單片機控制弧焊逆變器的研究

宋進軍

0 引言

隨著大規模和超大規模集成電路的迅速發展，使計算機日趨小型化、價格低廉、工作可靠、體積小、功率強，已被廣泛用于各個行業，其中包括對弧焊逆變器的控制[1]。用計算機控制的焊機，制造方便，有較好的試用性和通用性。然而計算機對于焊機來說，價格昂貴，體積大，而單片機是以工業控制為目的設計的，將計算機的一些功能集成在一塊芯片上，體積小且價格便宜，用在焊機上的性能價格比較高，因此單片機控制的弧焊電源應運而生[2，3]，并得到了很快的發展。

1 原理

本文采用 MCS-51系列中的 8031型 8位單片機控制弧焊逆變器。主要研究它對 TIG/MIG自動焊逆變器及設備的控制[4，5]。為實現對弧焊逆變器設備輸出外特性、直接與脈沖參數變換、焊接程序及過程等的控制[6]，本控制系統主要設立如下通道和接口(見圖 1)。

其中，模擬量輸出通道4個:電弧電壓Uf、焊接電流 If或送絲速度vs、焊接速度vH及備用通道;模擬量輸入通道 8個:電弧電壓、焊接電流、焊接速度等模擬量的實值檢測;開關量輸出通道 8個，用于啟動、應答、送氣、送電、引弧、送絲及停止等的程序控制;開關量的輸入通道 16個，用于檢測各種故障的信號;其他通道:報警通道，與IBM-PC微機進行通信的RS-232接口等。

系統工作原理，是借助鍵盤、撥動開關選擇，并經過模擬量通道輸入焊接全過程的規范參數，然后通過鍵盤和開關量通道發出焊接指令。這時，微機接上弧焊逆變器和設備的各有關通道，并發出提前送氣指令，然后是引弧指令。引弧成功后，微機自動把電流從小遞增到預定值。若是TIG焊，焊接電流通過電流反饋實現恒流特性控制。若是 MIG焊，微機控制系統通過對電、電流信號(借助模擬量輸入通道)的采集比較，使焊絲速度和電弧電壓調節到恒定規范。待工件預熱到一定時間后，微機發出啟動行走機構指令，并輸出一定數值的焊接信號，微機在焊接過程中顯示出實際焊接電流及電弧電壓值(包括空載電壓)，自動進行焊接過程中的規范變換。收弧時，微機發出收弧指令，進行收弧處理。若在焊接過程中或焊接結束后微機檢測到故障信號，則故障信號由開關量轉為數字量，以中斷方式供微機處理，中斷一切工作，發出警報，并顯示故障原因，以便操作者查找并排除故障;故障排除后可以按焊接鍵，再次進行焊接。

2 硬件設計

整個微機控制系統有8031主機模板、數字I/O模板、工業 I/O模板、D/A模板、A/D模板、開關量輸出模板、電源模板，經BASE總線母板連接而成。主機板采用高檔 8位 MCS-51系列單片機中的8031微處理機，主振:7.372 8MHz，存儲空間范圍大。程序存儲器基本配置為8 K字節，可擴到64 K字節，數據存儲器基本配置為2 K字節，可擴到32K字節。可編程I/O口36位，接鍵盤顯示板。鍵盤顯示板有 8個LED數碼顯示器，32個鍵盤。此外，還有一個RS-232串行口，可直接和IBM-PC系統相接，并經過總線連接驅動、隔離，驅動力較大，抗干擾性能好。數字 I/O模板具有48路可編程I/O口，選 8個 I/O口作撥動開關狀態輸入。模擬量輸出、輸入通道分別為 4個和 8個。D/A，A/D轉換精度均為 8位，轉換速度最快為:D/A 1μm，A/D 333μm。開關量輸出板8路光電隔離，工業 I/O模板具有 16路光電隔離輸入，8路光電隔離輸出，由該板故障開關量信號。供電電源板完成控制系統的供電及掉電保護等，能輸出5 V，12V和24 V直流穩壓電源。

3 軟件設計

本軟件采用分層結構化思想，將整個軟件程序模塊化，模塊功能單一化，提高軟件的可靠性，便于維修和調試，縮短研制周期。

軟件結構完成如下任務:

系統初始化處理，包括工作單元初始焊接參數設置，單片機中斷系統的編程，片內定時器和片外的I/O編程;顯示器管理，包括8位LED動態顯示、子程序和顯示內容控制程序;鍵盤管理，包括鍵掃描、鍵識別、鍵處理和鍵命令執行;實際焊接時電流、電弧電壓的檢測。焊接電流(或電弧電壓)、焊接速度給定值的檢出控制，包括A/D，D/A轉換，數字濾波，線性處理等;開關量的輸出控制和開關量輸入的檢測及處理;對電流、電壓模擬量及故障開關量輸入的檢測，對越限熄弧、氣壓不足等故障進行診斷報警處理;焊接過程的順序控制(包括送氣、啟/停小車、電流遞增和衰減、規范的自動切換)。這一切由定時器 0，定時器 1中斷服務程序完成;參數值數制轉換，數值運算，參數的傳遞及規范地址的計算等。

4 結語

此微機控制的弧焊逆變器可以實現以下功能:

1)外特性控制:通過不同的算法可獲得恒流特性、恒壓特性、斜率不同的其他外特性和恒定輸出功率特性的任意控制，以滿足各種弧焊方法和場合的需要;2)動特性控制:借助于運放PI調節器組成的電子電抗器對焊接過程的短路電流上升率進行控制，從而得到上升率的一個優化范圍，使熔滴有節奏地過渡，減小飛濺; 3)預置主要參數:根據不同的焊絲直徑、保護氣體成分進行預置焊接參數，再現記憶，監控各組焊接參數，根據不同需要變換參數;4)實現單選鈕調節功能:即根據工件厚度不同，同時按所需的電弧電壓、電流，甚至電感量的一元化調節，而不必逐個調節這些焊接參數;5)對焊接電流波形的控制:通過軟件設計，可以獲得各種各樣適合焊接的脈沖電流波形、脈沖頻率、脈沖電流、基值電流、脈沖寬度，占空比以及脈沖前后沿斜率的任意控制，以便對電弧功率實現精確控制;6)對焊接工藝程序和焊接故障的控制:如先通氣后通電、電流的遞增和衰減，以及在焊接過程中可能產生的粘絲、滅弧、過電流、觸嘴等故障進行診斷和報警。

[1] 黃石生.逆變理論與弧焊逆變器[M].北京:機械工業出版社，1995.

[2] W Lueas:Computer in a rewelding-the next industrial revolution.Partla:An introduction to computer technology[J].Metal Construetion，1984(10):633-666.

[3] W Lueas:Computer in a rewelding-the next industrial revolution.Partla:Computers in arc welding-then next industrial revolution[J].Metal Construetion，1985(1):30-34.

[4] 韓贊冬.單片機控制IGBT逆變式脈沖TIG焊電源的研究[J].電焊機，2001，19(3):4-6.

[5] 殷樹言，鋼 鐵，李 濤.弧壓式脈沖MIG焊電源微機控制系統的研究[J].哈爾濱工業大學學報，1994(8):16-17.

[6] 趙家瑞.智能控制MIG焊熔滴過渡[J].電焊機，2007，19 (2):11-14.