最佳效果，可以獲得細(xì)密的焊縫而無粗大波紋。高頻時焊縫熔深小、堆高大、需相應(yīng)提高焊接速度。

如圖6所示，為恒流CO2逆變電源的短路過渡電流波形，其中（a）、（b）分別為智能模糊控制前后的波形。

圖5短路頻率模糊控制

(a)

(b)
圖6CO2逆變電源焊接電流波形

5結(jié)論

在分析了CO2焊接過程控制特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了恒流型IGBT逆變電源，并進(jìn)而提出了弧長和短路頻率智能模糊控制方案。試驗(yàn)表明，采用該技術(shù)，有助于克服CO2焊接存在的飛濺大、成型差和參數(shù)調(diào)節(jié)問題，可以更好地實(shí)現(xiàn)電弧狀態(tài)的控制。